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WO2002095221A1 - Strömungsenergieanlage, insbesondere windkraftanlage - Google Patents

Strömungsenergieanlage, insbesondere windkraftanlage Download PDF

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Publication number
WO2002095221A1
WO2002095221A1 PCT/DE2002/001873 DE0201873W WO02095221A1 WO 2002095221 A1 WO2002095221 A1 WO 2002095221A1 DE 0201873 W DE0201873 W DE 0201873W WO 02095221 A1 WO02095221 A1 WO 02095221A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
rotor
flow energy
diffuser
diffuser element
wind
Prior art date
Application number
PCT/DE2002/001873
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gunter Krauss
Original Assignee
Gunter Krauss
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE20108925U external-priority patent/DE20108925U1/de
Priority claimed from DE20207363U external-priority patent/DE20207363U1/de
Application filed by Gunter Krauss filed Critical Gunter Krauss
Publication of WO2002095221A1 publication Critical patent/WO2002095221A1/de

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D3/00—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor 
    • F03D3/002—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor  the axis being horizontal
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D3/00—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor 
    • F03D3/04—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor  having stationary wind-guiding means, e.g. with shrouds or channels
    • F03D3/0436—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor  having stationary wind-guiding means, e.g. with shrouds or channels for shielding one side of the rotor
    • F03D3/0445—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor  having stationary wind-guiding means, e.g. with shrouds or channels for shielding one side of the rotor the shield being fixed with respect to the wind motor
    • F03D3/0463—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor  having stationary wind-guiding means, e.g. with shrouds or channels for shielding one side of the rotor the shield being fixed with respect to the wind motor with converging inlets, i.e. the shield intercepting an area greater than the effective rotor area
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F03D3/06—Rotors
    • F03D3/061—Rotors characterised by their aerodynamic shape, e.g. aerofoil profiles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/10—Stators
    • F05B2240/13—Stators to collect or cause flow towards or away from turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2250/00—Geometry
    • F05B2250/30—Arrangement of components
    • F05B2250/31—Arrangement of components according to the direction of their main axis or their axis of rotation
    • F05B2250/312—Arrangement of components according to the direction of their main axis or their axis of rotation the axes being parallel to each other
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Definitions

  • the invention relates to a flow energy installation, in particular a wind power installation, wherein a rotor with rotor blades rotating about a vertical axis is arranged on a mast and the rotation of the rotor generated by the wind flow is converted into electrical energy.
  • DE 85 33 964 U1 describes a horizontally acting wind vane motor which has a wind funnel which partially surrounds the wind vane and can be brought into the required wind direction via a wind vane.
  • the wind funnel is formed in a quarter circle in cross section.
  • DE 198 56 914 A1 describes a vertical wind rotor with an air suction surface formed on one arm and a system with a straight plate-shaped wind dividing plate is presented in DE 86 31 273.1. All three of the aforementioned solutions are disadvantageous in terms of flow technology.
  • a wind power plant with a vertical rotor and frontal flow is known, with which a funneling or suction is to be achieved by means of a special inlet surface construction, with which higher flow rates can be achieved.
  • a special construction of two inlet surfaces (diffuser surfaces) is intended to achieve an alignment in accordance with the direction of flow of the wind.
  • the object of the invention is to provide a wind turbine with a vertical rotor, in which the energy, in particular the kinetic energy of the flowing medium can be converted into other forms of energy with a high degree of efficiency, and which ensures reliable tracking of the system in accordance with the direction of the wind's inflow.
  • the object is achieved with the features of the first claim. Advantageous refinements result from the subclaims.
  • the wind turbine has a mast and a rotor rotating about a first vertical axis, a diffuser element being arranged at a defined distance from the rotor and being mounted about a second vertical axis.
  • the first and second vertical axes are spaced apart from one another.
  • the first vertical axis of the rotor is behind the second vertical axis of the diffuser element.
  • the rotor is there, e.g. when the wind direction changes, can be pivoted together with the diffuser element about the second vertical axis.
  • the diffuser element is pivotally mounted on the mast in its second vertical axis and the rotor is in turn connected to the diffuser element via at least one essentially horizontally extending connecting element.
  • the connecting element is preferably designed as a base and cover plate, between which the rotor is rotatably mounted about its first vertical axis.
  • two vertically extending diffuser elements are used on both sides of the rotor, between which base and cover plate extend.
  • An inflow opening is formed by the vertical edges of the diffuser elements pointing in the wind direction, and an outflow opening is formed by the vertical edges of the diffuser elements opposite thereto, which is delimited at the top and bottom by the base plate and cover plate.
