Stand der Technik Übliche Windkraftanlagen besitzen meist propellerartige Laufräder die zur Erzeugung von Energie in bzw. entgegen der Windrichtung ausgerichtet wer- den. Die bekannten Laufräder besitzen allerdings den Nachteil, daß ihre Wirt- schaftlichkeit insbesondere bei kleinen Windgeschwindigkeiten und bei kleine- ren Durchmessern äußerst gering ist. Um dies zu verbessern ist es bekannt (DE 33 23 200 A), die Luft dem Laufrad über eine trichterförmige Leiteinrich- tung zuzuführen. Die Leiteinrichtung besitzt eine sich bis zum Turbinenrad verjüngende düsenartige Form, die den Luftstrom durch das Laufrad beschleu- nigen soll. Diese bekannte Windkraftanlage hat aber eine erhebliche Baugröße, insbesondere Baulänge, weshalb sie sich kaum in großem Umfang kommerzi- ell nutzen läßt, wie insbesondere für den Privatbereich.

Darstellung der Erfindung Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, diese Mängel zu beseitigen, und eine Windkraftanlage der eingangs geschilderten Art bereitzustellen, die die zur Verfügung stehende Windenergie bei einer kompakten Baugröße mög- lichst vorteilhaft nutzt.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß die Leiteinrichtung aus mehre- ren sich in Strömungsrichtung verjüngenden Strömungskanälen besteht, die auf dem Laufradkranz um eine Welle verteilt angeordnet sind, daß die Lauf- schaufeln jeweils einem Strömungskanal zugeordnet sind und daß das Laufrad einen es umschließenden Außenmantel aufweist.

Ein wesentlicher Anteil an der Wirkungsgradsteigerung der erfindungsgemäßen Windkraftanlage liegt darin, daß nahezu die gesamte projizierende Grundfläche des Laufrades die Luftströmung ausnutzt, wozu es die Vielzahl an kranzförmig um die Welle verteilt angeordneten Strömungskanälen für die Luftströmung aufweist, welchen einzelnen Strömungskanälen je Laufschaufeln zugeordnet sind. Jeder Strömungskanal besitzt somit seine eigene Leiteinrichtung, mit der er die Luftströmung den jeweiligen Schaufeln zuführt. Durch die besondere Ausgestaltungsform der einzelnen Strömungskanäle und das Vorsehen des das Laufrad umschließenden Außenmantels wird der Staudruck vor dem Lauf- rad zusätzlich erhöht, wodurch die durch das Laufrad strömende Luft zusätzlich beschleunigt wird. Die Laufschaufeln können beispielsweise in den Strömungs- kanälen bis zum Strömungskanalende oder über das Strömungskanalende hinaus angeordnet vorgesehen sein. Soll eine konstruktiv einfache Konstrukti- on geschaffen werden, empfiehlt es sich die Laufschaufeln dem jeweiligen Strömungskanal nachzuordnen.

Besonders vorteilhafte Verhältnisse ergeben sich für die Windkraftanlage, wenn sich die Strömungskanäle im Anschluß an ihre Verjüngung wieder er- weitern, wobei die einzelnen Strömungsquerschnitte dann düsenförmig ausge- bildet sind und sich im Bereich der Laufschaufeln eine maximale Strömungsge- schwindigkeit einstellt. Um die erfindungsgemäße Windkraftanlage über einen großen Geschwindigkeitsbereich einer Luftströmung bestmöglich einsetzen zu können, sind die Laufschaufeln verstellbar ausgebildet, so daß der Anstellwin- kel der Laufschaufeln an die jeweils vorherrschende Luftströmung angepaßt werden kann.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind in den Strömungska- nälen vor den Laufschaufeln Leitwände angeordnet, welche die Luftströmung den Laufschaufeln zuleiten. Diese Leitwände können beispielsweise schräg gestellte Leitschienen sein, welche die Luftströmung zur Strömungskanalmitte hin umleiten.

Um beispielsweise bei böigen Windverhältnissen eine möglichst konstante Drehzahl des Laufrades gewährleisten zu können, kann dem Laufrad eine koaxial zum Laufrad gelagerte Schwungscheibe zugehören, die mittels einer Kupplung lösbar mit dem Laufrad verbunden ist. So wird die Schwungscheibe während des Anfahrvorganges beispielsweise vom Laufrad gelöst um das Trägheitsmoment des Laufrades zu mindern und um den Anlaufvorgang insbe- sondere bei geringen Windstärken zu beschleunigen. Hat das Laufrad dann seine gewünschte Betriebsdrehzahl erreicht, kann das Schwungrad langsam an das Laufrad gekuppelt werden und somit schließlich als Energiespeicher zum Ausgleich von Drehzahischwankungen dienen. Ein besonders hohes Trägheitsmoment und somit Ausgleichsvermögen für Drehzahlschwankungen und einfache Konstruktionsverhältnisse ergeben sich, wenn die Schwungs- cheibe im Außenmantel des Laufrades angeordnet ist.

