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Dokumentenidentifikation DE19503512C2 09.09.1999
Titel Windenergie-Mastleuchte
Anmelder 2K Kempe & Klaus GmbH, 07381 Moxa, DE
Erfinder Klaus, Jürgen, 07381 Bodelwitz, DE;
Priebe, Thomas, Dr., 01169 Dresden, DE
Vertreter Heyner, K., Dipl.-Ing. Dr.-Ing.habil., Pat.-Anw., 01728 Bannewitz
DE-Anmeldedatum 03.02.1995
DE-Aktenzeichen 19503512
Offenlegungstag 08.08.1996
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 09.09.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.09.1999
IPC-Hauptklasse F03D 9/00
IPC-Nebenklasse F03D 11/04   F21S 9/04   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf die Entwicklung einer Mastleuchte, bei der die Energiebereitstellung unter Ausnutzung der Windkraft erfolgt.

Aus jüngsten Untersuchungen geht hervor, daß Windkraft allein etwa 10 Prozent des Bedarfs an elektrischem Strom decken könnte. Als Bestandteil eines Windmeßprogramms der Umweltministerien von Sachsen und Thüringen wurde eine Vielzahl windträchtiger Flächen und Standorte für Windkraftanlagen ausgewiesen.

Bei der Nutzung der Windkraft sollte es aber nicht allein um Großanlagen mit einer installierten Leistung von mindestens 50 kW gehen, sondern auch um das wirtschaftliche und umweltverträgliche Betreiben einer Vielzahl von Kleinverbraucheranlagen unter 5 kW.

Straßenleuchten und dergleichen sind in vielen Ausführungen bekannt und es ist auch bekannt, solche Leuchten mit Akkumulatoren zu versehen, um eine netzunabhängige Versorgung zu erreichen. Zur täglichen Aufladung der Akkumulatoren werden z. Z. allerdings nur Photovoltaik-Anlagen betrieben.

In DE 35 23 028 A1 wird eine ortsfeste, an einem Mast aufgehängte Leuchte mit eingebautem Akkumulator, mit photovoltaischen Zellen und mit elektronischer Regelung vorgeschlagen, die besonders witterungsbeständig und gegenüber äußeren Einflüssen robust ist. Durch Lufteinlaßöffnungen, vorzugsweise nahe dem Erdboden, und mindestens einer Luftauslaßöffnung wird die Kaminwirkung des Mastes zur Kühlung und Belüftung des Akkumulatorgehäuses ausgenutzt. Durch übereinanderanordnung von Akkumulator und elektronischer Regelung wird die Unterbringung dieser beiden Bauteile im Fuß des Mastes ermöglicht.

Aus DE 39 40 008 ist eine analoge Standleuchte zur Verwendung als Außenbeleuchtung für Gebäude, in Gärten, Parks oder Anlagen bekannt. Auch hier wird die elektrische Energie mittels an der Leuchte plazierter Fotoelemente erzeugt.

Gegenstand von DE 92 15 126 U1 ist eine Solarzellenleuchte, bei der ein flächiger Solarzellenträger als Rotor einer Windkraftmaschine gestaltet ist. Dieser Solarzellenträger ist dabei um eine vertikale Achse drehbar angeordnet.

Für die Stromerzeugung auf photovoltaischer Basis sind im 24-Stunden-Rhythmus größere Tageslichtabschnitte erforderlich.

Darüberhinaus ist die Anordnung der Solarelemente mit einer derart flächenhaften Ausdehnung verbunden, die bei höheren Windlasten kritische Werte annehmen kann.

Windturbinen, die die horizontale Komponente der Windströmung ausnutzen, sind aus dem Stand der Technik in vielfältiger Ausführung bekannt.

Speziell angepaßte und effektiv mit gutem Wirkungsgrad arbeitende Kleinstturbinen sind nur in DE 28 14 247 A1 und DE 40 34 968 A1 beschrieben.

