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n Windkraftanlage n
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I Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage, bestehend aus einem
flugelartigen, vom Wind anströmbaren Körper mit mindestens: einer schräg gegen den
Wind anstellbaren scharfen Kante, um die herum ein einen Wirbel bildender Druckausgleich
erfolgt, sowie mindestens einem in Strömungsrichtung hinter der anströmbaren Kante
angeordneten, zu Antriebszwecken dienenden Rotor, dessen Achse im Bereich des Jeweiligen
Wirbelkerns liegt.
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Wegen des geringen spezifischen Gewichtes der Luft bieten die natürlichen
Windbewegungen nur eine vergleichsweise geringe Energiedichte zur Nutzung an. Dem
trägt der konventionelle Windrotor mit horizontaler Achse dadurch Zeichnung, daB
die umlaufenden Rotorblätter die Energie der von ihnen überstrichenen Kreisfläche
sammeln und an der Rotorachse als mechanische Energie abgeben. Anlagen, die am elektrischen
Netz arbeiten sollen, müßten eine gewisse Mindestleistung im Megawattbereich erbringen.
Zur dementsprechenden Steigerung der Rotorleistung führt bei freifahrenden Windrotoren
aber nur der Weg über eine Vergrößerung des Rotors, d.h. einer Verlängerung der
Blätter. Einer Vergrößerung des Rotors sind aber aus verschiedensten Grilnden Grenzen
gesetzt.
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Zur Erhöhung der aus der Windenergie zu erzeugenden Leistung ist bereits
vorgeschlagen worden, die Windenergie erst in Wirbelfeldern zu konzentrieren und
anschließend weiterzuverarbeiten.
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Als Windenergiekonzentrator dient dabei eine gegen den Wind angestellte
deltaförmige Flügelkonstruktion, an deren scharfen Kanten Wirbel erhöhter Energiedichte
erzeugt werden. Die Unsetzung dieser konzentrierten Windenergie in eine Drehbewegung
wird dann mit Hilfe von kleineren Rotoren vorgenommen, die zu den Kernen der beiden
Kantenwirbel ausgerichtet sind.
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Um die Windenergie möglichst hoch zu konzentrieren und sie in der
Praxis zu Antriebszwecken auszunutzen, sind ausreichend
große Anstellwinkel
der DeltaflUgel erforderlich. Unter derartigen Bedingungen sind die Wirbel weder
ausreichend stabil noch ist die erzielbare Energiekonzentration zufriedenstellend.
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(US-PS 4 111 594) Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftanlage
der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß eine ausreichend große Windenergiekonzentration
möglich und eine bessere Wirbelstabilität erzielbar ist, um die Anlage ausreichend
zuverlässig und wirtschaftlich betreiben zu können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die schräg
gegen den Wind anstellbare Kante über ihre gesamte Länge eine in Wirbelrichtung
gekrttmmte Randbiegung aufweist.
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Versuche mit einer solchen Windkraftanlage haben eine etwa sechsfache
Verstärkung der Leistungsabgabe am Rotor im Wirbelfeld gegenüber einer unverstärkten
Rotoranströmung ergeben.
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Die in solchen Windkraftanlagen verwendeten Rotoren nehmen dementsprechend
kleinere Abmessungen an und werden mit höheren Drehzahlen gefahren, woraus sich
ein geringefrGetriebeaufwand ergibt. Bei der vorgenommenen Umwandlung der Wind strömung
in eine Wirbelströmung werden Böen weitestgehend geglättet, so daß auch deren Energie
von den Rotoren erfaßt und ausgenutzt werden kann. Auch bei schwachen Windströmungen
können; aufgrund des Verstärkungseffektes sowie der geringen Trägheit der
kleinen
Rotoren ausreichend große Leistungen erzielt werden.
