In DE 85 33 964 U1 wird ein horizontal wirkender Windflügelmotor beschrieben, der einen Windtrichter aufweist, der die Windflügel teilweise umschließt und über eine Windfahne in die erforderliche Windrichtung bringbar ist. Der Windtrichter ist im Querschnitt in einem Viertelkreis ausgebildet. Einen vertikalen Windrotor mit einer an einem Arm ausgebildeten Luftansaugfläche beschreibt DE 198 56 914 A1 und einen Anlage mit einem geraden plattenförmigen Windteilungsblech wird in DE 86 31 273. 1 vorgestellt. Alle drei vorgenannten Lösungen sind strömungstechnisch nachteilig ausgebildet.

Nach DE 299 20 899 U1 ist eine Windkraftanlage mit Vertikalrotor und Frontalanströmung bekannt, mit welcher durch eine spezielle Einleitflächenkonstruktion eine Eintrichterung bzw. ein Sog erzielt werden soll, womit höhere Durchströmgeschwindigkeiten erzielbar sind. Durch eine spezielle Konstruktion von zwei Einleitflächen (Diffusorflächen) soll eine Ausrichtung entsprechend der Anströmungsrichtung des Windes erzielt werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die erwünschte Nachführung nicht immer zu verzeichnen war.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Windkraftanlage mit Vertikalrotor zu schaffen, bei welcher die Energie, insbesondere die Bewegungsenergie des strömenden Mediums mit einem hohen Wirkungsgrad in andere Energieformen überführt werden kann, und die eine zuverlässige Nachführung der Anlage entsprechend der Anströmrichtung des Windes gewährleistet.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Windkraftanlage weist einen Mast und einen um eine erste vertikale Achse rotierenden Rotor auf, wobei erfindungsgemäß in definiertem Abstand zum Rotor ein Diffusorelement angeordnet ist, das um eine zweite vertikale Achse gelagert wird. Die erste und die zweite vertikale Achse sind dabei voneinander beabstandet. Ausgehend von der Anströmrichtung des Windes befindet sich die erste vertikale Achse des Rotors hinter der zweiten vertikalen Achse des Diffusorelements. Der Rotor ist dabei, z. B. bei Änderung der Windrichtung, gemeinsam mit dem Diffusorelement um die zweite vertikale Achse schwenkbar.

Das Diffusörelement ist in seiner zweiten vertikalen Achse schwenkbar am Mast gelagert und über wenigstens ein sich im wesentlichen horizontal erstreckendes Verbindungselement ist wiederum der Rotor mit dem Diffusorelement verbunden.

Das Verbindungselement ist bevorzugt als Grund-und Deckplatte ausgebildet, zwischen denen der Rotor um seine erste vertikale Achse drehbar gelagert ist.

Vorzugsweise werden beidseitig zum Rotor zwei sich vertikal erstreckende Diffusorelemente verwendet, zwischen denen sich Grund-und Deckplatte erstrecken. Durch die in Windrichtung weisenden vertikalen Kanten der Diffusorelemente wird eine Einströmöffnung und durch die dazu entgegengesetzten vertikalen Kanten der Diffusorelemente eine Ausströmöffnung gebildet, die unten und oben durch die Grund-und Deckplatte begrenzt wird.

Der Höhe des Rotors entsprechend erstrecken sich ein-oder beidseitig zu diesem Diffusorelemente. Bei Verwendung von zwei Diffusorelementen wird durch diese in Anströmrichtung des Windes vor dem Rotor eine Einstromöffnung und hinter dem Rotor eine Ausströmöffnung gebildet. In Anströmrichtung des Windes verjüngt sich dabei die Einströmöffnung auf eine Breite, die ca. 50% des Durchmessers des Rotors entspricht. Die Ausströmöffnung verbreitert sich demgegenüber nach dem Rotor auf ca. das doppelte des Durchmessers des Rotors. Eine in Strömungsrichtung vertikal verlaufende erste Fläche des ersten Diffusorelementes ist dabei in Richtung zum Rotor zuerst konkav und dann konvex gekrümmt. Von der in Windrichtung weisenden Kante des ersten Diffusorelements

in Richtung zu dessen Kante im Bereich des Windaustritts führt eine langgestreckte konvexe Krümmung bis über den Durchmesser des Rotors hinaus, an die sich eine konkave Krümmung anschließt. In Richtung zum Rotor weist das erste Diffusorelement eine Krümmung auf, die dem Durchmesserverlauf des Rotors folgt. Das zweite Diffusorelement ist ebenfalls vertikal verlaufend an der dem ersten Diffusorelement gegenüberliegenden Seite des Rotors angeordnet.

