DE29710524U1 - Wind turbine - Google Patents
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Description
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Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage zur Umwandlung von Windenergie in eine an einer Welle abgreifbare Rotationsenergie.The invention relates to a wind turbine for converting wind energy into rotational energy that can be tapped from a shaft.
Aus der Praxis sind verschiedene Windkraftanlagen bekannt, welche zum Antrieb von Pumpen zur Grundwasserförderung oder zum Antrieb von Generatoren zur Stromerzeugung verwendet werden. Diese Windkraftanlagen weisen Rotoren, insbesondere Flügelräder oder Luftschrauben auf, welche freilaufend an einer im wesentlichen horizontal gelagerten Welle angeordnet sind und in der Regel mittels eines Leitwerkes so in den Wind gedreht werden, daß die Rotationsachse des Flügelrades bzw. der Luftschraube parallel zur Windrichtung ausgerichtet ist.Various wind turbines are known in practice which are used to drive pumps for groundwater extraction or to drive generators for generating electricity. These wind turbines have rotors, in particular impellers or propellers, which are arranged freely on a shaft that is essentially horizontally mounted and are usually turned into the wind by means of a tail unit so that the axis of rotation of the impeller or propeller is aligned parallel to the direction of the wind.
In der Praxis hat sich gezeigt, daß die Stromerzeugung mit solchen Windkraftanlagen nur dann wirtschaftlich sinnvoll durchführbar ist, wenn die Windkraftanlagen sehr groß dimensioniert sind. Dadurch entsteht eine nicht unerhebliche Beeinträchtigung des Landschaftsbildes. Darüber hinaus geht von großen Windkraftanlagen auch eine nicht unerhebliche Gefährdung von Personen und Sachen aus, da im Falle einer Havarie eventuell umherfliegende Rotorteile, Verletzungen und Beschädigungen verursachen können. Diese Gefahr besteht insbesondere bei Starkwind und Sturm. Weitere Nachteile der bekannten Windkraftanlagen sind eine hohe Geräuschentwicklung und eine unzureichende Leistung bei schwachen Winden.In practice, it has been shown that generating electricity with such wind turbines is only economically viable if the wind turbines are very large. This has a significant impact on the landscape. In addition, large wind turbines also pose a significant risk to people and property, as in the event of an accident, flying rotor parts can cause injuries and damage. This risk is particularly present in strong winds and storms. Other disadvantages of the known wind turbines are that they generate a lot of noise and do not perform well in light winds.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftanlage zur Verfügung zu stellen, mit welcher bei geringer Umweltbelastung Wind-The invention is based on the object of providing a wind turbine with which wind energy can be generated with low environmental impact.
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energie, in eine an einer Welle angreifbare Rotationsenergie, umwandelbar ist.energy can be converted into rotational energy that can be applied to a shaft.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1.This object is achieved according to the invention with the features of claim 1.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß der Rotor, beispielsweise ein Flügelrad oder eine Luftschraube, in einem mindestens eine untere Eintrittsöffnung und eine obere Austrittsöffnung aufweisenden, von einer Leitwandung begrenzten Strömungskanal angeordnet ist und daß im Bereich der oberen Austrittsöffnung ein Strömungsleitelement mit einer unteren Profilierung angeordnet ist, welches im Bereich der oberen Austrittsöffnung ein Gebiet mit einem gegenüber der Umgebung abgesenkten Druck erzeugt. Bei der Erfindung wird also der Rotor nicht mehr direkt von dem vorbei streichenden Wind angetrieben sondern durch einen Sekundärluftstrom, welcher durch das Strömungselement in dem Strömungskänal erzeugt wird.According to the invention, the rotor, for example an impeller or a propeller, is arranged in a flow channel that has at least one lower inlet opening and one upper outlet opening and is delimited by a guide wall, and that a flow guide element with a lower profile is arranged in the area of the upper outlet opening, which creates an area in the area of the upper outlet opening with a pressure that is lower than the surroundings. In the invention, the rotor is therefore no longer driven directly by the wind blowing past, but by a secondary air flow that is created by the flow element in the flow channel.
