Windkraftanlage

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem Rotor, dessen Drehachse quer zur Windströmung angeordnet ist, zur Energiegewinnung, wobei ein Rotor nach dem Durchströmungsprinzip die Energie umsetzt und eine äußere Einleitflächenkonstruktion vorgesehen ist, um dem Rotor Luft zuzuführen. Die Einsatzgebiete dieser Anlagen sind der Industriebereich, Windparks und der Eigenheimbereich.

Aus der DE 299 00 664 ist eine solche Strömungsenergieanlage bekannt. Damit bei dieser Anlage das Leitwerk überhaupt arbeitet, bedarf es zur Nachführung in Windrichtung einer sehr hohen Windgeschwindigkeit. Der Wind strömt an der Anlage nur vorbei, weil keine Strömungsantrichterung vorhanden ist. Das bedeutet, dass die Strömung an der freien Seite ausweicht. Es entsteht dabei ein Wirbelpolster, wobei die Strömung vorbeigeleitet wird. Dieser Zustand tritt sofort ein, wenn die Sättigung des Aufnah- mevolumens im Rotor erfolgt ist. Es ist weiterhin nachteilig, dass der Rotor ohne Durchströmung arbeitet. Die Anlage besitzt auch keine ausreichende Frequenzkonsistenz und fängt erst bei relativ hohen Windgeschwindigkeiten an zu arbeiten. Dabei wird aber nicht sofort Leistung erzeugt.

Aus der DE 195 14 499 ist eine weitere Windkraftanlage bekannt. Diese Anlage arbeitet nach dem Winddruckprinzip. Da sie keinen Durchströmrotor besitzt, werden nur etwa 20% aus der Strömung in Energie umgesetzt. Selbst der Winddruck kann sich in diesem Rotor nicht richtig entfalten. Wegen der schlechten Frequenzkonstanz unterliegen solche Anlagen großen Ausfallzeiten. Selbst bei Windgeschwindigkeiten von 10 bis 30 m/s bleiben sie immer Langsamläufer. Diese Anlage wird gegenüber anderen Anlagen, die mit aerodynamischer Flügelform und Durchströmung arbeiten, immer benachteiligt sein, da diese in der Lage sind, etwa 42% aus der Strömung

umzusetzen. Da der nach dem Winddruckprinzip arbeitende Rotor immer sehr viel langsamer laufen wird als die Strömungsgeschwindigkeit, leidet die Statik der Anlage und auch das Drehmoment vor allem bei hohen Windlasten.

Aus der DE 199 20 560 ist eine weitere Strömungsanlage bekannt. Die dort vorgesehenen 12 Leitvorrichtungen erlauben nur eine 70%ige Nutzung der Frontanströmung. Durch die drei Rotorflügel und deren Form entsteht in der Rotormitte eine Drucksäule, die gleichermaßen die Durchströmung abbaut. Die aerodynamische Flügelform kann sich deshalb auch nicht entfalten.

Weiterhin ist aus der WO 81/00463 eine weitere Windkraftanlage bekannt. Die Anlage besitzt 12 vertikale Einleitflächen und 12 horizontale Einleitflächen. Im Rotor dieser Anlage sind 24 Schaufeln angeordnet. Nachteilig wirken in dieser Anlage die zu flach anliegenden Einleitflächen. Dadurch baut sich eine zu hohe Rückströmung in den Einleitflächen auf, welche die eigentliche Einströmung zum Rotor nicht zulässt. Dabei wird bereits ein hoher Anteil an Energie vernichtet. Die 24 Schaufeln im Rotor besitzen keine Durchströmung, wodurch die dringend nötige Durchströmung von etwa 15% stark unterschritten wird. Dadurch kann die einzige arbeitende Druckkraft von theoretisch 15% nicht einmal umgesetzt werden. Die Strömung bricht zusammen. Der Strömungsdruck arbeitet in den Rotorflügeln nur bis zum jeweiligen Leitflächenende und entlädt den Druck im nachfolgenden Fach. Die Folge ist ein unerwünschter Gegendruck.

