CH700992A2 - Windkraftwerk. - Google Patents

Abstract

Es wird ein Windkraftwerk offenbart, wobei dessen s-förmiger Windrotorquerschnitt durch wendelförmig angeordnete Windangriffsflächen (14) eines Rotors (1) selbst bei sanfter Windströmung selbstanlaufend und auch bei sehr hohen Windgeschwindigkeiten funktionsfähig ist und elektrische Energie erzeugt.

Description

  [0001]    Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windkraftanlage zur Erzeugung von elektrischem Strom.

  

[0002]    Die Nutzung alternativer Energien zur Erzeugung von elektrischem Strom, so auch aus Windkraft, gewinnt immer mehr an Bedeutung. Die bekannteste Bauart von Windkraftwerken zur Erzeugung von elektrischer Energie funktioniert ähnlich dem Prinzip des Flugzeugpropellers, dessen horizontale Rotationsachse mit einem Generator gekuppelt, in einem Gehäuse gelagert, und auf einem vertikalen Turm aufgebaut und befestigt ist.

  

[0003]    Derartige Windkraftanlagen, umgangssprachlich Windräder genannt, weisen den Nachteil auf, dass sie bei höheren Windgeschwindigkeiten, aus Stabilitäts- und Sicherheitsgründen, angehalten werden müssen. Vor allem dann, wenn die Energieausbeute potentiell am grössten wäre; muss auf die Nutzung derartiger Windkraftanlagen verzichtet werden.

  

[0004]    Propeller-Windkraftanlagen arbeiten bei verhältnismässig hohen Lärmemissionen, sodass ein Betrieb in unmittelbarer Nähe von Siedlungen kaum möglich ist. Ausserdem gefährden solche Anlagen auch Tiere, insbesondere Vögel und Fledermäuse.

  

[0005]    Demzufolge ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Windkraftanlage bereitzustellen, welche auch bei hohen Windgeschwindigkeiten voll funktionsfähig bleibt, die Tierwelt nicht gefährdet und deren geringe Lärmemission auch in Siedlungsnähe einen Betrieb zulässt.

  

[0006]    Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Windkraftanlage zur Erzeugung von elektrischem Strom gemäss Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele.

  

[0007]    Erfindungsgemäss wird eine Windkraftanlage bereitgestellt, umfassend einen vertikalachsigen, drehbar gelagerten und rotationssymmetrischen Rotor, dessen geometrische Grundform zylindrisch ist und dessen Höhe durch zwei horizontale, in einem vorbestimmten Abstand gehaltene Begrenzungslinien, geometrisch definiert wird. Ein Querschnitt durch den fiktiven Zylindermantel zeigt eine diametrale S-förmige Konturlinie, deren vertikale Symmetrieachse identisch mit der Zylinder-Rotationsachse ist, und sich die S-Kontur, bei der unteren Grundlinie beginnend, doppelwendelartig im Gegenuhrzeigersinn oder im Uhrzeigersinn über die gesamte Zylinderhöhe hinzieht, bis die S-Kontur eine Torsion von 180[deg.] zurückgelegt hat und auf diese Weise die effektive Rotorkontur auf dem fiktiven Zylindermantel klar erkennbar ist.

   Die derart erzeugte wendelartige S-Kontur am Rotor bewirkt, dass immer ein Teil der Windangriffsfläche rechtwinklig gegen die Windrichtung steht.

  

[0008]    Die durch Wendelform und S-förmigen Querschnitt gebildeten Windangriffsflächen ergeben eine Ablenkung der Windströmung und somit einen Wirkungsgradverlust. An der gegen den Wind gerichtete konkave Fläche werden, rechtwinklig zum Drall, Rippen angeordnet und damit die Ablenkungsströmung unterbrochen. Bei der dem Wind abgekehrten konvexen Wendelseite ist die Strömungsablenkung gar erwünscht. Die abwärts abgelenkte Windströmung kann ggf. zur Generatorkühlung genutzt werden.

