Die Erfindung bezieht sich auf Windkraftmaschinen zur
Gewinnung elektrischer Energie aus natürlicher Windenergie.
In mehreren Druckschriften wurde bereits der Gedanke
geäußert, die windstauende bzw. windleitende Wirkung
von Gebäudefronten und Dächern zur Verbesserung
des Energiegewinnes von Windkraftanlagen zu nutzen
(z. B. DE 38 44 376 A1, 31 24 892, 30 06 612, 30 49 624).
Alle vorgeschlagenen Varianten (Rotor senkrecht oder
parallel zur Windrichtung, Nutzung verschiedener Windrichtungen,
etc.) benötigen mehr oder weniger umfangreichen
baulichen Aufwand, sie beeinträchtigen
u. U. die Gebäudenutzung und sind vom ästhetischen
und baurechtlichen Standpunkt her gesehen problematisch.
Das ungünstige Verhältnis von notwendigem Aufwand (Baukosten
und technische Ausrüstung) und zu erwartendem Energiegewinn
erschwert eine Realisierung derartiger Vorschläge überhaupt.
Beispielsweise würde aber nur eine große Anzahl dieser
relativ kleinen Windkraftanlagen einen nennenswerten Beitrag
zu einer dezentralen elektrischen Energieversorgung aus
regenerierbaren Quellen leisten.
In Außenwänden von Gebäuden sind zuweilen Ventilatoren
eingebaut.
Speziell bei landwirtschaftlichen Wirtschaftsgebäuden
in windexponierten Lagen findet sich häufig eine Ausrichtung
der Längsseite des Grundrisses lotrecht zur Hauptwindrichtung
(hierzulande z. B. meist Westen).
Darüber hinaus sind derartige Wirtschaftsgebäude häufig
mit sogenannten Heubelüftungsanlagen (vgl. DE 38 17 962 A1) ausgestattet, wobei
sich der Heulüfter oder Ventilator in oder an der
windzugewandten Außenseite befinden kann, ohne daß
seine primäre Funktion (Heubelüftung o. ä.) beeinträchtigt
wird.
Die Erfindung bezieht sich nun darauf, daß
der Ventilator (Rotor-Drehachse parallel zur Hauptwindrichtung)
mit der elektrischen Antriebsmaschine
als komplette Einheit zusätzlich zu ihrem eigentlichen
oder ursprünglichen Verwendungszweck auch zur
Gewinnung elektrischer Energie aus der natürlichen
Windenergie genutzt wird.
Dazu muß sich der Ventilator in oder an der windzugewandten
Außenseite bzw. Außenmauer des Gebäudes befinden.
Abströmseitig ist dazu bei Generatorbetrieb alternativ
zu den in den Heustock o. ä. führenden Windkanälen
ein strömungsgünstiger Windkanal zur windabgewandten
Gebäudeseite mittels handbedienter oder motorisch betriebener
Klappe(n) zu eröffnen. Dieselbe(n) Klappe(n)
kann (können) zur Sturmsicherung verwendet werden, indem
mit ihr (ihnen) der Windkanal blockiert wird.
Die windstauende bzw. windleitende Wirkung der Gebäudefront
bewirkt eine Druckdifferenz zwischen windzugewandter
und windabgewandter Gebäudefront und somit
eine Vergrößerung des Energiegewinnes.
Der Einbau von Ventilatoren bzw. Heulüftern ist bei
den genannten Gebäuden ohnehin z. B. für die landwirtschaftliche
Nutzung notwendig und deswegen in der Regel
baurechtlich völlig unproblematisch und ästhetisch ohne
nachteilige Wirkung, weil die betreffenden Außenseiten
keine besondere Gliederung aufweisen, die eventuell gestört
werden könnte.
Bei Neuanlagen sind anteilig nur geringe zusätzliche
Investitionen nötig; auch sind Nachrüstungen bestehender
Anlagen finanziell und technisch unproblematisch, so
daß die Realisierung einer Vielzahl derartiger
doppeltgenutzter Anlagen möglich wird.
Speziell bei landwirtschaftlichen Heubelüftungsanlagen
ergibt sich die Situation, daß sie nur während einiger
windarmer Sommerwochen zeitweise zur Heubelüftung genutzt
werden. Den Rest des Jahres (windreichere Herbst-, Winter-
und Frühjahrswochen) stehen sie voll für die Energiegewinnung
zur Verfügung.
Bei Axialventilatoren wird, wie bei Auftriebsläufern
konventioneller Windkraftanlagen, die Beschaufelung nach der
Tragflügeltheorie im Hinblick auf Leistungsbeiwert und
Schnellaufzahl z. B. nach G. Schmitz so zu optimieren sein,
daß im Zusammenwirken mit einer für Motorbetrieb
(Ventilator) und Generatorbetrieb (Windkraftmaschine)
ausgelegten elektrischen Maschine ein maximaler Energiegewinn
erzielt wird
(Schmitz G., Theorie und Entwurf von Windrädern optimaler
Leistung, Wiss. Zeitschrift der Universität Rostock,
5. Jahrgang 1955/56).
Wird, wie meist üblich, ein asynchroner Kurzschlußläufermotor
(Innen- oder Außenläufermotor) als elektrischer
Ventilatorantrieb verwendet, so kann mit einer
polumschaltbaren Ständerdrehstromwicklung (Dahlander- oder
PAM-Schaltung) dieser auch bei Wahl einer höheren Polzahl am
Netz übersynchron als Generator gefahren werden, falls der
Ventilator als Windkraftmaschine das entsprechende
Drehmoment liefert.
Da eine sogenannte "Pitchregelung" (Mechanische Schaufel-
oder Blattverstellung) als Anlaufhilfe recht aufwendig ist,
wird der Ventilatormotor wahlweise auch als Anlaufhilfe
verwendet.
Natürlich lassen sich auch andere elektrische Maschinen
hierzu verwenden (Gasch: Windkraftanlagen, S. 240 f).
Mit steigendem leistungselektronischem Aufwand ergeben
sich dann bessere Regelungsmöglichkeiten.
Der Ventilatormotor kann im netzgetrennten Zustand auch als
Tachogenerator benutzt werden. Falls der gewählte Antriebsmotor
keine Gleichstrom- oder Permanenterregung besitzt, wie
beispielsweise der obenerwähnte asynchrone Kurzschlußläufer,
kann durch einen definierten Gleichstrom durch die
vom Netz getrennte Drehstromwicklung der Motor bis zum
Stillstand abgebremst und ein definierter Remanenzmagnetismus
im Stillstand erzeugt werden, so daß die Maschine
im Leerlauf auch als Tachogenerator der Betriebsführung
dienen kann.
Falls eine Betriebsführung mittels programmgesteuerter
Elektronik vorgesehen ist, kann mit ihr nicht nur der Gewinn
elektrischer Energie in der Betriebsart "Windkraftanlage"
maximiert werden, sondern auch der Verbrauch
elektrischer Energie in der Betriebsart "Ventilator"
minimiert werden.
Bei Heubelüftungsanlagen können hierbei Größen wie
Lufttemperatur, relative Luftfeuchtigkeit und
Temperatur, Verdichtung und Feuchtigkeitsgehalt des zu
belüftenden Heustockes für die Berechnung eines optimalen
und damit energiesparenden Belüftungsprogrammes dienen.
Überdies ist eine genaue und fortlaufende Erfassung der
Heustocktemperatur mittels mehrerer mit Sonden an den
kritischen Stellen des Heustockes plazierter Temperatursensoren
der beste Brandschutz. Die Betriebsführung könnte
hierbei zur Ausgabe geeigneter Warnmeldungen dienen.