EP3628062A1 - Windturbine und verfahren zur erzeugung von elektrischer energie - Google Patents

Windturbine und verfahren zur erzeugung von elektrischer energie

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EP3628062A1
EP3628062A1 EP17715386.3A EP17715386A EP3628062A1 EP 3628062 A1 EP3628062 A1 EP 3628062A1 EP 17715386 A EP17715386 A EP 17715386A EP 3628062 A1 EP3628062 A1 EP 3628062A1
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EP
European Patent Office
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wind turbine
rotor
convergent
air flow
inner body
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17715386.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Adler
Marian MARINOV
Ventsislav DIMITROV
Alex Keller
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KELLER, ALEX
Original Assignee
Individual
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Publication date
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    • Y02E10/70—Wind energy
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Definitions

  • the present invention relates to a wind turbine and a method for generating electrical energy from an air stream by means of this wind turbine.
  • Wind turbines are currently being developed with rotors with a large diameter of up to 164 meters, for example the type Vestas V164-8.0, with plants with a high energy density currently being up to 10 MW.
  • Development trends up to 2020 are aimed at the creation of offshore wind turbines with a maximum capacity of approximately 20 MW and a rotor diameter of up to 300 meters.
  • CONFIRMATION COPY Recent developments aim to achieve high efficiency by appropriate transformation of local airflows through which higher energies are generated by concentrating relatively small air masses. Two principles can be used and combined, namely concentrating and accelerating local airflows to produce a high dynamic pressure, and generating a turbulent airflow to create a static pressure differential.
  • US 2004/0183310 A1 describes a simple wind energy generator having a funnel-shaped housing with a large inlet, which has a concave inner surface which tapers to an outlet, in which a propeller-operated electric generator is arranged.
  • the wind energy generator is based on Bernoulli's principle that an incoming wind is accelerated in the funnel-shaped housing and directed at high speed on the propeller.
  • a wind turbine which can generate a significant amount of electricity with a relatively small capacity air flow, in view of the above drawbacks of the prior art.
  • the aim of the invention is also to improve the efficiency and effectiveness of wind turbines. This object is achieved in a first aspect of the present invention by a wind turbine (1), comprising
  • an inner body (3) having a cylindrical base body (301) with an upstream mounted hood (307) and a generator (303) arranged in the cylindrical base body (301),
  • an outer body (5) which has a housing shell (501) and at least one funnel component (503) arranged in the housing shell (501), whose cross-section decreases in the flow direction, and a calotte component (505) arranged downstream in the housing jacket (501),
  • At least one support rib (7) which connects the inner body (3) with the outer body (5)
  • a power turbine (9) arranged at the downstream end of the inner body (3) and connected to the generator (303) with a rotor (901), the outer body (5) having at least one convergent (507) with the inner body (3) ) extending along the length of the inner body (3), and wherein the outer body (5) adjoins the downstream end of the inner body
  • the object is further achieved in a second aspect of the present invention by a method for generating electrical energy from an air stream by means of the wind turbine (1) according to the invention, comprising the steps:
  • the invention has the advantages that initially the efficiency of the individual wind turbines (1) is higher compared to conventional wind turbines, since there is basically no limit in the usable wind speed. In addition, the space requirement of the individual wind turbines (1) is lower, which increases the wind use per unit area many times. Furthermore, several wind turbines (1) can be mounted on a conventional mast (13). To produce the above-mentioned electric power of, for example, 175 MW, the present invention requires only 13 masts (13) (instead of 87) each with seven wind turbines (1) according to the invention and an area of only about 22,500 square meters (instead of 870,000) square meters). The invention will be described in detail below.
  • the first aspect of the invention relates to a wind turbine (1) comprising an inner body (3) having a cylindrical body (301) with hood mounted upstream (307) and a generator (303) arranged in the cylindrical body (301) ,
  • the wind turbine (1) further comprises an outer body (5) having a housing shell (501) and at least one in the housing shell (501) arranged funnel component (503), whose cross-section decreases in the flow direction, as well as in the housing shell (501) downstream arranged calotte component (505).
  • the wind turbine (1) comprises at least one support rib (7) which connects the inner body (3) to the outer body (5), and one arranged at the downstream end of the inner body (3) and connected to the generator (303). connected power turbine (9) with a rotor (901).
  • the wind turbine (1) is characterized in that the outer body (5) forms with the inner body (3) at least one convergent (507) extending the length of the inner body (3), and the outer body (5) forming a divergent (509) subsequent to the downstream end of the inner body (3).
  • convergent in the present invention is meant a convergent flow channel viewed in the flow direction, i. a horizontal flow channel with a uniformly decreasing cross-section.
  • the convergent (507) serves to optimize the air flow in the wind turbine (1).
  • divergent in the present invention is meant a divergent flow channel viewed in the flow direction, i. a horizontal flow channel with a rapidly increasing cross-sectional area.
  • the divergent (509) serves for the cross-sectional enlargement of the flow channel.
  • the term “rotor” refers to the rotating (rotating) element of the power turbine (9).
  • the hub of the rotor (901) is made reinforced so that it not only supports the rotor blades (9011) but at the same time acts as a flywheel. The reinforcement may be a larger diameter or broadening of the hub or use of a higher density material.
  • the outer body (5) is arranged around the inner body (3) and forms in particular the outer shell of the wind turbine (1).
  • the inner body (3) is preferably torpedo-shaped and has on its cylindrical base body (301) upstream of a preferably streamlined, conical dome (307).
  • generator (303) preferably an electric generator, preferably a transmission (305), in particular a planetary gear, is connected.
  • at least one support rib (7) connects the inner carcass (3) to the outer carcass (5).
  • the at least one support rib (7) can be arranged on the cylindrical base body (301), i. be fixed, and support the arranged in the housing shell (501) hopper component (503).
  • the outer body (5) faces upstream, i. at inlet to the convergent (507), an inlet port (101) and downstream, i. at the outlet of the divergent (509), an outlet opening (103).
  • the wind turbine (1) according to the invention has a length of 5 meters to 10 meters, in particular from 7 meters to 8 meters, and a diameter of 2 meters to 5 meters, in particular 3 meters to 4 meters.
  • the weight of the wind turbine according to the invention (1) depends on the dimensions between 15 tons and 25 tons, in particular at about 20 tons (comparable conventional wind turbines have a weight of 120 tons to 150 tons).
  • the wind turbine (1) according to the invention offers a high sensitivity to wind speeds, but is robust and weatherproof.
  • the efficiency of each wind turbine (1) is almost three times higher compared to conventional wind turbines.
  • several (up to 15) wind turbines (1) according to the invention can be mounted on a conventional mast (13) become.
  • the operation of the wind turbine (1) according to the invention is already possible at a height of 30 meters, while conventional wind turbines require heights of 70 meters to 150 meters. It is therefore possible to condition individual wind turbines (1) according to the invention for use, for example, in industrial operations.
  • a single wind turbine (1) according to the invention can be maintained without having to completely switch off an entire system of several wind turbines (1).
  • the cost of transport and assembly is much lower and more environmentally friendly, because the wind turbines (1) are relatively compact and small and comparatively light, compared with conventional wind turbines.
  • a conventional wind turbine with 7 MW output (for example from Vestas) requires an investment of about 2.5 million euros.
  • the cost of manufacturing a wind turbine (1) according to the invention are at least comparable with the costs of conventional wind turbines, but are generally much lower.
  • the already existing infrastructure for example masts, feed, etc.
  • the at least one support rib (7) is formed spirally in the flow direction.
  • the air flow entering the wind turbine (1) according to the invention at the inlet opening (101) is transformed from the linear movement into a spiral movement.
  • the air flow is deflected by 50 ° to 70 °, preferably by 55 ° to 65 °, in particular by 60 °, from the linear movement of the original air flow in order to optimally utilize the energy of the incoming air flow.
  • the carrier rib (7) has a cross section corresponding to the cross section of an aircraft wing and thereby has a streamlined, aerodynamic shape, resulting in an improvement in dynamics.
  • the wind turbine according to the invention (1) has two or more support ribs (7a, 7b), which connect the inner body (3) with the outer body (5), ie the cylindrical base body (301) with the funnel component (503), and forming two or more partial convergents (507a, 507b, ...), ie, two or more flow-like spiraled flow channels directed at their downstream end to the rotor (901) of the power turbine (9).
  • the two or more support ribs (7a, 7b) are preferably arranged uniformly along the circumferential length of the inner body (3) and have a uniform spiral state path along the entire length.
  • the wind turbine (1) according to the invention comprises four support ribs (7a, 7b, 7c, 7d) which divide the convergent (507) into four partial convergents (507a, 507b, 507c, 507d).
  • the power turbine has ( 9) in the flow direction in front of the rotor (901) on a front stator (903).
  • the front stator (903) has guide elements (9031) which may also be shaped like aircraft wings. The guide elements (9031) serve to direct the air flow targeted to the rotor (901), ie the rotor blades (9011).
  • the guide elements (9031) are preferably at an angle of 50 ° to 70 °, preferably 55 ° to 65 °, in particular 60 °, to the longitudinal axis of the wind turbine (1) and may have a cross-section like an aircraft wing.