  

[0009]    Wird nun dieses gewundene S-Konturgebilde in den Wind gestellt und somit durch den Wind in Rotation versetzt, wird auch der in einer Generatorkapsel an den Rotor gekoppelten Generator aktiviert und damit elektrischen Strom erzeugt, wobei die Generatorkapsel mit angebautem Rotor sturmsicher auf einem Mast / Stativ befestigt ist.

  

[0010]    Derartige Windkraftanlagen eignen sich insbesondere für kleinere bis mittlere Leistungsbereiche, mit dem Vorteil des unauffälligen geringen Aufbau- und Umkreis-Flächenbedarfs.

  

[0011]    Alternativ zur S-Kontur kann auch eine geometrische Z-Kontur oder eine andersartige, funktional ähnliche Wendel-Kontur Anwendung finden, wobei die erwähnten Konturvarianten zweiflüglige Rotoren darstellen, im Gegensatz zu realisierbaren drei- oder vierflügligen Rotoren. Bei allen Flügelvarianten bleibt die Querschnittsgeometrie über die ganze Rotorhöhe gleich. Resultierend aus der Wendeltorsion ergibt sich ein Steigungswinkel, vorliegend als Drallwinkel bezeichnet, sinnvoll zwischen 45[deg.] und 90[deg.] zur unteren Rotor-Grundlinie gehalten. Nach Fig. 7: steigt die Drall-Linie in der Ansicht am Zylindermantel im Gegenuhrzeigersinn an, dreht sich der Rotor im Wind, von oben betrachtet, im Gegenuhrzeigersinn - oder nach Fig. 8betrachtet, im Uhrzeigersinn.

  

[0012]    Liegt der Drallwinkel näher gegen 90[deg.] (als gegen 45[deg.]) so kann während der Rotation der physikalisch nachgewiesene Magnus-Effekt auftreten, der tendenziell bewirkt, dass die Rotor-Umfangsgeschwindigkeit grösser als die Windgeschwindigkeit ist.

  

[0013]    Die S-förmige Konturlinie zeigt sich im Querschnitt, radial betrachtet, als eine konkave und eine konvexe Krümmungs-Seite. Die im Wind stehende konkave Seite ergibt bei Rotation ein positives Drehmoment; die im Wind stehende konvexe Seite erzeugt ein negatives, durch den Ablenkungseffekt bedingt, jedoch ein kleineres Drehmoment (negativ bedeutet Verlust).

  

[0014]    Um diesen Nachteil ins Positive zu bringen wird mittels eines Strömungs-Abdeckelementes der konvexe S-Konturteil abgedeckt. Die Windrichtungs-Unabhängigkeit jedoch erfordert am Rotor den Einbau einer automatisch gesteuerten Nachlaufeinrichtung, die bei Windrichtungswechsel das Abdeckelement am Rotor, motorisch betrieben, tangential in die optimale Position nachführt, abhängig von einem Signal des Windrichtungssensors. Die Steuerungselemente sind in der Generatorkapsel integriert.

  

[0015]    Die Bauform der zum Einbau gelangenden Generatortypen sind Hohlwellengeneratoren, die den Einbau von zwei zueinander unabhängigen Generatoren ermöglicht, z.B. der eine für die Erzeugung von Drehstrom, der andere zur Gleichstromproduktion.

  

[0016]    Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>eine perspektivische Ansicht einer Windkraftanlage gemäss einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.


  <tb>Fig. 2<sep>eine schematische Ansicht eines Rotors mit markierten Windangriffsflächen.


  <tb>Fig. 3<sep>einen horizontalen Querschnitt entlang der Linie I-I aus Fig. 2.


  <tb>Fig. 4<sep>einen um 90[deg.] verdreht dargestellten Querschnitt entlang der Linie I-I aus Fig. 2.


  <tb>Fig. 5<sep>eine Darstellung beider peripheren Drallkurven eines Rotors.


  <tb>Fig. 6<sep>Querschnitte entlang einer Linie I-I und dazu paralleler Schnittebenen A bis G bezüglich des Ausführungsbeispiels von Fig. 2 und Fig. 5.


