WO2012061863A2 - Windkraftanlage - Google Patents

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WO2012061863A2
WO2012061863A2 PCT/AT2011/050027 AT2011050027W WO2012061863A2 WO 2012061863 A2 WO2012061863 A2 WO 2012061863A2 AT 2011050027 W AT2011050027 W AT 2011050027W WO 2012061863 A2 WO2012061863 A2 WO 2012061863A2
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Definitions

  • the invention relates to a wind turbine with a Aufwindkamin and with a surrounding the chimney ring of flow channels between radially extending to the chimney, a support ring for the updraft chimney receiving support walls.
  • updraft chimneys in which an axial flow-through wind turbine is arranged coaxially.
  • wind turbines can be used not only thermal updrafts within the updraft chimney, but also external wind currents, which act on the updraft chimney via radial flow channels.
  • radial flow channels Through these flow channels, which surround the foot of the updraft chimney in a wreath, the substantially ground-parallel wind flow is deflected into a vertical updraft flow through the updraft chimney. Due to the predetermined by the respective wind direction, unilateral wind exposure, however, only the wind upwind churning radially incoming wind can be advantageously used.
  • the flow conditions in the updraft chimney deteriorate with the one-sided exposure to the chimney. Presentation of the invention
  • the invention is therefore the object of a wind turbine with a wind flow acted upon updraft chimney in such a way that the wind flow can be advantageously taken advantage of forming favorable flow conditions in the updraft chimney.
  • the invention solves the problem by the fact that the ring of flow channels is enclosed by a symmetrical to an axial plane of the updraft chimney wind deflector, which extends over an angular range of 180 ° open peripheral side and one of the open peripheral side has opposite closed peripheral side, the wind deflector forms on the closed peripheral side two in the region of the plane of symmetry in the radial direction of the ring of flow channels subsequent peripheral walls, which increasingly towards the open peripheral side of the ring of flow channels, and that the wind deflector about the axis the Aufwindkamins is rotatably mounted.
  • the wind deflector By means of the wind deflector enclosing the rim of flow channels for acting on the updraft chimney, which is designed to be open over half the circumference and closed over half the circumference, a portion of the wind flow which otherwise flows tangentially on the rim of the flow channels can be deflected within the closed circumference, so that the otherwise located in the slipstream flow channels can be acted upon with a corresponding wind flow, which initially brings the utilization of a larger flow rate of the wind to produce energy. Since, due to the flow deflection caused by the wind deflector, the flow channels are also subjected to a flow component on the lee side, substantially rotationally symmetrical flow conditions arise within the updraft chimney, which are essential for a good effect. degree.
  • the condition is that the wind deflector can be aligned with respect to the respective wind direction, which causes a rotatable mounting of the wind deflector about the axis of the updraft chimney. Runs the plane of symmetry of the wind deflector in the wind direction, so set symmetrical inflow conditions for the flow channels on both sides of this plane of symmetry.
  • the wind deflector can adjoin the ring of flow channels subsequent deflectors for deflecting the wind flow in the direction of the flow channels have, so that the laminar flow of the individual flow channels is supported.
  • the guide walls have a division of the flow channels corresponding division, because in this case, the flow within the wind deflector is already divided according to the flow channels through the baffles.
  • the wind deflector on the open peripheral side may have a sloping against the rim of the flow channels, an inlet nozzle forming ceiling.
  • the rotational displacement of the wind deflector about the axis of the updraft chimney can be designed constructively in different ways, particularly simple construction conditions, when the wind deflector is mounted on the Aufwindkamin concentrically enclosing guide rails movable, of which at least one carries a meshing with at least one drive pinion sprocket.
  • the wind deflector annularly enclosing the updraft stack can thus follow the respective wind direction. leading, so that always advantageous Anström concerned for the updraft and the chimney installed in the wind turbine can be ensured.
  • Fig. 1 a wind turbine according to the invention fragmentary in one for
  • Fig. 3 is a section along the line III-III of FIG. 1 on a larger scale
  • FIG. 4 shows the mounting of the wind deflector on a guide rail in a cross section on a larger scale.
  • the illustrated Windkraf tan läge has a Trowindkamin 1, which rests on a supporting ring 2 with respect to the axis of the updraft chimney 1 radially extending support walls 3. These support walls 3 form flow channels 4 between them, as can be seen in particular from FIG. About these flow channels 4 of the updraft chimney 1 is acted upon by a Aufwindströmung to operate in a Aufwindkamin 1 arranged wind turbine 5, via which a generator 6 is driven.
