Beschreibung Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem oder zwei Vertikalrotoren nach dem Durchströmungsprinzip, die in einem im wesentlichen kubischen Gehäuse mit einer seitlichen Einströmöffnung für jeden Vertikalrotor, die mit einer Einleitflächenkonstruktion versehen ist, und einer auf der gegenüberliegenden Seite befindlichen Ausströmöffnung für jeden Vertikalrotor angeordnet sind.

Eine solche Windkraftanlage ist aus der DE 199 57 141 A1 bekannt.

Windkraftanlagen sind in den verschiedensten Ausführungsformen bekannt. Die derzeit gebräuchlichste Ausführungsform besteht aus einem dreiflügligen freiumströmten Rotor mit einer horizontal angeordneten Drehachse, die drehbar auf einem Mast angebracht ist, auch Horizontalachswindenergiekonverter (HAWK) genannt. Dabei ist der Mast relativ hoch, um einen entsprechenden Rotordurchmesser zu ermöglichen und die stärkere Windgeschwindigkeit in höheren Luftschichten auszunutzen. Die Leistungsaufnahme aus der Windenergie ist bei diesen Anlagen jedoch auf einen theoretischen Maximalwert von 60 % (Cp=0,593 nach Betz) begrenzt und erreicht in der Praxis einen Durchschnittswert von 45 %.

Abzüglich der Getriebeverluste (2-5 %), Generatorverluste (2-1 0%) ggf.

Blattverstellmechanismusverluste (ca. 2 %), Windrichtungsnachführungsverluste (ca. 2%) sowie den Transformator-bzw. ggf. Gleichstromzwischenkreisverlusten (1- 2 %) verbleibt für die ins Netz eingespeiste elektrische Energie ein Anteil von 24- 36%.

Um genannte Verluste zu reduzieren, sind unterschiedliche Ausführungsformen derartiger Windkraftanlagen geschaffen worden. So ist beispielsweise aus der DD 256 169 A1 eine getriebelose Windkraftanlage bekannt, die jedoch einen relativ hohen konstruktiven und wirtschaftlichen Aufwand erfordert.

Eine andere Möglichkeit die relativ schlechte Energieausnutzung zu verbessern besteht darin, geeignete Windleitelemente zu verwenden, die den auf den Rotoren stehenden Wind konzentrieren. Dadurch können Leistungsbeiwerte Cp erreicht werden, die deutlich über dem bisher am Markt bekannten Werten des freiumströmten Rotationsflügelprinzips liegen.

Eine derartige Anlage wird in der DE 199 57 141 A1 beschrieben. Diese Windkraftanlage besitzt zwei Vertikalrotoren, die in einem Gehäuse untergebracht sind, wobei jedem Rotor Windleitflachen zugeordnet sind, die den Wind im Bereich einer Einströmöffnung des Gehäuses für den Rotor konzentrieren. Der Wirkungsgrad dieser Windkraftanlage übertrifft den Wirkungsgrad bekannter Anlagen deutlich. Allerdings ist die Verwendung einer derartigen Anlage stark eingeschränkt, da bei wechselnden Windrichtungen die auf die Seitenflächen des im wesentlichen kubischen Gehäuses wirkenden Kräfte sich schnell addieren und so die Standsicherheit der Anlage nicht gewährleistet ist. Hinzu kommt, daß das Gehäuse auf einem Mast drehbar montiert ist. Die Kräfte die auf die Einrichtungen wirken, die die Drehbarkeit gewährleisten sollen, sind so groß, daß die Standzeit für die Einrichtungen äußerst beschränkt sind. Die Übertragung der Kraft von den Rotoren zu den Generatoren erfolgt über Keilriemen, so daß diese Anlage lediglich für sehr kleine Leistungen ausgelegt werden kann. Eine wirtschaftliche Nutzung dieser Windkraftanlage ist aufgrund der genannten Nachteile nicht möglich.

Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, eine gattungsgemäße Windkraftanlage derart zu optimieren, daß eine wirtschaftliche Nutzung möglich wird.

Zur Lösung dieses Problems ist die erfindungsgemäße Windkraftanlage dadurch gekennzeichnet, daß die anderen beiden vertikalen Seiten des Gehäuses, die zwischen den Seiten liegen, in denen Einströmöffnung und Ausströmöffnung angeordnet sind, derart in einem Winkel zueinander befindlich sind, daß deren Abstand zueinander zur Seite mit der Einströmöffnung hin abnimmt und/oder daß

das Gehäuse auf mindestens drei Stützen oder direkt auf einem Fundament drehbar gelagert ist.

Dazu ist erfindungsgemäß eine Windkraftanlage mit einem oder zwei Vertikalrotoren nach dem Durchströmungsprinzip, die in einem im wesentlichen kubischen Gehäuse mit einer seitlichen Einströmöffnung für jeden Vertikalrotor, die mit einer Einleitflächenkonstruktion versehen ist ; und einer auf der gegenüberliegenden Seite befindlichen Ausströmöffnung für jeden Vertikalrotor angeordnet sind, vorgesehen, wobei erfindungsgemäß die anderen Seiden vertikalen Seiten des Gehäuses die zwischen den Seiten liegen in denen Einströmöffnung und Ausströmöffnung angeordnet sind, derart in einem Winkel zueinander befindlich sind, daß deren Abstand zueinander zur Seite mit der Einströmöffnung hin abnimmt und/oder daß das Gehäuse auf mindestens drei Stützen oder direkt auf einem Fundament drehbar gelagert ist.

Die Gehäusegeometrie folgt den Erkenntnissen der Strömungslehre und führt im Zusammenwirken von laminarer und turbulenter Strömung zunächst zur Erhöhung der Windleistung des vorhandenen Windes. Die Konstruktion des Vertikalrotors und seine Einleitflächenkonstruktion nutzen vorteilhafterweise den aerodynamischen Auftrieb und das Widerstandsprinzip zur Energieumwandlung. Unterstützt wird dieser Vorgang durch bekannte Effekte der Strömungslehre.

Die Verwendung eines einzelnen Vertikalrotors in der Windkraftanlage ist problemlos möglich, jedoch werden aus wirtschaftlichen Überlegungen heraus zwei Veriikalrotoren für jede Windkraftanlage bevorzugt, die vorzugsweise gegenläufig sind.

Die Vertikalrotoren der Windkraftanlage besitzen vorzugsweise aerodynamisch ausgeformte Flügel, die jeweils an einer vertikal verlaufenden Kante eine hakenförmige Windfangleiste aufweisen können.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Einleitflächenkonstruktion zu beiden Seiten der Einströmöffnung ausgebildet, indem die Einleitfläche auf der Seite, von der sich die Flügel bei der Rotation wegbewegen, die Form einer hohlen Kurve aufweist, während die gegenüberliegende Einleitfläche leicht schräg zur Einströmöffnung zuläuft. Durch das Gehäuse ist über und unter den Vertikalrotoren eine Wandung befindlich, die verhindert, daß der aufgebaute Winddruck nach oben oder unten entweicht.

Beim Vorhandensein von zwei gegenläufigen Vertikalrotoren ist jedem Vertikalrotor eine Einströmöffnung zugeordnet, deren Einleitflächenkonstruktionen spiegelbildlich

ausgebildet sind. Die beiden leicht schräg zur Einströmöffnung verlaufenden Einleitflächen, die dadurch mittig zwischen den Einströmöffnungen angeordnet sind, bilden dementsprechend einen spitzen Keil aus. Dieser Keil ist in das Innere des Gehäuses zurückversetzt, so daß das Gehäuse im Frontbereich eine relativ große Öffnung aufweist, die sich im Inneren in zwei Einströmöffnungen zergliedert.