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Vorzugsweise ist die Blattverwindung des Rotors dem Wirbelfeld aerodynamisch
angepaßt. Dabei ist zweckmäßig der örtliche Blatteinstellwinkel eine Funktion des
effektiven, sich aus dem Wirbelfeld ergebenden Anströmwinkels, der Blattiefenverteilung
und des örtlichen Auftriebs. Die Blattverwindung wird mit Hilfe einer Variationsrechnung
unter Berücksichtigung einer sich stark ändernden Reynolds-Zahl über dem Radius
optimiert, bis sich ein maximaler Gesamtleistungsbeiwert einstellt.
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Der flUgelartige Körper kann im wesentlichen ebenflächig ausgebildet
sein, wobei sich die Randbiegung mit stetiger Krümmung tangential an die Flügelfläche
anschließt.
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Zweckmäßig läuft der flügelartige Körper in Richtung auf das schräg
gegen die Windrichtung weisende Ende seiner anstellbaren Kante stetig spitz zu.
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Zur Erzielung eines ungestörten Wirbelaufbaus können die Querschnitte
durch den flügelartigen Körper einander im wesentlichen geometrisch ähnlich sein,
d.h., daß die Querschnitte von der Spitze aus unter Beibehaltung ihrer geometrischen
Form stetig größer werden, wobei auch der umgebogene Rand von der Spitze aus allmählich
höher wird und zur Erzeugung starker und stabiler Wirbel beiträgt.
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Der flügelartige Körper ist zweckmäßig im wesentlichen dreieckförmig
ausgebildet.
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Der flügelartige Körper kann beispielsweise als ein im wesentlichen
vertikal stehender Halbflügel mit einer einzigen, vom Wind anströmbaren Kante ausgebildet
sein, wobei seine Unterseite etwa horizontal verläuft.
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Vorzugsweise ist der flügelartige Körper ein gleichschenkliger, mit
zwei vom Wind anströmbaren Kanten versehener Deltaflügel, der unter einem Anstellwinkel
gegen die Windrichtung weist.
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Die hintere Kante des Deltaflügel ist dabei zweckmäßig im wesentlichen
horizontal angeordnet und verläuft quer zur Windrichtung, während die vordere Spitze
der höchste Punkt des Deltaflügels ist.
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Um den flügelartigen Körper stets optimal vom Wind anströmen zu lassen,
ist er vorzugsweise um eine vertikale Achse in die Jeweils optimale Windanströmrichtung
drehbar.
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Unter dem hinteren Bereich der Seitenkanten des Deltaflügels können
Klappen vorgesehen sein, die in Zusammenwirkung mit den Seitenkanten des Deltaflügels
Düsen bilden. Durch diesen Düseneffekt werden im hinteren Bereich der Deltafläche
starke Erhöhungen der Axialgeschwindigkeiten aber auch Erhöhungen der Umfangsgeschwindigkeiten
bewirkt, d.h., daß eine Wirbelverstärkung
sowohl in bezug auf
die kinetische Energie als auch auf die Rotationsenergie eintritt, so daß eine höhere
Leistungsabnahme an den Rotoren möglich ist.
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Der Deltaflügel kann auf zwei etwa parallel zu seinen Seitenkanten
ausgerichteten Stützwänden montiert sein, wobei die seitlichen Klappen durch nach
außen gerichtete, parallel zu den Seitenkanten des Deltaflügels verlaufende Umbiegungen
der oberen Stützwandenden gebildet sind.
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Zusätzlich können den Stützwänden Einlaufklappen vorgeschaltet sein,
die gegen die Windrichtung auseinander laufen, so daß der Verstärkungseffekt noch
erhöht werden kann.
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Die Rotornabe kann an ihrem vorderen Ende eine schlanke Spitze aufweisen,
um dem Wirbelkern einen deutlich geringeren Widerstand entgegenzusetzen.
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Um den Motor bei gleicher Leistung möglichst kleinzuhalten, kann dieser
als Mantelturbine ausgebildet sein. Derartige Turbinen bieten bei der Anwendung
in der Praxis darüber hinaus mehr Sicherheit gegen gebrochene bzw. wegfliegende
Rotorblätter.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht
und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Fig.