Die DE 31 29 660 offenbart eine weitere Lösung für eine Windkraftanlage. Die Umsetzung der Windenergie in Rotationsenergie erfolgt mit einer Vielzahl von Rotorblättem an den Rotoren. Die Rotorachse selbst steht dabei orthogonal zur Ebene der möglichen Windrichtung. Dieser Vertikalläufer er- zeugt seine Leistung, indem der Rotor von seinem Stator umgeben ist, der eine Vielzahl von gleich beabstandeten Statorblättern aufweist. Diese Statorblätter bilden zum Rotor hin sich verjüngende Kanäle, die schräg zum Rotor angeordnet sind. Diese Anlage weist den Nachteil auf, dass sie mit

der konstruktiven Anordnung der Einleitflächen einen zu geringen Teil der Frontalanströmfläche zur Energieumsetzung nutzt. Die Ursache für diesen Nachteil liegt in den zu flach anliegenden Einleitflächen, wodurch nur höchstens 75% der Frontalanströmfläche genutzt werden kann. Die verbleibenden 25% werden einfach um die Anlage herum nach außen abgeleitet. Die dringend nötige Durchströmung von mindestens 15% wird auf jeden Fall unterschritten, da dieser Rotor keine Durchströmmöglichkeit besitzt. Es kann sogar der Fall eintreten, dass die Strömung zusammenbricht oder die Anlage nur bei besonders hohen Strömungsgeschwindigkeiten ab etwa 30 m/s ar- beitet. Selbst bei so hohen Strömungsgeschwindigkeiten ist eine derartige Anlage nur in der Lage, höchstens 15% der auftreffenden Arbeitsströmung in Energie umzusetzen. Rotor und Einleitflächen praktizieren in der aufgeführten Anordnung und in der Energieumsetzung kein effektives Zusammenwirken.

Aus der WO 91/19093 ist eine weitere Windkraftanlage bekannt. Sie arbeitet nach dem Prinzip der Durchströmung. Diese Anlage setzt den Winddruck und einen Teil der Aerodynamik um. Der achtflüglige Rotor ist auf die 16 Einleitelemente abgestimmt. Das offengelegte Einleitflächenprinzip erbringt nur eine etwa 85%ige Frontflächennutzung, ohne dem Idealzustand nahe zu kommen. Der Kapzitätsverlust liegt an der Abfälschung der Strömung. Trotz der eingearbeiteten Durchströmfähigkeit bilden die acht Rotorflügel einen zu extremen Trichter. Die Folge ist eine Behinderung der Durchströmung. Die Rotorflügel sind zu kurz und bieten der Windströmung einen zu kurzen Arbeitsweg. Bei dieser Bauart ist es auch nicht möglich, eine voll arbeitsfähige Aerodynamik unterzubringen. Es arbeitet die Durchströmung auch nicht von innen nach außen. Aufgrund des Trichterverhaltens kann die Strömung nicht aktiv werden. Der Abstand des Gehäuses zum Rotor ist zu groß, weil der Druck unkompliziert entweichen kann.

Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine Windkraftanlage der genannten Art zu schaffen, mit dem Ziel, möglichst viel Strömungsenergie in Bewegungsenergie des Rotors umzusetzen.

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Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung gelöst durch eine Windkraftanlage mit den im Anspruch 1 aufgezeigten technischen Merkmalen, sowie gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung durch eine Windkraftanlage mit den im Anspruch 27 aufgezeigten technischen Merkmalen.

In den Unteransprüchen sind weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung genannt.

Erfindungsgemäß findet in erster Linie eine ideale Aufnahme der Strömung statt und wird die Strömung genau auf der richtigen Seite der Strömung komprimiert. Durch ein gutes Zusammenwirken von Strömungsdruck und Aerodynamik mit den Leitflächen kann eine ideale Umsetzung der Strö- mungsenergie erfolgen. Die Anlagenstatik wird dadurch geschont, dass durch die erreichte gute Frequenzkonstanz eine ideale Gewichts- und Massenausgewogenheit stattfindet. Die Erfindung ermöglicht ferner, dass die Aerodynamik an den Rotorflügeln schnellstmöglich zu arbeiten beginnt. In der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Profile der Rotorflügel wird daher sowohl als bevorzugte Ausgestaltung der Anordnung der

Einleitflächenkonstruktion gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung als auch als eigenständiger zweiter Aspekt der Erfindung ein Schutz gesehen und beansprucht. Die Anlage kann, ohne Schaden zu nehmen und ohne, dass sie abgeschaltet werden muss, bis zum Orkan laufen. Die Anlage passt ferner in das Landschaftsbild und stellt sich nicht so aufdringlich dar, wie es bei den Anlagen mit Horizontalachse der Fall ist. Es können kostengünstige Materialien zum Bau der Anlage verwendet werden, um einen positiven Kosten-/Nutzeneffekt zu erzielen.