  • these diffuser elements extend on one or both sides. If two diffuser elements are used, an inflow opening is formed in front of the rotor and an outflow opening behind the rotor. In the flow direction of the wind, the inflow opening tapers to a width that corresponds to approximately 50% of the diameter of the rotor. In contrast, the outflow opening widens after the rotor to approximately twice the diameter of the rotor. A first surface of the first diffuser element that runs vertically in the direction of flow is first concave and then convex in the direction of the rotor.
  • the first diffuser element From the windward edge of the first diffuser element In the direction of its edge in the area of the wind outlet, an elongated convex curvature extends beyond the diameter of the rotor, which is followed by a concave curvature. In the direction of the rotor, the first diffuser element has a curvature that follows the diameter profile of the rotor.
  • the second diffuser element is also arranged to run vertically on the side of the rotor opposite the first diffuser element.
  • the diffuser elements are attached to a base plate on which the rotor is also rotatably mounted. The base plate is pivoted on a mast.
  • the diffuser elements are connected to the base plate and the rotor is arranged between the base plate and the cover plate, these together perform the pivoting movement about the vertical second axis.
  • the axes of the base plate and the rotor are spaced apart from one another. This ensures better tracking of the system depending on the wind direction.
  • the one diffuser element is preferably curved radially outward in such a way that it is adapted to the course of an envelope circle spanning the ends of the rotor blades pointing outward.
  • the inner radius of curvature of the diffuser element is selected according to the desired distance from the rotor blades.
  • the length of the diffuser element should correspond approximately to the distance between the outwardly facing edges of two rotor blades.
  • the pivoting movement of the diffuser element can e.g. depending on a wind vane that can be rotated by the wind.
  • the diffuser element adjusts itself in accordance with the wind direction in the case of a pivot axis spaced apart from the rotor axis.
  • the height of the diffuser element should correspond approximately to the height of the rotor.
  • Fig. 2 Section A-A acc. Fig. 1
  • Fig. 4 top view acc. Fig. 3,
  • Fig. 9 Schematic representation of the suspension of a rotor by means of two
  • Hg. 11 schematic representation of the use of only one diffuser element in plan view.
  • the wind turbine is gem.
  • Fig. 1 essentially from a mast 1, on which the base plate 2 is rotatably mounted.
  • a first 4 and a second 5 diffuser element are arranged vertically on the base plate 2 on both sides of the rotor 3.
  • the wind turbine closes at the top by means of a cover plate 6.
  • the rotor 3 is covered by the first diffuser element 4 to 50% of its diameter, so that the flow against the rotor is 50% of its width.
  • 2 shows the section AA according to FIG. 1.
  • the first 4 and the second 5 diffuser element sit on the base plate 2.
  • the rotor 3 is arranged in between.
  • the first diffuser element 4 has an edge 4.1 in the wind direction and the second diffuser element 5 has an edge 5.1, which form the inflow opening ES.
  • the Both edges 4.1, 5.1 project beyond the outer diameter of the rotor in the wind direction.
  • the distance II between the two edges 4.1, 5.1 corresponds approximately to the rotor diameter D.
  • the first diffuser element 4 has a further edge 4.2 in the outflow direction of the wind.
  • a third edge 4.3 is provided on the first diffuser element 4, which extends approximately to half the rotor diameter.
  • a diffuser surface 4a extends between the first edge 4.1 and the second edge 4.2, a diffuser surface 4b between the second edge 4.2 and the third edge 4.3 and a diffuser surface 4c between the first edge 4.1 and the third edge 4.3.
  • the first diffuser surface 4a extends convexly from the edge 4.1 to beyond the rotor in a large arc, which is followed by a concave curvature up to the edge 4.2.
  • the diffuser surface 4b initially runs from the edge 4.2 into a convex arc, which, following the course of the rotor, is followed by a concave curvature up to the edge 4.3. From the edge 4.1 to the edge 4.3, the diffuser surface 4c first has a concave and then a convex curvature.
  • the second diffuser element 5 has an edge 5.2 in the direction of the wind outlet and is designed in the shape of an airfoil in its cross section.
  • the first diffuser element has a diffuser surface 5a on the outside and a diffuser surface 5b in the direction of the rotor.
  • the course of the diffuser surface 5a is designed as a mirror image of the surface 4a.
  • the surface 5b extends up to the rotor 3 in a convex curvature, which is followed by a concave curvature approximately in the middle of the rotor 3, from which the surface 5b extends in a convexly curved arc up to the edge 5.2. From the center line of the rotor 3 in the outflow direction, the surfaces 4b and 5b have approximately the same course in mirror image.
  • the distance 12 delimiting the inflow opening ES between the edge 4.3 and the surface 5b is approximately 0.5xD.
