CH660402A5 - Windkraftanlage. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Windkraftanlage gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Windkraftanlagen bestehen aus Windrädern mit mehreren Windflügeln. Diese Windräder laufen schon bei schwachen Winden an und bringen bereits bei mässigen Windstärken nach heutigen Begriffen befriedigende Energieausbeuten. Um eine Beschädigung oder gar Zerstörung dieser Windräder zu vermeiden, müssen sie jedoch bei grösseren Windstärken stillgesetzt werden oder mittels besonderer Vorrichtungen zumindest teilweise aus dem Wind genommen werden. Die Windräder sind auch gegen Windböen empfindlich.

Andere bekannte Windkraftanlagen mit Propellerantrieb laufen schlecht an und nutzen schwache bis mässige Windstärken nicht aus.

Bei mässigen Windstärken müssen grössere Anlagen mit Hilfe eines Zusatzmotores in Gang gebracht werden.

Alle bekannten Windkraftanlagen haben den gemeinsamen Nachteil, dass sie je nach Konstruktion in irgendeiner Weise den Wind nur teilweise nutzen.

Ausserdem haben sie im Hinblick auf den erforderlichen Bauaufwand und die Herstellungskosten eine kleine Windbeaufschlagungsfläche und sind deshalb nicht wirtschaftlich.

In der Praxis setzt sich jeder Wind, welcher in einer von Windkraftanlagen erreichbaren Höhe weht, aus einzelnen Windböen zusammen, was z.B. bei der Betrachtung von reifen Getreidefeldern oder von Tannenwäldern aus entsprechender Perspektive deutlich zu erkennen ist. Meteorologisch spricht man von böigem Wind, wenn er seine Geschwindigkeit in 10 m Höhe um mehr als 8 m pro Sekunde ändert. An böigen Tagen mass man in 10 m Höhe mit ca. 20 Windschwankungen pro Minute rechnen. In der Praxis sind sprunghafte Windstärkenänderungen von 0,1 -12 m/s keine Seltenheit. Solche Schwankungen sind für die bekannten Windräder ziemlich unzuträglich bzw. gefährlich. Auf der anderen Seite würde jedoch eine doppelte Windstärke eine 8-fache Leistung ergeben.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftanlage der eingangs genannten Art so zu gestalten, dass sie die vorher beschriebenen Nachteile der bekannten Anlagen nicht mehr aufweist und vielmehr ohne grossen Bauaufwand in der Lage ist, selbsttätig eine Anpassung an unterschiedliche Windböen vorzunehmen und diese durch Stromerzeugung zu nutzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

In den Zeichnungen ist der Erfindungsgegenstand dargestellt und nachfolgend erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Windkraftanlage in Seitenansicht

Fig. 2 die Windkraftanlage nach Fig. 1 in Vorderansicht

Fig. 3 eine Windkraftanlage gemäss einer zweiten Ausführungsform in Seitenansicht,

Fig. 4 die Windkraftanlage gem. Fig. 3 in Draufsicht,

Fig. 5 die Windkraftanlage nach den Fig. 3 und 4 in Vorderansicht,

Fig. 6 eine dritte Ausführungsform einer Windkraftanlage in Vorderansicht und

Fig. 7 dieWindkraftanlage nach Fig. 6 in Seitenansicht.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Windkraftanlage umfasst einen Windflügel 1, der mit horizontalem Abstand zur vertikalen Drehachse eines Drehkopfes 2 horizontal um eine Schwenkachse 10 schwenkbar so angeordnet ist, dass er sich mit einer Standsäule 3 einer Spannungsvorrichtung und einem Generator 4 dreht, sobald nur ein geringer Wind ein2