1 eine schräge Seitenansicht einer Windkraftanlage mit einem Halb flügel sowie einem
einzigen Rotor, Fig. 2 eine Draufsicht auf die Windkraftanlage nach Fig. 1, Fig.
3 eine Ansicht des Halbflügels in Richtung des Pfeiles III aus Fig. 1, Fig. 4 eine
Seitenansicht einer Windkraftanlage mit einem Deltaflügel und zwei Rotoren, Fig.
5 eine Draufsicht auf die Windkraftanlage nach Fig. 4, Fig. 6 eine Ansicht des Deltaflügels
in Richtung des Pfeiles VI aus Fig. 4 und Fig. 7 in perspektivischer Darstellung
eine andere Ausführungsform eines Deltaflügels.
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Nach Fig. 1 bis 3 der Zeichnung besteht die Windkraftanlage aus einem
Halbflügel 1 sowie einem Rotor 2.
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Der Halb flügel 1 ist -vertikal angeordnet und weist in seinem Seitenriß
die Form eines Dreiecks auf. Die eine Dreieckseite 3, die nach unten weist, verläuft
parallel zur Bodenfläche 4. Die die Vorderkante bildende Dreieckseite 5 schließt
sich unter einem spitzen Winkel an die untere Dreieckseite 3 an, wobei der Winkel
ß etwa 10 bis 300 beträgt. Die im Windschatten liegende hintere Dreieckseite 6 schließt
sich etwa im rechten Winkel an die untere Dreieckseite 3 an.
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Die spitzwinklige Dreiecksecke 7 weist unter einem Winkel oC von 15
bis 350 schräg gegen die durch die Pfeile 8 dargestellte Windrichtung.
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Beim Auftreffen des Windes auf die schräg gegen den Wind anstellbare,
die Vorderkante bildende Dreiecksseite 5 erfolgt um diese herum ein einen Wirbel
bildender Druckausgleich, wobei
der Wirbel nicht nur eine Rotationsbewegung
sondern auch eine translatorische Bewegung in Richtung der Windrichtung ausführt.
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Die die Vorderkante bildende Dreieckseite 5 weist eine in Wirbelrichtung,
d.h., in eine zur windabgewandten.Seitenfläche gekrtlmmte Randbiegung 9 auf. Eine
in einem Flügelquerschnitt an die KrUmmung in der Kante angelegte Tangente bildet
mit der Flügeifläche einen Winkels der in der Größenordnung von 20 bis 500 liegt.
Die 4ußere Begrenzung 10 der Randbiegung 9 ist scharfkantig ausgebildet.
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Von der Dreieckspitze 7 aus, die in allen Dimensionen spitz zuläuft,
erweitert sich der Querschnitt des Halbflügels, wobei die einzelnen Querschnitte
einander geometrisch ähnlich sind.
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Der Rotor 2 ist im hinteren Bereich des lialbflügels 1, d.h., nahe
der hinteren Dreieckseite 6, angeordnet, und zwar in Strömungsrichtung hinter der
anströmbaren Vorderkante 5, um die herum ein Wirbel erzeugt wird. Auf dieser dem
Wind abgewandten Seite wird der Rotor 2 mit Hilfe einer Zentriervorrichtung 11 genau
im Kern des erzeugten Wirbels gehalten.
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Die beiden Rotorblätter 12 weisen im Blattgrundriß eine trapezförmige
Gestalt auf und sind mit einer Verwindung versehen.
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Sie sitzen auf einer Rotornabe 13, die als schlankes Rotationsparaboloid
ausgebildet ist. Die Rotornabe 13 ist in einem schlanken Gehäuse 14 gelagert, in
welchem ein in der Zeichnung
nicht dargestellter Abtrieb oder auch
ein Generator zur Erzeugung elektrischer Energie angeordnet sein kann.
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Der Halbflügel 1 sitzt auf einer vertikalen Achse 15, um die der HAlbflUgel
1 gemeinsam mit dem relativ zum Halbflügel feststehenden Rotor 2 drehbar ist, so
daß die Anlage bei sich ändernden Windrichtungen Jeweils in ihre optimale Position
gefahren werden kann, in welcher die Spitze 7 des HalbflUgels unter dem Winkel bs
gegen die Windrichtung 8 angestellt ist.
