DE3829112A1

DE3829112A1 - Windkraftanlage

Info

Publication number: DE3829112A1
Application number: DE3829112A
Authority: DE
Inventors: Joern Martens
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-08-27
Filing date: 1988-08-27
Publication date: 1990-03-01

Description

Windkraftanlagen mit einem, mit Schaufeln bestückten, von strömender Luft anzutreibenden Rotor, der mit einem Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie mechanisch verbunden ist, sind seit langer Zeit bekannt.

So günstig, wie die Nutzung der scheinbar kostenlosen Energiequelle Wind, die zudem überall, wenn auch nicht fortwährend, zur Verfügung steht, auch auf den ersten Blick erscheinen mag, so unübersehbar sind auch die Nachteile der Anlagen, die bisher zu ihrer Nutzung bekannt waren: Der Bauaufwand war relativ hoch, der Nutzungsbereich, wegen statisch-dynamischer Probleme, zwischen der Ein- und der Ausschaltgeschwindigkeit der Anlage, also den Windgeschwindigkeiten, bei denen sich die Anlage einschaltet, bzw., aus Sicherheitsgründen wieder abgeschaltet werden muß, relativ klein. Die Befestigung auf Haltemasten bereitet statische Probleme und ist zudem kostenintensiv, da spezielle Fundamente notwendig werden, von der Ästhetik ganz zu schweigen: Die Haltemasten sind in einer Zeit, in der auf eine Vermeidung der sogn. Zersiedelung der Landschaft Wert gelegt wird, als Schandflecken in der Natur anzusehen. Zudem gestattete der große Raumbedarf keinen Aufbau in dicht besiedelten Gegenden, also, z. B. in den Ballungsgebieten der Großstädte, wo doch gerade dort ein großer Bedarf an elektrischer Energie besteht. Blieben also nur die Ackerflächen auf dem Lande zu ihrer Aufstellung, deren Bestellung durch die Haltemasten aber auch nicht gerade vereinfacht wird, und die somit wohl doch lieber für die Erzeugung anbaubarer (recenter) Energieträger dienen sollten, denn, da darf man sich keinen Illusionen hingeben: Die Windenergie ist auch mit der erfindungsgemäßen Konstruktion einer Windkraftanlage nur als zusätzliche Energiequelle interessant, hat in Gegenden mit fortgesetzt stärkerem Wind (z. B. <3 m/s) aber durchaus ihren Sinn. Die erfindungsgemäße Konstruktion ist zur Montage auf Gebäuden, z. B. Wohnhäusern gedacht, bei denen eine Vielzahl von Wohnungen freistehen. Eines oder mehrere obere Stockwerke werden abgetragen, die tragenden Strukturen der Gebäude (Fundamente, Träger) hierdurch um einen größeren Betrag entlastet, als es der zusätzlichen Belastung durch den erfindungsgemäßen Windgenerator entspricht. Ein, durch die verringerte Höhe des Gebäudes ansprechenderes Äußeres des betreffenden Gebäudes, also kein anonymer "Mietskasernen"-Charakter mehr, ein dadurch geschaffener, größerer potentieller Mieterkreis, die Einsparung von Stromkosten und, bei Verbindung mit dem öffentlichen Stromnetz, eine Einspeisungsvergütung für die gelieferten Strommengen, machen die erfindungsgemäße Konstruktion auch für den privaten Investor (Hausbesitzer) interessant. Zudem sind die Produktionskosten relativ niedrig.