Die erfindungsgemäße Anlage kann windrichtungsunabhängig arbeiten. Sie kann ein Fundament, einen Maschinenraum, einen turmartigen Maschinenaufbau und ein Dach umfassen. Der Maschinenaufbau besteht dann vorzugsweise als Korpus aus zwei oder mehreren Grundböden,

zwischen welchen sich die Einleitkonstruktionen befinden. Die Etagen werden bevorzugt durch die Grundböden gebildet, wobei sich zwischen zwei Grundböden immer eine Etage befindet. Zwei Etagen haben somit drei Grundböden. Die maximale Höhe der Anlage wird durch die zugelassene Statikberechnung bestimmt, sowie die Möglichkeiten des Anlagendurchmessers und die möglichen Rotorachslängen. Aus Statikgründen sind günstigerweise die Leitflächen in den einzelnen Etagen direkt übereinander angeordnet. Die Strömung in der Anlage wird in Richtung der Rotoren verdichtet, so dass die Strömungsgeschwindigkeit erhöht wird. Die Leitflächen sitzen bevorzugt so in der Anlage, dass „zurücklaufende Flügel" (d.h. nicht von der Windströmung in Soll-Drehrichtung angetriebene Flügel) von der Frontanströmung freigestellt werden. Der Rotor besitzt vorzugsweise drei Flügel, die nach dem Durchströmungsprinzip arbeiten. Der Maschinenraum hat bevorzugt die Grundfläche einer Bernardschen Zelle und stellt eine konisch nach oben laufende Bienenwabenform dar. Der Vorteil dieser

Ausgestaltung liegt darin, dass der Wind durch diese Schräge besser in die Anlage geleitet wird. Die Anordnung der Einleitflächen ist so gestaltet, dass die Strömung immer auf die in Drehrichtung des Rotors zeigende Seite des Rotors strömt. An ihrem jeder Ecke des sechseckigen Korpusses benachbarten Ende zeigen die großen Einleitflächen bevorzugt in Richtung Rotorachse und sind am Ende in Drehrichtung des Rotors gebogen. Dazwischen sitzen vorzugsweise die 6 kleinen Einleitflächen, die bevorzugt zur in Drehrichtung nachfolgenden Korpuskante in paralleler Richtung stehen. Diese kleinen Einleitflächen entsprechen bevorzugt einem Drittel der großen Leitflächen in ihrer Aufladung.

Das Dach kann in der Mitte eine Erhebung aufweisen und somit vorstehen, damit die ganze Anlage abgedeckt wird. Die Flügel des Rotors können im Innenteil aus einem geraden Stück bestehen und im äußeren, der Windströmung zugewandten Teil aus einer Rundung bestehen. Das gerade Stück hat dann vorzugsweise die Länge von einem Sechstel des Durchmessers des Rotorkreises und die Rundung ist vorzugsweise genau die Krümmung von einem Achtel des Durchmessers des Rotorkreises. An

der Vorderkante der Rotorflügel kann noch eine Abschrägung angebracht sein. Die großen Leitflächen haben durch die sechseckige Ausführung des Korpusses noch einen Abstand zum Rotor. Dieser Platz kann genutzt werden, um in Drehrichtung des Rotors zeigende Krümmungen einzufügen. Es lohnt sich auch, als Variante eine Druckseitentangente einzuziehen, damit der Unterdruck und der überdruck besser hervortreten. Anstelle der Abschrägung an der Vorderkante der Flügel wäre ein Rundstab, der mit der Flügelform eingearbeitet ist, von Vorteil. Die Rotoretagenböden und die Etagenböden sitzen in der Regel auf gleicher Höhe.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt einer Windkraftanlage als Großanlage;

Fig. 2 einen Horizontalschnitt der Windkraftanlage;

Fig. 3 einen Vertikalschnitt einer Windkraftanlage in kleiner

Ausführung;

Fig. 4 einen Horizontalschnitt eines Rotors mit drei Flügeln;

Fig. 5 eine große Einleitfläche mit Rechtskrümmung;

Fig. 6 einen Horizontalschnitt eines Flügels, Variante I;

Fig. 7 einen Horizontalschnitt eines Flügels, Variante II; und

Fig. 8 einen Maschinenraumkorpus in Form eines sechseckigen Körpers.

Auf einem Fundament 1 befindet sich ein Maschinenraum 2, welcher mit einem Maschinenaufbau 3 verbunden ist. Der Maschinenaufbau 3 besteht

aus sechs Stück großen Einleitflächen 4, aus sechs Stück kleinen Einleitflächen 5, den Etagenböden 6 und dem Rotor 7. Der Maschinenaufbau 3 kann aus einer unterschiedlichen Anzahl von Etagen 12 bestehen. Jede Etage besteht aus einem Etagenboden 6 oben und einem Etagenboden 6 unten, sowie aus großen Einleitflächen 4 und kleinen Einleitflächen 5.