  • the rotor blades (9011) are arranged on the rotor (901) so that they are at an angle of 80 ° to 100 °, preferably from 85 ° to 95 °, in particular of 90 °, to the guide elements (9031). As a result, the energy of the incoming air flow is optimally utilized.
  • the power turbine (9) in the flow direction behind the rotor (901) have a rear stator (905), which swirls the air flow emerging from the rotor (901) due to a lattice effect.
  • the turbulence at the fins (9051) of the rear stator (905) gives less loss by compression and the resulting energy is increased.
  • the lamellae (9051) are preferably at an angle of 80 ° to 100 °, preferably of 85 ° to 95 °, in particular of 90 °, to the rotor blades (9011).
  • the shaft of the rotor (901) is stored in the hub of the rear stator (905).
  • the rear stator (905) like the front stator (903), may be connected to the outer body (5) to form part of the support structure of the wind turbine.
  • the outer body (5) has two hopper components (503a, 503b) arranged concentrically with one another and forms two convergents (5071, 5073) with the inner body (3).
  • This embodiment offers the advantage of a mechanically more stable construction, so that the dimensions of the wind turbine (1) according to the invention can be increased without stability problems.
  • the wind turbine (1) according to the invention has twice four carrier ribs (71a, 71b, 71c, 71d, 73a, 73b, 73c, 73d) which subdivide the convergents (5071, 5073) into twice four partial convergents (5071a, 5071b, 5071c, 5071d, 5073a, 5073b, 5073c, 5073d).
  • the funnel components (503a, 503b) are advantageously connected by one or more support ribs (71a, 71b, 71c, 73a, 73b, 73c, ...) to one another and to the housing jacket (501).
  • the support ribs (71a, 71b, 71c, 73a, 73b, 73c, ...) are helically formed in the flow direction to transform the linear movement of the air flow into a spiral movement of the air flow.
  • the outer body (5) has a discharge channel (511) connected to the downstream area of the at least one convergent (507) at least one convergent (507) is completely or partially closable by means of a closure device (513). In this way, a part of the air flow to the power turbine (9) are bypassed, in the style of a bypass, so that only a part of the air flow to the power turbine (9) acts.
  • the closure device (513) is preferably mechanically stored, e.g. against a spring element, and opens the discharge channel (511) at a predetermined pressure or at a sudden change in the wind speed.
  • the discharge duct (511) thus makes generator operation uniform according to the principle of a protection valve (i.e., opening and closing of a throttle valve). For very strong nominal winds, these can bypass the convergent (507) and reduce resistance to gusts of wind.
  • At least one compensating ring (11) may be arranged concentrically with the inner body (3) and the outer body (5) to guide the incoming airflow. Since the hood (307) of the inner body (3) is arranged in the center of the inlet opening of the wind turbine (1) according to the invention and thus constitutes an obstacle to the air flow despite the conical shape, the at least one compensation ring (11) contributes to turbulence-free introduction of the Air flow in the at least one convergent (507) at. For this purpose, the at least one compensation ring (11) can also have the cross section of an aircraft wing.
  • the at least one compensation ring (11) also has the effect of geometrically reducing the inlet opening (101) such that no animals (esp. Birds) or objects can penetrate into the at least one convergent (507) and block it.
  • the compensating ring (s) (11) form, together with the Beginning of the at least one support rib (7), a kind of protective grid in the inlet opening (101).
  • a method for generating electrical energy from an air stream by means of the wind turbine (1) according to the invention which first comprises the step a), the inclusion of an air flow from the environment in the at least a convergent (507) of the wind turbine (1) before, in step b), the air flow in the at least one convergent (507) is accelerated and compressed by increasing reduction in its cross-sectional area.
  • step c) the accelerated, compressed air flow is directionally directed to the rotor (901), thereby driving the power turbine (9), whereupon in step d) after passing through the rotor (901) the accelerated, compressed air flow into the divergent (509 ) is initiated and the air flow is slowed down and expanded.
  • step d) after passing through the rotor (901) the accelerated, compressed air flow into the divergent (509 ) is initiated and the air flow is slowed down and expanded.
  • a negative pressure on the downstream side of the rotor (901) is generated, which further contributes to the increase of energy.
  • the inventive method basically has the same advantages as the wind turbine (1) according to the invention.
  • the inventive method for the individual wind turbines (1) compared to conventional wind turbines has a high efficiency, since there is basically no limit in the usable wind speed.
  • step b) the linear flow movement of the air flow through the at least one carrier rib (7) is converted into a spiral flow movement, so that
  • step c) the accelerated, compressed air flow at an obtuse angle to the rotor (901) is passed, and
  • step d) in the divergent (509) a turbulent flow is generated.
  • the spiral flow movement is compared to the rectilinear flow movement by 50 ° to 70 °, preferably by 55 ° to 65 °, in particular deflected by 60 °, to optimally utilize the energy of the incoming air flow.
  • the obtuse angle, between the spiral flow movement and the rotor (901), or the rotor blades (901 1) is 80 ° to 100 °, preferably 85 ° to 95 °, particularly preferably 90 °.
  • step a) when a critical flow velocity of the air flow from the environment or sudden changes in flow velocity is exceeded, in step a) the closure device (513) is at least partially opened and at least part of the air flow through the discharge channel (511) on the rotor (901 ) is bypassed.
  • the closure device (513) is at least partially opened and at least part of the air flow through the discharge channel (511) on the rotor (901 ) is bypassed.
  • the present invention relates in a third aspect to the use of the above-described wind turbine (1) for generating electrical energy from an air stream, wherein in particular the method described above applies.
  • FIGS. 1 shows a schematic, partially sectioned illustration of a wind turbine 1 according to the invention according to an embodiment of the invention
  • Embodiment of the invention with convergent 507 and divergent 509 a diagram illustrating dynamic pressure and static
  • FIG. 1 a frontal view of a wind turbine 1 according to the invention according to an embodiment of the invention and 9a, 9b are schematic representations of several wind turbines 1 according to the invention on a mast 13.
  • FIG. 1 A wind turbine 1 according to an embodiment of the invention is shown schematically in FIG. 1 with the outer body 5 cut open, so that the convergent 507 and the divergent 509 with front stator 903, rotor 901 and rear stator 905 arranged therebetween are at least partially visible. Furthermore, the arrangement of a carrier rib 7 is shown.
  • Fig. 2 shows the inner body 3 according to an embodiment of the invention schematically, wherein the housing shell 301 is shown partially cut away. In the housing shell 301, a generator 303 are arranged with associated gear 305, wherein the shaft of the power turbine 9 is connected to the transmission 305 and thus to the generator 303.
  • FIG. 3a A schematic sectional view of an outer body 5 with funnel component 503 and calotte component 505 according to an embodiment of the invention is shown in FIG. 3a, from which the convergent 507 and the divergent 509 with their basic shape can be seen.
  • FIG. 3b depicts a diagram for illustrating dynamic pressure and static pressure, as prevail in principle in the convergent 507 and divergent 509 shown in FIG. 3a. On Fig. 3b will be discussed elsewhere.
  • FIG. 4 shows a schematic sectional view of a wind turbine 1 according to an embodiment of the invention, in which two concentric convergents 5071, 5073 are shown, which are reunited in a bundle zone 5075 in front of the front stator 903.
  • FIG. 4 also shows the arrangement of the power turbine 9 with front stator 903, rotor 901 and rear stator 905 between the convergents 5071, 5073, or the bundling zone 5075, and the divergent 509.
  • Fig. 5 shows a schematic representation of a wind turbine 1 according to the invention according to an embodiment of the invention, which is similar to Fig. 1, but as in Fig. 4, two concentric convergents 5071, 5073 has. Further, the inlet port 101 and the outlet port 103 are designated. The embodiment shown in Fig. 5 further comprises three compensation rings 11 in the inlet opening 101, the Pass air flow from outside around the hood 307 into the two convergents 5071, 5073.
  • FIG. 6 schematically illustrates in detail a wind turbine 1 according to the invention in accordance with a further embodiment of the invention.
  • This embodiment has two funnel components 503a, 503b, which form the two convergents 5071, 5073. Furthermore, the discharge channel 511 with the closure device 513 are shown here.
  • An embodiment of the power turbine 9 according to the invention is shown schematically in FIG. Partially cut, the front stator 903 with the guide elements 9031, the rotor 901 with the rotor blades 9011 and the rear stator 905 with the fins 9051 can be seen.
  • the guide elements 9031 are at an angle of about 60 ° to the longitudinal axis of the wind turbine 1 and at an angle of about 90 ° to the rotor blades 9011.
  • the fins 9051 are at an angle of about 30 ° to about 70 ° Longitudinal axis of the wind turbine 1.
  • Rotor blades 9011, guide elements 9031 and blades 9051 each have a cross-section like an
  • FIG. 8 A frontal view of a wind turbine 1 according to an embodiment of the invention is shown in Fig. 8.
  • the inner body 3 and the outer body 5 are concentrically connected by the support ribs 71, 73.
  • the funnel components 501 a, 503 b and the compensation rings 11 are arranged concentrically with the inner body 3 and the outer body 5. It is easy to see how this forms a kind of protective grid in the inlet opening 101.
  • FIGS. 9a and 9b schematically illustrate a plurality of wind turbines 1 according to the invention on a mast 13.