  • This wind turbine 5 is mounted on a bottom of the updraft chimney 1 forming, concentric cone 7, which provides for a deflection of the radial flow in the region of the flow channels 4 in an axial flow through the wind turbine 5.
  • wind flow 3 In order to support the laminar deflection of the introduced into the updraft chimney 1 wind flow 3 corresponding baffles 8 may be provided between the support walls.
  • the rim of flow channels 4 surrounding the updraft chimney 1 is surrounded by an annular wind deflector 9, which is rotatably mounted on concentric guide rails 10.
  • the wind deflector 9 is supported on the guide rails 10 via wheels 1 1, wherein over the guide rails 10 under cross-securing rollers 12 lifting the wind deflector 9 is prevented by the guide rails 10.
  • one of the guide rails 10 is provided with a rack 13 which meshes with a drive pinion 14. If the drive pinion 14 is driven via the indicated drive shaft 15, the wind deflector 9 is set in a corresponding rotational movement.
  • the wind deflector 9 is formed symmetrically to a dash-dotted line in Fig. 1 indicated axial plane 16 of the updraft chimney 1 and has an extending through an angular range of 180 ° open peripheral side 17 and an open peripheral side 17 opposite, closed peripheral side 18. While the open peripheral side 17 according to FIG. 3 has a ceiling 20 sloping downwards against the rim from the flow channel 4 and forming an inlet nozzle 19, the ceiling 21 is ground-parallel in the area of the closed peripheral side 18 of the wind deflector 9, as shown in FIG. 2 shows. The transition between the ceiling 20 and 21 of the wind deflector 9 corresponds to fluidic requirements.
  • the wind deflector 9 comprises on the closed peripheral side 18 in the region of the plane of symmetry 16 in the radial direction of the rim of the flow channels 4 subsequent peripheral walls 22, which increasingly towards the open peripheral side 17 away from the crown of the flow channels 4, so that between the peripheral walls 22nd and the rim of the flow channels 4, an end closed, opposite the flow channels 4 open guide channel results, which is additionally divided by baffles 23, the inflowing over the open peripheral side 17, to the wreath of Strö- mungskanäle 4 tangential wind flow to the individual flow channels 4 divides, as is illustrated in Fig. 1 by the drawn flow arrows.
  • the individual flow channels 4 are largely uniformly flowed over the circumference, just because the wind deflector. 9 a deflection of the wind flow is ensured, so that the otherwise located in the slipstream flow channels 4 are flown.
  • the air flowing through the flow channels 4 into the updraft chimney 1 can additionally be heated, in heat exchange with a heat carrier, which is pumped via pipelines 24 indicated by dot-dash lines, which are laid correspondingly in the flow channels 4 ,
  • a heat transfer medium usually water or steam, for example, be used in industrial plants, otherwise unused waste heat for energy production in a wind turbine.

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Abstract

Es wird eine Windkraftanlage mit einem Aufwindkamin (1) und mit einem den Aufwindkamin (1) umgebenden Kranz von Strömungskanälen (4) zwischen radial zum Aufwindkamin (1) verlaufenden, einen Tragring (2) für den Aufwindkamin (1) aufnehmenden Stützwänden (3) beschrieben. Um eine vorteilhafte Windbeaufschlagung des Aufwindkamins (1) zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass der Kranz von Strömungskanälen (4) von einer zu einer Axialebene (16) des Aufwindkamins (1) symmetrischen Windleiteinrichtung (9) umschlossen ist, die eine sich über einen Winkelbereich von 180° erstreckende offene Umfangsseite (17) und eine der offenen Umfangsseite (17) gegenüberliegende geschlossene Umfangsseite (18) aufweist, wobei die Windleiteinrichtung (9) auf der geschlossenen Umfangsseite (18) zwei im Bereich der Symmetrieebene in radialer Richtung an den Kranz von Strömungskanälen (4) anschließende Umfangswände (22) bildet, die sich gegen die offene Umfangsseite (17) hin zunehmend vom Kranz der Strömungskanäle (4) entfernen, und dass die Windleiteinrichtung (9) um die Achse des Aufwindkamins (1) drehbar gelagert ist.

Description

Windkraftanlaqe
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Windkraftanlage mit einem Aufwindkamin und mit einem den Aufwindkamin umgebenden Kranz von Strömungskanälen zwischen radial zum Aufwindkamin verlaufenden, einen Tragring für den Aufwindkamin aufnehmenden Stützwänden.
