CH705681A2 - Windturbine. - Google Patents

Abstract

Die Windturbine weist eine Mehrzahl von um eine Rotationsachse (5) herum positionierten und entlang einer Umlaufbahn geführten, senkrecht angeordneten Flügelprofilen auf. Diese sind zum Verstellen des jeweiligen Anstellwinkels um je eine eigene Drehachse bewegbar, und zwar mittels je eines Gestänges (8). Dieses ist über je einen Arm (19) gelenkig mit mindestens einem Schwenkteil (21) einer Schwenkeinrichtung (18) verbunden, das um die Rotationsachse (5) der Windturbine rotierbar ist. Das Schwenkteil (21) ist, bezogen auf eine Waagerechten (H), durch Antriebe (26, 27) in zwei rechtwinklig zueinander liegenden Bewegungsachsen (23) neigbar. Die von einer Steuerung (37) aufgrund der Windrichtung (16) und Windgeschwindigkeit (15) regelbare Neigebewegung (29) mündet in einer linearen Bewegung (34) des Gestänges (8). Der Anstellwinkel der Flügelprofile wird dadurch sowohl im normalen Betrieb als auch bei Sturmböen optimal eingestellt. Die Windturbine arbeitet dadurch sicher und mit einem hohen Wirkungsgrad.

Description

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windturbine mit einer Mehrzahl von mit Abstand um eine gemeinsame Rotationsachse herum positionierten und entlang einer Umlaufbahn geführten, senkrecht angeordneten Flügelprofilen, die zum Verstellen eines jeweiligen Anstellwinkels jeweils um eine eigene Drehachse bewegbar sind, wobei zum Verstellen des Anstellwinkels der Flügelprofile mindestens ein Gestänge vorhanden ist.

[0002] Für die dezentrale Stromerzeugung werden zunehmend Windturbinen mit vertikaler Anordnung des Rotors interessant. Die Vorteile sind eine hohe Effizienz bei geringen Investitionen. Zudem wirkt sich die kleinere Bauweise positiv auf die Bewilligung von Baugesuchen aus. Die vertikale Anordnung des Rotors lässt die Nutzung von schwachen, wechselnd-böigen Winden zu und erzeugt weder Lärm noch unruhigen Schattenwurf.

[0003] Bei einer derartigen Windturbine weist der Rotor eine Mehrzahl von mit Abstand um eine gemeinsame Rotationsachse positionierten und ebenfalls senkrecht angeordneten Flügelprofilen auf. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades sind die Flügelprofile vorzugsweise so konstruiert, dass sie nicht den Staudruck sondern einen Tragflügeleffekt ausnützen. Zum Funktionieren dieser speziellen Windturbinen ist es zwingend erforderlich, dass die Ausrichtung der Flügelprofile in Abhängigkeit von der Windrichtung kontinuierlich verstellt wird. Die Bestimmung der Windrichtung kann über eine Windfahne vor sich gehen. Das Verstellen des jeweiligen Anstellwinkels der Flügelprofile kann über einen in der gemeinsamen Drehachse angeordneten Exzenter sowie über ein von dort zu den einzelnen Flügelprofilen führenden Gestänge gesteuert werden.

[0004] Um die durchschnittlich eher tief liegenden Windgeschwindigkeiten nutzen zu können, ist eine relativ leichte Bauweise notwendig. Dies erhöht aber die Gefahr von Beschädigungen der Windturbine bei Sturm, zumal dabei sehr hohe Fliehkräfte auftreten können. Aus diesen Gründen sind zur Sturmsicherung Regeleinrichtungen bekannt geworden, die die Flügelprofile bei Überlast so in den Wind stellen sollen, dass der Druck auf die Windturbine verringert wird. Die Regelung erfolgt aufgrund der gemessenen Windstärke und/oder in Abhängigkeit des sich an der zentralen Drehachse ergebenden Drehmoments. Die Flügelprofile werden durch mechanische oder hydraulische Verstellmechanismen verschwenkt. Es geht dabei nicht nur darum, die Windturbine selbst vor Schaden und teuren Reparaturen zu schützen, denn allenfalls weg brechende Teile könnten durch die Fliehkraft auch in die Umgebung geschleudert werden. Die bisher vorgeschlagenen Lösungen der Flügelprofilverstellung sind aufgrund der auf sie wirkenden Kräfte eher für kleinere Windturbinen geeignet. Bei einem starken Sturm können die Böen zudem so rasch und heftig auftreten, dass eine derartige Regeleinrichtung nicht schnell genug reagieren kann. Nicht zuletzt ist die Reaktion der Steuerung auf die böen-typischen, wechselnden Windstärken und Windrichtungen nicht wirklich optimal. Zur vorgenannten Problemstellung kommt also hinzu, dass der Wirkungsgrad der Windturbine bei unsteten Windverhältnissen abnimmt.