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setzt. Der Windflügel dreht sich dabei immer genau quer gegen den Wind auf die Leeseite und nimmt mit seiner grossen Fläche schon bei schwächeren Böen erhebliche Energien auf. Oben ist der Windflügel 1 mit zwei Antriebsseilen 5 über gegebenenfalls verstellbare Befestigungen 5' verbunden, welche bis zu einer Führung 6 getrennt laufen. Nach der Führung 6 laufen die beiden Antriebsseile 5 dicht nebeneinander über die Antriebsscheibe des Generators 4 über eine obere Rolle 7 und eine untere Rolle 7' bis zu einem Gummistrang 8, der seinerseits an einer abgestützten Strebe 9 befestigt ist. Diese Anordnung ermöglicht es, dass sich der Gummistrang 8, z.B. bei Sturmböen über die untere Rolle 7' bis nahe zur oberen Rolle 7 erstrecken kann, so dass die ganze Kraft der Sturmböen aufgefangen wird, wobei der Windflügel 1 in eine ziemlich waagrechte Lage gedrückt wird und somit keinerlei Sturmschäden entstehen können. Bei jeder Windböe streckt sich der Gummistrang 8 durch Wegdrücken des Windflügels der Böenstärke entsprechend bis zum Höhepunkt der Böe und gibt dabei etwa die Hälfte der empfangenen Energie über die Antriebsseile an den Stromerzeuger ab. Ist der Höhepunkt der Böe überschritten, zieht sich der Gummistrang 8 wieder zusammen und gibt dabei die zweite Hälfte der empfangenen Energie an den Stromerzeuger ab, also bei Wind- und Windlücken Energieausgleich in Energieersparnis.

Ein Gummistrang gibt die gespeicherte Kraft ohne Energieverlust wieder frei. Natürlich können zum selben Zweck auch Zugfedern evtl. in Verbindung mit Rollenzügen benützt werden. Es würde eine Übersetzung und schnelleren Lauf des Dynamos zur Folge haben. Natürlich muss die Feder entsprechend stärker sein.

Die Drehrichtung in den Antriebselementen ändert sich allerdings bei jeder Hin- und Herbewegung. Dies schadet aber nicht, weil ein Dynamo bei Linksdrehung gleicher-massen funktioniert wie bei Rechtsdrehung. Der Reibungsverlust ist im Vergleich zum Windrad- und Propellerantrieb äusserst gering, weil sich der Windflügel weniger bewegt. Auch der Abnutzungsgrad dürfte durch den Ausgleich der Windkräfte sehr gering sein, höchstens, dass in grösseren Zeitabständen der Gummistrang gewechselt werden muss.

Instandsetzung und Wartung sind wegen der Bodennähe problemlos. Wenn nötig, können die Antriebsseile über ein zusätzliches Übersetzungsgetriebe geleitet werden. Auch ein zusätzlicher Generator, der bei starken Windkräften automatisch zugeschaltet wird, wäre denkbar.

Die in den Fig. 3-5 dargestellte Windkraftanlage weist ebenfalls einen Drehkopf 2 auf, welcher mit einem Standfuss 11 verbunden ist. Eine im Drehkopf 2 gelagerte Standsäule trägt an ihrem oberen Ende eine Montageplatte 12, an der die Schwenkachse 10 des Windflügels 1 gelagert ist. An der Montageplatte 12 sind zwei Windfahnen 14 parallel zueinander mit Abstand befestigt, welche den Windflügel 1 immer quer zur Windrichtung drehen. Statt der Anordnung der Windfahnen 14 könnte die Schwenkachse 10 auch wie beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1-2 mit horizontalem Abstand zur vertikalen Drehachse des Drehkopfes 2 angeordnet sein oder es könnten sowohl die Versetzung der Schwenkachse als auch der Windfahnen vorgesehen sein. Die Windfahnen 14 könnten ebenso auch durch einen Serve-nius-Rotor 30 ersetzt oder unterstützt sein. Der Servenius-Rotor 30 könnte auch für einen zusätzlichen und ausgleichenden Stromgewinn ausgenützt werden. Zwei Schrauben oder Schleifenschenkelfedern 15 sind jeweils mit einem Schenkel 16 auf der Montageplatte 12 befestigt. Der andere Schenkel 17 der Federn 15 steht in Ruhestellung vertikal nach oben. Ein Windflügelrahmen 18 ist beiderseits mittels Manschetten 19 mit den nach oben stehenden Federschenkeln 17 verbunden. Der untere Teil des Windflügels 1 hat einen Ausschnitt 20 für ein Getriebe 22, 23 und die Montageplatte 12 einen Ausschnitt für eine Übersetzungsscheibe 21. Auf der Montageplatte 12 ist als Teil des Getriebes eine halbkreisförmige Schiene 22 angeordnet, auf der ein Zahnantriebsriemen 23 geführt ist, der mitten am Unterteil des Windflügels 1 bei 23a befestigt ist und über zwei Rollen 24, eine kleine Antriebsscheibe 25 und am leeseitigen Viertelkreis der Schiene 22 über kleine Gleitrollen 27 läuft. Die kleine Antriebsscheibe 25 ist mittels einer Welle mit der Übersetzungsscheibe 21 verbunden.