Die Windkraftmaschine nach DE 28 14 247 A1 ist gekennzeichnet durch ein im Betrieb rotierendes, rotationssymmetrisch ausgebildetes Luftleitgehäuse mit zentraler Welle, an dem parallel oder geneigt zur Welle, in symmetrischer Anordnung, mindestens zwei mechanisch angetriebene Flettner- Rotoren angeordnet sind, denen je eine im Luftleitgehäuse angebrachte und parallel zur jeweiligen Rotorachse verlaufende Luftzufuhröffnung zugeordnet ist.

Gegenstand der DE 40 34 968 A1 ist eine Windturbine, die schraubenförmig gewunden ist; der Wind strömt in die zopfförmig gewundenen Düsen und dreht die Windturbine.

In DE 39 11 916 A1 wird im Zusammenhang mit der Stromversorgung von Verkehrszeichen ein Windgenerator betrieben. Dieser über einen Laderegler auf eine Pufferbatterie arbeitende Windgenerator ist in Verlängerung des Verkehrszeichen-Mastes oberhalb eines zusätzlich vorhandenen Solargenerators angeordnet und besitzt eine zum Mast parallele Rotorachse.

Aus CH-PS 97 954 ist ein elektrisches Stromerzeugungsaggregat bekannt, bei dem eine mit der Luftturbine fest gekoppelte Dynamomaschine zu Beleuchtungszwecken eingesetzt wird. Die Luftturbine besitzt ein freiliegendes Flügelrad.

Windturbinen zur Nutzung der vertikalen Komponente der Windströmung sind aus der Technik zur allgemeinen Energieerzeugung bekannt.

So wird beispielsweise in DE 94 11 581 U1 über eine Sogkraftmaschine mit einem Flügelrad und einem von der Radwelle angetriebenen Generator berichtet, bei der ein vertikal ausgerichteter Hohlmantel fußseitig Eintrittsöffnungen aufweist und innerhalb des Hohlmantels ein Flügelrad mit vertikaler Drehachse angeordnet ist.

Auch FR 573 670 beschreibt eine Sogkraftmaschine, bei der eine Luftturbine mit vertikaler Drehachse, umhaust mit einem konischen Schornsteinaufsatz, in einem vertikalen Hohlmantel mit im Bodenbereich liegenden Eintrittsöffnungen angeordnet ist und von kaminartigen Luftsogströmungen angetrieben wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine ortsfeste Mastleuchte mit autonomer Energieerzeugung auf Windkraftbasis zu entwickeln, bei der eine spezielle für den Anwendungszweck angepaßte Windturbine eingesetzt werden soll.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Nach der Erfindung umfaßt die Energiebereitstellung für den Betrieb der Leuchte einen generatorischen Teil auf Windkraftbasis, bei dem die horizontale und/oder vertikale Komponente der Luft- bzw. Windströmung ausgenutzt wird sowie einen im Pufferbetrieb arbeitenden Akkumulator.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, den ohnehin vorhandenen Leuchtenmast als Hohlzylinder oder langgestreckten Hohlkörper auszubilden, wodurch er die Funktion des Kaminschachtes bzw. Windkanals übernimmt.

Im oberen Bereich des Hohlmastes ist dabei eine Windturbine als Innenturbine so eingebaut, daß ein möglichst großer Strömungsquerschnitt des Hohlmastes für den Luftdurchsatz, die Lufteinleitung in den Turbinenrotor zur Verfügung steht.

Die Ein- und Ausleitung der vertikalen Luftströmung in den Hohlmast erfolgt mittels geeigneter Öffnungen im unteren und oberen Bereich des Leuchtenmastes.