[0005] Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse setzt sich die Erfindung die Aufgabe, eine Windturbine zu schaffen, die gegenüber dem Stand der Technik sowohl hinsichtlich der Funktionssicherheit als auch bezüglich des Wirkungsgrades verbessert ist.

[0006] Die erfindungsgemässe Windturbine entspricht den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausbildungen des Erfindungsgedankens sind aus den abhängigen Patentansprüchen ersichtlich.

[0007] Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. <tb>Fig. 1<sep>zeigt eine schematische Draufsicht auf die Windturbine; <tb>Fig. 2<sep>zeigt eine vereinfacht dargestellte Seitenansicht der Windturbine, teilweise im Schnitt; <tb>Fig. 3-4<sep>zeigen das Funktionsprinzip einer Versteilvorrichtung für die Flügelprofile.

[0008] Die Windturbine weist gemäss Fig. 1eine Mehrzahl von Flügelprofilen 1 und 2 auf, die mittels mindestens je einer Strebe 3 und 4 mit einer gemeinsamen, zentralen Rotationsachse 5 verbunden sind. Es versteht sich von selbst, dass die dargestellten zwei Flügelprofile 1 und 2 nur als Beispiel zu verstehen sind. Es könnte auch eine andere Anzahl von anders geformten Flügelprofilen gewählt werden. Die Flügelprofile 1 und 2 rotieren jedenfalls während des Betriebs der Windturbine mit Abstand um die Rotationsachse 5 herum. Gleichzeitig werden Sie dabei kontinuierlich so ausgerichtet, dass der Wind optimal auf sie trifft, sich die Windturbine unter bestmöglicher Kraftausnutzung dreht und Strom erzeugt. Zum Verstellen ihres Anstellwinkels sind die Flügelprofile 1 und 2 jeweils um eine eigene, ebenfalls senkrechte Drehachse 6 und 7 bewegbar. Der Anstellwinkel wird üblicherweise je über ein Gestänge 8 und 9 bestimmt. Dieses verbindet einen ausserhalb der Drehachse 6 und 7 liegenden Punkt am Flügelprofil 1 und 2 mit einer Verstelleinrichtung 10 im Bereich der Rotationsachse 5. Das Gestänge 8 und 9 ist nur gestrichelt angedeutet und wird durch die Versteileinrichtung 10 jeweils ausserhalb der Rotationsachse 5 geführt. Während der Rotation der Windturbine wird der Anstellwinkel der Flügelprofile 1 und 2 durch in Abhängigkeit von der Windrichtung W und der jeweiligen Position in Bezug auf die Umlaufbahn 11 um die Rotationsachse 5 angepasst. Die beiden gezeigten Anstellwinkel sind dem besseren Verständnis der Erfindung dienende Beispiele.

[0009] Wie aus der Seitenansicht der Windturbine nach Fig. 2 ersichtlich, sind deren Komponenten an einem Mast 12 angeordnet. Die Lagerung, der Generator und die Bremse befinden sich in einem Gehäuse 13. Unterhalb dieses Gehäuses und unterhalb der Flügelprofile 1 und 2 ragt mindestens ein Messgeräteträger 14 aus dem Mast 12. Hier befinden sich ein Anemometer 15, das heisst, ein Gerät zum Messen der Windgeschwindigkeit, und/oder ein Gerät 16 zum Messen der Windrichtung. Die senkrecht stehenden und um die Rotationsachse 5 rotierenden Flügelprofile 1 und 2 sind mittels der bereits erwähnten Streben 3 und 4 mit dem Mast 12, beziehungsweise mit der Rotorwelle 17 verbunden. Im Abstand zu den Streben 3 und 4 liegt das Gestänge 8 und 9, das dafür sorgt, dass die Flügelprofile 1 und 2 während der Rotation kontinuierlich den wechselnden, jeweils optimalen Anstellwinkel einnehmen. Zu diesem Zweck ist im Mastbereich eine als Exzenter wirkende Verstelleinrichtung 10 vorhanden.