Stand der Technik
Um Windkräfte vorteilhaft zur Energiegewinnung einsetzen zu können, ist es unter anderem bekannt, Aufwindkamine vorzusehen, in denen eine axial durchströmte Windturbine koaxial angeordnet ist. Mit Hilfe solcher Windkraftanlagen lassen sich nicht nur thermische Aufwinde innerhalb des Aufwindkamins nützen, sondern auch äußere Windströmungen, die den Aufwindkamin über radiale Strömungskanäle beaufschlagen. Durch diese Strömungskanäle, die den Fuß des Aufwindkamins in einem Kranz umschließen, wird die im Wesentlichen bodenparallele Windströmung in eine vertikale Aufwindströmung durch den Aufwindkamin umgelenkt. Aufgrund der durch die jeweilige Windrichtung vorgegebenen, einseitigen Windbeaufschlagung kann allerdings nur der den Aufwindkamin radial anströmende Wind vorteilhaft genützt werden. Dazu kommt, dass sich mit der einseitigen Kaminbeaufschlagung die Strömungsverhältnisse im Aufwindkamin verschlechtern. Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde eine Windkraftanlage mit einem über eine Windströmung beaufschlagbaren Aufwindkamin so auszugestalten, dass die Windströmung unter Ausbildung günstiger Strömungsverhältnisse im Aufwindkamin vorteilhaft genützt werden kann.
Ausgehend von einer Windkraftanlage der eingangs geschilderten Art löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, dass der Kranz von Strömungskanälen von einer zu einer Axialebene des Aufwindkamins symmetrischen Windleiteinrichtung umschlossen ist, die eine sich über einen Winkelbereich von 180° erstreckende offene Umfangsseite und eine der offenen Umfangsseite gegenüberliegende geschlossene Umfangsseite aufweist, wobei die Windleiteinrichtung auf der geschlossenen Umfangsseite zwei im Bereich der Symmetrieebene in radialer Richtung an den Kranz von Strömungskanälen anschließende Umfangswände bildet, die sich gegen die offene Umfangsseite hin zunehmend vom Kranz der Strömungskanäle entfernen, und dass die Windleiteinrichtung um die Achse des Aufwindkamins drehbar gelagert ist.
Durch die den Kranz von Strömungskanälen zur Beaufschlagung des Aufwindkamins umschließende Windleiteinrichtung, die über einen halben Umfangsbe- reich offen und über einen halben Umfangsbereich geschlossen ausgebildet ist, kann ein sonst tangential am Kranz der Strömungskanäle vorbeiströmender Anteil der Windströmung innerhalb des geschlossenen Umfangbereichs umgelenkt werden, sodass die sonst im Windschatten befindlichen Strömungskanäle mit einer entsprechenden Windströmung beaufschlagt werden können, was zunächst die Ausnützung eines größeren Strömungsanteils des Windes zur Energiegewinnung mit sich bringt. Da aufgrund der durch die Windleiteinrichtung bedingten Strömungsumlenkung die Strömungskanäle auch auf der Windschattenseite mit einem Strömungsanteil beaufschlagt werden, stellen sich innerhalb des Aufwindkamins weitgehend rotationssymmetrische Strömungsverhältnisse ein, die eine wesentliche Voraussetzung für einen guten Wirkungs- grad darstellen. Voraussetzung ist, dass die Windleiteinrichtung gegenüber der jeweiligen Windrichtung ausgerichtet werden kann, was eine drehbare Lagerung der Windleiteinrichtung um die Achse des Aufwindkamins bedingt. Verläuft die Symmetrieebene der Windleiteinrichtung in Windrichtung, so stellen sich symmetrische Anströmverhältnisse für die Strömungskanäle beidseits dieser Symmetrieebene ein.
Damit über die geschlossene Umfangsseite der Windleiteinrichtung die tangentiale Windströmung nicht nur zu den Strömungskanälen auf der Windschattenseite umgelenkt, sondern auch auf die einzelnen Strömungskanäle weitgehend gleichmäßig aufgeteilt werden kann, kann die Windleiteinrichtung an den Kranz von Strömungskanälen anschließende Leitwände zur Umlenkung der Windströmung in Richtung der Strömungskanäle aufweisen, sodass die laminare Anströmung der einzelnen Strömungskanäle unterstützt wird. Hinsichtlich der Strömungsaufteilung auf die einzelnen Strömungskanäle ergeben sich besonders vorteilhafte Bedingungen, wenn die Leitwände eine der Teilung der Strömungskanäle entsprechende Teilung aufweisen, weil in diesem Fall durch die Leitwände die Strömung innerhalb der Windleiteinrichtung bereits entsprechend den Strömungskanälen aufgeteilt wird. Um die Einströmbedingungen in die Windleiteinrichtung strömungstechnisch günstig gestalten zu können, kann außerdem die Windleiteinrichtung auf der offenen Umfangsseite eine gegen den Kranz der Strömungskanäle abfallende, eine Einströmdüse bildende Decke aufweisen.