  • the mast 13 has a gondola 15 similar to conventional wind turbines, to which the wind turbines 1 according to the invention are attached.
  • working platforms 17 are further provided, which are technically poorly possible in conventional wind turbines, but according to the present invention allow easy and safe maintenance and repair of the wind turbine 1.
  • the pressure of a flowing fluid increases as its velocity decreases, i.e., decreases. conversely, the speed increases as the pressure decreases.
  • a flowing fluid e.g., a gas
  • This principle is applied, for example, in the geometry of aircraft wings, so that prevail at the top of a higher speed and thus a lower pressure, so that a buoyancy is generated.
  • the convergent 507 In order to reduce or prevent these losses, the convergent 507 must have a precisely defined optimum shape and proportions which allow the current to be accelerated in a linear relationship.
  • the convergent 507 is designed such that its cross-sectional area decreases with a predetermined dependency with the aerodynamic coefficient of 10 °. This allows a smooth and orderly acceleration of the airflow.
  • the sum of the static and dynamic pressures remains constant.
  • the dynamic pressure can be understood as the inertia in the collision of the moving air masses minus the wind pressure. Due to the acceleration of the air flow in the convergent 507, the dynamic pressure increases and the static pressure decreases (see Fig. 3b), the sum of which remains constant.
  • the drop in static pressure in the convergent 507 determines the movement of the airflow and the parabolic curve determines its acceleration.
  • the drop in static pressure leads to a drop in air density. The accelerated air is therefore expanded.
  • a "micro-tornado" is generated at high speed and very high dynamic pressure.
  • the combination of high speed and high dynamic pressure produces energy that is many times greater than that of a nominal airflow.
  • the usable kinetic energy of an airflow is proportional to the cube of the velocity of that airflow. Doubling the velocity of the air stream thus increases the usable kinetic energy by a factor of eight.
  • a turbulent air swirl is generated in the divergent 509 as a short, expanding duct. This effect can also be compared to a "micro-tornado".
  • the turbulent air vortex is a quasi dilution of the air and results in a drop in static pressure in the divergent 509 behind the rear stator 905. This is a spiral air vortex with high flow velocity and low linear entrance velocity.
  • the diluted air acts like a taut spring, which tries to shrink.
  • the turbulent drop in static pressure in divergent 509 creates a difference in static pressure and past the end of the convergent 507, which creates additional exit energy.
  • the dynamic pressure increases until the end of the convergent 507 and thereafter decreases rapidly due to the gradual decay in velocity and the sharp decrease in air density in the divergent 509.
  • a power turbine 9 with a rotor 901 is therefore placed at the end of the convergent 507 to transform the air flow (spiral) into a mechanical torque.
  • the linear motion of the air stream is transformed uniformly and in a controlled manner by helical rotary motion by elongate helical support ribs 7 fixed in the convergent 507. It is particularly advantageous to accelerate and transform the linear movement of the air stream smoothly and in a controlled manner into the spiral movement in order to prevent or minimize inertia loss. As a result, a better aerodynamic coefficient is achieved.
  • the accelerated air flow is preferably directed at right angles to the rotor 901 or the rotor blades 9011. This in turn increases the energy produced.
  • a spiral turbulent air vortex with high tangential but reduced axial velocity is passed through divergent 509. The effect can also be compared to a "micro-tornado" generated in divergent 509, not on its periphery.
  • the transformation of the local air flow which consists of the acceleration of the air flow in the convergent 507, together with the transformation of its straight-line motion into a spiraling motion and the generation of a powerful turbulent air swirl or a drop of the static pressure behind the rotor 901, into a mechanical one Torque enables the high output power concentration of the rotor 901 to have a significantly compact structure of the wind turbine 1, even at a low nominal wind speed. Consequently, the combination of a high mechanical torque with a high frequency of the power turbine 9 produces a significant output power, which is supplied to the electric generator 303. This makes it possible to operate the wind turbine 1 according to the invention already at a low nominal wind speed.
  • the aerodynamics of the Konvergent 507 is not trivial.
  • the wind turbine 1 of the present invention is more compact, lighter, and less expensive than conventional wind turbines. It has a high sensitivity to the wind speed with simultaneous absence of an upper critical speed.
  • the annual averaged capacity is 70% to 80% of the maximum power compared to a mean capacity of about 34% for conventional wind turbines.
  • the wind turbines 1 of the present invention do not interfere with each other when they are close to each other.
  • several wind turbines 1 can be positioned on a mast 13, ie at lower cost more power can be generated.
  • the individual masts 13 can be positioned closer together in a wind farm.
  • the present invention shows that, according to the invention, wind turbines 1 can be manufactured to produce high electrical energy with significantly lower initial investment.
  • 503a, 503b funnel components
  • 73a, 73b support ribs

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windturbine (1), umfassend - einen inneren Korpus (3), der einen zylindrischen Grundkörper (301) mit stromaufwärts angebrachter Haube (307) und einen in dem zylindrischen Grundkörper (301) angeordneten Generator (303) aufweist, - einen äußeren Korpus (5), der einen Gehäusemantel (501) und zumindest ein in dem Gehäusemantel (501) angeordnetes Trichterbauteil (503), dessen Querschnitt in Strömungsrichtung abnimmt, sowie ein in dem Gehäusemantel (501) stromabwärts angeordnetes Kalottenbauteil (505) aufweist, - zumindest eine Trägerrippe (7), die den inneren Korpus (3) mit dem äußeren Korpus (5) verbindet, und - eine an dem stromabwärtigen Ende des inneren Korpus (3) angeordnete und mit dem Generator (303) verbundene Arbeitsturbine (9) mit einem Rotor (901), wobei der äußere Korpus (5) mit dem inneren Korpus (3) zumindest einen Konvergent (507) ausbildet, der sich über die Länge des inneren Korpus (3) erstreckt, und wobei der äußere Korpus (5) anschließend an das stromabwärtige Ende des inneren Korpus (3) einen Divergent (509) ausbildet. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einem Luftstrom mittels der erfindungsgemäßen Windturbine (1).

Description

Windturbine und Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Windturbine und ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einem Luftstrom mittels dieser Windturbine.
Die Technologie der Windenergie entwickelt sich aufgrund der großen Windressourcen auf unserem Planeten mit hoher Geschwindigkeit. Diese Ressourcen sind groß genug, um nahezu unerschöpflich und weitgehend ökologisch Elektrizität zu erzeugen, welche zu einem großen Anteil traditionelle fossile Brennstoffe und Nuklearenergie ersetzen kann. Es ist folglich notwendig, hocheffiziente Windkraftanlagen zu entwickeln, welche durch Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Windpotenzials große Mengen Elektrizität bei geringen primären Investitionskosten erzeugen können und attraktive Endverbraucherpreise bieten.
Gattungsgemäße Windkraftanlagen und Verfahren sind aus dem Stand der Technik an sich bekannt. Windkraftanlagen werden aktuell mit Rotoren mit großem Durchmesser von bis zu 164 Metern ausgebildet, bspw. der Typ Vestas V164-8.0, wobei Anlagen mit hoher Energiedichte derzeit bei bis zu 10 MW liegen. Die Tendenzen der Entwicklung bis zum Jahr 2020 zielen auf die Schaffung von Offshore-Windkraftanlagen ab, deren maximale Leistung bei ca. 20 MW liegen soll und die einen Rotordurchmesser von bis zu 300 Metern aufweisen werden.
Um eine große Menge elektrischer Energie zu erzeugen, sind die herkömmlichen Windkraftanlagen auf einen sehr breiten Luftstrom durch Rotoren mit großem Durchmesser angewiesen. Diese großen Rotoren sind jedoch schwer und klobig sowie schwierig zu installieren, zu unterhalten und zu reparieren. Die Umfangsgeschwindigkeit an den Enden der Rotorblätter erreicht selbst bei einer geringen Arbeitsfrequenz der Anlage mit 7 U/min bis 13 U/min ein sehr hohes Niveau. Die Widerstandsmomente durch hohe Reibung wie auch der Verschleiß der der Reibung unterliegenden Teile sind sehr groß. Die Strukturen sind demzufolge sehr großformatig, schwer und teuer. Durch Verwirbelungen von großen Luftmassen, welche die Windkraftanlagen durchlaufen, beeinflussen sich die einzelnen Windkraftanlagen auf kurzen Distanzen gegenseitig, insbesondere wenn sie in sog. Windparks dicht beieinander stehen. Folglich wird ein signifikanter Abstand der Windkraftanlagen innerhalb eines Windparks notwendig. Darüber hinaus sind Windkraftanlagen bei überkritischen Windgeschwindigkeiten extrem gefährdet, so dass diese bei hohen Windgeschwindigkeiten nicht betrieben werden. Sie stellen daher eine große Gefahr für Menschen und für Tiere, insbesondere Vögel, dar. Diese Tatsache ist ein häufiger Grund für die impulsiven Reaktionen von Umweltschützern und der betroffenen Bevölkerung allgemein.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Zeitgemäße Entwicklungen zielen auf das Erreichen hoher Effektivität durch geeignete Transformation von lokalen Luftströmungen ab, durch welche höhere Energien durch das Konzentrieren von relativ kleinen Luftmassen erzeugt werden. Dabei können zwei Prinzipien verwendet und kombiniert werden, nämlich Konzentration und Beschleunigung von lokalen Luftströmungen, um einen hohen dynamischen Druck zu erzeugen, und Erzeugen eines turbulenten Luftstroms, um einen Unterschied im statischen Druck zu erzeugen.
