AT522627A1 - Einrichtung zum Stellen und Regeln von Vertikalachs-Windturbinen mit planetenförmig umlaufenden Blättern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Energieerzeugung mittels Wind insbesondere durch Vertikalachs-Windturbinen mit planetenartig umlaufenden Blättern und ermöglicht auch bei stärkeren Stürmen einen Weiterbetrieb solcher Anlagen. Durch geeignet geformte Ablenk- bzw. Widerstandskörper wird eine Stellholmverschwenkung eingeleitet, welche eine entsprechende Blattverstellung bewirkt, die ihrerseits drehzahlbegrenzend wirkt und ein "Durchgehen" und damit eine Zerstörung der Turbine verhindert.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Energieerzeugung mittels Wind und betrifft im besonderen Vertikalachs-Windturbinen (VAWT's), welche planetenförmig umlaufende Blätter aufweisen, insbesondere Windturbinen gemäß Veröffentlichung AT 515476 Al 2015-09-15 mit schrägen Blattachsen.

Die Erfindung soll durch selbsttätige Verstellung der Einrichtung aus der genauen Windrichtung erreichen, dass bei stärkeren Windstärken, um ein Überdrehen zu vermeiden, die Blätter (insbesondere das gegen den Wind laufende Blatt) teilweise so gegen den Wind angestellt werden, dass dadurch ein Bremseffekt erzeugt wird, gleichzeitig aber weiterhin Energie geerntet werden kann,

Die Erfindung eignet sich im besonderen für eine Windturbine nach AT 515476 A1 2015-09-15 da diese durch die extrem schräge Blattachsanordnung (knapp unterhalb von einem Kegelwinkel von 90°) bei wesentlich kleinerem >aus dem Wind stellen< vor allem in der >gegen den Wind< Phase viel früher (und auf einem längeren Umlaufwinkel) die „Kehrseite“ des jeweiligen Blattes dem Wind zudreht (womit ein Gegendrehmoment erzeugt wird) und damit sensibler reagiert, als wenn (wie in der Grafik Fig. 2u. 3) parallele Blattachsen vorhanden wären.

Dadurch ist eine Begrenzung der Drehzahlen gegeben und die Turbine kann bei hohen Windgeschwindigkeiten nicht „durchgehen“ (Überdrehen) und muß deshalb auch nicht

abgeschaltet werden.

Um die Turbine möglichst genau in der Windrichtung zu betreiben, kann die eigentliche Stellfahne keilförmig oder auch mit zweifach schräg angeordneten Blättern ausgerüstet werden. Durch diese Schrägstellung wird ein stärkerer Gesamtwiderstand der Windfahne erreicht und damit eine genauere Ausrichtung in Windrichtung.

Es sind bereits historische Windräder bekannt, die auch mittels Stelleinrichtung bzw. Stellfahne in den Wind gedreht werden. Auch solche hatten oder haben häufig Stellfahnen, welche entweder von Hand aus, oder automatisch ab gewissen Windstärken verschwenkt werden. In den meisten Fällen haben diese jedoch die Aufgabe die gesamte Turbine (mitsamt der meist schweren Kanzel) so zu verdrehen, dass diese dann meist quer zum Wind steht, womit dann keinerlei Energie mehr geerntet werden kann. Dabei handelt es sich vor allem um Horizontalachs- Windturbinen (HAWT's). Bei erfindungsgegenständlicher Stelleinrichtung muss dieselbe (für die explizit angeführte Turbinenart) lediglich eine Blattwinkelkorrektur vornehmen und kann dadurch infolge geringeren Kraftaufwandes wesentlich genauer (auch ohne Servoeinrichtung) eine Windausrichtung vornehmen, sowie je nach Wind-bzw. Orkanstärke eine entsprechende Blattstellung verursachen und dadurch ein „Durchgehen“ und damit eine Selbstzerstörung verhindern.

Die Figuren erklären im wesenlichen den Erfindungsgedanken und zeigen Ausführungsbeispiele. Fig. 1 zeigt den Holm mit der eigentlichen Stelleinrichtung.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht und strichliert am Beispiel einer mit parallelen Achsen dargestellten Turbine, die resultierenden Blattverstellungen.

Die Pfeile unterhalb der Figuren 2u. 3 bedeuten die Windrichtung.

Fig. 3 zeigt im Prinzip dasselbe wie Fig. 2 nur mit einer einfach gestalteten Stellfahne (2a), welche durch einen Widerstandskörper zum Verschwenken gebracht wird (durchgehende Linien) und damit den Holm (1) aus der Windrichtung verschwenkt.

Damit ab einer gewissen Windstärke eine Verstellung aus der Windrichtung erfolgt, ist die eigentliche Windfahne 2 um eine vertikale Achse 5 an einem Holm 1 gelagert, wobei einseitig (6) ein Ablenk-oder Widerstandskörper (4 u.4a) direkt an der Windfahne 2 befestigt ist. Die doppelte Windfahne 2 in Fig. 1 und in Fig. 2 ähnelt einem umgekehrt eingesetzten eckigen Trichter (3d trapezoid) mit einer vorderen Öffnung 7. Diese Form ist aus Stabilitätsgründen vorteilhaft. Um bei normalen Windgeschwindigkeiten die Einrichtung und damit den Holm 1 in Windrichtung zu

halten, ist natürlich Symmetrie nötig. Deshalb ist direkt mit dem Holm 1 verbunden ein weiterer (gespiegelter) Ablenk-oder Widerstandskörper 3 (bzw. 3a) gleicher Verdrängung oder Ablenkung wie 4 (bzw. 4a).