  <tb>Fig. 7<sep>eine mögliche Anordnung von Windangriffsflächen zur Erzeugung einer Drehrichtung im Gegenuhrzeigersinn.


  <tb>Fig. 8<sep>eine Anordnung von Windangriffsflächen zur Erzeugung einer Drehrichtung im Uhrzeigersinn.


  <tb>Fig. 9-12 <sep>verschiedene mögliche Anordnungen zum Aufbau von Windangriffsflächen. 


  <tb>Fig. 13<sep>eine Darstellung ähnlich der Darstellung von Fig. 5 mit Windablenkungs-Stopper für ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.


  <tb>Fig. 14<sep>eine Ansicht auf den Windkraftrotor mit dargestelltem Strömungs-Abdeckelement gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.


  <tb>Fig. 15<sep>eine Draufsicht von Fig. 14auf den Windkraftrotor mit dargestelltem Strömungs-Abdeckelement.


  <tb>Fig. 16<sep>ein Ausführungsbeispiel für einen Hohlwellengenerator bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

  

[0017]    Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sind nicht als den Bereich der Erfindung einschränkend auszulegen. Insbesondere impliziert die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Merkmalen nicht, dass alle diese Merkmale wesentlich für die Ausführung der Erfindung sind. Zudem ist zu bemerken, dass Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele kombiniert werden können, sofern dies nicht anders angegeben ist.

  

[0018]    Die Erfindung betrifft ein durch Windenergie angetriebenes Aggregat zur elektrischen Strom-Erzeugung, gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.

  

[0019]    In Fig. 1 ist eine Windkraftanlage gemäss einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Die Windkraftanlage des Ausführungsbeispiels von Fig. 1umfasst einen um die Rotationsachse 7 drehbar gelagerten Windrotor 1 und einen mit dem Rotor gekoppelten Generator 2 zur Umsetzung einer Drehbewegung des Rotor 1 in elektrischen Strom. Der Generator 2 ist in einer Generatorkapsel 3 angeordnet. Der Rotor 1 und der Generator 2 mit der Generatorkapsel 3 sind auf einer Stütze oder einem Mast 4 angeordnet. Eine Lagerung (nicht dargestellt) ermöglicht die Rotation des Rotors 1 um die Rotationsachse 7 relativ zum (starren) Mast 4.

  

[0020]    In Fig. 2 ist die geometrische Grundform des Rotors 1 gemäss einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Der geometrische Grundkörper des Wind-Rotors 1 ist fiktiv ein stehender, rotations-symmetrischer Zylinder 5. Der Rotorquerschnitt entlang der Schnittlinie I-I, zeigt sich (in Fig. 3) als "S"-förmiges diametralsymmetrisches Gebilde 6, alternativ kann es auch andere geometrisch symmetrische Formen aufweisen. Von der Rotationsachse 7 aus betrachtet bildet das "halbe S" 8 bzw. 9, alternativ auch andere geometrische Formen, Schaufel-ähnliche Konturlinien, deren äusserste Wendellinien-Punkte 10 und 11 auf der fiktiven Zylindermantellinie 12 des geometrischen Zylinders 5 liegt.

   Der Rotorquerschnitt 6 weist vertikal auf jeder Höhe des Zylinders 5 die gleiche geometrische Form auf, sodass bei Rotation 27, über die ganze Zylinderhöhe eine passive Wind-Angriffsfläche 13 und eine aktive Wind-Angriffsfläche 14 entsteht.

  

[0021]    In Fig. 4 dargestellt (Fig. 3 um 900 verdreht) ergibt sich eine neutrale Konstellation, die die Wind-Angriffsflächen 13 und 14 nahezu neutralisiert und somit kein Drehmoment erzeugt. Insbesondere bei schwächeren Windströmungen 26 ist ein Selbstanlauf des Rotors 1 nicht gewährleistet. Dieser Nachteil kann, wie nachfolgend beschrieben, eliminiert werden.