In US 2004/0183310 A1 wird ein einfacher Windenergie-Generator beschrieben, der ein trichterförmiges Gehäuse mit großem Einlass aufweist, das eine konkave Innenfläche hat, die auf einen Auslass zuläuft, in dem ein mit einem Propeller betriebener Elektrogenerator angeordnet ist. Der Windenergie-Generator beruht auf dem Bernoulli'schen Prinzip, dass ein eintretender Wind in dem trichterförmigen Gehäuse beschleunigt und mit hoher Geschwindigkeit auf den Propeller geleitet wird.
Nach dem Stand der Technik ist es ökonomisch nicht sinnvoll, Windkraftanlagen bei Windgeschwindigkeiten unterhalb von 8 m/s zu betreiben, weil die Schöpfung der Leistung unter 80 % liegt. Andererseits können herkömmliche Windkraftanlagen nur bis zu Windgeschwindigkeiten von 25 m/s sicher betrieben werden.
Um eine elektrische Leistung von bspw. 175 MW zu erzeugen, werden mit herkömmlichen Windkraftanlagen nach dem Stand der Technik ca. 87 einzelne Anlagen, d.h. 87 Mäste, auf einer Fläche von ca. 870.000 Quadratmetern benötigt. Die notwendigen Investitionen alleine für die Windkraftanlagen liegen bei ca.€ 170 Mio., ohne Grundstückpreise und Infrastruktur zu berücksichtigen.
Es besteht daher der dringende Bedarf für kompaktere, kostengünstigere und effizientere Windkraftanlagen. Hierzu wird es notwendig sein, größere Kapazitäten als bislang an einem einzelnen Mast zu installieren und nach Wegen zu suchen, diese einzelnen Masten in einem Windpark näher beieinander zu platzieren, als das derzeit der Fall ist. Nur hierdurch können Kosten für Grundstücke und Infrastruktur eingespart werden. Ein nicht zu unterschätzender Aspekt für zukünftige Windkraftanlagen ist deren Sicherheit in Bezug auf den Menschen und auf Tiere, insbesondere Vögel, sowie eine gute Umweltverträglichkeit allgemein.
Ausgehend von den vorstehend genannten Nachteilen des Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftanlage bereitzustellen, die eine signifikante Menge Elektrizität mit einem Luftstrom relativ geringer Kapazität erzeugen kann. Ziel der Erfindung ist ferner die Verbesserung der Effizienz und Effektivität von Windkraftanlagen. Diese Aufgabe wird in einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch eine Windturbine (1) gelöst, umfassend
einen inneren Korpus (3), der einen zylindrischen Grundkörper (301) mit stromaufwärts angebrachter Haube (307) und einen in dem zylindrischen Grundkörper (301) angeordneten Generator (303) aufweist,
einen äußeren Korpus (5), der einen Gehäusemantel (501) und zumindest ein in dem Gehäusemantel (501) angeordnetes Trichterbauteil (503), dessen Querschnitt in Strömungsrichtung abnimmt, sowie ein in dem Gehäusemantel (501) stromabwärts angeordnetes Kalottenbauteil (505) aufweist,
- zumindest eine Trägerrippe (7), die den inneren Korpus (3) mit dem äußeren Korpus (5) verbindet, und
eine an dem stromabwärtigen Ende des inneren Korpus (3) angeordnete und mit dem Generator (303) verbundene Arbeitsturbine (9) mit einem Rotor (901), wobei der äußere Korpus (5) mit dem inneren Korpus (3) zumindest einen Konvergent (507) ausbildet, der sich über die Länge des inneren Korpus (3) erstreckt, und wobei der äußere Korpus (5) anschließend an das stromabwärtige Ende des inneren Korpus
(3) einen Divergent (509) ausbildet.
Die Aufgabe wird ferner in einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einem Luftstrom mittels der erfindungsgemäßen Windturbine (1) gelöst, das die Schritte umfasst:
a) Aufnehmen eines Luftstroms aus der Umgebung in den zumindest einen Konvergent (507) der Windturbine (1),
b) Beschleunigen und Verdichten des Luftstroms in dem zumindest einen Konvergent (507) durch zunehmende Verringerung von dessen Querschnittsfläche,
c) gerichtetes Leiten des beschleunigten, verdichteten Luftstroms auf den Rotor (901) und dadurch Antreiben der Arbeitsturbine (9),
d) nach Durchlaufen des Rotors (901) Einleiten des beschleunigten, verdichteten Luftstroms in den Divergent (509) und Verlangsamen und Expandieren des Luftstroms.
Die Erfindung hat die Vorteile, dass zunächst der Wirkungsgrad der einzelnen Windturbinen (1) im Vergleich zu herkömmlichen Windkraftanlagen höher ist, da es grundsätzlich keine Begrenzung in der nutzbaren Windgeschwindigkeit gibt. Darüber hinaus ist der Flächenbedarf der einzelnen Windturbinen (1) geringer, womit sich die Windnutzung pro Flächeneinheit um ein Vielfaches erhöht. Ferner können mehrere Windturbinen (1) an einem herkömmlichen Mast (13) montiert werden. Um die vorstehend genannte elektrische Leistung von bspw. 175 MW zu erzeugen, benötigt man mit der vorliegenden Erfindung lediglich 13 Mäste (13) (anstatt 87) mit jeweils sieben erfindungsgemäßen Windturbinen (1) und eine Fläche von nur ca. 22.500 Quadratmetern (anstatt 870.000 Quadratmetern). Nachstehend wird die Erfindung im Detail beschrieben.
Wenn in der Beschreibung der erfindungsgemäßen Windturbine (1) Verfahrensmerkmale genannt werden, so beziehen sich diese insbesondere auf das erfindungsgemäße Verfahren. Ebenso beziehen sich gegenständliche Merkmale, die in der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens angeführt werden, auf die erfindungsgemäße Windturbine (1).
Der erste Aspekt der Erfindung betrifft eine Windturbine (1), die einen inneren Korpus (3) umfasst, der einen zylindrischen Grundkörper (301) mit stromaufwärts angebrachter Haube (307) und einen in dem zylindrischen Grundkörper (301) angeordneten Generator (303) aufweist. Die Windturbine (1) umfasst ferner einen äußeren Korpus (5), der einen Gehäusemantel (501) und zumindest ein in dem Gehäusemantel (501) angeordnetes Trichterbauteil (503), dessen Querschnitt in Strömungsrichtung abnimmt, sowie ein in dem Gehäusemantel (501) stromabwärts angeordnetes Kalottenbauteil (505) aufweist.
Ferner umfasst die Windturbine (1) zumindest eine Trägerrippe (7), die den inneren Korpus (3) mit dem äußeren Korpus (5) verbindet, und eine an dem stromabwärtigen Ende des inneren Korpus (3) angeordnete und mit dem Generator (303) verbundene Arbeitsturbine (9) mit einem Rotor (901).
Die Windturbine (1) zeichnet sich dadurch aus, dass der äußere Korpus (5) mit dem inneren Korpus (3) zumindest einen Konvergent (507) ausbildet, der sich über die Länge des inneren Korpus (3) erstreckt, und wobei der äußere Korpus (5) anschließend an das stromabwärtige Ende des inneren Korpus (3) einen Divergent (509) ausbildet.
Unter "Konvergent" wird in der vorliegenden Erfindung ein, in Strömungsrichtung betrachtet, konvergenter Strömungskanal verstanden, d.h. ein horizontaler Strömungskanal mit einem sich gleichmäßig verringernden Querschnitt. Der Konvergent (507) dient der Optimierung der Luftströmung in der Windturbine (1).
Mit "Divergent" wird in der vorliegenden Erfindung ein, in Strömungsrichtung betrachtet, divergenter Strömungskanal verstanden, d.h. ein horizontaler Strömungskanal mit einer rapide ansteigenden Querschnittsfläche. Der Divergent (509) dient der Querschnittsvergrößerung des Strömungskanals.
Mit "Kalottenbauteil" wird ein Teil des äußeren Korpus (5) bezeichnet, das am stromabwärtigen Ende der Windturbine (1) liegt und zumindest teilweise eine Teilkugelform aufweist. Das Kalottenbauteil (505) weist eine rapide ansteigende Querschnittsfläche auf und bildet somit das Gehäuse für den Divergent (509). Unter "Arbeitsturbine" wird eine rotierende Strömungsmaschine verstanden, welche die innere Energie eines strömenden Fluids, hier insbesondere Luft, in mechanische Energie umwandelt und über ihre Welle abgibt. Als "Rotor" wird in der vorliegenden Erfindung das sich drehende (rotierende) Element der Arbeitsturbine (9) bezeichnet. In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Nabe des Rotors (901) verstärkt ausgeführt, so dass sie nicht nur die Rotorblätter (9011) trägt, sondern gleichzeitig als Schwungrad wirkt. Die Verstärkung kann in einem größeren Durchmesser oder einer Verbreiterung der Nabe oder in der Verwendung eines Werkstoffs mit höherer Dichte bestehen.