Zur Nutzung der horizontalen Luftströmung in der Mastumgebung wird eine zweite Windturbine als Außenturbine am oberen Mastende befestigt. Beide Windturbinen arbeiten auf eine gemeinsame Sammelschiene und sind mit einem Akkumulator gepuffert. Der Akkumulator ist dabei im Innenraum des Hohlmastes außerhalb des für die Innenturbine genutzten Strömungskanals, also unterhalb der unteren Einströmöffnung bzw. oberhalb der oberen Ausströmöffnung, angeordnet. Für beide Windturbinen, die parallel an einer Windenergie- Leuchte betrieben werden können, kommt vorzugsweise ein langgestreckter zylindrischer Rotor mit windsackartigem Aufbau und Innendurchströmung zur Anwendung.

Vorgeschlagen wird dafür eine Windturbine, die von Aufbau und Gestaltung so angelegt ist, daß bereits bei niedriger Windgeschwindigkeit eine Nutzung der Windenergie ermöglicht wird. Durch eine angepaßte Konstruktion wird es möglich, auf ein Getriebe zwischen dem Windturbinenrad und dem Generator zu verzichten. Die konzipierte Windturbine bietet Selbststabilisierung ohne Nachführung, damit immer höchste Windausnutzung (für die Außenturbine). Sie arbeitet bereits bei niedrigen Windgeschwindigkeiten nach den bekannten Kriterien für die Nutzung der Windenergie. Das diagonal durchströmte Windturbinenrad gewährleistet einen höheren Wirkungsgrad als der sonst übliche Propeller; die gesamte Windturbine ist einfach aufgebaut und ermöglicht damit kostengünstige Lösungen.

Innerhalb der Windturbine sind im feststehenden Teil die elektrische Maschine und eventuell notwendige Regeleinrichtungen angeordnet. Die elektrische Maschine ist dabei so positioniert, daß die Rotorachse gleichzeitig die Drehachse des als Windfangkörpers ausgebildeten, um das feststehende Teil rotierenden Teiles, also des Turbinenrades ist.

Das rotierende Teil wird diagonal durchströmt und die eingeströmte Luft verläßt das Turbinenrad über im Mantel des Turbinenrades eingebrachte Austrittsöffnungen. Eine schlanke Bauweise der elektrischen Maschine ist konstruktiv zu bevorzugen, die Polpaarzahl richtet sich nach den möglichen Turbinendrehzahlen und damit nach der konstruktiven Ausbildung der Turbine und ihren Einsatzbedingungen.

Der feststehende Teil der Windturbine ist so ausgebildet, daß er gleichzeitig als am Leuchtenmast, abhängig von der Windrichtung, um dessen vertikale Achse drehbare Befestigung (im Sinne einer windsackartigen Windnachführung) dienen kann.

Die Windturbine arbeitet in der Weise, daß die anströmende Luft mit ihrem gesamten zu nutzenden Querschnitt in die Eintrittsöffnung des Turbinenrades strömt. Dort prallt sie auf Leitschaufeln und setzt diese in Bewegung. Nach Abgabe der Energie entströmt die Luft über seitlich angeordnete Öffnungen im Turbinenradmantel.

Ein sich in Längsausdehnung der Turbine verringernder Querschnitt und eine geeignete, sich stetig verändernde Krümmung der Leitschaufeln der Turbine, abhängig von den inneren Druckverhältnissen und der Strömungsgeschwindigkeit der eingeströmten Luft, sorgen für eine möglichst vollständige Ausnutzung der Windenergie.

Zur Mastverlängerung und damit zur Verlängerung des Windkanals bzw. Erhöhung der Kaminwirkung kann ein Teil des Beleuchtungsmastes ins Erdreich versenkt werden, wodurch auch gleichzeitig eine sichere Mastverankerung gewährleistet ist.

Damit verlagert sich der Lufteintritt in den als Kamin fungierenden Mast um einige Meter ins Erdreich hinein und in Verbindung mit dem gesondert eingebrachten Luftzuführungsschacht kommt es zu einer für den Kaminsog förderlichen Temperaturdifferenz zwischen der Umgebungstemperatur und dem Erdreich.