Bei der Erfindung wird der Rotor seitlich durch die Leitwandung des Strömungskanals abgeschirmt. Dadurch wird die Sicherheit der Windkraftanlage im Havariefall erhöht, so daß die Windkraftanlage auch innerhalb einer geschlossenen Bebauung, beispielsweise in Wohn- und Industriegebieten aufstellbar ist. Unbebaute Natur wird dadurch entlastet und Leitungsverluste zum Verbraucher werden verringert. Die Leitwandung des Strömungskanals bewirkt zudem eine Schalldämmung, so daß von der erfindungsgemäßen Windkraftanlage nur eine geringe Geräuschbelästigung ausgeht.In the invention, the rotor is shielded laterally by the guide wall of the flow channel. This increases the safety of the wind turbine in the event of an accident, so that the wind turbine can also be set up within a closed development, for example in residential and industrial areas. Undeveloped nature is thus relieved and line losses to the consumer are reduced. The guide wall of the flow channel also provides sound insulation, so that the wind turbine according to the invention only causes a low level of noise pollution.
Mit der Erzeugung eines Sekundärluftstromes werden auch die Voraussetzungen für eine gute Steuerbarkeit der Windkraftanlage geschaffen. Über die Beeinflussung des Sekundärluftstromes ist es nämlich möglich,By generating a secondary air flow, the conditions are also created for good controllability of the wind turbine. By influencing the secondary air flow, it is possible to
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die Leistung der Windkraftanlage zu beeinflussen, ohne daß Verstellvorrichtungen am Rotor vorgesehen sein müßten.to influence the performance of the wind turbine without having to provide adjustment devices on the rotor.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Profilierung des Strömungsleitelementes tragflügelartig ausgebildet. Eine solche Ausgestaltung gewährleistet eine optimale Umsetzung der in der vorbei strömenden Luft enthaltenden Strömungsenergie in einen Unterdruck, welcher den Sekundärluftstrom durch den Strömungskanal ansaugt.According to a preferred embodiment, the profile of the flow guide element is designed like an airfoil. Such a design ensures optimal conversion of the flow energy contained in the air flowing past into a negative pressure, which sucks in the secondary air flow through the flow channel.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Leitwandung des Strömungskanals ein inneres, auf den Rotor ausgelegtes, düsenartiges Profil aufweist. Dadurch wird die Strömung in dem Strömungskanal beschleunigt, so daß Rotoren mit größerer Umlaufgeschwindigkeit einsetzbar sind.According to a further preferred embodiment, it is provided that the guide wall of the flow channel has an inner nozzle-like profile designed for the rotor. This accelerates the flow in the flow channel, so that rotors with a higher rotational speed can be used.
Um eine richtungsunabhängige Aufstellung der Windkraftanlage zu ermöglichen, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß das Strömungsleitelement um eine vertikale Achse schwenkbar oder drehbar gelagert ist und daß eine Einstellvorrichtung vorgesehen ist, mit der das Strömungsleitelement auf die Windrichtung einstellbar ist. Gemäß einer besonders einfach technisch realisierbaren Ausführungsform ist dabei insbesondere ein Leitwerk vorgesehen.In order to enable the wind turbine to be set up in any direction, according to a preferred embodiment, the flow guide element is mounted so that it can pivot or rotate about a vertical axis and an adjustment device is provided with which the flow guide element can be adjusted to the wind direction. According to an embodiment that is particularly easy to implement technically, a tail unit is provided in particular.