Der äußere Korpus (5) ist um den inneren Korpus (3) herum angeordnet und bildet insbesondere die Außenhülle der Windturbine (1). Der innere Korpus (3) ist vorzugsweise torpedoartig geformt und hat an seinem zylindrischen Grundkörper (301) stromaufwärts eine vorzugsweise stromlinienförmige, konische Haube (307). Mit dem in dem zylindrischen Grundkörper (301) angeordneten Generator (303), vorzugsweise einem Elektrogenerator, ist bevorzugt ein Getriebe (305), insbesondere ein Planetengetriebe, verbunden. Wie vorstehend beschrieben, verbindet zumindest eine Trägerrippe (7) den inneren Korpus (3) mit dem äußeren Korpus (5). Konkret kann die zumindest eine Trägerrippe (7) auf dem zylindrischen Grundkörper (301) angeordnet, d.h. befestigt, sein und das in dem Gehäusemantel (501) angeordnete Trichterbauteil (503) abstützen. Der äußere Korpus (5) weist stromaufwärts, d.h. an Einlass zum Konvergent (507), eine Einlassöffnung (101) und stromabwärts, d.h. an Auslass des Divergent (509), eine Auslassöffnung (103) auf.
Die erfindungsgemäße Windturbine (1) weist eine Länge von 5 Metern bis 10 Metern, insbesondere von 7 Metern bis 8 Metern, und einen Durchmesser von 2 Metern bis 5 Metern, insbesondere 3 Metern bis 4 Metern, auf. Das Gewicht der erfindungsgemäßen Windturbine (1) liegt abhängig von den Abmessungen zwischen 15 Tonnen und 25 Tonnen, insbesondere bei ca. 20 Tonnen (vergleichbare herkömmliche Windkraftanlagen haben ein Gewicht von 120 Tonnen bis 150 Tonnen).
Mit der vorliegenden Erfindung ist es gelungen, die erfindungsgemäße Windturbine (1) bereitzustellen, die eine hohe Sensibilität für Windgeschwindigkeiten bietet, dabei aber robust und wetterfest ist. Der Wirkungsgrad der einzelnen Windturbine (1) ist im Vergleich zu herkömmlichen Windkraftanlagen fast dreifach höher. Ferner können mehrere (bis zu 15) erfindungsgemäße Windturbinen (1) an einem herkömmlichen Mast (13) montiert werden. Zudem ist der Betrieb der erfindungsgemäßen Windturbine (1) bereits in einer Höhe von 30 Metern möglich, während herkömmliche Windkraftanlagen Höhen von 70 Metern bis 150 Metern erfordern. Es ist daher möglich, einzelne erfindungsgemäße Windturbinen (1) für den Einsatz bspw. in Industriebetrieben zu konditionieren.
Eine einzelne erfindungsgemäße Windturbine (1) kann gewartet werden, ohne dass eine Gesamtanlage von mehreren Windturbinen (1) vollständig abgeschaltet werden muss. Zudem ist der Aufwand für den Transport und die Montage deutlich geringer und umweltschonender, weil die Windturbinen (1) vergleichsweise kompakt und klein sowie vergleichsweise leicht sind, verglichen mit herkömmlichen Windkraftanlagen. Eine herkömmliche Windkraftanlage mit 7 MW Leistung (z.B. von der Fa. Vestas) benötigt eine Investition von ca. 2,5 Mio. Euro. Die Kosten der Fertigung einer erfindungsgemäßen Windturbine (1) sind mit den Kosten herkömmlicher Windkraftanlagen zumindest vergleichbar, liegen in der Regel aber deutlich darunter. Allerdings kann für die erfindungsgemäßen Windturbine (1) die bereits vorhandene Infrastruktur (z.B. Masten, Einspeisung, etc.) übernommen werden, was die Gesamtkosten einer Anlage reduziert.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die zumindest eine Trägerrippe (7) in Strömungsrichtung spiralförmig ausgebildet. Hierdurch wird der Luftstrom, der an der Einlassöffnung (101) in die erfindungsgemäße Windturbine (1) eintritt, von der linearen Bewegung in eine spiralförmige Bewegung transformiert. Vorzugsweise wird der Luftstrom um 50° bis 70°, bevorzugt um 55° bis 65°, insbesondere um 60°, von der linearen Bewegung des ursprünglichen Luftstroms abgelenkt, um die Energie des einströmenden Luftstroms optimal auszunutzen.
Bevorzugt hat die Trägerrippe (7) einen Querschnitt, der dem Querschnitt einer Flugzeugtragfläche entspricht und dadurch eine stromlinienförmige, aerodynamische Form aufweist, was zu einer Verbesserung der Dynamik führt.
Vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße Windturbine (1) zwei oder mehr Trägerrippen (7a, 7b) auf, die den inneren Korpus (3) mit dem äußeren Korpus (5) verbinden, d.h. den zylindrischen Grundkörper (301) mit dem Trichterbauteil (503), und zwei oder mehr Teil-Konvergenten (507a, 507b, ...) ausbilden, d.h. zwei oder mehr in Strömungsrichtung spiralförmig ausgebildete Strömungskanäle, die an ihrem stromabwärtigen Ende auf den Rotor (901) der Arbeitsturbine (9) gerichtet sind. Die Gesamtheit der Teil-Konvergenten (507a, 507b, ...) die insbesondere in gleichen parallelen Abständen angeordnet sind, bildet den Konvergent (507). Die zwei oder mehr Trägerrippen (7a, 7b) sind vorzugsweise gleichmäßig entlang der Umfangslänge des inneren Korpus (3) angeordnet und weisen eine gleichmäßige spiralförmige Zustandsbahn entlang der gesamten Länge auf. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Windturbine (1 ) vier Trägerrippen (7a, 7b, 7c, 7d) auf, die den Konvergent (507) in vier Teil- Konvergenten (507a, 507b, 507c, 507d) unterteilen. Um den Luftstrom aus dem/den Konvergent/en (507, 507a, 507b, ...) besonders zielgerichtet auf die Rotorblätter (9011) des Rotors (901) zu richten und damit die zur Verfügung stehende Energie optimal auszunutzen, weist die Arbeitsturbine (9) in Strömungsrichtung vor dem Rotor (901) einen vorderen Stator (903) auf. Der vordere Stator (903) weist Leitelemente (9031) auf, die ebenfalls wie Flugzeugtragflächen geformt sein können. Die Leitelemente (9031) dienen dazu, den Luftstrom zielgerichtet auf den Rotor (901), d.h. die Rotorblätter (9011) zu leiten.
Die Leitelemente (9031) stehen vorzugsweise in einem Winkel von 50° bis 70°, bevorzugt von 55° bis 65°, insbesondere von 60°, zur Längsachse der Windturbine (1 ) und können einen Querschnitt wie eine Flugzeugtragfläche aufweisen. Die Rotorblätter (9011) sind auf dem Rotor (901) so angeordnet, dass sie in einem Winkel von 80° bis 100°, bevorzugt von 85° bis 95°, insbesondere von 90°, zu den Leitelementen (9031) stehen. Hierdurch wird die Energie des einströmenden Luftstroms optimal ausgenutzt. Zusätzlich oder alternativ kann die Arbeitsturbine (9) in Strömungsrichtung hinter dem Rotor (901) einen hinteren Stator (905) aufweisen, der den aus dem Rotor (901) austretenden Luftstrom aufgrund eines Gittereffekts verwirbelt. Durch die Verwirbelung an den Lamellen (9051) des hinteren Stators (905) gibt es weniger Verlust durch Kompression und die resultierende Energie wird erhöht. Die Lamellen (9051) stehen vorzugsweise im Winkel von 80° bis 100°, bevorzugt von 85° bis 95°, insbesondere von 90°, zu den Rotorblättern (9011).
Vorzugsweise wird die Welle des Rotors (901) in der Nabe des hinteren Stators (905) gelagert. Der hintere Stator (905) kann wie der vordere Stator (903) mit dem äußeren Korpus (5) verbunden sein und so einen Teil der Tragkonstruktion der Windturbine bilden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der äußere Korpus (5) zwei konzentrisch zueinander angeordnete Trichterbauteile (503a, 503b) auf und bildet mit dem inneren Korpus (3) zwei Konvergenten (5071 , 5073) aus. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil eines mechanisch stabileren Aufbaus, so dass die Dimensionen der erfindungsgemäßen Windturbine (1) ohne Stabilitätsprobleme vergrößert werden können. In einer Weiterbildung dieser bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Windturbine (1) zweimal vier Trägerrippen (71a, 71 b, 71c, 71 d, 73a, 73b, 73c, 73d) auf, die die Konvergenten (5071 , 5073) in zweimal vier Teil- Konvergenten (5071a, 5071 b, 5071c, 5071 d, 5073a, 5073b, 5073c, 5073d) unterteilen.
Die Trichterbauteile (503a, 503b) werden dabei vorteilhafterweise von einer oder mehreren Trägerrippen (71a, 71 b, 71c, 73a, 73b, 73c, ...) untereinander und mit dem Gehäusemantel (501) verbunden. Bevorzugt sind die Trägerrippen (71a, 71 b, 71c, 73a, 73b, 73c, ...) in Strömungsrichtung spiralförmig ausgebildet, um die lineare Bewegung des Luftstroms in eine spiralförmige Bewegung des Luftstroms zu transformieren.