Diese Temperaturdifferenz und damit der Kaminsog kann durch die Ausführung des Beleuchtungsmastes mit einer Innen- und/oder Außenisolierung noch erhöht bzw. gefördert werden.

Die Anwendungsgebiete für die vorgeschlagenen netzunabhängigen Windenergie-Leuchten sind vielfältig. Sie sind überall dort einsetzbar, wo es sich um windträchtige Lagen bzw. Standorte handelt, wo sich aufgrund der exponierten Lage des zu beleuchtenden Objektes bzw. Areals (Parks, Straße, Anlage, einzelstehende (historische) Bauwerke, Hotels, Gaststätten. Parkplätze, ...) eine Verkabelung und Anschluß an das öffentliche Energienetz nicht lohnt bzw. zu kostenaufwendig ist, wo die mit einer Verkabelung verbundenen Schachtarbeiten unvertretbare Eingriffe in die Flora und Fauna bedeuten würden, wo also aus ökologischen Gründen die Nutzung von Alternativenergien gewünscht wird und in solchen Gegenden, wo die Tagelichtzeitabschnitte so gering sind, daß die Nutzung von Solarenergie ausscheidet.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Windenergie-Leuchte,

Fig. 2 die Prinzipdarstellung der für die Ausnutzung der vertikalen und horizontalen Luftströmung eingesetzten Windturbine,

Fig. 3 eine Ausführungsvariante einer Windenergie-Leuchte mit Verlängerung von Leuchtenmast und damit Windkanal ins Erdreich hinein.

Fig. 1 zeigt den Gesamtaufbau der erfindungsgemäßen Windenergie-Mastleuchte mit Leuchtenmast 1 und Leuchte 8. Der rohrförmige Leuchtenmast 1 fungiert als Kaminschacht bzw. Windkanal. Dazu sind im Leuchtenmast 1 untere Einströmöffnungen 4 und obere Ausströmöffnungen 5 vorhanden. Der durch den Kaminsog erzeugte vertikale Luftstrom wird der unterhalb der oberen Auströmöffnungen 5 angeordneten Innenturbine 2 zugeführt.

Eine zweite Windturbine 6 ist über einen Mastausleger 9 als Außenturbine am oberen Mastende verankert. Sie ist nach dem Windhosenprinzip aufgebaut und abhängig von der Windrichtung der horizontalen Luftströmung um die vertikale Achse des Leuchtenmastes 1 frei drehbar.

Die Generatoren beider Windturbinen 2, 6 sind über eine Sammelschiene gekoppelt und arbeiten im Pufferbetrieb mit einem entsprechend dimensionierten Akkumulator 7.

Der Akkumulator 7 ist im Innenraum 3 des Leuchtenmastes 1 oberhalb der Ausströmöffnungen 5 angeordnet.

Fig. 2 veranschaulicht das Prinzip der für beide Anwendungsfälle (Luftströmung im Leuchtenmast und Windkräfte außerhalb des Leuchtenmastes) eingesetzten Windturbine. Diese Windturbine besteht aus einem feststehenden Teil 10, der über den Mastausleger 9, abhängig von der Windeinfallsrichtung frei drehbar mit dem Leuchtenmast 1 verankert ist.

Der feststehende Teil besitzt einen dreieckförmigen, sich nach außen öffnenden Rahmen 11, an dessen Stirnseite 11.1 die elektrische Maschine 12, also der Generator montiert ist. Durch die Formgebung des Rahmens 11 mit der Montagefläche 11.1 für die elektrische Maschine 12 ist der Generator 12 so ausgerichtet und dabei die Gesamtkonstruktion so beschaffen, daß die Rotorachse 14 gleichzeitig die Drehachse des Turbinenrades 13 ist.