Obwohl die Drehverlagerung der Windleiteinrichtung um die Achse des Aufwindkamins in unterschiedlicher Weise konstruktiv gestaltet werden kann, ergeben sich besonders einfache Konstruktionsverhältnisse, wenn die Windleiteinrichtung auf den Aufwindkamin konzentrisch umschließenden Führungsschienen verfahrbar gelagert ist, von denen zumindest eine einen mit wenigstens einem Antriebsritzel kämmenden Zahnkranz trägt. Durch einen entsprechenden Antrieb des Antriebsritzels kann somit die den Aufwindkamin ringförmig umschließende Windleiteinrichtung der jeweiligen Windrichtung nachge- führt werden, sodass stets vorteilhafte Anströmbedingungen für den Aufwindkamin und die im Aufwindkamin installierte Windturbine sichergestellt werden können.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Windkraftanlage ausschnittsweise in einer zum
Teil aufgerissenen Draufsicht,
Fig. 2 diese Windkraf tan läge in einem Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1 in einem größeren Maßstab,
Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III der Fig. 1 in einem größeren Maßstab und
Fig. 4 die Lagerung der Windleiteinrichtung auf einer Führungsschiene in einem Querschnitt in einem größeren Maßstab.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Die dargestellte Windkraf tan läge weist einen Aufwindkamin 1 auf, der über einen Tragring 2 auf bezüglich der Achse des Aufwindkamins 1 radial verlaufenden Stützwänden 3 aufruht. Diese Stützwände 3 bilden zwischen sich Strömungskanäle 4, wie dies insbesondere der Fig. 1 entnommen werden kann. Über diese Strömungskanäle 4 wird der Aufwindkamin 1 mit einer Aufwindströmung beaufschlagt, um eine im Aufwindkamin 1 angeordnete Windturbine 5 zu betreiben, über die ein Generator 6 angetrieben wird. Diese Windturbine 5 ist auf einem den Boden des Aufwindkamins 1 bildenden, zentrischen Konus 7 gelagert, der für eine Umlenkung der radialen Strömung im Bereich der Strömungskanäle 4 in eine axiale Strömung durch die Windturbine 5 sorgt. Zur Unterstützung der laminaren Umlenkung der in den Aufwindkamin 1 eingeleiteten Windströmung können zwischen den Stützwänden 3 entsprechende Umlenkbleche 8 vorgesehen sein. Der den Aufwindkamin 1 umgebende Kranz von Strömungskanälen 4 wird von einer ringförmigen Windleiteinrichtung 9 umschlossen, die auf konzentrischen Führungsschienen 10 drehbar gelagert ist. Wie aus der Fig. 4 entnommen werden kann, stützt sich die Windleiteinrichtung 9 über Laufräder 1 1 auf den Führungsschienen 10 ab, wobei über die Führungsschienen 10 untergreifende Sicherungsrollen 12 ein Abheben der Windleiteinrichtung 9 von den Führungsschienen 10 unterbunden wird. Zum Drehen der Windleiteinrichtung 9 um die Achse des Aufwindkamins 1 ist eine der Führungsschienen 10 mit einer Zahnstange 13 versehen, die mit einem Antriebsritzel 14 kämmt. Wird das Antriebsritzel 14 über die angedeutete Antriebswelle 15 angetrieben, so wird die Windleiteinrichtung 9 in eine entsprechende Drehbewegung versetzt.
Die Windleiteinrichtung 9 ist symmetrisch zu einer in der Fig. 1 strichpunktiert angedeuteten Axialebene 16 des Aufwindkamins 1 ausgebildet und weist eine sich um einen Winkelbereich von 180° erstreckende offene Umfangsseite 17 sowie eine dieser offenen Umfangsseite 17 gegenüberliegende, geschlossene Umfangsseite 18 auf. Während die offene Umfangsseite 17 gemäß der Fig. 3 eine gegen den Kranz vom Strömungskanal 4 hin abfallende, eine Einlaufdüse 19 bildende Decke 20 aufweist, ist die Decke 21 im Bereich der geschlossenen Umfangsseite 18 der Windleiteinrichtung 9 bodenparallel ausgeführt, wie dies aus der Fig. 2 hervorgeht. Der Übergang zwischen der Decke 20 und 21 der Windleiteinrichtung 9 entspricht strömungstechnischen Anforderungen.