Das Gehäuse (2) der erfindungsgemäßen Windkraftanlage wird aus relativ leichtem, dünnwandigem Kunststoff in einem Stück hergestellt und durch Einsetzen eines Ringes (24) als innere Begrenzung des Ringkanals (3), die zugleich die äußere Begrenzung des Rotors (1) ist, und deren Unterkante zum restlichen Gehäuse (2) eine Durchtrittsöffnung (5) vom Ringkanal (3) zum Rotor (1) freiläßt, gebildet. Ein Verstärkungsring (25), der über eine Verstrebung (26) mit dem oberen Lager (21) für die Drehbarkeit des Gehäuses (2) um die vertikale (Rotor-)achse (a) verbunden ist, wird auf den Ring (24) montiert. Der Rotor (1) ist auf der Innenseite zugleich als Rotor (19) des Generators ausgebildet und besitzt ein Lager (23) für die Achse (a), die auch den Stator (20) des Generators, der sich zentral im Rotor (1) befindet, haltert. Die Achse (a) ist mit dem Sockel (15) fest verbunden, auf ihr sitzt auch das Lager (22) für die untere Lagerung des Gehäuses (2). In Strömungsrichtung gesehen, sind hinter der Einströmöffnung (4) Leitschaufeln (7) befestigt, die Luft in den Ringkanal (3) leiten, und die Begrenzung des Ringkanals (3) in Richtung Einströmöffnung (4) bilden. Die Leitschaufeln (7) sind so geformt, daß die Strömungsrichtung im Ringkanal (3) praktisch immer konstant ist. Es kann so eine möglichst große Luftmenge möglichst verlustarm zum Ringkanal (3) geleitet werden, von wo die Luft über die Durchtrittsöffnung (5) in den Rotor (1) eintreten kann. In der Durchtrittsöffnung (5), die einen relativ kleinen durchströmten Querschnitt im Vergleich zum Einströmquerschnitt (4) besitzt, erreicht die Luft eine hohe Strömungsgeschwindigkeit, die vorteilhaft für die Umsetzung in mechanische Energie im entsprechend gestalteten Rotor (1) ist. Die Luft tritt durch die Ausströmöffnung (14) in das Ausströmrohr (12), das z. B. als schiefer Kegelstumpf geformt ist, ein, dessen Formgebung sowohl im, als auch hinter dem Ausströmrohr (12) eine Druckdifferenz zur Luft in der Ausströmöffnung (12) aufbaut, was den Luftdurchsatz, und damit die Leistung der Windkraftanlage fördert. Die Druckdifferenz zur Einströmöffnung (4) steigt also von der Ausströmöffnung (14) bis hinter das Ausströmrohr (12) an. Gehäuse (2), Windleitfläche (13) und Ausströmrohr (12) sind so zu gestalten, daß die Einströmöffnung (4) immer stabil in Windrichtung zeigt, sich also um die Achse (a) herum mit dem Winde dreht. Durch die erfindungsgemäße Montage auf Gebäuden ist die Sturmfestigkeit gegenüber einer Befestigung auf Haltemasten stark erhöht. Sollte der Druck am Rotor (1), der über den Druck-Sensor (16) kontinuierlich erfaßt, an das Druckumsetzer-Modul mit Maximalwert-Vorgabe (10) weitergeleitet, und dort mit dem einstellbaren, zulässigen Höchstwert verglichen wird, über diesem zulässigen Maximaldruck liegen, so wird vom Rechner-Modul (9) die Klappe (6) über den Verstellmotor (17) und die Verstellvorrichtung (Mechanik) (11) soweit geschlossen (s. a. Fig. 3), der Querschnitt der Einströmöffnung also soweit verringert, bis die Druckwerte wieder im Normbereich liegen. Die Schließung der Klappe (6) kann auch über den handbetätigten Schalter (18) direkt, vom Bedienungspersonal gesteuert, erfolgen; so, z. B. bei ungünstigen Witterungseinflüssen wie Eisregen, Hagel oder bei Defekten zur Schadensbegrenzung. Konstruktive Vorsorge-Maßnahmen gegen eine Vereisung der Klappe (6) und des Rotors (1), wie z. B. eine Heizung (elektr.) oder eine pneumatische Eisabspreng-Vorrichtung, sind aus dem Flugzeugbau bekannt, und nicht Teil der Erfindung. Da bei einer Änderung der Windrichtung nur das relativ leichte Gehäuse (2) und nicht Teile wie der Rotor (1) und der Generator (19, 20) gedreht werden müssen, dreht sich die erfindungsgemäße Konstruktion aufgrund der geringen Massenträgheit relativ schnell in die Windrichtung, was besonders bei sogn. wechselnden u. drehenden Winden von Vorteil ist. Die Einleitung der Luft zum Rotor (1) erfolgt dabei immer mit gleichbleibender Strömungsrichtung über den Ringkanal (3) durch die Durchtrittsöffnung (5). Auch im Ringkanal (3) bleibt die Strömungsrichtung der Luft, ungeachtet der Windrichtung, immer gleich. Es kann sich also zwischen dem Luft-Einlaß - Durchtrittsöffnung (5) - und dem Luft-Auslaß - Ausströmöffnung (14) - des Rotors (1) eine relativ konstant hohe (Gesamt-)Druckdifferenz aufbauen, wichtig für eine relativ konstante Drehzahl des Rotors (1) und damit für eine kontinuierliche Stromabgabe des Generators also letztlich für einen guten "Wirkungsgrad" der erfindungsgemäßen Windkraftanlage.