Die Diffusorelemente sind auf einer Grundplatte befestigt, auf welcher ebenfalls der Rotor drehbar gelagert ist. Die Grundplatte ist auf einem Mast schwenkbar gelagert. Da die Diffusorelemente mit der Grundplatte verbunden sind und der Rotor zwischen Grund-und Deckplatte angeordnet ist, vollführen diese gemeinsam die Schwenkbewegung um die vertikale zweite Achse. Die Achsen der Grundplatte und des Rotors sind dabei voneinander beabstandet. Dadurch wird eine bessere Nachführung der Anlage in Abhängigkeit von der Windrichtung gewährleistet.

Anstelle der Verwendung von zwei Diffusörelementen ist es auch möglich, nur ein Diffusorelement zu verwenden. Dessen Schwenkachse kann auf der Rotorachse liegen oder von dieser beabstandet sein. Bevorzugt ist das eine Diffusorelement radial nach außen so gewölbt, dass es dem Verlauf eines, die nach außen weisenden Enden der Rotorblätter umspannenden, Hüllkreises angepasst ist. Der innere Krümmungsradius des Diffusorelements wird dabei entsprechend des gewünschten Abstandes von den Rotorblättern gewählt.

Die Länge des Diffusorelements sollte in etwa dem Abstand der nach außen weisenden Kanten zweier Rotorblätter entsprechen.

Die Schwenkbewegung das Diffusorelements kann dabei z. B. in Abhängigkeit von einer, durch den Wind drehbaren, Windfahne gesteuert werden. Es ist jedoch auch möglich, daß sich das Diffusorelement bei einer zur Rotorachse beabstandeten Schwenkachse selbst entsprechend der Windrichtung nachstellt.

Die Höhe des Diffusorelements sollte in etwa der Höhe des Rotors entsprechen.

Durch die Anordnung von ein oder zwei des Diffusorelementen in relativ geringem Abstand von den Rotorblättern und die trichterförmige Erweiterung in und

entgegen der Windrichtung, über die Diffusorelemente tangential angeströmt wird, ist eine überraschend starke Sogwirkung und ein Unterdruck in Abströmrichtung des Windes zu verzeichnen, die eine große Steigerung der Durchströmgeschwindigkeit und damit der Drehzahl des Rotors zur Folge hat.

Dadurch kann die Leistung der Windkraftanlage um ca. 25% gesteigert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 : Vorderansicht der Windkraftanlage, Fig. 2 : Schnitt A-A gem. Fig. 1, Fig. 3 : Einzeldarstellung des Rotors, Fig. 4 : Draufsicht gem. Fig. 3, Fig. 5 : Draufsicht der Grundplatte, Fig. 6 : Schnittdarstellung des ersten Diffusorelementes, Fig. 7 : Schnittdarstellung des zweiten Diffusorelementes, Fig. 8 : Prinzipdarstellung der Lagerung von Grundplatte und Rotor, Fig. 9 : Prinzipdarstellung der Aufhängung eines Rotors mittels zweier Querstäbe in Draufsicht, Fig. 10 : Schnitt C-C gem. Fig. 9 Fig. 11 : Prinzipdarstellung der Verwendung von nur einem Diffusorelement in der Draufsicht.

Die Windkraftanlage besteht gem. Fig. 1 im wesentlichen aus einem Mast 1, an welchem die Grundplatte 2 drehbar gelagert ist. Beidseitig zum Rotor 3 sind ein erstes 4 und ein zweites 5 Diffusorelement vertikal auf der Grundplatte 2 sitzend angeordnet. Nach oben schließt die Windkraftanlage mittels einer Deckplatte 6 ab.