  

[0022]    Fig. 5 zeigt den Rotor 1 in der Ansicht über die Höhe H, die abhängig vom 0 D und vom Drallwinkel 15 ist. Die effektiven Wendellinien 10 und 11, projiziert aus der S-förmigen Konturlinie 6 ergeben sich aus dem jeweiligen Torsionswinkel 16 (in Fig. 6/Draufsicht aus Fig. 5), in vorliegendem Beispiel 30[deg.], bei Teilhöhe h. Die Projektionsschnitte, bei jeweiligen Teilhöhen h, sind mit A bis G bezeichnet und dienen zur Konstruktion der Wendellinien 10 und 11.

  

[0023]    Aus Fig. 7 und Fig. 8 sind die durch die Windströmung 26 resultierenden Rotor-Drehrichtungen 27, Gegenuhrzeigersinn bzw. Uhrzeigersinn, ersichtlich.

  

[0024]    Die vorliegende Erfindung ist nicht auf Windangriffsflächen mit S-förmigem Querschnitt 6, wie in Fig. 9 dargestellt, beschränkt. Fig. 10-12 zeigen weitere Möglichkeiten für Querschnittsprofile, wobei die dargestellten Möglichkeiten nicht als abschliessende Aufzählung anzusehen ist, sondern auch andere Querschnittsprofile möglich sind.

  

[0025]    In Fig. 10 und 12 sind 3-flüglige Querschnittsprofile mit Windangriffslinien bzw. Windangriffsflächen 17, 19 dargestellt, deren Kreisteilung 120[deg.] beträgt.

  

[0026]    Aus Fig. 13 ist ersichtlich, dass wenigstens ein Teil der Windströmung durch die Drall-Windflächen 9 und 10 abgelenkt wird, was zu einer Drehmomentreduktion führt. Eine z.B. an jeder Rotor-Teilhöhe h integrierte, der Flügel-Innenkontur angepasste und damit gegen den Wind gerichtete horizontale Rippe 20 unterbindet eine Windablenkung und eliminiert so den vermeintlichen Energieverlust.

  

[0027]    Gemäss Fig. 14 und 15 kann bei ganzheitlicher Betrachtung der Rotorfunktion festgestellt werden, dass die konkave Querschnitt-Hälfte 8 im Wind steht, also ein positives Drehmoment erzeugt; die konvexe Querschnitt-Hälfte 9 jedoch gegen den Wind steht, woraus ein negatives Drehmoment resultiert. Demzufolge müsste eine Leistungsminderung akzeptiert werden. Erfindungsgemäss kann dieser Leistungseinbusse, wie nachstehend beschrieben, begegnet werden.

  

[0028]    Ausserhalb des geometrischen Zylinders 5, bzw. des Rotor-Schwingkreises 10 wird ein beweglich gelagertes Strömungs-Abdeckelement 21 derart angebaut, dass die Windströmung 26 im betreffenden Sektor, die gegen den Wind gerichtete konvexe Querschnitt-Hälfte 9 abgedeckt und auf die im Wind stehende konkave Querschnitt-Hälfte 8 umgelenkt wird. Die oft ändernde Windrichtung 26 bedingt eine Positions-Änderung des Strömungs-Abdeckelementes 21 entlang der Zylinder-Peripherielinie 10. Eine, durch ein Windrichtungs-mess-Sensor 22 aktivierte Nachlauf-Steuerung 23 führt, mittels eines in der Generatorkapsel 3 eingebauten Servoantriebes 24, das Abdeckelement 21 tangential-rotativ in die funktional richtige Position. Der Windrichtungs-Messer 22 muss ausserhalb des Rotor-Windschattens am Windkraft-Aggregat angebracht werden.

   Das Strömungs-Abdeckelement 21 ist relativ zum Rotor 1 feststehend, jedoch rotativ verstellbar.

  

[0029]    In Fig. 16 ist der leistungsstarke Generator 2 als Hohlwellen-Generator konzipiert. Das ermöglicht, zwei voneinander unabhängige Stromkreise zu erzeugen, wobei die Generator-Baugrössen durchaus verschieden sein können.