Auf der Rückseite ist bzw. sind die Ausströmöffnungen befindlich. Zwischen zwei Ausströmöffnungen ist ein sehr stumpfen Keil ausgebildet. Die Außenwände formen im Bereich der Ausströmöffnungen jeweils einen Diffusor aus, der nach außen abgewinkelt ist.

Erfindungsgemäß werden die auf das Gehäuse wirkenden Kräfte dadurch verringert, daß die vertikalen Außenseiten des Gehäuses jeweils einen Winkel vorzugsweise zwischen 1° bis 10°, besonders bevorzugt von 5°, abweichend von einer parallelen Führung der Außenseiten aufweisen.

Die sonstigen mechanischen Belastungen, die vom Gehäuse auf den jeweiligen Unterbau in Form von Stützen oder einem Fundament übertragen werden, werden gegenüber dem Stand der Technik besser verteilt, da sich diese auf eine größere Fläche verteilen. Die Belastungen der mechanischen Einrichtungen zum Drehen bzw. Ausrichten der Windkraftanlage sind dadurch so gering, daß nur geringe Ausfallzeiten zu erwarten sind.

Die Stützen sind mittels eines Ringankers im Bereich des Gehäuses miteinander verbunden. Zur besseren Verteilung der Last können auch mehr als drei Stützen vorgesehen werden, die dann naturgemäß kreisförmig angeordnet werden. Da jede Stütze über ein eigenes Fundament verfügt, die insgesamt deutlich kleiner ausfallen als bei herkömmlichen Windkraftanlagen, sind der bauliche Aufwand und auch die versiegelte Bodenfläche deutlich verringert.

Nach der bevorzugtesten Ausführungsform stellt der Ringanker die Basis für die Einrichtungen dar, die die Drehbarbeit bzw. Ausrichtbarkeit des Gehäuses der Windkraftanlage dar. Vorzugsweise ist in den Ringanker eine Schiene eingelassen, auf der das Gehause mittels Rollen aufgesetzt ist. Ebenso kann das Gehäuse mittels eines Drehkranzes drehbar gelagert sein.

Wenn die Windkraftanlage aus verschiedensten Gründen direkt auf einem Untergrund aufgestellt werden soll, ist das Fundament, vorzugsweise in Form eines Ringankers entsprechend auszubilden. Ein besonders geeigneter Aufstellungsort, bedingt durch die Höhe sind Bauwerke, vorzugsweise Gebäude, bei denen das Fundament für die direkte Auflagerung des Gehäuses dann Teil des Bauwerkes ist.

Dies eröffnet völlig neue Möglichkeiten der Aufstellung, z. B. auf Gebäuden innerhalb des städtischen Bereichs oder auf Privatgebäuden. Die Energiebeträge steigen durch die höheren Windgeschwindigkeiten, die in höheren Bauwerkslagen herrschen. Entsprechend ausgestattete Gebäude können dann vorteilhafterweise zu einem großen Anteil mit selbst erzeugtem Strom versorgt werden.

Um eine optimale Verteilung der Windlasten auf das Fundament bzw. die Stützen zu erreichen, wird der Durchmesser des Ringankers derart gewählt, daß dieser mindestens 50 %, vorzugsweise 60 % bis 80 % der Länge der Diagonalen der Grundfläche des Gehäuses aufweist.

Um insbesondere eine wirtschaftliche Dimensionierung der Windkraftanlagen zu ermöglichen, wird die Windkraftanlage mit einem hydraulischen System zur Leistungsabnahme ausgestattet.

Dazu werden die Vertikalrotoren jeweils mit einer Hydraulikpumpe am oberen oder unteren Ende versehen. Vorzugsweise wird an beiden Enden eine Hydraulikpumpe angeordnet, da dadurch größere Vertikalrotoren mit einer Länge über 10 m ermöglicht werden. Zur Vermeidung auftretender Verwindungskräfte am Flügel werden die Kräfte zu je 50 % an der oberen und unteren Achse über die hydraulischen Komponenten abgeführt.