Durch die Vollkapselung des Rotors (1) wird nicht nur die subjektive, direkte Geräuschbelästigung durch den Rotor (1) verringert, sondern es wird, zusammen mit der höheren Drehzahl, die der Rotor (1), der in seiner Konstruktion z. B. von Turbinen her bekannt ist, erreicht, einem Problem begegnet, das allerdings noch der genaueren Nachprüfung bezüglich Ursachen und schädlichen Auswirkungen bedarf, und hier im folgenden nur kurz umrissen werden soll: Die Emission von Infraschall hoher Intensität durch die relativ langsam rotierenden Rotoren herkömmlicher Bauart. Infraschall ist zumindest bei längerer Exposition und hoher Intensität äußerst schädlich für die, dem Schall ausgesetzten Lebewesen, die tückischerweise auch nicht die Ursache für ihr anfängliches "Unwohlsein" erkennen können, da der Infraschall in seiner Frequenz weit unter der (menschlichen) Hörschwelle von 16 Hz ca. liegt.

"Windkraftanlage" Liste der Bezugszeichen

Claims

1. Windkraftanlage mit einem mit Schaufeln bestückten, von strömender Luft anzutreibenden Rotor, der mit einem Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie mechanisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1) und das Gehäuse (2) so gestaltet sind, daß die Luft in radialer Richtung, zur Rotor-Drehachse (a) gesehen, in den Rotor (1) eintreten kann, und in axialer Richtung aus dem Rotor (1) durch die Ausströmöffnung (14) wieder austreten kann, und das Gehäuse (2) mit zwei Lagern (21, 22) auf der vertikalen Drehachse (a) drehbar gelagert und mit der Windleitfläche (13) so gestaltet ist, daß es sich mit der Luftströmung frei über dem Rotor (1) so dreht, daß die Einströmöffnung (4) immer gegen den Luftstrom (L) gerichtet ist, und Leitschaufeln (7) im Gehäuse (2) hinter der Einströmöffnung (4) so gestaltet und fixiert sind, daß der Luftstrom in einen, den Rotor (1) umgebenden Ringkanal (3), der ebenfalls Teil des Gehäuses (2) ist, unabhängig von der Windrichtung, so einströmen kann, daß eine gleichbleibende Strömungsrichtung im Ringkanal (3) entsteht, und der Ringkanal (3) eine Durchtrittsöffnung (5) besitzt, die so gestaltet ist, daß der Luftstrom mit, gegenüber seiner Geschwindigkeit an der Einströmöffnung (4) stark erhöhter Geschwindigkeit in den Rotor (1) strömen kann, aus dem die Luft durch die Ausströmöffnung (14) wieder austreten kann, und das Gehäuse (2), speziell das Ausströmrohr (12) so gestaltet ist, daß in Strömungsrichtung der Luft gesehen, hinter der Ausströmöffnung (14) eine, im Vergleich zum Druck an der Einströmöffnung, große Druckdifferenz entsteht.

2. Windkraftanlage gemäß dem Hauptanspruch, dadurch gekennzeichnet, daß in die Einströmöffnung (4) eine Klappe (6), die, über eine Verstellvorrichtung (11), von einem Verstellmotor (17) zu betätigen ist, aufweist, und dieser Verstellmotor (17) so mit einer Steuer- Regel-Elektronik (8) zur Verstellung der Klappe (6) mit Rechner-Modul (9) und Druckumsetzer- Modul (10) mit Maximalwert-Vorgabe und mit einem Druck-Sensor (16) verbunden ist, daß bestimmte Druckwerte am Rotor (1), zu deren Messung der Druck-Sensor (16), in Strömungsrichtung gesehen, hinter der Klappe (6) befestigt ist, nicht überschritten werden.

3. Windkraftanlage, nach den Ansprüchen 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß der Windgenerator auf einem Gebäude montiert wird, bei dem das oberste Stockwerk, ein Teil davon, oder mehrere Stockwerke, zur Aufstellung der Windkraftanlage abgetragen, bzw. umgebaut wurden.