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Dokumentenidentifikation DE19506946C1 15.05.1996
Titel Kombinierte Windkraft-Ventilator-Einheit
Anmelder Heubuch, Josef, 87490 Haldenwang, DE
DE-Anmeldedatum 28.02.1995
DE-Aktenzeichen 19506946
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 15.05.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.05.1996
IPC-Hauptklasse F03D 9/00
IPC-Nebenklasse H02K 17/00   G05B 13/02   A01F 25/08   F04D 25/12   
Zusammenfassung Die für die Nutzung der windstauenden bzw. windleitenden Wirkung von Gebäudefronten und Dächern zur Verbesserung des Energiegewinnes von Windkraftanlagen notwendigen baulichen Änderungen mit ihren finanziellen, baurechtlichen und ästhetischen Problemen lassen sich vermeiden, indem man Lüftungsanlagen, die für andere Zwecke bereits in Außenwände eingebaut sind, zusätzlich für den elektrischen Kraftwerksbetrieb ausrüstet.
So kann man mit einer großen Anzahl kleiner Anlagen einen nennenswerten Beitrag zu einer dezentralen elektrischen Energieversorgung aus regenerativer Quelle leisten.
Dazu muß sich der Ventilator in der windzugewandten Außenseite des Gebäudes befinden. Abströmseitig ist alternativ ein strömungsgünstiger Windkanal zur windabgewandten Gebäudeseite mittels handbedienter oder motorisch betriebener Klappe zu eröffnen, die auch zur Sturmsicherung verwendet werden kann.
Bei Axialventilatoren wird für das Zusammenwirken mit der elektrischen Maschine die Beschaufelung nach der Tragflügeltheorie im Hinblick auf Leistungsbeiwert und Schnellaufzahl auf maximalen Energiegewinn zu optimieren sein.
Z. B. kann ein polumschaltbarer asynchroner Kurzschlußläufermotor bei Wahl einer höheren Polzahl am Netz übersynchron als Generator gefahren werden. Die Polzahlwahl erfolgt von Hand oder automatisch über eine Fuzzy-Logik.
Eine programmgesteuerte elektronische Betriebsführung, die sowohl zur Optimierung des Lüftungsbetriebes als auch des Kraftwerksbetriebes dient, ...

Beschreibung[de]

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.


Anspruch[de]
  1. 1. Kombinierte Windkraft-Ventilator-Einheit, dadurch gekennzeichnet, daß in oder an den der Hauptwindrichtung zugewandten Außenseiten bzw. Außenmauern von Gebäuden sich befindende Axialventilatoren mit den elektrischen Antriebsmaschinen als komplette Einheit, zusätzlich zu ihrem eigentlichen oder ursprünglichen Verwendungszweck, auch zur Gewinnung elektrischer Energie aus der natürlichen Windenergie genutzt werden, indem eine nach der Tragflügeltheorie auch für den Windkraftwerksbetrieb optimierte Ventilatorbeschaufelung und eine für den Generatorbetrieb am Netz oder im Inselbetrieb geeignete elektrische Antriebsmaschine für den Ventilator gewählt wird und alternativ zum eigentlichen Ventilationskanal für den Kraftwerksbetrieb (Generatorbetrieb) ein strömungsgünstiger Windkanal zur windabgewandten Gebäudefront eröffnet wird.
  2. 2. Kombinierte Windkraft-Ventilator-Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Zweitnutzung von landwirtschaftlichen Heubelüftungsanlagen für den Generatorbetrieb alternativ zu den in den Heustock führenden Windkanälen mittels handbedienten oder motorisch betriebenen um eine senkrecht zur Strömungsrichtung liegende Achse drehbaren(r) Klappe(n) mit Arretierung ein Windkanal zur windabgewandten Gebäudeseite zu eröffnen ist, wobei dieselbe(n) Klappe(n) zur Sturmsicherung verwendet werden kann (können), indem mit ihr (ihnen) dieser Windkanal blockiert wird.
  3. 3. Kombinierte Windkraft-Ventilator-Einheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer asynchronen Kurzschlußläufermaschine (Außen- oder Innenläufermaschine) als elektrischem Ventilatorantrieb diese mit einer polumschaltbaren Ständerdrehstromwicklung (Dahlander- oder PAM-Schaltung) ausgerüstet wird, wobei dabei die niedrigeren Polzahlen der Anpassung des Ventilators an die Anlagenkennlinie (z. B. Heubelüftung) dienen und die höheren Polzahlen im Kraftwerksbetrieb einen übersynchronen Generatorbetrieb am Netz ermöglichen und die Polumschaltung wahlweise von Hand oder durch eine programmgesteuerte elektronische Betriebsführung erfolgt, die mittels Algorithmen der Fuzzy-Logik entsprechend der Anlagenkennlinie im Ventilatorbetrieb bzw. entsprechend der Windgeschwindigkeit im Kraftwerksbetrieb unter Berücksichtigung der Kennwerte der Ventilatorbeschaufelung die jeweils im Hinblick auf Energieverbrauch bzw. Energiegewinn optimale Polzahl wählt.
  4. 4. Kombinierte Windkraft-Ventilator-Einheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine im Motorbetrieb wahlweise als Anlaufhilfe bei als Windkraftmaschinen genutzten Axialventilatoren dient.
  5. 5. Kombinierte Windkraft-Ventilator-Einheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein asynchroner Kurzschlußläufer als Ventilatormotor im netzgetrennten Zustand als Tachogenerator genutzt wird, indem er mit Gleichstrom durch die Ständerwicklung bis zum Stillstand abgebremst einen definierten Läufer-Restmagnetismus erhält.






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