Auf der gemeinsamen Achse 14 befindet sich der Generatorläufer 15. Weitere für den Betrieb des Generators erforderliche elektrische Einrichtungen können innerhalb des dreieckförmigen Rahmens plaziert werden.

Das Turbinenrad, also das rotierende Teil 13 der Windturbinen 2, 6 ist von der äußeren Form her als windsackartiger Windfangkörper ausgebildet. Das rotierende Teil 13 besitzt Leitschaufeln und wird diagonal durchströmt, über Luftaustrittsschlitze 16 im Mantel des Turbinenrades kann die Luft nach Abgabe ihrer Energie wieder die Turbine verlassen.

Fig. 3 demonstriert eine Ausführungsvariante der Windenergie-Leuchte mit verlängertem Mastfuß 1.2 in das Erdreich hinein.

Auf diese Weise kommt es zu einer Verlängerung des von der Innenturbine 2 genutzten Windkanals.

Die über den Kaminsog erfolgende Luftzuführung zur unteren Einströmöffnung 4 in der Mastfußverlängerung 1.2 wird durch einen schräg ins Erdreich eingebrachten Luftschacht 17 sichergestellt.


Anspruch[de]
  1. 1. Windenergie-Mastleuchte in Form einer ortsfesten Mastleuchte mit autonomer Energieerzeugung, dadurch gekennzeichnet, daß der Leuchtenmast (1) als Hohlmast ausgeführt ist und

    eine erste, die vertikale Luftströmung nutzende Windturbine (2) in dem vom Innenraum (3) des Leuchtenmastes mit mindestens einer Einströmöffnung (4) im unteren Bereich des Mastes und mindestens einer Ausströmöffnung (5) im oberen Bereich des Mastes gebildeten Windkanal angeordnet ist und/oder

    eine zweite, die horizontale Luftströmung nutzende Windturbine (6) an der Außenseite des oberen Mastendes befestigt ist und die auf eine Sammelschiene arbeitende(n) Windturbine(n) (2, 6) mit einem Akkumulator (7) gepuffert ist/sind, wobei die Energieversorgung der Leuchte (8) von der Sammelschiene aus erfolgt.
  2. 2. Windenergie-Mastleuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenturbine (6) nach dem Windsackprinzip aufgebaut ist und die diagonal durchströmte Windturbine die folgenden wesentlichen Konstruktionsteile aufweist
    1. 1. ein mit dem Mastausleger (9) verbundenes feststehendes Teil (10), an dessen sich nach außen aufweitendem Rahmen (11) die elektrische Maschine (12) und evtl. notwendige Regeleinrichtungen montiert sind.
    2. 2. ein als Windfangkörper mit Luftaustrittsöffnungen (16) ausgebildetes rotierendes Teil (13), das mit der Achse (14) der elektrischen Maschine (12) und dem auf dieser Achse aufsitzenden Generatorläufer (15) gekoppelt ist, wobei die Achse der elektrischen Maschine gleichzeitig die Drehachse der Turbine ist.
  3. 3. Windenergie-Mastleuchte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenturbine (2) den gleichen Grundaufbau wie die Außenturbine (6) besitzt,
  4. 4. Windenergie-Mastleuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Akkumulator (7) unterhalb der Einströmöffnung(en) (4) und/oder oberhalb der Ausströmöffnung(en) (5) im Leuchtenmast (1) angeordnet ist.
  5. 5. Windenergie-Mastleuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerung des Windkanals durch Mastverlängerung in das Erdreich hinein erfolgt, wobei sich an den oberirdischen Teil des Leuchtenmastes (1.1) ein unterirdischer Teil (1.2) anschließt und die Luftzuführung zu der unter der Erdoberfläche liegenden unteren Masteinströmöffnung (4) über einen gesonderten Luftschacht (17) realisiert ist.
  6. 6. Windenergie-Mastleuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Leuchtenmast mit einer Innen- und/oder Außenisolierung versehen ist.






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