Die Übersetzungsscheibe 21 treibt über einen Riemen einen auf der Montageplatte 12 aufgesetzten Generator 28 an. Die Spannung der Federn 15 sollte möglichst so eingestellt sein, dass bei Windböen der Windflügel 1 mit etwa der halben Windgeschwindigkeit bei mässigen bis kräftigeren Windböen weggedrückt wird, was eine optimale Windausbeute zur Folge hat. Hierbei kann sich der Windflügel 1 von der vertikalen Stellung um 70 Grad zur Erde neigen. Während dem Wegdrücken des Windflügels 1 wird etwa die Hälfte der aufgenommenen Energie an den Generator 28 abgegeben, die restliche Energie wird in den Federn 15 gespeichert. Bei der nachfolgenden Windlücke wird die gespeicherte Energie von den Federn 15 freigegeben, der Windflügel 1 in die ursprüngliche Stellung zurückgedrückt und die gespeicherte Energie über das Getriebe an den Generator 28 abgegeben. Der Windflügel 1 soll mit Segeltuch so bespannt sein, dass es sich leicht bauchen kann, wie etwa Schiffsegel oder Vogelfedern. Bei Schrägstellung des Windflügeis 1 durch Sturmböen verkürzt sich die Windaufschlagfläche selbsttätig und gefahrlos bis um 75%. Der Windstaudruck beträgt bei Windstärken von 2-10 etwa 0,4-50,5 kp/m2. Bei Winden mit viel Bodenwirbel ist eine Windflügelfläche von ca. 10 m2 wirtschaftlich. Bei störungsfreien Winden, die sich mehr in ausgeglichenen Interwallen bewegen, kann die Windflügelfläche bis 100 m2 betragen.Bei konventionellen Windkraftanlagen steht das Windrad quer zur Windrichtung und seine Flügel stehen unter einem schrägen Winkel. Der Wind wird also am Rad durch den Flügel abgelenkt und kann nur einen Teil seiner Energie abgeben, abzüglich Verlust an hohem Lagerdruck und Reibungsverlust.

Beim Erfindungsgegenstand steht der Windflügel im rechten Winkel zur Windrichtung bei Beginn der Windböen und wird bei richtiger Einstellung der Federn erst bei Sturmstärken um 50-70° von der vertikalen Stellung in Schrägstellung gedrückt. Der Windmotor ist nahezu wartungsfrei und leicht zu bedienen, weil die technischen Teile sich in Bodennähe befinden und auf der Montageplatte 12 bequem zu arbeiten ist.

Bei der in den Fig. 6 und 7 dargestellten Windkraftanlage sind gleiche Bauteile mit denselben Bezugsziffern wie in den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen versehen. Der Windflügel 1 ist auf der Montageplatte 12 wie beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 mit seiner Schwenkachse 10 gegenüber der vertikalen Ebene des Drehkopfes 2 seitlich versetzt gelagert. Die Montageplatte 12 ist ausserdem mit Windfahnen 14 versehen. Durch diese beiden Massnahmen wird der Windflügel 1 frontal gegen die Windrichtung gedreht. Eine Zugfeder 34 ist einerseits an der Montageplatte 12 befestigt, andererseits mit einem Zahnriemen 35 verbunden, welcher über eine Leitrolle 37 führt und bei 36 am Windflügel 1 befestigt ist. Die Zugfeder 34 ist so beschaffen, dass bei schwachen Windböen der Windflügel etwa 10 Grad gegen die Leeseite gedrückt wird, bei Höchstwindstärken bis 80 Grad zurückweicht. Weiter kann der Windflügel 1 sich kaum neigen, weil der Winddruck durch die starke Schrägstellung und der damit verbundenen Verkürzung der Aufschlagfläche nachlässt und die Bestreichung der Leeseite durch den Wind eine stärkere Neigung behindert. Die Leit-

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rolle 37 ist mit einer Antriebsscheibe 38 starr verbunden. Die Scheibe 38 treibt über einen Zahnriemen 40 eine kleine Scheibe 39 an, welche ihrerseits mit einer Übersetzungsscheibe 41 starr verbunden ist und dieselbe antreibt. Die Übersetzungsscheibe 41 treibt ihrerseits eine Scheibe 42 mittels eines Zahnriemens 43 an und diese wiederum einen Generator 44. An Stützen 45 der Montageplatte 12 ist jeweils ein elastischer Anschlag 46 für den Windflügel 1 vorgesehen. Der Windflügel 1 ist etwa in halber Höhe quer geteilt und kann nach Belieben und Zweckmässigkeit mittels Zwischenelementen höher gestellt werden.