Der Wirkungsgrad der Windkraftanlage läßt sich dadurch erhöhen, daß die Leitwandung des Strömungskanals Sonnenstrahlung absorbierend ausgebildet ist. Dadurch entsteht in dem Strömungskanal bei Sonneneinstrahlung eine Art Kamineffekt, der zur Verstärkung des Sekundärluftstromes beiträgt. Der Kamineffekt beruht dabei auf der unterschiedlichen Dichte der Luftsäule in dem Strömungskanal und in der Umgebung. 30The efficiency of the wind turbine can be increased by designing the guide wall of the flow channel to absorb solar radiation. This creates a kind of chimney effect in the flow channel when exposed to sunlight, which helps to strengthen the secondary air flow. The chimney effect is based on the different densities of the air column in the flow channel and in the surrounding area. 30
Eine weitere Möglichkeit, den Sekundärluftstrom in dem Strömungskanal zu verstärken besteht in der Anordnung mindestens einer, sich zurAnother possibility to increase the secondary air flow in the flow channel is to arrange at least one
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Seite des Strömungskanals hin öffnenden Eintrittsöffnung. Wenn eine solche Eintrittsöffnung zur Anströmseite hin geöffnet ist, kann anströmende Luft am unteren Ende des Strömungskanals gestaut werden, wodurch sich am unteren Ende des Strömungskanals ein Überdruckgebiet ausbildet. Mittels Verschlußelementen, insbesondere mittels Verschlußklappen lassen sich solche zur Seite hin öffnenden Eintrittsöffnungen gezielt öffnen und schließen, wodurch sich eine richtungsunabhängige Aufstellbarkeit der Windkraftanlage ermöglichen läßt. Durch ein Schließen sämtlicher Verschlußelemente kann die Windkraftanlage abgeschaltet werden, so daß sich im Falle von Starkwind oder Sturm eine Beschädigung des Rotors vermeiden läßt.Inlet opening opening towards the side of the flow channel. If such an inlet opening is open towards the inflow side, incoming air can be blocked at the lower end of the flow channel, whereby an overpressure area forms at the lower end of the flow channel. By means of closure elements, in particular by means of closure flaps, such inlet openings opening towards the side can be opened and closed in a targeted manner, which enables the wind turbine to be set up in any direction. By closing all closure elements, the wind turbine can be switched off, so that damage to the rotor can be avoided in the event of strong winds or storms.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen.Further advantageous embodiments and developments of the invention emerge from the subclaims and from the description in conjunction with the drawings.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage in einer Seitenansicht,Fig. 1 shows a first embodiment of a wind turbine according to the invention in a side view,
Fig. 2 einen Schnitt durch die Windkraftanlage gemäß der Linie II-II in Fig. 1,Fig. 2 a section through the wind turbine along the line II-II in Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt durch die Windkraftanlage gemäß der Linie III-III in Fig. 1,Fig. 3 a section through the wind turbine along the line III-III in Fig. 1,
Fig. 4 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage
im Schnitt,
30Fig. 4 shows a second embodiment of a wind turbine according to the invention in section,
30
Fig. 5 eine Ansicht auf die Windkraftanlage gemäß dem Pfeil V in Fig. 4 undFig. 5 a view of the wind turbine according to arrow V in Fig. 4 and
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Fig. 6 einen Schnitt durch die Windkraftanlage gemäß der Linie VI-VI in Fig. 4.Fig. 6 shows a section through the wind turbine along the line VI-VI in Fig. 4.
Die in den Fig. 1 bis 3 gezeigte Windkraftanlage 10 weist eine zu ebener Erde aufgestellte Turmkonstruktion 12 mit einer Leitwandung 14 auf, welche einen Strömungskanal 16 seitlich begrenzt. Der Strömungskanal weist eine obere Austrittsöffnung 18 und eine untere Eintrittsöffnung 20 auf und nimmt in seinem Inneren etwa auf halber Strecke zwischen Eintrittsöffnung 20 und Austrittsöffnung 18 einen als vierflüglige Luftschraube ausgebildeten Rotor 22 auf. Dieser Rotor 22, dessen Rotationsachse koaxial zu dem Strömungskanal 16 verläuft, treibt über eine Welle 24 einen Generator 26 an.The wind turbine 10 shown in Fig. 1 to 3 has a tower construction 12 erected at ground level with a guide wall 14 which laterally delimits a flow channel 16. The flow channel has an upper outlet opening 18 and a lower inlet opening 20 and accommodates a rotor 22 designed as a four-bladed propeller in its interior approximately halfway between the inlet opening 20 and the outlet opening 18. This rotor 22, whose axis of rotation runs coaxially to the flow channel 16, drives a generator 26 via a shaft 24.
Um in den Strömungskanal 16 einen Sekundärluftstrom zu erzeugen ist im Bereich der Austrittsöffnung 18 ein Strömungsleitelement 28 angeordnet, welches auf einer koaxial zu dem Strömungskanal 16 angeordneten Achse 30 drehbar gelagert ist.In order to generate a secondary air flow in the flow channel 16, a flow guide element 28 is arranged in the area of the outlet opening 18, which is rotatably mounted on an axis 30 arranged coaxially to the flow channel 16.