Der Rotor 3 wird durch das erste Diffusorelement 4 zu 50 % seines Durchmessers verdeckt, so dass der Rotor auf 50 % seiner Breite angeströmt wird. In Fig. 2 ist der Schnitt A-A gemäß Fig. 1 dargestellt. Auf der Grundplatte 2 sitzen das erste 4 und das zweite 5 Diffusorelement. Dazwischen ist der Rotor 3 angeordnet. Das erste Diffusorelement 4 weist in Windrichtung eine Kante 4.1 und das zweite Diffusorelement 5 eine Kante 5.1 auf, welche die Einströmöffnung ES bilden. Die

beiden Kanten 4.1,5.1 überragen den Außendurchmesser des Rotors in Windrichtung. Der Abstand 11 der beiden Kanten 4.1,5.1 entspricht in etwa dem Rotordurchmesser D. Das erste Diffusorelement 4 weist in Ausströmrichtung des Windes eine weitere Kante 4.2 auf. In nur geringem Abstand zum Rotor ist eine dritte Kante 4.3 am ersten Diffusorelement 4 vorgesehen, die etwa bis zur Hälfte des Rotordurchmessers reicht. Zwischen der ersten Kante 4. 1 und der zweiten Kante 4.2 erstreckt sich eine Diffusorfläche 4a, zwischen der zweiten Kante 4.2 und der dritten Kante 4.3 eine Diffusorfläche 4b und zwischen der ersten Kante 4.1 und der dritten Kante 4.3 eine Diffusorfläche 4c. Die erste Diffusorfläche 4a verläuft von der Kante 4.1 bis über den Rotor hinaus in einem großen Bogen konvex, an den sich eine konkave Krümmung bis zur Kante 4.2 anschließt. Die Diffusorfläche 4b verläuft von der Kante 4.2 zuerst in einen konvexen Bogen, an den sich, dem Verlauf des Rotors folgend eine konkave Krümmung bis zur Kante 4.3 anschließt. Die Diffusorfläche 4c weist von der Kante 4.1 bis zur Kante 4.3 zuerst eine konkave und dann eine konvexe Krümmung auf. Das zweite Diffusorelement 5 weist in Richtung zum Windaustritt eine Kante 5.2 auf und ist in ihrem Querschnitt tragflächenförmig gestaltet. Zwischen der Kante 5.1 und der Kante 5.2 weist das erste Diffusorelement nach außen eine Diffusorfläche 5a und in Richtung zum Rotor eine Diffusorfläche 5b auf. Der Verlauf der Diffusorfläche 5a ist spiegelbildlich zur Fläche 4a gestaltet. Die Fläche 5b verläuft bis zum Rotor 3 in einer konvexen Krümmung, an die sich in etwa in der Mitte des Rotors 3 eine konkave Krümmung anschließt, von der aus die Fläche 5b in konvex gekrümmten Bogen bis zur Kante 5.2 verläuft. Von der Mittellinie des Rotors 3 in Abströmrichtung weisen die Flächen 4b und 5b spiegelbildlich in etwa den gleichen Verlauf auf. Der die Einströmöffnung ES begrenzende Abstand 12 zwischen der Kante 4. 3 und der Fläche 5b beträgt etwa 0,5xD. Der die Ausströmöffnung bildende Abstand 13 der Kanten 4.2 und 5.2 beträgt bevorzugt in etwa 2xD.

Der Rotor in der Vorderansicht ist in Fig. 3 und in der Draufsicht in Fig. 4 dargestellt. Er weist vier fluchtend übereinander angeordnete kreisscheibenförmige Rotorscheiben 3 auf, welche mit einer zentralen, axialen, länglich zy ! indrischen Achse A miteinander verbunden sind. An den Rotorscheiben

3 sind drei Rotorblätter 4 angeordnet. Die Rotorblätter 3.1 sind im Querschnitt tragflächenförmig gewölbt ausgebildet und erstrecken sich vom Umfang der Rotorscheiben 7 in einer gewölbten oder gebogenen Linie radial nach innen. Eine äußere Längskante der Rotorblätter 3.1 schließt mit dem Umfang der Rotorscheiben 7 ab. Die inneren Längskanten der Rotorblätter 3.1 weisen zur konkaven Fläche des nächsten Rotorblattes 3.1. Zwischen der oberen und der unteren Rotorplatte 7 erstrecken sich, die anderen beiden Rotorplatten 7 durchdringend, drei vertikal angeordnete Rotorblätter 4. Die Rotorblätter 4 sind dabei in der Art vertikal ausgerichteten Platte ausgebildet.