Am vorderen Ende des Holms 1 ist in der vertikalen Achse 8 eine Lagerwelle (9 u.11) angebracht, welche ein Ritzel, ein Kegelrad oder ein Zahnriemenrad (10) aufweist, welches in weiterer Folge eine untersetzte 2:1 Übertragung zu den Blattachsen ermöglicht.

Wie aus den Figuren erkennbar, ist die Windfahne (2 u. 2a) um eine vertikale Achse verschwenkbar, wobei die zunächst zum Holm 1 parallel verlaufende Längsachse X ab einer gewissen Windstärke, angetrieben eben durch den Ablenkkörper 4 (4a) in Richtung Xa (Fig. 1) verschwenkt. Dies allerdings gegen einen federnden Widerstand. Dieser federnde Widerstand kann günstigerweise eine Gasfeder mit hydraulischer Dämpfung (16u.16a) sein. Selbige ist auf ein bestimmtes Losbrechmoment eingestellt (ausgewählt) und die hydraulische Dämpfung sorgt für einen weitgehend schwingungsfreien Betrieb.

Ist nun infolge sehr hoher Windgeschwindigkeiten eine Verstellung der Windfahne 2 (2a) (oder auch Seitenruder, oder Seitenleitwerk) erfolgt, so resultiert daraus eine mehr oder weniger starke Ablenkung des Holmes 1 aus der eigentlichen Windrichtung (Mehrfachpfeile) und damit eine Verdrehung des Ritzels oder Kegelrades, oder Zahnriemenrades 10 um den gleichen Winkel wie die Holmverstellung erfolgt. Ebenfalls in der selben Richtung, jedoch nur um den halben Winkel verstellen sich alle Blattachsen. Dadurch hat z.B. das Blatt 12 (Fig. 2) welches gerade gegen den Wind läuft eine kontraproduktive, bremsende Stellung eingenommen. Wobei das Blatt (14), welches gerade quer zum Wind läuft eine steilere Stellung einnimmt und damit bei begrenzter Drehzahl ein höheres Drehmoment als Ausgleich zur Erhaltung der Energieausbeute ermöglicht. Blatt 13 läuft mit dem Wind als Widerstandsläufer und erzeugt durch seine Schrägstellung ebenfalls ein leicht bremsendes Moment. Das Blatt in Stellung 15 kann dagegen mit weniger Drehmoment die Drehzahl nicht wirklich erhöhen, Es wird möglicherweise empirischen Ermittlungen bedürfen, ob Ablenkkörper oder Widerstandskörper in welcher Größe, bzw. welchem Größenverhältnis und evt. in welcher Schrägstellung ein optimales Ergebnis bringen. Ähnliches trifft auch auf die Rückzugseinrichtung zu. Diese könnte man neben Federn (Gasfedern), Gummibändern etc. auch einem oder mehreren Magneten oder auch mit einem Gewichtszug bewerkstelligen. Oder Mehreres kombinieren. Vorteilhaft ist die Gasfeder aufgrund ihrer hydraulischen Dämpfung, welche über einen Hebel ansetzt, aber auch Magnete können zur Rückstellung, sowie zur Dämpfung eingesetzt werden.

Claims (1)

1. Anspruch 1) Einrichtung zum Stellen und Regeln von Vertikalachs-Windturbinen mit planetenförmig umlaufenden Blättern, dadurch gekennzeichnet, dass die auf einem Holm (1) auf einer senkrechten Achse (5) gelagerte Stellfahne (2, 2a) oder zwei keilförmig zueinander angeordnete Stellfahnen (Fig.1 u. 2) an einer Seite mit einem Ablenk-oder Widerstandskörper (4, 4a) verbunden ist (sind) , der auf der anderen Seite einen solchen als Gegenpart (3) direkt am Holm (1) befestigt hat, sodass dadurch eine Symmetrie im Normalbetrieb gegeben ist.

   Anspuch 2) Einrichtung nach Al, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle zweier keilförmig angeordneten Stellfahnen, diese aus statischen Gründen miteinander durch horizontal verlaufende Platten oder Bleche miteinander verbunden sind. (Gewissermaßen ein 3d Trapezoid bilden).

   Anspruch 3) Einrichtung nach Al u. A2, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkraft für das Losbrechmoment zum Verschwenken und für die Rückstellung von einer Gasfeder (16, 16a) mit hydraulischer Dämfung bewerkstelligt wird.

   Anspruch 4) Einrichtung nach A1 u. A3, dadurch gekennzeichnet, dass das Losbrechmoment von einem Magneten abhängig ist, wobei sowohl ein Magnet eine Rückstellkraft aufbringen kann, sowie auch eine Metall - oder Gummifeder oder ein Gewichtszug dies bewerkstelligen kann.

   Anspruch 5) Einrichtung nach einem der Ansprüche A1 — A4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellkraft von einem Gewichtszug abhängig ist, bzw. mittels diesem aufgebracht wird.