[0010] In der bevorzugten Ausführung weist diese Versteileinrichtung 10 mindestens eine von der Waagerechten kipp- oder neigbare Schwenkeinrichtung 18 auf, die über mindestens einen hebelartigen Arm 19 und 20 mit dem Gestänge 8 und 9 verbunden ist.

[0011] Das Funktionsprinzip der Schwenkeinrichtung 18 wird anhand des Schemas nach den Fig. 3und 4 verdeutlicht. Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf die Schwenkeinrichtung 18. Diese ist beweglich am Mast 12 angeordnet. Und zwar so, dass mindestens ein Teil davon um die Rotationsachse 5 rotierbar ist. In der hier vorgeschlagenen Ausführung weist sie hierzu ein erstes, bezüglich der Rotation feststehendes Schwenkteil 21 auf. An diesem ersten Schwenkteil 21 ist ein zweites, mit den Flügelprofilen 1 und 2 mitdrehendes Schwenkteil 22 geführt. Das erste Schwenkteil 21 ist mittels eines Gelenks 25 derart gelagert, dass es aus der Waagerechten H kipp- oder neigbar ist. Vorzugsweise in zwei rechtwinklig zueinander stehenden Bewegungsachsen 23 und 24. Das Gelenk 25 kann technisch auf verschiedene Art und Weise realisiert werden. Denkbar sind, wie dargestellt, sowohl ein einfaches Kugelgelenk als auch ein hochwertigeres Kardangelenk. Die Schwenkbewegung wird durch zwei Antriebe 26 und 27 bewirkt. Am zweiten, rotierenden Schwenkteil 22 sind die beiden, zum Gestänge 8 und 9 führenden Arme 19 und 20 angelenkt. Die beiden Schwenkteile 21 und 22 können beispielsweise mittels eines Kugellagers 28 miteinander verbunden sein.

[0012] Die Neigebewegung 29 der Schwenkeinrichtung 18 und das Zusammenwirken der diesbezüglichen Komponenten sind aus Fig. 4 ersichtlich. Das scheibenartige, erste Schwenkteil 21 zieht in seiner Neigebewegung 29 das ihn ringartig umgebende, zweite Schwenkteil 22 mit. Die daran angelenkten Arme, von denen hier nur der eine Arm 19 sichtbar ist, werden wiederum vom zweiten Schwenkteil 22 mitbetätigt. Das zürn zweiten Schwenkteil 22 gerichtete und an diesem angelenkte Ende 30 des Arms 19 wird auf oder ab bewegt, wie mit Pfeil 31 angedeutet. Der in bevorzugter Ausführung abgewinkelte Arm 19 führt dadurch seinerseits eine Armbewegung 32 aus. Da das zweite Ende 33 des Arms 19 am Gestänge 8 angelenkt ist, mündet diese Armbewegung 32 in einer linearen Bewegung 34 des Gestänges 8. Die lineare Bewegung 34 des Gestänges 8 oder 9 bewirkt schliesslich ein Verstellen des Anstellwinkels des jeweiligen Flügelprofils 1 oder 2 gemäss Fig. 1. Dabei wird der Abstand der Drehachse 6 oder 7 des Flügelprofils 1 oder 2 von der Rotationsachse 5 der Windturbine verändert.