Die Draufsicht einer Grundplatte 2 ist in Fig. 5 dargestellt. Es ist die Position des Rotors (3) mit den Rotorblättern 3.1 angedeutet. Die erste Achse A1 bildet die Rotationsachse des Rotors (3) zwischen Grund-und Deckplatte 2 und 6, die zweite Achse A2 die Schwenkachse D der Grundplatte 2 am Mast 1 (Fig. 1).

Fig. 6 zeigt den Querschnitt des ersten Diffusorelements 4 und Fig. 7 den Querschnitt des zweiten Diffusorelements 5.

) n Fig. 8 ist die Prinzipskizze der Lagerung von Rotor 3 und Grundplatte 2 in Seitenansicht dargestellt. Die Grundplatte 2 wird in der ersten Achse A2 schwenkbar am Mast 1 gelagert. Auf der Grundplatte 2 sind die weiteren Elemente der Windkraftanlage angeordnet. Dabei ist zwischen der Grundplatte 2 und der Deckplatte 6 der Rotor 3 in einer ersten vertikalen Achse A1 drehbar gelagert. Die beiden Achsen A1 und A2 sind im Abstand b zueinander angeordnet. Der Generator G ist bevorzugt im Mast 1 angeordnet. Die Übertragung der Drehbewegung des Rotors 3 auf den Rotor (Läufer) des Generators G erfolgt z. B. über Zahnriemen Z, der in einem Gehäuse 10 angeordnet ist. Auf den nach oben offenen Gehäuse sitzt die Grundplatte 2. Die schwenkbare Lagerung um die zweite vertikale Achse A2 erfolgt somit auch über das Gehäuse 10 Die Prinzipdarstellung der Aufhängung eines Rotors 3 zwischen zwei Diffusor- elementen 4,5 mittels zweier Verbindungselemente, in Form von Querstäbe 2a, 6a anstelle der Grundplatte 2 und Deckplatte 6 (Fig. 1) zeigt Fig. 9 in der Draufsicht

und Fig. 10 im Schnitt C-C gem. Fig. 9. Zur Stabilisierung der Verbindung zwischen den Diffusorelementen 4,5 sind parallel zu den Querstäben 2a und 6a zwei weitere Querstäbe 2a'und 6a'vorgesehen. Im Bereich des unteren Querstabes 2a'erfolgt dabei die schwenkbare Lagerung der Diffusorelemente 4,5 in der zweiten vertikalen Achse A2 mit dem daran aufgehangenem Rotor 3.

Eine weitere Variante unter Verwendung von nur einem Diffusorelement 4 in der Draufsicht ist in Fig. 11 dargestellt, wobei hier der Abstand zwischen Rotor 3 und Verschlussklappe 8 vor und nach dem Rotor ebenfalls trichterförmig erweitert ist.

Das Diffusorelement 4 ist unten und oben mit einer horizontalen Grundplatte 2 und Deckplatte 6 versehen, zwischen denen der Rotor 3 in der Achse A1 gelagert ist. Die Lagerung des Diffusorelements 4 erfolgt in der zweiten vertikalen Achse A2 am hier nicht dargestellten Mast.

Mit der Erfindung wird eine zuverlässige Nachführung der Diffusorefemente und somit der Einströmöffnung entsprechend der Windrichtung gewährleistet.-Der gesamte am Mast befestigte Aufbau aus Diffusorelement und daran drehbar aufgehangenem Rotor dreht sich durch seine konstruktive Gstaltung wie eine Windfahne entsprechend der Windrichtung. Die konstruktive Gestaltung der Diffusorelemente verstärkt das Unterdruckgebiet und die Sogwirkung hinter dem Rotor wodurch die Schnelllaufzahl des Rotors wesentlich erhöht wird. Das Flugzeugtragflächenprofil wirkt ebenfalls durch dessen Auftriebsprinzip verbessernd auf die Laufleistung des Rotors.