Anstelle der Windfahnen 14 können wieder Saveniusro-toren eingesetzt werden.

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Die Wirkungsweise ist folgende: Eine Windböe drückt den Windflügel 1 je nach Stärke gegen die Leeseite, wobei sich die Zugfeder 34 dehnt und der Zahnriemen 35 über die Leitrolle 37 gezogen wird und die damit verbundene Antriebsscheibe s 38 mitsamt dem ganzen Getriebe 39-43 und Generator 44 in Gang gesetzt und Strom erzeugt wird. Bis zur höchsten Überschreitung der Windböe wird etwa 50% der gewonnenen Windenergie an den Generator 44 abgegeben, der Rest wird in der Zugfeder 34 gespeichert und während der nachfol-io genden Windschwäche durch Zurückziehen des Zahnriemens 35 über die Leitrolle 37 in der anderen Drehrichtung an den Generator 44 abgegeben.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Windkraftanlage mit einem um eine horizontale Achse drehbaren, einen segelbespannten Rahmen enthaltenden Windflügel, welcher mit seinem unten liegenden Ende über eine horizontale Schwenkachse an einer um eine vertikale Achse drehbaren Standsäule befestigt ist und mit einer Einrichtung zur automatischen Ausrichtung des Windflügels quer zur Windrichtung gekoppelt ist, wobei der segelbespannte Rahmen mit Antriebsmitteln für eine Arbeitsmaschine gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass an dem segelbespannten Rahmen mit radialem Abstand zu dessen Schwenkachse (10) wenigstens ein Zugmittel (5) befestigt ist, welches über ein Antriebrad eines an der Standsäule (3) befestigten Generators (4) geführt ist, und dass der segelbespannte Rahmen mittels eines elastischen Kraftspeichers (8, 34) belastet ist, welcher ihn in seiner vertikalen Stellung zu halten versucht.
2. 2. Windkraftanlagenach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugmittel (5) von wenigstens einem Seil (5) gebildet ist, in dessen Verlauf der elastische Kraftspeicher (8) eingeschaltet ist.
3. 3. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (8) aus einem Gummistrang oder einer Zugfeder besteht.
4. 4. Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Seile (5) mit horizontalem Abstand an dem segelbespannten Rahmen befestigt sind.
5. 5. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Seil (5) bzw. die Seile über an der Standsäule (3) befestigte Umlenkrolle (7,7') geführt ist bzw. sind.
6. 6. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Seil (5) bzw. die Seile an dem segelbespannten Rahmen mittels horizontal verstellbarer Lager befestigt ist bzw. sind.
7. 7. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Standsäule (3) mittels eines an ihrem äusseren Ende angeordneten Drehkopfes (2) drehbar ist.
8. 8. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugmittel (5) von einem Zahnriemen gebildet ist, welcher längs einer an der Standsäule (3) befestigten bogenförmigen Schiene (22), gegebenenfalls über Führungsrollen (24), geführt ist.
9. 9. Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element von wenigstens einerTorsionsfeder (15) gebildet ist, welche an der Standsäule (3) mit horizontal liegender Federachse befestigt ist und mit einem Torsionsschenkel an dem segeltuchbespannten Rahmen angreift.
10. 10. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen das Zugmittel (5) und den Generator ein Übersetzungsgetriebe geschaltet ist.
11. 11. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Ausrichtung der Windflügel quer zur Windrichtung von wenigstens einer Windfahne oder einem Saveniusrotor (30) gebildet ist.
12. 12. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Querstellung des segeltuchbespannten Rahmens durch eine Anordnung der Schwenkachse (10) des segelbespannten Rahmens mit horizontalem Abstand zur Drehachse der Standsäule (3) gebildet ist.
13. 13. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine an der Standsäule (3) befestigte Montageplattform (12).