Das Strömungsleitelement 28 weist einen Hauptkörper 32 auf, welcher an seiner Unterseite eine tragflügelartig gekrümmte Strömungsbeschleunigungsfläche 34 aufweist. Die in Fig. 3 gezeigte Strömungsbeschleunigungsfläche 34 ist lediglich zweidimensional gekrümmt, so daß sich der Hauptkörper 32 mit geringen Kosten herstellen läßt. Eine dreidimensional gekrümmte Strömungsbeschleunigungsfläche hätte demgegenüber einen besseren Wirkungsgrad. Um eine günstige Unterdruckerzeugung im Bereich der Austrittsöffnung 18 zu gewährleisten, weist das Strömungsleitelement an seinen Seiten quer zur Hauptkörperlängserstreckung ausgerichtete Leitbleche 35 auf, welche eine seitliche Ansaugung von Umgebungsluft verhindern. Um eine automatische Ausrichtung des Strömungsleitelements 28 in Abhängigkeit von der Windrichtung zu bewirken, ist fer-The flow guide element 28 has a main body 32, which has a flow acceleration surface 34 curved like an airfoil on its underside. The flow acceleration surface 34 shown in Fig. 3 is only curved in two dimensions, so that the main body 32 can be manufactured at low cost. A three-dimensionally curved flow acceleration surface would have a better efficiency. In order to ensure favorable negative pressure generation in the area of the outlet opening 18, the flow guide element has baffles 35 on its sides aligned transversely to the main body's longitudinal extension, which prevent ambient air from being sucked in from the side. In order to bring about automatic alignment of the flow guide element 28 depending on the wind direction,
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ner an der Oberseite des Hauptkörpers 32, die eben ausgebildet ist, ein Leitwerk 36 nach Art des Leitwerks eines Flugzeugs vorgesehen.ner on the top of the main body 32, which is flat, a tail unit 36 in the manner of the tail unit of an aircraft is provided.
Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich, weist die Turmkonstruktion neben der Leitwandung 14 eine äußere Verkleidung 38 auf, in welcher am unteren Ende Durchbrechungen 40 angeordnet sind, welche den Luftzutritt zur Eintrittsöffnung 20 des Strömungskanals 16 freigeben. Die Durchbrechungen 40 sind mittels vertikal verschiebbarer Klappen 42 verschiebbar, so daß der Lufteintritt in den Strömungskanal 16 einstellbar ist.As can be seen from Fig. 1 and 2, the tower construction has an outer covering 38 in addition to the guide wall 14, in which openings 40 are arranged at the lower end, which allow air to enter the inlet opening 20 of the flow channel 16. The openings 40 can be moved by means of vertically movable flaps 42, so that the air inlet into the flow channel 16 can be adjusted.
Bei der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Windkraftanlage 10 ist zur Nutzung der an der Welle 24 abgreifbaren Rotationsenergie ein Generator 26 vorgesehen, welcher im Strömungskanal 16 an einem Strebwerk 44 aufgehängt ist.In the wind turbine 10 shown in Figs. 1 to 3, a generator 26 is provided for utilizing the rotational energy that can be tapped from the shaft 24, which generator is suspended from a strut structure 44 in the flow channel 16.
Besonders vorteilhaft ist eine Verwendung der erfindungsgemäßen Windkraftanlage
in Wohngebieten. Dazu sollte die Windkraftanlage etwa folgende Dimensionen aufweisen:
20It is particularly advantageous to use the wind turbine according to the invention in residential areas. For this purpose, the wind turbine should have approximately the following dimensions:
20
Kantenlänge der Turmkonstruktion: 2 bis 5 m Höhe der Turmkonstruktion: Mindestens 1 m höher als umgebendeEdge length of the tower construction: 2 to 5 m Height of the tower construction: At least 1 m higher than surrounding
GebäudeBuilding
Rotortyp: Langsam laufende WindturbineRotor type: Slow speed wind turbine
Fläche des Tragflügels: 25 % größer als Grundfläche derWing area: 25% larger than base area of the
TurmkonstruktionTower construction
Die Windkraftanlage 110 gemäß den Fig. 4 bis 6 entspricht in ihrem Aufbau im wesentlichen der Windkraftanlage 10 gemäß den Fig. 1 bis 3. Gleiche Teile sind daher mit Bezugszeichen versehen, welche gegenüber dem entsprechenden Teil gemäß der ersten Ausführungsform um 100 erhöht sind. Auf die Beschreibung der entsprechenden Teile wird verwiesen.The wind turbine 110 according to Figs. 4 to 6 corresponds in its structure essentially to the wind turbine 10 according to Figs. 1 to 3. The same parts are therefore provided with reference numerals which are increased by 100 compared to the corresponding part according to the first embodiment. Reference is made to the description of the corresponding parts.