Die großen Einleitflächen 4 und die kleinen Einleitflächen 5 sind mit den Etagenböden 6 die statischen Bauteile in der Etage 12. Die Verbindung dieser Bauelemente erfolgt durch Verschweißung. Die oberste Etage 12 erhält ein Dach 13. Im sechseckigen Schacht 14 ist die vertikale Rotoranlage angeordnet, welche den um die Rotorachse 8 drehbaren Rotor 7 umfasst. Zur Rotoranlage gehören außerdem ein Generator 15 und Rotoretagenböden 16. Auf den Rotoretagenböden 16 sind die Rotorflügel 9, 10 und 11 je Etage 12 angeordnet. Die Drehrichtung des Rotors R ist gegen den Uhrzeigersinn gerichtet. Die Rotorflügel 9, 10 und 11 haben in ihrer Ausführung im Innenbereich ein geradliniges Profil 17 mit einer Länge von einem Sechstel des Rotordurchmessers 19. Im nach außen anschließenden Bereich 18 verlaufen die Rotorflügel 9, 10, 11 kreisförmig gekrümmt, wobei der Krümmungsdurchmesser gleich einem Achtel des Durchmessers 19 des Rotoraußenkreises K ist. Die von der Windströmung angeströmten äußeren Kanten der Rotorflügel 9, 10 und 11 liegen zur Rotorachse 8 genau 120° auseinander. Das innere Ende 20 der Rotorflügel 9, 10, 11 liegt auf einem Kreis Ki um den Mittelpunkt der Rotorachse 8, dessen Durchmesser ein Viertel des Durchmessers 19 des Rotoraußenkreises K beträgt.

Die Rotorflügel 9, 10 und 11 besitzen in Variante I (Fig. 6) an ihrer Frontseite einen Flacheisenansatz 21. Die großen Einleitflächen 4 und die kleinen Einleitflächen 5 haben die besondere Aufgabe, die zurücklaufenden Rotorflügel 9, 10 und 11 abzudecken und die Strömung insgesamt auf die in Drehrichtung des Rotors vorne liegende Seite zu leiten. Die großen

Einleitflächen 4 sind an den Rotor 7 angrenzend in Drehrichtung des Rotors R (dessen Drehrichtung gegen den Uhrzeigersinn gerichtet ist) mit einer Rechtskrümmung 22 versehen, so dass die Luft in Drehrichtung umgeleitet

wird. Die Ausladung 23 der großen Einleitflächen 4 entspricht mindestens dem Radius des Rotoraußenkreises K und sie sind genau auf die Mitte der Rotorachse 8 ausgerichtet. Die kleinen Einleitflächen 5 sind in Umfangsrichtung genau in der Mitte zwischen den großen Einleitflächen 4 angeordnet. Diese kleinen Einleitflächen 5 haben nur ein Drittel der

Ausladung 23 der großen Einleitflächen 4 und sind immer so ausgerichtet, dass sie in die gleiche Richtung zeigen wie die in Drehrichtung des Rotors folgende Sechskantlinie 24. In der Strömungsrichtung S des Windes wird die Anlage so umströmt, dass auf der rechten (d. h. der in Drehrichtung liegenden) windabgewandten Seite der Magnus-Effekt mitarbeitet und ein weiteres Fach 25 bedient. Die Statik wird bei Orkanstärken nur mit dem Flettner-Effekt belastet, was nicht bedrohlich wird. Die in Fig. 7 gezeigte zweite Variante der Flügel 9, 10 und 11 hat anstelle des Flacheisenansatzes 21 einen Rundstab aus Eisen 26 und eine untergebaute Druckseitentangente 27. Beim Austreten der Strömung S aus dem Rotor drückt der Flacheisenansatz 21 und der Rundstab aus Eisen 26 an der Strömung S und drückt noch ein letztes Mal an die Rotorflügel 9, 10 und 11. Durch die eingesetzte Druckseitentangente 27 vergrößert sich der Umströmungsunterschied und es kommt zu einem höheren aerodyna- mischen Auftrieb und zu einer besseren Kraftübertragung. Die Oberfläche der Rotorflügel 9, 10 und 11 sowie die großen Einleitflächen 4 und die kleinen Einleitflächen 5 müssen eine glatte Oberfläche besitzen. Die Rotoretagenböden 16 und die Etagenböden 6 sitzen auf gleicher Höhe.