Die Hydraulikpumpen sind über entsprechende Leitungen beispielsweise mit einem Axialkolbenmotor gekoppelt, der einen Generator zur Stromerzeugung antreibt.

Dieser speist über einen Transformator den Strom in das allgemeine Netz ein.

Das hydraulische System weist ferner hydraulisch betriebene Windnachführungsgetriebe auf, die immer die Idealstellung der Windkraftanlage zur Windanströmung gewährleisten. Zudem ist eine hydraulische Sperre vorgesehen, die das Gehäuse in Position hält.

Die Einrichtungen des hydraulischen Systems können je nach Bedarf unter dem Gehäuse mischen den Stützen angeordnet sein oder in den hohlen Wandungen des Gehäuses. Es ist ebenfalls möglich beide Varianten miteinander zu kombinieren.

Im Stand der Technik erfolgt die Kraftübertragung vom Rotor auf den Generator über ein Getriebe. Bei der erfindungsgemäßen Windkraftanlage erfolgt die Kraftübertragung von jedem Vertikalrotor hydraulisch, so daß eine erhebliche Senkung der Schallimmission gegeben ist. Dies ist besonders wesentlich vor dem Hintergrund der oben ausgeführten Montage innerhalb des städtischen Bereichs.

Die erfindungsgemäßen Windkraftanlagen lassen sich nahezu beliebig vergrößern, indem mehrere Gehäuse mit Vertikalrotoren miteinander kombiniert werden. Dies kann vertikal und/oder auch horizontal erfolgen. Die übereinander angeordneten Gehäuse werden gemeinsam in den Wind gedreht, während die nebeneinander angeordneten Gehäuse ggf. auch separat gesteuert werden können. Über hydraulische Leitungen können die einzelnen Gehäuse problemlos miteinander gekoppelt werden, wobei die Einrichtungen wie Generator, Transformator u. dgl. nur in einfacher Ausfertigung vorhanden sein müssen. Die Windkraftanlage verfügt über eine Steuerungseinrichtung.

Die Windkraftanlagen benötigen keine Anlaufhilfe aus fremder Energiequelle (in der Regel öffentliches Netz). Sie laufen bei geringen Windgeschwindigkeiten ab 2 m/sec. selbstständig an und produzieren ab 2,6 m/sec. bereits elektrischen Strom.

Die erfindungsgemäßen Windkraftanlagen weisen eine wesentlich geringere Bauhöhe auf als herkömmliche Anlagen, so daß der Schattenwurf und sonstige Beeinträchtigungen, die zu einer schwindenden Akzeptanz in den Gemeinden führen, vernachlässigt werden können.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 eine Windkraftanlage mit den Erfindungsmerkmalen in Frontansicht, Fig. 2. die Windkraftanlage gemäß Fig. 1 in Seitenansicht, Fig. 3 die Windkraftanlage gemäß Fig. 1 in horizontal geschnittener Darstellung, Fig. 4 die Windkraftanlage gemäß Fig. 1 in vertikal geschnittener Darstellung, Fig. 5 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Windkraftanlage mit hydraulischen Einrichtungen in vertikal geschnittener Darstellung, und Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Windkraftanlage mit hydraulischen Einrichtungen in vertikal geschnittener Darstellung.

Die Windkraftanlage 100 weist ein Gehäuse 10 auf, in dem zwei gegenläufige Vertikalrotoren 11, 12 angeordnet sind. Die Vertikalrotoren 11,12 verfügen über drei Flügel 13, die jeweils entlang einer vertikalen Kante eine hakenförmige