  • the distance 13 of the edges 4.2 and 5.2 forming the outflow opening is preferably approximately 2xD.
  • the rotor in the front view is shown in FIG. 3 and in the top view in FIG. 4. It has four circular disk-shaped rotor disks 3 which are arranged in alignment one above the other and which are connected to one another by a central, axial, elongated cylindrical axis A. On the rotor disks 3, three rotor blades 4 are arranged.
  • the rotor blades 3.1 are arched in the shape of an airfoil and extend radially inward from the circumference of the rotor disks 7 in a curved or curved line. An outer longitudinal edge of the rotor blades 3.1 closes with the circumference of the rotor disks 7.
  • the inner longitudinal edges of the rotor blades 3.1 face the concave surface of the next rotor blade 3.1.
  • Three vertical rotor blades 4 extend between the upper and lower rotor plates 7, penetrating the other two rotor plates 7.
  • the rotor blades 4 are designed in the manner of a vertically oriented plate.
  • FIG. 5 The top view of a base plate 2 is shown in FIG. 5. The position of the rotor (3) with the rotor blades 3.1 is indicated.
  • the first axis A1 forms the axis of rotation of the rotor (3) between the base and cover plates 2 and 6, the second axis A2 the pivot axis D of the base plate 2 on the mast 1 (FIG. 1).
  • FIG. 6 shows the cross section of the first diffuser element 4 and FIG. 7 shows the cross section of the second diffuser element 5.
  • FIG. 8 the schematic diagram of the mounting of the rotor 3 and base plate 2 is shown in side view.
  • the base plate 2 is pivotally mounted on the mast 1 in the first axis A2.
  • the further elements of the wind turbine are arranged on the base plate 2.
  • the rotor 3 is rotatably mounted in a first vertical axis A1 between the base plate 2 and the cover plate 6.
  • the two axes A1 and A2 are arranged at a distance b from one another.
  • the generator G is preferably arranged in the mast 1.
  • the transmission of the rotary movement of the rotor 3 to the rotor (rotor) of the generator G takes place e.g. via toothed belt Z, which is arranged in a housing 10.
  • the base plate 2 sits on the housing which is open at the top.
  • the pivotable mounting about the second vertical axis A2 thus also takes place via the housing 10
  • FIG. 1 A further variant using only one diffuser element 4 in a top view is shown in FIG. 1, the distance between the rotor 3 and the closure flap 8 before and after the rotor also being widened in a funnel shape.
  • the diffuser element 4 is provided below and above with a horizontal base plate 2 and cover plate 6, between which the rotor 3 is mounted in the axis A1.
  • the diffuser element 4 is mounted in the second vertical axis A2 on the mast (not shown here).
  • the invention ensures reliable tracking of the diffuser elements and thus the inflow opening in accordance with the wind direction.
  • the entire structure of the diffuser element attached to the mast and the rotor rotatably suspended from it rotates due to its structural design like a wind vane depending on the wind direction.
  • the constructive design of the diffuser elements reinforces the vacuum area and the suction effect behind the rotor, which significantly increases the speed of the rotor.
  • the aircraft wing profile also improves the running performance of the rotor due to its principle of buoyancy.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strömungsenergieanlage, insbesondere Windkraftanlage, mit einem Mast und einem, um eine erste vertikale Achse (A1) rotierenden, Rotor (3). Erfindungsgemäß ist in definiertem Abstand zum Rotor (3) wenigstens ein sich vertikal erstreckendes Diffusorelement (3, 4) angeordnet, das um eine zweite vertikale Achse (A2) schwenkbar gelagert ist, wobei die erste vertikale Achse (A1) des Rotors (3) von der zweiten vertikalen Achse (A2) des Diffusorelementes beabstandet ist.

Description

Beschreibung
Strömungsenergieanlage, insbesondere Windkraftanlage
Die Erfindung betrifft eine Strömungsenergieanlage, insbesondere Windkraftanlage, wobei an einem Mast ein um eine vertikale Achse rotierender Rotor mit Rotorblättern angeordnet ist und die durch die Windströmung erzeugte Rotation des Rotors in elektrische Energie umgewandelt wird.
In DE 85 33 964 U1 wird ein horizontal wirkender Windflügelmotor beschrieben, der einen Windtrichter aufweist, der die Windflügel teilweise umschließt und über eine Windfahne in die erforderliche Windrichtung bringbar ist. Der Windtrichter ist im Querschnitt in einem Viertelkreis ausgebildet. Einen vertikalen Windrotor mit einer an einem Arm ausgebildeten Luftansaugfläche beschreibt DE 198 56 914 A1 und einen Anlage mit einem geraden plattenförmigen Windteilungsblech wird in , DE 86 31 273.1 vorgestellt. Alle drei vorgenannten Lösungen sind strömungstechnisch nachteilig ausgebildet.