  

[0030]    Der durch den Wind angetriebene Rotor 1 ist mit dem elektrischen Strom erzeugenden Hohlwellen-Generator 2 kraftschlüssig verbunden. Je nach Bedarf der Windkraftanlage-Eigner kann Drehstrom für Energie-Netzeinspeisung mit Generator 2 und/oder Gleichstrom für Energiespeicher / Akkus mit Generator 25 erzeugt werden.

Claims (15)

1. Windkraftwerk, umfassend:

einen drehbar gelagerten Windrotor (1), dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Grundform ein Zylinder (5) ist, und ausgehend von der Rotationsachse (7), ein symmetrisch S-förmiger Querschnitt (6) dessen peripheren Endpunke (10, 11) auf der Zylindermantellinie (12) sich wendelartig, im Gegenuhrzeigersinn und bei gleichbleibendem Drallwinkel (15) und kontinuierlich ansteigendem Torsionswinkel (16), über die gesamte Zylinderhöhe hinzieht bis die S-Kontur (6) eine gesamte Torsion von 180[deg.] erreicht hat, sodass auf diese Weise die effektive Rotorkontur definiert wird und derart die Windangriffsflächen (13, 14) gebildet werden, und

einen mit dem Windrotor (1) gekoppelten Generator (2) zur Umwandlung der durch Windströmung erzeugte Rotationsenergie in elektrische Energie.

2. Windkraftwerk nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der S-förmige Querschnitt (6) des Windrotor (1) wendelartig, gleichbleibend S-förmig, über die gesamte Zylinderhöhe ist.

3. Windkraftwerk nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Windrotor (1) wendelartig, gleichbleibend Z-förmig (18), über die gesamte Zylinderhöhe ist.

4. Windkraftwerk nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Windrotor (1) wendelartig, eine andere geometrische Form als S- oder Z-förmig, über die gesamte Zylinderhöhe aufweisen kann.

5. Windkraftwerk nach Patentanspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Windrotors (1), vom Rotationszentrum (7) aus betrachtet, 2-flüglig (6, 18) oder 3-flüglig (17, 19) sein kann.

6. Windkraftwerk nach Patentanspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Windrotor (1) aus einem Stück oder auch aus mehreren Teilstücken besteht und aus verwindungsfreien und belastbaren Leicht-Baustoffen gefertigt ist.

7. Windkraftwerk nach Patentanspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Windrotor (1) sowohl linksgängigen als auch rechtsgängigen Drall (15) aufweisen kann.

8. Windkraftwerk nach Patentanspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strömungs-Abdeckelement (21) adapiert werden und das nach Windrichtungs-Sensor (22) -Signalen in die optimale Windrichtungs-Position nachgeführt werden kann.

9. Windkraftwerk nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachlauf-Steuerung (23) und der Servoantrieb (24) in der Generatorkapsel (3) untergebracht sind.

10. Windkraftwerk nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatoren (2, 25) als Hohlwellen-Generatoren ausgeführt sind.

11. Windkraftwerk nach Patentanspruch 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwellen-Generatoren (2, 25) in der Generatorkapsel (3) auf zwei Ebenen eingebaut werden können und wahlweise eine Antriebsachse oder zwei voneinander unabhängige Antriebsachsen aufweisen.

12. Windkraftwerk nach Patentanspruch 1, 10, 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwellen-Generatoren (2, 25) als Drehstromgeneratoren oder Gleichstromgeneratoren (Alternatoren) betrieben werden können.

13. Windkraftwerk nach Patentanspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Windkraftaggregat, oder Teile davon, funktional und räumlich in beliebiger Lage aufgebaut und betrieben werden kann.

14. Windkraftwerk nach Patentanspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass alle Windkraftwerk-Bauteile dimensional variabel sein können.

15. Windkraftwerk nach Patentanspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass alle Windkraftwerk-Bauteile korrosionsgeschützt und/oder aus korrosionsfreien Werkstoffen bestehen und sowohl wärmeresistent als auch kälteresistent sind.