Windfangleiste 14 aufweisen. An den beiden Enden ist der jeweilige Vertikalrotor 11, 12 in nicht dargestellter Weise drehbar gelagert. Das Gehäuse 10 ist auf Stützen 15 gelagert, die im Kreis aufgestellt sind. Zur Auflagerung des Gehäuses 10 sind die Stützen 15 mit einem Ringanker 16 verbunden, der gleichzeitig eine nicht näher dargestellte Führung für am Gehäuse vorgesehene Räder 17,18 mit vertikaler und horizontaler Achse darstellt, über die das Gehäuse 10 drehbar ist. Das Gehäuse 10 ist von der Formgebung her an einen Kubus angelehnt, d. h. es existieren eine Ober-und eine Unterseite 19,20 sowie vier vertikale Seiten 21,22, 23,24. Die Frontseite 21 verfügt für jeden Vertikalrotor 11,12 über eine Einströmöffnung 25, die sich über nahezu die gesamte Höhe des Gehäuses 10 erstreckt, sowie über eine Einleitflächenkonstruktion 26. Die Einleitflachen 27, 28 der Einleitflächenkonstruktion 26 im Bereich der Außenseiten 22,23 weisen die Form einer hohlen Kurve 29,30 auf, während die beiden mittigen Einleitflächen 31,32 gemeinsam einen in das Gehäuse 10 zurückversetzten spitzen Keil 33 ausbilden.

Die Einleitflächenkonstruktion 26 umgibt ansonsten die Vertikalrotoren 11,12 konzentrisch. Im Bereich der Ausströmöffnungen 34 bilden die Außenseiten 22,23 jeweils einen Diffusor 35,36 aus, der im stumpfen Winkel ausgestellt ist. Mittig zwischen den beiden Ausströmöffnungen 34 gehen die beiden Einleitflächen 31,32 in einen stumpfen Keil 37 über, der ebenfalls in das Gehäuse 10 zurückversetzt ist.

Die Kanten von Ober-und Unterseite 19,20 sind im Bereich der Front-und der Rückseite 21,24 gerundet ausgeführt. Die Außenseiten 22,23 laufen zu der Frontseite in einem Winkel von 5° aufeinander zu, wobei in Richtung der Rückseite 24 in etwa ab der Höhe, ab der der stumpfe Winkel 37 ausgebildet wird, die Außenwände 22,23 zur Ausbildung des Diffusors 35,36 stärker ausgestellt sind. Zur Umsetzung der Windenergie in elektrische Energie verfügt die Windkraftanlage 100 über ein hydraulisches System 38, daß überwiegend entweder unterhalb des Gehäuses 10 oder in den hohlen Außenseiten 22,23 angeordnet ist.

Das hydraulische System 38 umfaßt unterhalb der Vertikalrotoren 11,12 angeordnete Hydraulikpumpen 39 und Hydraulikbremsen 40, die über nicht näher bezeichnete Leitungen mit einem Hydraulikaggregat 41 mit Hydraulikölbehälter 42 verbunden sind. Über das hydraulische System 38 wird ein Axialkolbenmotor 43 angetrieben, der wiederum einen Generator 44 antreibt, der über einen nicht dargestellten Transformator Strom in das öffentliche Netz einspeist.

B e z u g s z e i c h e n I i s t e 10 Gehäuse 11 Vertikalrotor 12 Vertikalrotor 13 Flügel 14 Windfang leiste 15 Stütze 16 Ringanker 17 Rad 18 Rad 19 Oberseite 20 Unterseite 21 vertikale Frontseite 22 vertikale Außenseite 23 vertikale Außenseite 24 vertikale Rückseite 25 Einströmöffnung 26 Einleitflächenkonstruktion 27 Einleitfläche 28 Einleitfläche 29 hohle Kurve 30 hohle Kurve 31 mittige Einleitfläche 32 mittige Einleitfläche 33 spitzer Keil 34 Ausströmöff nung 35 Diffusor 36 Diffusor 37 stumpfer Keil 38 hydraulisches System 39 Hydraulikpumpe 40 Hydraulikbremse 41 Hydraulikaggregat 42 Hydraulikölbehälter 43 Axialkolbenmotor 44 Generator 100 Windkraftanlage