Nach DE 299 20 899 U1 ist eine Windkraftanlage mit Vertikalrotor und Frontalanströmung bekannt, mit welcher durch eine spezielle Einleitflächenkonstruktion eine Eintrichterung bzw. ein Sog erzielt werden soll, womit höhere Durchströmgeschwindigkeiten erzielbar sind. Durch eine spezielle Konstruktion von zwei Einleitflächen (Diffusorflächen) soll eine Ausrichtung entsprechend der Anströmungsrichtung des Windes erzielt werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die erwünschte Nachführung nicht immer zu verzeichnen war.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Windkraftanlage mit Vertikalrotor zu schaffen, bei welcher die Energie, insbesondere die Bewegungsenergie des strömenden Mediums mit einem hohen Wirkungsgrad in andere Energieformen überführt werden kann, und die eine zuverlässige Nachführung der Anlage entsprechend der Anströmrichtung des Windes gewährleistet. Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Windkraftanlage weist einen Mast und einen um eine erste vertikale Achse rotierenden Rotor auf, wobei erfindungsgemäß in definiertem Abstand zum Rotor ein Diffusorelement angeordnet ist, das um eine zweite vertikale Achse gelagert wird. Die erste und die zweite vertikale Achse sind dabei voneinander beabstandet. Ausgehend von der Anströmrichtung des Windes befindet sich die erste vertikale Achse des Rotors hinter der zweiten vertikalen Achse des Diffusorelements. Der Rotor ist dabei, z.B. bei Änderung der Windrichtung, gemeinsam mit dem Diffusorelement um die zweite vertikale Achse schwenkbar. Das Diffusorelement ist in seiner zweiten vertikalen Achse schwenkbar am Mast gelagert und über wenigstens ein sich im wesentlichen horizontal erstreckendes Verbindungselement ist wiederum der Rotor mit dem Diffusorelement verbunden. Das Verbindungselement ist bevorzugt als Grund- und Deckplatte ausgebildet, zwischen denen der Rotor um seine erste vertikale Achse drehbar gelagert ist. Vorzugsweise werden beidseitig zum Rotor zwei sich vertikal erstreckende Diffusorelemente verwendet, zwischen denen sich Grund- und Deckplatte erstrecken. Durch die in Windrichtung weisenden vertikalen Kanten der Diffusorelemente wird eine Einströmöffnung und durch die dazu entgegengesetzten vertikalen Kanten der Diffusorelemente eine Ausströmöffnung gebildet, die unten und oben durch die Grund- und Deckplatte begrenzt wird.
Der Höhe des Rotors entsprechend erstrecken sich ein- oder beidseitig zu diesem Diffusorelemente. Bei Verwendung von zwei Diffusorelementen wird durch diese in Anströmrichtung des Windes vor dem Rotor eine Einstromöffnung und hinter dem Rotor eine Ausströmöffnung gebildet. In Anströmrichtung des Windes verjüngt sich dabei die Einströmöffnung auf eine Breite, die ca. 50% des Durchmessers des Rotors entspricht. Die Ausströmöffnung verbreitert sich demgegenüber nach dem Rotor auf ca. das doppelte des Durchmessers des Rotors. Eine in Strömungsrichtung vertikal verlaufende erste Fläche des ersten Diffusorelementes ist dabei in Richtung zum Rotor zuerst konkav und dann konvex gekrümmt. Von der in Windrichtung weisenden Kante des ersten Diffusorelements in Richtung zu dessen Kante im Bereich des Windaustritts führt eine langgestreckte konvexe Krümmung bis über den Durchmesser des Rotors hinaus, an die sich eine konkave Krümmung anschließt. In Richtung zum Rotor weist das erste Diffusorelement eine Krümmung auf, die dem Durchmesserverlauf des Rotors folgt. Das zweite Diffusorelement ist ebenfalls vertikal verlaufend an der dem ersten Diffusorelement gegenüberliegenden Seite des Rotors angeordnet. Die Diffusorelemente sind auf einer Grundplatte befestigt, auf welcher ebenfalls der Rotor drehbar gelagert ist. Die Grundplatte ist auf einem Mast schwenkbar gelagert. Da die Diffusorelemente mit der Grundplatte verbunden sind und der Rotor zwischen Grund- und Deckplatte angeordnet ist, vollführen diese gemeinsam die Schwenkbewegung um die vertikale zweite Achse. Die Achsen der Grundplatte und des Rotors sind dabei voneinander beabstandet. Dadurch wird eine bessere Nachführung der Anlage in Abhängigkeit von der Windrichtung gewährleistet.