Um bei einem starken Luftstrom, d.h. bspw. bei Sturm, und bei plötzlichen Änderungen der Windgeschwindigkeit, d.h. bspw. bei Windböen, eine Überlastung und Beschädigung der erfindungsgemäßen Windturbine (1) zu vermeiden, weist in einer Weiterbildung der äußere Korpus (5) einen mit dem stromabwärtigen Bereich des zumindest einen Konvergent (507) verbundenen Ableitungskanal (511) auf, der gegenüber dem zumindest einen Konvergent (507) mittels einer Verschlussvorrichtung (513) ganz oder teilweise verschließbar ist. Auf diese Weise kann ein Teil des Luftstroms an der Arbeitsturbine (9) vorbeigeleitet werden, im Stile eines Bypass, so dass nur ein Teil des Luftstroms die Arbeitsturbine (9) beaufschlagt.
Die Verschlussvorrichtung (513) ist bevorzugt mechanisch gelagert, z.B. gegen ein Federelement, und öffnet den Ableitungskanal (511) bei einem vorgegebenen Druck bzw. bei einer plötzlichen Änderung der Windgeschwindigkeit. Bei Windböen gestaltet der Ableitungskanal (511) den Generatorbetrieb somit gleichmäßig nach dem Prinzip eines Schutzventils (d.h. Öffnen und Schließen eines Drosselventils). Bei sehr starken nominalen Winden können diese den Konvergent (507) umgehen und den Widerstand gegenüber den Windböen verringern.
In dem stromaufwärtigen Einlass, d.h. der Einlassöffnung (101) des zumindest einen Konvergent (507) kann zumindest ein Kompensationsring (11) konzentrisch mit dem inneren Korpus (3) und dem äußeren Korpus (5) angeordnet sein, um den eintretenden Luftstrom zu leiten. Da in der Mitte der Einlassöffnung der erfindungsgemäßen Windturbine (1) die Haube (307) des inneren Korpus (3) angeordnet ist und so trotz der konischen Form ein Hindernis für den Luftstrom darstellt, trägt der zumindest eine Kompensationsring (11) zu verwirbelungsfreien Einleitung des Luftstroms in den zumindest einen Konvergent (507) bei. Dazu kann auch der zumindest eine Kompensationsring (11) den Querschnitt einer Flugzeugtragfläche aufweisen.
Der zumindest eine Kompensationsring (11) hat ferner die Wirkung, dass er die Einlassöffnung (101) geometrisch so verkleinert, dass keine Tiere (insbes. Vögel) oder Gegenstände in den zumindest einen Konvergent (507) eindringen und diesen blockieren können. Der oder die Kompensationsring/e (11) bilden, zusammen mit dem Anfang der zumindest einen Trägerrippe (7), eine Art Schutzgitter in der Einlassöffnung (101).
Die vorstehenden Ausführungen und Bevorzugungen im Hinblick auf die erfindungsgemäße Windturbine (1) gelten für das nachstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren entsprechend. Ebenso gelten die nachstehenden Ausführungen und Bevorzugungen im Hinblick auf das erfindungsgemäße Verfahren für die erfindungsgemäße Windturbine (1) entsprechend. Die vorstehend genannte Aufgabe wird in einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einem Luftstrom mittels der erfindungsgemäßen Windturbine (1) gelöst, das zunächst den Schritt a) umfasst, das Aufnehmen eines Luftstroms aus der Umgebung in den zumindest einen Konvergent (507) der Windturbine (1 ), bevor in Schritt b) der Luftstrom in dem zumindest einen Konvergent (507) durch zunehmende Verringerung von dessen Querschnittsfläche beschleunigt und verdichtet wird.
In Schritt c) erfolgt ein gerichtetes Leiten des beschleunigten, verdichteten Luftstroms auf den Rotor (901) und dadurch Antreiben der Arbeitsturbine (9), worauf in Schritt d) nach Durchlaufen des Rotors (901) der beschleunigte, verdichtete Luftstrom in den Divergent (509) eingeleitet und der Luftstrom verlangsamt und expandiert wird. Hierdurch wird ein Unterdruck auf der stromabwärtigen Seite des Rotors (901) erzeugt, der weiter zur Erhöhung der Energie beiträgt. Das erfindungsgemäße Verfahren weist grundsätzlich die gleichen Vorteile wie die erfindungsgemäße Windturbine (1) auf. Insbesondere hat das erfindungsgemäße Verfahren für die einzelnen Windturbinen (1) im Vergleich zu herkömmlichen Windkraftanlagen einen höhen Wirkungsgrad, da es grundsätzlich keine Begrenzung in der nutzbaren Windgeschwindigkeit gibt.
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird
- in Schritt b) die geradlinige Strömungsbewegung des Luftstroms durch die zumindest eine Trägerrippe (7) in eine spiralförmige Strömungsbewegung umgewandelt, so dass
- in Schritt c) der beschleunigte, verdichtete Luftstrom in einem stumpfen Winkel auf den Rotor (901) geleitet wird, und
- in Schritt d) in dem Divergent (509) eine turbulente Strömung erzeugt wird.
Die spiralförmige Strömungsbewegung ist gegenüber der geradlinige Strömungsbewegung um 50° bis 70°, bevorzugt um 55° bis 65°, insbesondere um 60°, abgelenkt, um die Energie des einströmenden Luftstroms optimal auszunutzen. Der stumpfe Winkel, zwischen der spiralförmige Strömungsbewegung und dem Rotor (901), bzw. den Rotorblättern (901 1), beträgt 80° bis 100°, bevorzugt 85° bis 95°, besonders bevorzugt 90°.
Vorteilhafterweise kann bei Überschreiten einer kritischen Strömungsgeschwindigkeit des Luftstroms aus der Umgebung, bzw. bei plötzlichen Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit, in Schritt a) die Verschlussvorrichtung (513) zumindest teilweise geöffnet und zumindest ein Teil des Luftstroms durch den Ableitungskanal (511) an dem Rotor (901) vorbeigeleitet wird. Somit können Beschädigungen der Windturbine (1) vermieden werden.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich in einem dritten Aspekt auf die Verwendung der vorstehend beschriebenen Windturbine (1) zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einem Luftstrom, wobei insbesondere das vorstehend beschriebene Verfahren Anwendung findet.
Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von die Erfindung nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Es zeigen: eine schematische, teilweise geschnittene Darstellung einer erfindungsgemäßen Windturbine 1 nach einer Ausführungsform der Erfindung,
eine schematische, teilweise geschnittene Darstellung eines inneren
Korpus 3 nach einer Ausführungsform der Erfindung,
eine schematische Schnittdarstellung eines äußeren Korpus 5 nach einer
Ausführungsform der Erfindung mit Konvergent 507 und Divergent 509, ein Diagramm zur Darstellung von dynamischem Druck und statischem
Druck,
eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Windturbine 1 nach einer Ausführungsform der Erfindung,
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Windturbine 1 nach einer Ausführungsform der Erfindung,
eine schematische, teilweise geschnittene Detaildarstellung einer erfindungsgemäßen Windturbine 1 nach einer Ausführungsform der Erfindung,
eine schematische Darstellung einer Arbeitsturbine 9 nach einer Ausführungsform der Erfindung,
eine Frontalansicht einer erfindungsgemäßen Windturbine 1 nach einer Ausführungsform der Erfindung und Fig. 9a, 9b schematische Darstellungen von mehreren erfindungsgemäßen Windturbinen 1 an einem Mast 13.
Eine erfindungsgemäße Windturbine 1 nach einer Ausführungsform der Erfindung wird in Fig. 1 schematisch mit aufgeschnittenem äußeren Korpus 5 dargestellt, so dass der Konvergent 507 und der Divergent 509 mit dazwischen angeordneten vorderem Stator 903, Rotor 901 und hinterem Stator 905 zumindest teilweise zu sehen sind. Ferner ist die Anordnung einer Trägerrippe 7 dargestellt. Fig. 2 stellt den inneren Korpus 3 nach einer Ausführungsform der Erfindung schematisch dar, wobei der Gehäusemantel 301 teilweise aufgeschnitten dargestellt ist. Im Gehäusemantel 301 sind ein Generator 303 mit damit verbundenem Getriebe 305 angeordnet, wobei die Welle der Arbeitsturbine 9 mit dem Getriebe 305 und damit mit dem Generator 303 verbunden ist. Gut zu erkennen ist die Torpedoform des inneren Korpus 3 mit der Haube 307 auf der linken Seite und einer Durchmesser- Verringerung 309 auf der rechten Seite der Darstellung der Fig. 2, so dass der (hier nicht dargestellte) Rotor 901 frei im Strömungskanal (ebenfalls hier nicht dargestellt) liegt. Eine schematische Schnittdarstellung eines äußeren Korpus 5 mit Trichterbauteil 503 und Kalottenbauteil 505 nach einer Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3a dargestellt, woraus der Konvergent 507 und der Divergent 509 mit ihrer grundsätzlichen Form erkennbar sind. Fig. 3b bildet ein Diagramm zur Darstellung von dynamischem Druck und statischem Druck ab, wie die prinzipiell in dem in Fig. 3a gezeigten Konvergent 507 und Divergent 509 herrschen. Auf Fig. 3b wird an anderer Stelle noch eingegangen.