[0013] Die Neigebewegung 29 des ersten Schwenkteils 21 wird mittels des Antriebs 26 erzeugt, der dieses Schwenkteil 21 an einem vom Gelenk 25 beabstandeten Angriffspunkt nach oben drückt oder nach unten zieht, siehe Pfeil 35. Dieser erste Antrieb 26 neigt das Schwenkteil 21 in der ersten Bewegungsachse 23. Der zweite Antrieb 27, kippt das Schwenkteil 21 in der zweiten Neigungsachse 24, siehe Pfeil 36. Beide Antriebe 26 und 27 werden von einer Steuerung 37 kontrolliert. Diese steht wiederum in Verbindung mit dem Anemometer 15 zum Messen der Windstärke und/oder dem Gerät 16 zum Messen der Windrichtung.

[0014] Die vorgehend erläuterte Schwenkeinrichtung 18 ist technisch relativ einfach aufgebaut und auch zur Aufnahme starker Kräfte geeignet. Sie arbeitet daher störungsfrei. Dank dieser Schwenkeinrichtung 18 lässt sich die erfindungsgemässe Windturbine sicher und mit hohem Wirkungsgrad betreiben. Sie kann einem doppelten Zweck dienen. Einerseits das gesteuerte Sicherstellen der kontinuierlichen, optimalen Ausrichtung der Flügelprofile 1 und 2 in Abhängigkeit von der sich verändernden Windrichtung. Andererseits können bei Starkwind oder gar bei Sturmböen, ebenfalls in Abhängigkeit von deren Richtung, die Flügelprofile 1 und 2 automatisch so in den Wind W gestellt werden, dass dessen Druck auf ein absolut mögliches Minimum verringert wird.

[0015] Fig. 1 zeigt als Beispiel zwei mögliche Flügelausrichtungen entlang der Umlaufbahn 11. Im Gegensatz zu dieser Umlaufbahn, werden die flügelseitigen Enden des Gestänges 8 und 9 einer von der Kreisrunden abweichenden, asymmetrischen Bahn folgen. Durch die sich kontinuierlich verändernde Lage dieser Enden gegenüber der jeweiligen Drehachse 6 und 7 der Flügelprofile 1 und 2 werden letztere kontinuierlich neu ausgerichtet. Und zwar deutlich besser, als es mit einem herkömmlichen, einfachen und ortsfest angeordneten Exzenter möglich war. Die besagte, asymmetrische Bahn wird durch die Neigeposition der Schwenkeinrichtung 18 bestimmt. Dank der beiden Bewegungsachsen 23 und 24 kann die Schwenkeinrichtung 18 beliebig positioniert werden und diese Bahn ebenso beliebig steuern.

[0016] Alternativ könnte die Versteileinrichtung 10 bezüglich ihrer Lage zur Rotationsachse 5 horizontal verschiebbar sein, gleichfalls in zwei Bewegungsachsen. Diese Positionierung würde ebenso eine lineare Bewegung 34 des Gestänges 8 oder 9 bewirken. Der rotationsachsenseitige Anlenkpunkt des Gestänges 8 oder 9 liesse sich beliebig im Raum positionieren und dadurch in einer gewünschten Bahn steuern. Diese Lösung ist aber im Fall einer Windturbine technisch komplizierter zu verwirklichen und brächte gegenüber der Lösung mit der Schwenkeinrichtung 18 konstruktive Nachteile.

[0017] In jedem Fall liegt es im Rahmen der Erfindung nach Patentanspruch 1 die Windturbine auch anders als gezeichnet und beschrieben auszubilden. Insbesondere was die Anzahl und Form der Flügelprofile 1 und 2 betrifft. Beispielsweise ergäbe sich bei drei Flügelprofilen 1 und 2 auch eine andere Anordnung der Streben 3 und 4 sowie des Gestänges 8 und 9. Aber auch bezüglich der Bauteile der Schwenkeinrichtung 18 sind verschiedene Varianten realisierbar. Hier wäre konstruktiv auch eine andere Lösung als die der beiden, als scheibenförmige Ringe konzipierten Schwenkteile 21 und 22 denkbar. Wie gesagt, wäre anstelle des Gelenks 25 eine andere, kardanische Aufhängung möglich. Ebenso könnten die zum Gestänge 8 und 9 führenden Arme 19 und 20 anders geformt und angeordnet sein. Das Gestänge 8 und 9 könnte allenfalls mehrteilig sein und in seiner Längsachse beispielsweise eine Federeinrichtung aufweisen. Linear wirkende Antriebe 26 und 27 sind in verschiedenster Ausführung bekannt, vom Zylinder bis zur Spindel. Natürlich lassen sich die jeweiligen Varianten in nahezu beliebiger Kombination zusammensetzen.