Anstelle der Verwendung von zwei Diffusόrelementen ist es auch möglich, nur ein Diffusorelement zu verwenden. Dessen Schwenkachse kann auf der Rotorachse liegen oder von dieser beabstandet sein. Bevorzugt ist das eine Diffusorelement radial nach außen so gewölbt, dass es dem Verlauf eines, die nach außen weisenden Enden der Rotorblätter umspannenden, Hüllkreises angepasst ist. Der innere Krümmungsradius des Diffusorelements wird dabei entsprechend des gewünschten Abstandes von den Rotorblättern gewählt.
Die Länge des Diffusorelements sollte in etwa dem Abstand der nach außen weisenden Kanten zweier Rotorblätter entsprechen.
Die Schwenkbewegung das Diffusorelements kann dabei z.B. in Abhängigkeit von einer, durch den Wind drehbaren, Windfahne gesteuert werden. Es ist jedoch auch möglich, daß sich das Diffusorelement bei einer zur Rotorachse beabstandeten Schwenkachse selbst entsprechend der Windrichtung nachstellt. Die Höhe des Diffusorelements sollte in etwa der Höhe des Rotors entsprechen.
Durch die Anordnung von ein oder zwei des Diffusorelementen in relativ geringem Abstand von den Rotorblättern und die trichterförmige Erweiterung in und entgegen der Windrichtung, über die Diffusorelemente tangential angeströmt wird, ist eine überraschend starke Sogwirkung und ein Unterdruck in Abströmrichtung des Windes zu verzeichnen, die eine große Steigerung der Durchströmgeschwindigkeit und damit der Drehzahl des Rotors zur Folge hat. Dadurch kann die Leistung der Windkraftanlage um ca. 25% gesteigert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1: Vorderansicht der Windkraftanlage,
Fig. 2: Schnitt A-A gem. Fig. 1,
Fig. 3: Einzeldarstellung des Rotors,
Fig. 4: Draufsicht gem. Fig. 3,
Fig. 5: Draufsicht der Grundplatte,
Fig. 6: Schnittdarstellung des ersten Diffusorelementes,
Fig. 7: Schnittdarstellung des zweiten Diffusorelementes,
Fig. 8: Prinzipdarstellung der Lagerung von Grundplatte und Rotor,
Fig. 9: Prinzipdarstellung der Aufhängung eines Rotors mittels zweier
Querstäbe in Draufsicht,
Fig. 10 Schnitt C-C gem. Fig. 9
Hg. 11 Prinzipdarstellung der Verwendung von nur einem Diffusorelement in der Draufsicht.
Die Windkraftanlage besteht gem. Fig. 1 im wesentlichen aus einem Mast 1, an welchem die Grundplatte 2 drehbar gelagert ist. Beidseitig zum Rotor 3 sind ein erstes 4 und ein zweites 5 Diffusorelement vertikal auf der Grundplatte 2 sitzend angeordnet. Nach oben schließt die Windkraftanlage mittels einer Deckplatte 6 ab. Der Rotor 3 wird durch das erste Diffusorelement 4 zu 50 % seines Durchmessers verdeckt, so dass der Rotor auf 50 % seiner Breite angeströmt wird. In Fig. 2 ist der Schnitt A-A gemäß Fig. 1 dargestellt. Auf der Grundplatte 2 sitzen das erste 4 und das zweite 5 Diffusorelement. Dazwischen ist der Rotor 3 angeordnet. Das erste Diffusorelement 4 weist in Windrichtung eine Kante 4.1 und das zweite Diffusorelement 5 eine Kante 5.1 auf, welche die Einströmöffnung ES bilden. Die beiden Kanten 4.1, 5.1 überragen den Außendurchmesser des Rotors in Windrichtung. Der Abstand II der beiden Kanten 4.1, 5.1 entspricht in etwa dem Rotordurchmesser D. Das erste Diffusorelement 4 weist in Ausströmrichtung des Windes eine weitere Kante 4.2 auf. In nur geringem Abstand zum Rotor ist eine dritte Kante 4.3 am ersten Diffusorelement 4 vorgesehen, die etwa bis zur Hälfte des Rotordurchmessers reicht. Zwischen der ersten Kante 4.1 und der zweiten Kante 4.2 erstreckt sich eine Diffusorfläche 4a, zwischen der zweiten Kante 4.2 und der dritten Kante 4.3 eine Diffusorfläche 4b und zwischen der ersten Kante 4.1 und der dritten Kante 4.3 eine Diffusorfläche 4c. Die erste Diffusorfläche 4a verläuft von der Kante 4.1 bis über den Rotor hinaus in einem großen Bogen konvex, an den sich eine konkave Krümmung bis zur Kante 4.2 anschließt. Die Diffusorfläche 4b verläuft von der Kante 4.2 zuerst in einen konvexen Bogen, an den sich, dem Verlauf des Rotors folgend eine konkave