Ist eine mobile Nutzung der erfindungsgemäßen Windkraftanlage gewünscht, wird sie auf ein Trägerfahrzeug aufgebaut. Dieses Trägerfahrzeug kann bei- spielsweise ein Baggerfahrzeug sein, auf dessen Baggerarm die Windkraftan- lage montiert ist. Die Windnachführung wird in diesem Fall über den Drehkranz des Kettenfahrzeuges geregelt. Das Kettenfahrzeug kann im Gelände selbst schwer zugängliche Standorte leicht und ohne zusätzliche Hilfsmittel anfahren.

Soll der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Windkraftanlage noch weiter gesteigert bzw. die zur Verfügung stehende Windenergie noch besser genutzt werden, wird vorgeschlagen, dem Laufrad ein auf einer Zusatzwelle sitzendes, axial durchströmtes Hilfslaufrad nachzuordnen. Das Hilfslaufrad kann bei- spielsweise mit einem herkömmlichen Rotorblattsystem versehen sein, welche Rotorblätter zur Anpassung an die jeweiligen Gegebenheiten vorzugsweise verstellbar ausgebildet sind.

Die erfindungsgemäße Windkraftanlage ist entweder mit gegen den Wind ausgerichteten horizontaler Drehachse auf einem Masten od. dgl. angeordnet, oder das Laufrad ist mit vertikaler Achse in einem Turm gelagert, der einen koaxial zum Laufrad verstellbaren Turmkopf mit einem die horizontale Wind- strömung gegen das Laufrad umlenkenden Rohrknie aufweist, womit auch das Druckgefälle zwischen Turmober-und-unterseite, also zwischen Einlaß und Auslaß zur Energiegewinnung genutzt werden kann. Soll die Windgeschwin- digkeit durch das Laufrad zusätzlich erhöht werden, ist es vorteilhaft, wenn sich der Strömungsanschluß des Rohrknies an das Laufrad in Strömungsrichtung verengt.

Um bedarfsweise entweder das Laufrad oder das Hilfslaufrad im Betrieb als Leiteinrichtung für das jeweils andere Rad einsetzen zu können, ist dem Lauf- rad und/oder dem Hilfslaufrad eine Bremseinrichtung zugeordnet, mit der ent- weder das eine oder das andere Rad bis zum Stillstand abgebremst werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnung Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles sche- matisch dargestellt. Es zeigen : Fig. 1 eine erfindungsgemäße Windkraftanlage in Vorderansicht, Fig. 2 die Windkraftanlage aus Fig. 2 in teilgeschnittener Seitenan- sicht, Fig. 3 die Windkraftanlage aus den Fig. 1 und 2 in Hinteransicht mit dem Laufrad nachgeordnetem Hilfslaufrad, Fig. 4 und 5 eine Ausgestaltungsvariante der Windkraftanlage aus den Fig.

2 und 3 in Vorder-und Seitenansicht, Fig. 6 ein Geschwindigkeits-und Druckverteilungsschema für einen Strömungskanal, Fig. 7 in einem Strömungskanal angeordnete Leitwände, Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel für Laufschaufeln, Fig. 9 und 10 eine in einem Turm angeordnete erfindungsgemäße Wind- kraftanlage in geschnittener Vorderansicht und Seitenansicht, Fig. 11 und 12 die Windkraftanlage aus der Fig. 9 und 10 in teilgeschnittener Draufsicht und Fig. 13 eine Verbauungsvariante der Windkraftanlage aus den Fig. 9 bis 12 in teilgeschnittener Seitenansicht.

Weg zur Ausführung der Erfindung Eine Windkraftanlage 1 zur Energiegewinnung besteht im wesentlichen aus einem axial durchströmten, auf einer Welle 2 befestigten und mit Laufschaufeln 3 versehenen Laufrad 4 und aus einer die Luftströmung durch das Laufrad 4 beschleunigenden Leiteinrichtung 5. Die Leiteinrichtung 5 setzt sich aus mehre- ren sich in Strömungsrichtung verjüngenden Strömungskanälen 6 zusammen.

Diese Strömungskanäle 6 sind mit ihren Leiteinrichtungen 5 auf dem Laufrad 4 kranzförmig um die Welle 2 verteilt angeordnet, um die Luftströmung über den gesamten angeströmten Querschnitt des Laufrades 4 nutzen zu können. Die Laufschaufeln 3 sind jeweils einem Strömungskanal 6 nachgeordnet und das Laufrad 4 weist einen es umschließenden Außenmantel 7 auf. Dieser Außen- mantel besitzt eine Ringdüsenform, wodurch der Staudruck vor dem Laufrad 4 erhöht werden soll. Ebenso erhöhen die kranzförmigen Leiteinrichtungen 5 den Staudruck. Dem Laufrad 4 ist ein auf einer nicht näher dargestellten Zu- satzwelle sitzendes, ebenso wie das Laufrad axial durchströmtes Hilfslaufrad 18, zur besseren Ausnutzung der Windenergie nachgeordnet (Fig. 3). Das Hilfslaufrad 18 treibt ebenfalls einen Generator an.