Claims (14)

1. Windturbine mit einer Mehrzahl von mit Abstand um eine gemeinsame Rotationsachse (5) herum positionierten und entlang einer Umlaufbahn (11) geführten, senkrecht angeordneten Flügelprofilen (1, 2), die zum Verstellen eines jeweiligen Anstellwinkels jeweils um eine eigene Drehachse (6, 7) bewegbar sind, wobei zum Verstellen des Anstellwinkels der Flügelprofile (1, 2) mindestens ein Gestänge (8, 9) vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Gestänge (8, 9) im Bereich der Rotationsachse (5) mit mindestens einer Versteileinrichtung (10) verbunden ist, von der mindestens ein das Gestänge (8, 9) tragendes Teil mittels mindestens einer Steuerung (37) bezüglich einer horizontalen oder geneigten Lage zur Rotationsachse (5) positionierbar ist.

2. Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (10) mindestens eine Schwenkeinrichtung (18) aufweist, mit der das Gestänge (8, 9) verbunden ist, wobei mindestens ein das Gestänge (8, 9) tragendes Schwenkteil (21) dieser Schwenkeinrichtung (18) um die Drehachse (5) rotierbar und, bezogen auf eine Waagerechte (H), in mindestens einer Bewegungsachse (23, 24) neigbar ist.

3. Windturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (37) mit einem Gerät (16) zum Messen der Windrichtung verbunden ist.

4. Windturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (37) mit einem Anemometer (15) verbunden ist.

5. Windturbine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkeinrichtung (18) mindestens zwei Schwenkteile (21, 22) aufweist, von denen ein erstes Schwenkteil (21) bezüglich der Rotation um die Drehachse (5) feststeht und mindestens ein zweites Schwenkteil (22) mit den Flügelprofilen (1, 2) rotierbar ist.

6. Windturbine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkeinrichtung (18) an einem in der Rotationsachse (5) der Windturbine liegenden Gelenk (25) geführt ist, derart, dass es in mindestens einer Bewegungsachse (23, 24) von der Waagerechten (H) neigbar ist.

7. Windturbine nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gestänge (8, 9) über mindestens einen hebelartigen Arm (19, 20) mit der Schwenkeinrichtung (18) verbunden ist, wobei der mindestens eine Arm (19, 20) sowohl gegenüber dem Gestänge (8, 9) als auch gegenüber der Schwenkeinrichtung (18) schwenkbar gelagert ist.

8. Windturbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Arm (19, 20) abgewinkelt ist, zum Beispiel im rechten Winkel.

9. Windturbine nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigeposition der Schwenkeinrichtung (18) über mindestens einen Antrieb (26, 27) regelbar ist.

10. Windturbine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Antriebe (26, 27) vorhanden sind, durch die die Schwenkeinrichtung (18) in zwei im Winkel zueinander stehenden Bewegungsachsen (23, 24) regelbar ist, wobei diese Bewegungsachsen (23, 24) zum Beispiel im rechten Winkel zueinander stehen.

11. Windturbine nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Schwenkteile (21, 22) ringförmig oder in Form eines Teilrings ausgebildet sind, wobei diese Schwenkteile (21, 22) koaxial zueinander angeordnet sind und wobei das äussere Schwenkteil (22) um das innere Schwenkteil (21) rotierbar ist.

12. Windturbine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Schwenkteile (21, 22) mittels eines Kugellagers (28) miteinander verbunden sind.

13. Windturbine nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Arm (19, 20) am äusseren, ringförmigen Schwenkteil (22) angeordnet ist.

14. Windturbine nach einem der Ansprüche 3 bis 12 oder 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät (16) zum Messen der Windrichtung und/oder der Anemometer (15) an mindestens einem Messgeräteträger (14) angeordnet ist/sind, der unterhalb der Flügelprofile (1, 2) aus einem letztere tragenden Mast (12) ragt.