Krümmung bis zur Kante 4.3 anschließt. Die Diffusorfläche 4c weist von der Kante 4.1 bis zur Kante 4.3 zuerst eine konkave und dann eine konvexe Krümmung auf. Das zweite Diffusorelement 5 weist in Richtung zum Windaustritt eine Kante 5.2 auf und ist in ihrem Querschnitt tragflächenförmig gestaltet. Zwischen der Kante 5.1 und der Kante 5.2 weist das erste Diffusorelement nach außen eine Diffusorfläche 5a und in Richtung zum Rotor eine Diffusorfläche 5b auf. Der Verlauf der Diffusorfläche 5a ist spiegelbildlich zur Fläche 4a gestaltet. Die Fläche 5b verläuft bis zum Rotor 3 in einer konvexen Krümmung, an die sich in etwa in der Mitte des Rotors 3 eine konkave Krümmung anschließt, von der aus die Fläche 5b in konvex gekrümmten Bogen bis zur Kante 5.2 verläuft. Von der Mittellinie des Rotors 3 in Abström richtung weisen die Flächen 4b und 5b spiegelbildlich in etwa den gleichen Verlauf auf. Der die Einströmöffnung ES begrenzende Abstand 12 zwischen der Kante 4.3 und der Fläche 5b beträgt etwa 0,5xD. Der die Ausströmöffnung bildende Abstand 13 der Kanten 4.2 und 5.2 beträgt bevorzugt in etwa 2xD.
Der Rotor in der Vorderansicht ist in Fig. 3 und in der Draufsicht in Fig. 4 dargestellt. Er weist vier fluchtend übereinander angeordnete kreisscheibenförmige Rotorscheiben 3 auf, welche mit einer zentralen, axialen, länglich zylindrischen Achse A miteinander verbunden sind. An den Rotorscheiben 3 sind drei Rotorblätter 4 angeordnet. Die Rotorblätter 3.1 sind im Querschnitt tragflächenförmig gewölbt ausgebildet und erstrecken sich vom Umfang der Rotorscheiben 7 in einer gewölbten oder gebogenen Linie radial nach innen. Eine äußere Längskante der Rotorblätter 3.1 schließt mit dem Umfang der Rotorscheiben 7 ab. Die inneren Längskanten der Rotorblätter 3.1 weisen zur konkaven Fläche des nächsten Rotorblattes 3.1. Zwischen der oberen und der unteren Rotorpiatte 7 erstrecken sich, die anderen beiden Rotorplatten 7 durchdringend, drei vertikal angeordnete Rotorblätter 4. Die Rotorblätter 4 sind dabei in der Art vertikal ausgerichteten Platte ausgebildet.
Die Draufsicht einer Grundplatte 2 ist in Fig. 5 dargestellt. Es ist die Position des Rotors (3) mit den Rotorblättern 3.1 angedeutet. Die erste Achse A1 bildet die Rotationsachse des Rotors (3) zwischen Grund- und Deckplatte 2 und 6, die zweite Achse A2 die Schwenkachse D der Grundplatte 2 am Mast 1 (Fig. 1).
Fig. 6 zeigt den Querschnitt des ersten Diffusorelements 4 und Fig. 7 den Querschnitt des zweiten Diffusorelements 5.
In Fig. 8 ist die Prinzipskizze der Lagerung von Rotor 3 und Grundplatte 2 in Seitenansicht dargestellt. Die Grundplatte 2 wird in der ersten Achse A2 schwenkbar am Mast 1 gelagert. Auf der Grundplatte 2 sind die weiteren Elemente der Windkraftanlage angeordnet. Dabei ist zwischen der Grundplatte 2 und der Deckplatte 6 der Rotor 3 in einer ersten vertikalen Achse A1 drehbar gelagert. Die beiden Achsen A1 und A2 sind im Abstand b zueinander angeordnet. Der Generator G ist bevorzugt im Mast 1 angeordnet. Die Übertragung der Drehbewegung des Rotors 3 auf den Rotor (Läufer) des Generators G erfolgt z.B. über Zahnriemen Z, der in einem Gehäuse 10 angeordnet ist. Auf den nach oben offenen Gehäuse sitzt die Grundplatte 2. Die schwenkbare Lagerung um die zweite vertikale Achse A2 erfolgt somit auch über das Gehäuse 10
Die Prinzipdarstellung der Aufhängung eines Rotors 3 zwischen zwei Diffusor- elementen 4, 5 mittels zweier Verbindungselemente in Form von Querstäbe 2a, 6a anstelle der Grundplatte 2 und Deckplatte 6 (Fig. 1) zeigt Fig. 9 in der Draufsicht und Fig. 10 im Schnitt C-C gem. Fig. 9. Zur Stabilisierung der Verbindung zwischen den Diffusorelementen 4, 5 sind parallel zu den Querstäben 2a und 6a zwei weitere Querstäbe 2a' und 6a' vorgesehen. Im Bereich des unteren Querstabes 2a' erfolgt dabei die schwenkbare Lagerung der Diffusorelemente 4, 5 in der zweiten vertikalen Achse A2 mit dem daran aufgehangenem Rotor 3.