Die Windleiteinrichtung 9 umfasst auf der geschlossenen Umfangsseite 18 zwei im Bereich der Symmetrieebene 16 in radialer Richtung an den Kranz der Strömungskanäle 4 anschließende Umfangswände 22, die sich gegen die offene Umfangsseite 17 hin zunehmend vom Kranz der Strömungskanäle 4 entfernen, sodass sich zwischen den Umfangswänden 22 und dem Kranz der Strömungskanäle 4 ein endseitig geschlossener, gegenüber den Strömungskanälen 4 offener Leitkanal ergibt, der zusätzlich durch Leitwände 23 unterteilt wird, die die über die offene Umfangsseite 17 einströmende, zum Kranz der Strö- mungskanäle 4 tangentiale Windströmung auf die einzelnen Strömungskanäle 4 aufteilt, wie dies in der Fig. 1 durch die eingezeichneten Strömungspfeile veranschaulicht wird.
Da die Windleiteinrichtung 9 aufgrund ihrer drehbaren Lagerung um die Achse des Aufwindkamins 1 stets gegenüber der jeweiligen Windrichtung so ausgerichtet werden kann, dass die Symmetrieebene 16 in Windrichtung verläuft, werden die einzelnen Strömungskanäle 4 weitgehend gleichmäßig über den Umfang angeströmt, weil eben durch die Windleiteinrichtung 9 eine Umlenkung der Windströmung sichergestellt wird, sodass auch die sonst im Windschatten befindlichen Strömungskanäle 4 angeströmt werden.
Um die Aufwindströmung im Aufwindkamin 1 zu unterstützen, kann die durch die Strömungskanäle 4 in den Aufwindkamin 1 einströmende Luft zusätzlich erwärmt werden, und zwar im Wärmeaustausch mit einem Wärmeträger, der über strichpunktiert angedeutete Rohrleitungen 24 gepumpt wird, die in den Strömungskanälen 4 entsprechend verlegt sind. Über einen solchen Wärmeträger, üblicherweise Wasser oder Dampf, kann beispielsweise in Industrieanlagen anfallende, sonst nicht genutzte Abwärme zur Energiegewinnung in einer Windkraftanlage genützt werden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1 . Windkraftanlage mit einem Aufwindkamin (1 ) und mit einem den Aufwindkamin (1 ) umgebenden Kranz von Strömungskanälen (4) zwischen radial zum Aufwindkamin (1 ) verlaufenden, einen Tragring (2) für den Aufwindkamin (1 ) aufnehmenden Stützwänden (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Kranz von Strömungskanälen (4) von einer zu einer Axialebene (16) des Aufwindkamins (1 ) symmetrischen Windleiteinrichtung (9) umschlossen ist, die eine sich über einen Winkelbereich von 180° erstreckende offene Umfangsseite (17) und eine der offenen Umfangsseite (17) gegenüberliegende geschlossene Umfangsseite (18) aufweist, wobei die Windleiteinrichtung (9) auf der geschlossenen Umfangsseite (18) zwei im Bereich der Symmetrieebene in radialer Richtung an den Kranz von Strömungskanälen (4) anschließende Umfangswände (22) bildet, die sich gegen die offene Umfangsseite (17) hin zunehmend vom Kranz der Strömungskanäle (4)entfernen, und dass die Windleiteinrichtung (9) um die Achse des Aufwindkamins (1 ) drehbar gelagert ist.
2. Windkraftanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Windleiteinrichtung (9) an den Kranz von Strömungskanälen (4) anschließende Leitwände (23) zur Umlenkung der Windströmung in Richtung der Strömungskanäle (4) aufweist.
3. Windkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitwände (23) eine der Teilung der Strömungskanäle (4) entsprechende Teilung aufweisen.
4. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Windleiteinrichtung (9) auf der offenen Umfangsseite (17) eine gegen den Kranz der Strömungskanäle (4) abfallende, eine Einströmdüse (19) bildende Decke (20) aufweist.
5. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Windleiteinrichtung (9) auf den Aufwindkamin (1 ) konzentrisch umschließenden Führungsschienen (10) verfahrbar gelagert ist, von denen zumindest eine einen Zahnkranz (13) trägt, mit dem wenigstens ein Antriebsritzel (14) kämmt.
PCT/AT2011/050027 2010-11-10 2011-11-07 Windkraftanlage WO2012061863A2 (de)

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