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Bei der Windkraftanlage 110 gemäß der zweiten Ausführungsform ist die Turmkonstruktion 112 ein im wesentlichen kreiszylindrisches Rohr, welches an seinem unteren Ende radiale Durchbrechungen 140 aufweist, durch welche hindurch Luft in den im Innern der Turmkonstruktion gelegenen Strömungskanal 116 gelangen kann. Die Turmkonstruktion 112 steht auf Kreisbogenabschnitten 150, zwischen welchen sich die Durchbrechungen 140 erstrecken.In the wind turbine 110 according to the second embodiment, the tower structure 112 is an essentially circular cylindrical tube, which has radial openings 140 at its lower end, through which air can pass into the flow channel 116 located inside the tower structure. The tower structure 112 stands on circular arc sections 150, between which the openings 140 extend.
Das Strömungsleitelement 128 weist wie das Strömungsleitelement 28 gemäß der ersten Ausführungsform einen Hauptkörper 132 auf, an dessen Seiten Leitbleche 135 angeordnet sind. Das Strömungsleitelement 128 ist jedoch nicht auf einer zentralen Achse gelagert wie das Strömungsleitelement 28 gemäß der ersten Ausführungsform, sondern es wird von vier flachen Strebbändern 152 getragen, welche von einem die Turmkonstruktion 112 umgebenden Außenrohr 154 gehalten werden. Das Außenrohr, welches an seinem unteren Ende auf Rollen gelagert ist und sich an seinem oberen Ende gegenüber der Turmkonstruktion 112 abstützt umschließt an seinem unteren Ende etwa drei Viertel des Umfangs der Turmkonstruktion, so daß lediglich einzelne Durchbrechungen 140 selektiv freibleiben. Das Außenrohr 140 wird gemeinsam mit dem Strömungsleitelement 128 von einem Leitwerk 136 gedreht, so daß eine Luftströmung lediglich durch den Wind zugewandte Durchbrechungen 140 einströmen kann.The flow guide element 128, like the flow guide element 28 according to the first embodiment, has a main body 132, on the sides of which guide plates 135 are arranged. The flow guide element 128, however, is not mounted on a central axis like the flow guide element 28 according to the first embodiment, but is supported by four flat struts 152, which are held by an outer tube 154 surrounding the tower structure 112. The outer tube, which is mounted on rollers at its lower end and is supported at its upper end against the tower structure 112, encloses approximately three quarters of the circumference of the tower structure at its lower end, so that only individual openings 140 remain selectively free. The outer tube 140 is rotated together with the flow guide element 128 by a control unit 136 so that an air flow can only flow in through openings 140 facing the wind.
Um weitere Durchbrechungen 140 verschließen zu können ist zusätzlich ein Verschlußringsegment 156 vorgesehen, dessen Höhe größer ist als die Höhe der Durchbrechungen und dessen Winkelbereich sich über mehr als 180° Grad erstreckt, so daß durch eine Kombination des AußenrohresIn order to be able to close further openings 140, a locking ring segment 156 is additionally provided, the height of which is greater than the height of the openings and the angle range of which extends over more than 180° degrees, so that by combining the outer tube
140 und das Verschlußringsegment 156 sämtliche Durchbrechungen 140 gleichzeitig verschließbar sind.140 and the locking ring segment 156 all openings 140 can be closed simultaneously.
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Die Windkraftanlage 110 gemäß der zweiten Ausführungsform ist zum Antrieb einer Grundwasserpumpe 158 vorgesehen. Diese Pumpe 158, an deren Stelle auch ein Generator verwendbar wäre, ist unterhalb der Turmkonstruktion 112 angeordnet und wird über eine langgestreckte Welle angetrieben, so daß die Durchströmung des Strömungskanals 116 nicht durch übermäßige Einbauten behindert wird.The wind turbine 110 according to the second embodiment is intended to drive a groundwater pump 158. This pump 158, in whose place a generator could also be used, is arranged below the tower structure 112 and is driven via an elongated shaft so that the flow through the flow channel 116 is not hindered by excessive fittings.
Vorzugsweise ist die Windkraftanlage 110 in einer dunklen, Sonnenstrahlung absorbierenden vorzugsweise schwarzen Beschichtung versehen.Preferably, the wind turbine 110 is provided with a dark, preferably black coating that absorbs solar radiation.
Dadurch kann in dem Strömungskanal ein Kamineffekt erzeugt werden.This can create a chimney effect in the flow channel.
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE19824032A1 (en) | 1999-01-28 |
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