Eine weitere Variante unter Verwendung von nur einem Diffusorelement 4 in der Draufsicht ist in Fig. 1 dargestellt, wobei hier der Abstand zwischen Rotor 3 und Verschlussklappe 8 vor und nach dem Rotor ebenfalls trichterförmig erweitert ist. Das Diffusorelement 4 ist unten und oben mit einer horizontalen Grundplatte 2 und Deckplatte 6 versehen, zwischen denen der Rotor 3 in der Achse A1 gelagert ist. Die Lagerung des Diffusorelements 4 erfolgt in der zweiten vertikalen Achse A2 am hier nicht dargestellten Mast.
Mit der Erfindung wird eine zuverlässige Nachführung der Diffusorelemente und somit der Einströmöffnung entsprechend der Windrichtung gewährleistet. Der gesamte am Mast befestigte Aufbau aus Diffusorelement und daran drehbar aufgehangenem Rotor dreht sich durch seine konstruktive Gstaltung wie eine Windfahne entsprechend der Windrichtung. Die konstruktive Gestaltung der Diffusorelemente verstärkt das Unterdruckgebiet und die Sogwirkung hinter dem Rotor wodurch die Schnelllaufzahl des Rotors wesentlich erhöht wird. Das Flugzeugtragflächenprofil wirkt ebenfalls durch dessen Auftriebsprinzip verbessernd auf die Laufleistung des Rotors.

Claims

Patentansprüche
1. Strömungsenergieanlage, insbesondere Windkraftanlage, mit einem Mast und einem, um eine erste vertikale Achse (A1) rotierenden, Rotor (3), dadurch gekennzeichnet, dass in definierten Abstand zum Rotor (3) wenigstens ein sich vertikal erstreckendes Diffusorelement (3, 4) angeordnet ist, das um eine zweite vertikale Achse (A2) schwenkbar gelagert ist, wobei die erste vertikale Achse (A1 ) des Rotors (3) von der zweiten vertikalen Achse (A2) des Diffusorelementes beabstandet ist.
2. Strömungsenergieanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von der Anströmrichtung des Windes (W) die erste vertikale Achse (A1 ) des Rotors (3) im Abstand (b) hinter der zweite vertikalen Achse (A2) des Diffusorelementes liegt.
3. Strömungsenergieanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) um die zweite vertikale Achse (A2) gemeinsam mit dem Diffusorelement (4, 5) schwenkbar ist.
4. Strömungsenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Diffusorelement (2) in seiner zweiten vertikalen Achse (A2) am Mast (1) schwenkbar gelagert ist.
5. Strömungsenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) mit dem Diffusorelement (4, 5) verbunden ist.
6. Strömungsenergieanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) mit dem Diffusorelement (4, 5) über mindestens ein, sich horizontal an das Diffusorelement anschließendes Verbindungselement verbunden ist.
7. Strömungsenergieanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement als Grundplatte und/oder Deckplatte oben unten und/oder oben an das Diffusorelement anschließt.
8. Strömungsenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass beidseitig zum Rotor (3) zwei sich vertikal erstreckende Diffusorelemente (4, 5) angeordnet sind, die um eine gemeinsame vertikale Achse (A2) schwenkbar gelagert werden.
9. Strömungsenergieanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Verbindungselement zur Lagerung des Rotors (3) zwischen den beiden Diffusorelementen (4, 5) erstreckt.
10. Strömungsenergieanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwei als Grundplatte (2) und Deckplatte (6) ausgebildete Verbindungselemente oben und unten zwischen den beiden- Diffusorelementen erstrecken.