Fig. 4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Windturbine 1 nach einer Ausführungsform der Erfindung, bei der zwei konzentrische Konvergenten 5071 , 5073 dargestellt sind, die in einer Bündelzone 5075 vor dem vorderen Stator 903 wieder vereint werden. Der Fig. 4 ist ferner die Anordnung der Arbeitsturbine 9 mit vorderem Stator 903, Rotor 901 und hinterem Stator 905 zwischen den Konvergenten 5071 , 5073, bzw. der Bündelzone 5075, und dem Divergent 509 zu entnehmen.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Windturbine 1 nach einer Ausführungsform der Erfindung, die ähnlich der Fig. 1 ist, aber wie in Fig. 4 zwei konzentrische Konvergenten 5071 , 5073 aufweist. Ferner sind die Einlassöffnung 101 und die Auslassöffnung 103 bezeichnet. Die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform weist ferner drei Kompensationsringe 11 in der Einlassöffnung 101 auf, die den Luftstrom von außen um die Haube 307 herum in die beiden Konvergenten 5071 , 5073 leiten.
In Fig. 6 wird schematisch im Detail eine erfindungsgemäße Windturbine 1 nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Diese Ausführungsform weist zwei Trichterbauteile 503a, 503b auf, welche die beiden Konvergenten 5071 , 5073 ausbilden. Ferner sind hier der Ableitungskanal 511 mit der Verschlussvorrichtung 513 dargestellt. Eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Arbeitsturbine 9 ist in Fig. 7 schematisch dargestellt. Teilweise geschnitten sind der vordere Stator 903 mit den Leitelementen 9031 , der Rotor 901 mit den Rotorblättern 9011 und der hintere Stator 905 mit den Lamellen 9051 zu erkennen. Die Leitelemente 9031 stehen dabei in einem Winkel von ca. 60° zur Längsachse der Windturbine 1 und in einem Winkel von ca. 90° zu den Rotorblättern 9011. Die Lamellen 9051 stehen in einem Winkel von ca. 30° bis ca. 70° zur Längsachse der Windturbine 1. Rotorblätter 9011 , Leitelemente 9031 und Lamellen 9051 haben jeweils einen Querschnitt wie eine Flugzeugtragfläche.
Eine Frontalansicht einer erfindungsgemäßen Windturbine 1 nach einer Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 8 dargestellt. Der innere Korpus 3 und der äußere Korpus 5 sind konzentrisch durch die Trägerrippen 71 , 73 verbunden. Die Trichterbauteile 501a, 503b und die Kompensationsringe 11 sind konzentrisch mit dem inneren Korpus 3 und dem äußeren Korpus 5 angeordnet. Es ist gut zu erkennen, wie dadurch eine Art Schutzgitter in der Einlassöffnung 101 ausgebildet wird.
Die Fig. 9a und 9b stellen schematisch mehrere erfindungsgemäße Windturbinen 1 an einem Mast 13 dar. Der Mast 13 weist eine Gondel 15 ähnlich wie herkömmliche Windkraftanlagen auf, an der die erfindungsgemäßen Windturbinen 1 angebracht sind. Für die seitlichen Windturbinen 1 sind ferner Arbeitsplattformen 17 vorgesehen, die bei herkömmlichen Windkraftanlagen technisch schlecht möglich sind, gemäß der vorliegenden Erfindung aber eine einfache und sichere Wartung und Instandhaltung der Windturbine 1 ermöglichen.
Gemäß des Bernoulli'schen Prinzips steigt der Druck eines fließenden Fluids (z.B. eines Gases) an, wenn dessen Geschwindigkeit abnimmt, d.h. im Umkehrschluss nimmt die Geschwindigkeit zu, wenn der Druck abnimmt. Dieses Prinzip wird bspw. bei der Geometrie von Flugzeugtragflächen angewandt, so dass an deren Oberseite eine höhere Geschwindigkeit und damit ein geringerer Druck herrschen, so dass ein Auftrieb erzeugt wird.
Wenn folglich ein Luftstrom in den Konvergent 507 eintritt, wird dieser konzentriert und aufgrund der sich verringernden Querschnittsfläche des Konvergent 507 beschleunigt. Der Grund dafür ist, dass die Luftmasse, welche in einer Zeiteinheit durch die Einlassöffnung 101 der Windturbine 1 in den Konvergent 507 eintritt, gleich der Luftmasse ist, welche in der gleichen Zeiteinheit am Ende des Konvergent 507 austritt. Zum Erreichen der signifikanten Beschleunigung des Luftstroms bei relativ geringer Länge des Konvergent 507 mit minimalen Reibungsverlusten, Luftwiderstand und innerer Gasreibung wird eine gleichmäßige und geregelte Beschleunigung benötigt. Eine bekannte Tatsache ist, dass jede scharfe Änderung der Geschwindigkeit oder Richtung eines Luftstroms zu einem Energieverlust führt. Um diese Verluste zu verringern bzw. zu verhindern, muss der Konvergent 507 eine präzise definierte optimale Form und Proportionen aufweisen, welche die Beschleunigung des Stroms in einer linearen Abhängigkeit ermöglichen. Der Konvergent 507 ist insbesondere so ausgestaltet, dass seine Querschnittsfläche mit einer vorbestimmten Abhängigkeit mit dem aerodynamischen Koeffizienten von 10° abnimmt. Dies ermöglicht eine gleichmäßige und geordnete Beschleunigung des Luftstroms.
Die Summe der statischen und dynamischen Drücke bleibt konstant. Der dynamische Druck kann als die Trägheit bei der Kollision der bewegten Luftmassen abzüglich des Winddrucks aufgefasst werden. Aufgrund der Beschleunigung des Luftstroms in dem Konvergent 507 steigt der dynamische Druck an und der statische Druck nimmt ab (vgl. Fig. 3b), wobei deren Summe konstant bleibt. Der Abfall des statischen Drucks in dem Konvergent 507 bestimmt die Bewegung des Luftstroms und die parabelförmige Kurve bestimmt seine Beschleunigung. Der Abfall des statischen Drucks führt zu einem Abfall der Luftdichte. Die beschleunigte Luft wird daher expandiert. Als Ergebnis der deutlichen Beschleunigung des Luftstroms in dem Konvergent 507 wird ein "Mikro-Tornado" mit hoher Geschwindigkeit und sehr hohem dynamischen Druck erzeugt. Die Kombination aus hoher Geschwindigkeit und hohem dynamischen Druck erzeugt eine Energie, die um ein Vielfaches größer ist als die eines nominalen Luftstroms. Konkret ist die nutzbare kinetische Energie eines Luftstroms proportional der dritten Potenz der Geschwindigkeit dieses Luftstroms. Eine Verdopplung der Geschwindigkeit des Luftstroms erhöht folglich die nutzbare kinetische Energie um den Faktor acht.
Nach dem Durchtreten des beschleunigten Luftstroms durch das Ende des Konvergent 507 wird in dem Divergent 509 als kurzem, sich ausdehnenden Kanal ein turbulenter Luftwirbel erzeugt. Dieser Effekt kann ebenfalls mit einem "Mikro-Tornado" verglichen werden. Der turbulente Luftwirbel ist quasi eine Verdünnung der Luft und führt zu einem Abfall des statischen Drucks in dem Divergent 509 hinter dem hinteren Stator 905. Dieser ist ein spiralförmiger Luftwirbel mit hoher Strömungsgeschwindigkeit und niedriger linearer Eintrittsgeschwindigkeit. Die verdünnte Luft wirkt dabei wie eine gespannte Feder, welche zu schrumpfen versucht. Der turbulente Abfall des statischen Drucks in dem Divergent 509 erzeugt einen Unterschied in dem statischen Druck vor und hinter dem Ende des Konvergent 507, was eine zusätzliche Austrittsenergie erzeugt.
Ein beschleunigter, aber hoch verdünnter Luftstrom wird durch den Divergent 509 geleitet. Bei der Kollision mit der Umgebungsluft, dem Atmosphärendruck und der nominalen Dichte und Geschwindigkeit schrumpft dieser auf die nominale Dichte und verzögert seine Geschwindigkeit auf die normale Windgeschwindigkeit innerhalb von wenigen Metern hinter der Auslassöffnung 103, wobei er die Parameter der Atmosphärenluft übernimmt. Diese Massenschrumpfung erlaubt ein Durchtreten des Luftstroms durch die Auslassöffnung 103 in eine Umgebung mit höherem Druck, ohne eine Bremswirkung hervorzurufen.
Der dynamische Druck steigt bis zum Ende des Konvergent 507 an und nimmt danach aufgrund des graduellen Geschwindigkeitsabfalls und aufgrund des scharfen Abfalls der Luftdichte in dem Divergent 509 rapide ab. Eine Arbeitsturbine 9 mit einem Rotor 901 wird daher am Ende des Konvergent 507 angeordnet, um den Luftstrom (spiralförmig) in ein mechanisches Drehmoment zu transformieren.