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Bei dem in Fig. 4 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht
die Windkraftanlage aus einem gleichschenkligen Deltaflügel 20 mit zwei Rotoren
21.
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Der Deltaflügel 20 weist mit seiner Spitze gegen die Windrichtung
8, wobei die Spitze unter einem Winkel, der in der gleichen Größenordnung wie bei
dem in Fig. 1 bis 3 dargestellten/ Ausführungsbeispiel liegen kann, gegen die Horizontale
und damit gegen die Windrichtung 8 angestellt ist. Die hintere Kante 23 des Deltaflügels
20 ist im wesentlichen horizontal -angeordnet und verläuft quer zur Windrichtung.
Die vordere Spitze 22 bildet den höchsten Punkt des DeltaflUgels.
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Der Deltaflügel 23 entsteht dadurch, daß man zwei von dem in Fig.
1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel gezeigten Halbflügeln
1
an den Dreieckskanten 3 zusammenfügt. Im mittleren Bereich ist der Deltaflügel somit
im wesentlichen ebenflächig ausgebildet, während der Randbereich mit nach oben gekrümmten
Biegungen 24 versehen ist.
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Die beiden an der Oberseite des Deltaflügels 20 parallel nebeneinander
angeordneten Rotoren 21 können in gleicher Weise ausgebildet sein wie die Rotren
2 bei dem in Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausfuhrungsbeispiel. Sie oind Jeweils zu
den Kernen der beiden Wirbel ausgerichtet, die sich hinter den beiden Vorderkanten
25 und 26 des Deltaflügels 20 ausbilden. Die Befestigung der Rotoren 21 erfolgt
über ein mit der Oberseite des Deltaflügels 20 verbundene Zentriervorrichtung 27.
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Der Deltaflügel 20 einschließlich Rotoren 21 sitzt auf einem drehbaren
Sockel 28, so daß die Anlage Je nach Wlndverhältnissen in die Windrichtung geschwenkt
werden kann.
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Bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Deltaflügel
29 ähnlich ausgebildet wie bei dem in Fig. 4 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiel.
Allerdings weist der Deltaflügel 29 in der Mitte seiner Oberfläche einen gewölbten
Buckel 30 auf, der sich bis zur Spitze 31 des Deltaflügels 29 erstreckt, Jedoch
entsprechend dem sich verjüngenden Flügelprofil kleiner wird. Die beiden Rotoren
32 sind bei diesem Ausführungsbeispiel
verstellbar angeordnet,
so daß sie genau zu den entstehenden Wirbelkernen 33 ausgerichtet werden können.
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Als Unterbau für den Deltaflügel 29 sind zwei in Längsrichtung angeordnete
vertikale Stützwände 34 vorgesehen, die etwa parallel zu den seitlichen Kanten 35
und 36 des Deltaflügels 29 angeordnet sind. Die oberen Enden der seitlichen StUtzwände
34 sind als nach außen gerichtete, parallel zu den Seitenkanten 35 und 36 des Deltaflügels
29 verlaufende Umbiegungen ausgebildet, die zusammen mit den Außenseiten der gewölbten
Kanten im hinteren Bereich des Deltaflügels 29 auf beiden Seiten einen Luftdurchtritt
nach Art einer Lavaldüse bilden, der sich wirbelverstärkend auswirkt . Getragen
wird der Deltaflügel von kurzen Stützen 38, die sich an den oberen umgebogenen Enden
der Stützwände 34 abstützen.
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Den Seitenwänden 34 sind ferner noch Einlaufklappen 39 vorgeschaltet,
die entgegen der Windrichtung auseinander laufen und den Verstärkungseffekt noch
erhöhen.
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Die gesamte Konstruktion einschließlich Stützwänden 34 kann auf einem
drehbaren Teller 40 montiert sein, so daß der Deltaflügel 29 Jeweils mit seiner
Spitze 31 in die Windrichtung geschwenkt werden kann.
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