11. Strömungsenergieanlage nach einem der Anspruch 1 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) sich vertikal erstreckende Rotorblätter (3.1 ) aufweist und sich das Diffusorelement (4, 5) mindestens über den Abstand zweier vertikaler Außenkanten zweier benachbarter Rotorblätter erstreckt.
12. Strömungsenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die in Anströmrichtung des Windes weisende sich vertikal erstreckende Seite des Diffusorelements so ausgerichtet ist, dass der Wind den sich bildenden Einlass tangential anströmt.
13. Strömungsenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkbewegung des/der Diffusorelemente
(4, 5) in Abhängigkeit von der Windrichtung steuerbar ist.
14. Strömungsenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Diffusorelement/e (4, 5) in Abhängigkeit von der Windrichtung selbsttätig schwenkbar ist/sind.
15. Strömungsenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Diffusorelement/e (4, 5) bereichsweise so gewölbt ist/sind, dass es/sie dem Verlauf eines, die nach außen weisenden Kanten (6) der Rotorblätter (4) umspannenden, Hüllkreises (H) angepasst ist/sind.
16. Strömungsenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Abstand des Diffusorelementes (4, 5) von dem Hüllkreis (H) in Richtung des anströmenden Windes trichterartig vergrößert.
17. Strömungsenergieanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis. 16, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Abstand des Diffusorelementes (4, 5) von dem Hüllkreis (H) entgegen der Richtung des anströmenden Windes vergrößert.
18. Strömungsenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohe des Diffusorelementes (4, 5) der Höhe des Rotors (3) entspricht.
19. Strömungsenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass durch zwei vertikale Diffusorelemente (4, 5) eine Einströmöffnung (Es) und eine Ausströmöffnung (As) gebildet werden.
20. Strömungsenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusorelemente (4, 5) zwischen der Grundplatte (2) und der Deckplatte (6) angeordnet sind.
21. Strömungsenergieanlage nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (2) um die zweite Achse (A2) schwenkbar am Mast (1) gelagert ist und zwischen Grundplatte (3) und Deckplatte (6) der Rotor (3) um die erste Achse (A1 ) drehbar angeordnet ist.
22. Strömungsenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusorelemente (4, 5) in Anström richtung des Windes (W) vertikale Kanten 4.1 , 5.1 , welche eine Einströmöffnung (ES) bilden und in Abströmrichtung vertikale Kanten 4.2, 5.2, welche eine Ausströmöffnung (AS) bilden, aufweisen, die sich jeweils bis vor und hinter den Rotor (3) erstrecken.
23. Strömungsenergieanlage nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass Einströmöffnung (ES) und die Ausströmöffnung (AS) unten durch die
Grundplatte (2) und oben durch die Deckplatte (6) begrenzt werden.
24. Strömungsenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass sich, ausgehend von der Anströmrichtung des Windes (W), der Abstand zwischen den aufeinander zuweisenden vertikalen Flächen der Diffusorelemente (4, 5) von ihren Kanten (4.1 , 5.1) in Richtung zum Rotor (3) trichterförmig verjüngt, anschließend dem Verlauf/Durchmesser des Rotors (3) angepasst ist und sich nach dem Rotor (3) trichterartig bis zu den Kanten (4.2, 5.2) vergrößert.
25. Strömungsenergieanlage nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, der sich der Abstand der Diffusorelemente (4, 5) von einem Abstand (11 ) der Kanten (4.1 , 5.1 ) vor dem Rotor (3) auf einen Abstand (12) von 0,3 bis 0,7 x Durchmesser (D) des Rotors (3) verjüngt.
26. Strömungsenergieanlage nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Abstand der Diffusorelemente (4, 5) hinter dem Rotor (3) auf einen Abstand (13) der Kanten (4,2, 5.2) von 1 ,5 bis 3 x
Durchmesser (D) des Rotors (3) erweitert.
27. Strömungsenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die nach außen weisenden vertikalen Flächen (4a, 5a) der Diffusorelemente (4, 5) spiegelbildlich zueinander sind.
28. Strömungsenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Kante (4.1) zum Rotor (3) verlaufende
Fläche (4c) des Diffusorelementes (4) eine konkav-konvexe Krümmung aufweist.
29. Strömungsenergieanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) vertikal verlaufende Rotorblätter (3.1 ) aufweist, deren Form im Querschnitt einem Tragflächenprofil nachgebildet ist.
30. Strömungsenergieanlage nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die konvexe Krümmung eines Rotorblattes (3.1 ) in Drehrichtung weist.
31. Strömungsenergieanlage nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass der sich im Querschnitt verjüngende Bereich eines
Rotorblattes (3.1) in Richtung zur konkav gekrümmten Fläche des sich anschließenden Rotorblattes (3.1) weist.
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