Um noch bessere Ergebnisse zu erzielen, wird die lineare Bewegung des Luftstroms durch längliche spiralförmige Trägerrippen 7, die in dem Konvergent 507 befestigt sind, gleichmäßig und geregelt in eine spiralförmige Drehbewegung transformiert. Es ist insbesondere vorteilhaft, die lineare Bewegung des Luftstroms gleichmäßig und geregelt in die spiralförmige Bewegung zu beschleunigen und zu transformieren, um einen Trägheitsverlust zu verhindern, bzw. zu minimieren. Folglich wird ein besserer aerodynamischer Koeffizient erreicht. Der beschleunigte Luftstrom wird bevorzugt im rechten Winkel auf den Rotor 901 , bzw. die Rotorblätter 9011 gerichtet. Dies erhöht wiederum die erzeugte Energie. Ein spiralförmiger turbulenter Luftwirbel mit hoher tangentialer, aber verringerter axialer Geschwindigkeit wird durch den Divergent 509 geführt. Der Effekt kann auch mit einem "Mikro-Tornado" verglichen werden, der in dem Divergent 509 erzeugt wird, nicht an seiner Peripherie.
Die Transformation des lokalen Luftstroms, welche aus der Beschleunigung des Luftstroms in dem Konvergent 507 zusammen mit der Transformation seiner geradlinigen Bewegung in eine spiralförmige Bewegung und der Erzeugung eines kraftvollen turbulenten Luftwirbels bzw. eines Abfalls des statischen Druckes hinter dem Rotor 901 besteht, in ein mechanisches Drehmoment ermöglicht die Konzentration von hoher Ausgangsleistung des Rotors 901 mit signifikant kompakter Struktur der Windturbine 1 , selbst bei kleiner nominaler Windgeschwindigkeit. Folglich erzeugt die Kombination von einem hohen mechanischen Drehmoment mit einer hohen Frequenz der Arbeitsturbine 9 eine signifikante Ausgangsleistung, die dem Elektrogenerator 303 zugeführt wird. Dadurch ist es möglich, die erfindungsgemäße Windturbine 1 schon mit einer niedrigen nominalen Windgeschwindigkeit zu betreiben. Die Aerodynamik des Konvergent 507 ist nicht trivial. Ihr liegt die Aerodynamik paralleler Führungskanäle zugrunde. Durch den Konvergent 507, bzw. die Konvergenten 5071 , 5073 wird ein eintretender Luftstrom in gleiche parallele Luftströme unterteilt, welche wiederum präzise gerichtet und beschleunigt werden, so dass sie sich vor dem vorderen Stator 903 in einer Bündelzone 5075 wieder sammeln gebündelt und auf den Rotor 901 geleitet werden.
Die Windturbine 1 der vorliegenden Erfindung ist kompakter, leichter und kostengünstiger als herkömmliche Windkraftanlagen. Sie hat eine hohe Sensitivität gegenüber der Windgeschwindigkeit bei gleichzeitiger Abwesenheit einer oberen kritischen Geschwindigkeit. Die jährliche gemittelte Kapazität liegt bei 70 % bis 80 % der maximalen Leistung verglichen mit einer mittleren Kapazität von etwa 34 % für herkömmliche Windkraftanlagen. Anders als diese beeinflussen sich die erfindungsgemäßen Windturbinen 1 nicht gegenseitig, wenn sie dicht beieinander stehen. So können mehrere Windturbinen 1 auf einem Mast 13 positioniert werden, d.h. bei geringeren Kosten kann mehr Leistung erzeugt werden. Die einzelnen Masten 13 können in einem Windpark dichter beieinander positioniert werden. Die vorliegende Erfindung zeigt, dass erfindungsgemäß Windturbinen 1 zur Erzeugung hoher elektrischer Energie mit deutlich geringeren anfänglichen Investitionen hergestellt werden können.
Bezugszeichenliste:
I Windturbine
101 Einlassöffnung
103 Auslassöffnung
3 inneren Korpus
301 zylindrischer Grundkörper
303 Generator
305 Getriebe
307 Haube
309 Durchmesser-Verringerung des zylindrischer Grundkörpers 301
5 äußerer Korpus
501 Gehäusemantel
503 Trichterbauteil
503a, 503b Trichterbauteile
505 Kalottenbauteil
507 Konvergent
507a, 507b Teil-Konvergenten
5071 Konvergent
5073 Konvergent
5075 Bündelzone
509 Divergent
51 1 Ableitungskanal
513 Verschlussvorrichtung
7 Trägerrippe
7a, 7b Trägerrippen
71 Trägerrippe
71 a, 71 b Trägerrippen
73 Trägerrippe
73a, 73b Trägerrippen
9 Arbeitsturbine
901 Rotor
901 1 Rotorblätter
903 vorderer Stator
9031 Leitelemente
905 hinterer Stator
9051 Lamellen
I I Kompensationsring
13 Mast
15 Gondel
17 Arbeitsplattform

Claims

Patentansprüche
1. Windturbine (1), umfassend
- einen inneren Korpus (3), der einen zylindrischen Grundkörper (301 ) mit stromaufwärts angebrachter Haube (307) und einen in dem zylindrischen Grundkörper (301) angeordneten Generator (303) aufweist,
- einen äußeren Korpus (5), der einen Gehäusemantel (501) und zumindest ein in dem Gehäusemantel (501) angeordnetes Trichterbauteil (503), dessen Querschnitt in Strömungsrichtung abnimmt, sowie ein in dem Gehäusemantel
(501) stromabwärts angeordnetes Kalottenbauteil (505) aufweist,
- zumindest eine Trägerrippe (7), die den inneren Korpus (3) mit dem äußeren Korpus (5) verbindet, und
- eine an dem stromabwärtigen Ende des inneren Korpus (3) angeordnete und mit dem Generator (303) verbundene Arbeitsturbine (9) mit einem Rotor (901), wobei der äußere Korpus (5) mit dem inneren Korpus (3) zumindest einen Konvergent (507) ausbildet, der sich über die Länge des inneren Korpus (3) erstreckt, und wobei der äußere Korpus (5) anschließend an das stromabwärtige Ende des inneren Korpus (3) einen Divergent (509) ausbildet.
2. Windturbine (1) nach Anspruch 1 , wobei die zumindest eine Trägerrippe (7) in Strömungsrichtung spiralförmig ausgebildet ist.
3. Windturbine (1) nach Anspruch 2, wobei zwei oder mehr Trägerrippen (7a, 7b) den inneren Korpus (3) mit dem äußeren Korpus (5) verbinden und zwei oder mehr, vorzugsweise spiralförmige Teil-Konvergenten (507a, 507b) ausbilden, die an ihrem stromabwärtigen Ende auf den Rotor (901) der Arbeitsturbine (9) gerichtet sind. 4. Windturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Arbeitsturbine (9) in Strömungsrichtung vor dem Rotor (901) einen vorderen Stator (903) und/oder in Strömungsrichtung hinter dem Rotor (901) einen hinteren Stator (905) aufweist.
5. Windturbine (1) nach einem Ansprüche 1 bis 4, wobei der äußere Korpus (5) zwei konzentrisch zueinander angeordnete Trichterbauteile (503a, 503b) aufweist und mit dem inneren Korpus (3) zwei Konvergenten (5071 , 5073) ausbildet.
6. Windturbine (1) nach einem Ansprüche 1 bis 5, wobei der äußere Korpus (5) einen mit dem stromabwärtigen Bereich des zumindest einen Konvergent (507) verbundenen Ableitungskanal (511) aufweist, der gegenüber dem zumindest einen
Konvergent (507) mittels einer Verschlussvorrichtung (513) ganz oder teilweise verschließbar ist. Windturbine (1) nach einem Ansprüche 1 bis 6, wobei in dem stromaufwärtigen Einlass (101) des zumindest einen Konvergent (507) zumindest ein Kompensationsring (11) konzentrisch mit dem inneren Korpus (3) und dem äußeren Korpus (5) angeordnet ist.
Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einem Luftstrom mittels der Windturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend die Schritte:
a) Aufnehmen eines Luftstroms aus der Umgebung in den zumindest einen Konvergent (507) der Windturbine (1),
b) Beschleunigen und Verdichten des Luftstroms in dem zumindest einen Konvergent (507) durch zunehmende Verringerung von dessen Querschnittsfläche,
c) gerichtetes Leiten des beschleunigten, verdichteten Luftstroms auf den Rotor (901) und dadurch Antreiben der Arbeitsturbine (9),
d) nach Durchlaufen des Rotors (901) Einleiten des beschleunigten, verdichteten Luftstroms in den Divergent (509) und Verlangsamen und Expandieren des Luftstroms.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei
in Schritt b) die geradlinige Strömungsbewegung des Luftstroms durch die zumindest eine Trägerrippe (7) in eine spiralförmige Strömungsbewegung umgewandelt wird, so dass
in Schritt c) der beschleunigte, verdichtete Luftstrom in einem stumpfen Winkel auf den Rotor (901) geleitet wird, und
in Schritt d) in dem Divergent (509) eine turbulente Strömung erzeugt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei bei Uberschreiten einer kritischen Strömungsgeschwindigkeit des Luftstroms aus der Umgebung in Schritt a) die Verschlussvorrichtung (513) zumindest teilweise geöffnet und zumindest ein Teil des Luftstroms durch den Ableitungskanal (511) an dem Rotor (901) vorbeigeleitet wird.
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