Die Strömungskanäle 6 erweitern sich im Anschluß an ihre Verjüngung wieder.

Zur Steigerung des Nutzungsgrades der Windkraftanlage 1 können die Lauf- schaufeln ein Tragflächenprofil besitzen. Vorteilhafterweise bilden die Lauf- schaufeln 3 zwischen sich ebenfalls düsenförmige Strömungskanäle aus, wobei sich die Strömungskanäle zwischen den Punkten m und n (Fig. 8) ver- jüngen und anschließend wieder erweitern. Die Laufschaufeln 3 sind zur An- passung an die vorherrschende Windgeschwindigkeit verstellbar ausgebildet.

Ebenso können in einzelnen Strömungskanälen 6 vor den Laufschaufeln 3 Leitwände 8 angeordnet sein. Diese Leitwände 8 sollen dem Luftstrom inner- halb der Strömungskanäle 6 eine gegen die Laufschaufeln gerichtete Strömung aufzwingen.

Die erfindungsgemäße Windkraftanlage kann gemäß den Fig. 4 und 5 auf einem mobilen Trägerfahrzeug 9 angeordnet sein, um die mobile Nutzung der Windkraftanlage 1 sicherzustellen. Das Laufrad 4 ist auf der Welle 2 befestigt, die in einem Gehäuse 11 drehbar gelagert und über ein Getriebe 10 und eine Kupplung 12 an einen Generator 13 angeschlossen ist, wodurch die Windener- gie in elektrische Energie umsetzt wird. Die Windkraftanlage 1 ist auf einem Ausleger 14 des Trägerfahrzeuges 9 montiert. Die Windnachführung der Wind- kraftanlage 1 erfolgt über einen Drehkranz 15 des Trägerfahrzeuges, bei- spielsweise mittels eines in den Drehkranz 15 eingreifenden Elektromotors.

Nach den Fig. 2 und 3 ist die erfindungsgemäße Windkraftanlage 1 auf einem Gittermast 16 montiert. Das Laufrad 3 besitzt koaxial zur Welle 2 einen mittle- ren Verdrängungskörper 17, der gleichzeitig eine Nabe zur Aufnahme des Laufrades 4 ausbildet und die Luftströmung aus dem inneren Radbereich, in dem die Nutzwirkung aufgrund des geringen Abstandes zur Drehachse sehr klein wäre, den weiter außen liegenden Strömungskanälen zuleitet, wodurch der Staudruck vor dem Laufrad 4 zusätzlich erhöht wird.

Nach der Ausgestaltungsvariante einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage 1, ist das Laufrad 4 mit vertikaler Achse in einem Turm 20 gelagert, der einen koaxial zum Laufrad 4 verstellbaren Turmkopf 21 mit einem die horizontale Windströmung gegen das Laufrad 4 umlenkenden Rohrknie 22 aufweist. Der Strömungsanschluß 23 des Rohrknies 22 an das Laufrad 4 verengt sich in Strömungsrichtung der durch das Rohrknie 22 auf das Laufrad 4 zuströmenden Luft. Der Luftstrom wird dem Laufrad 4 über den auf einem Drehkranz 24 gelagerten Turmkopf 21 zugeführt. Die Windnachführung erfolgt über einen auf den Drehkranz 24 wirkenden Drehkranzmotor 25, der in Abhängigkeit der jeweils vorherrschenden Windrichtung von einem Windrichtungssensor 26 angesteuert wird. Der Turmkopf 21 stützt sich über ein Lager 27 am Turm ab.

Das Laufrad 4 ist einerseits mit einer in Turmbodennähe angeordneten Schwungscheibe 28 und anderseits mit einem Generator 29 antriebsverbun- den. Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird der Generator 29 mittels eines Flachriemens 30 angetrieben der an der Schwungscheibe 28 angreift. Die in den Turm 20 einströmende Luft verläßt den Turm 20 in Turmbodennähe über Rohre 31. Am Ende der Rohre 31 sind regelbare Ventile 32 zur Regelung des die Windkraftanlage 1 durchströmenden Luftstromes vorgesehen. Im Falle, daß das Gelände auf dem die erfindungsgemäße Windkraftanlage versetzt ist, auf wenigstens einer Seite des Turmes 20 abfällt, können die Rohre 31 vom Turbi- nenboden das Gelände hinab verlegt werden (Fig. 13), um eventuell vorherr- schende Druckdifferenzen zwischen Lufteintritt und-austritt ebenfalls zur Ener- giegewinnung nutzen zu können.