CH707508A2 - Windkraftmaschine. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windkraftmaschine, insbesondere für Anwendungen auf Gebäuden, auf Fahrzeugdächern, in Schiffs- und Lichtmasten u. a., wobei Ausführungsformen für unterschiedliche Leistungswerte möglich sind und die bei vergleichsweise geringen Investitionskosten und kleinstmöglicher Umweltbeeinflussung anwendbar ist. Hierzu weist die Windkraftmaschine eine mit Flügeln versehene Rotorwelle (1) auf, deren Flügel (3) spiralförmig und drehbar um die fest stehende Rotorwelle (1) angeordnet sind, wobei die Hüllkurve der Flügel (3) tonnenförmig ist, und dass die Flügel (3) in einem oberen und einem unteren Befestigungsring (7, 8) aufgenommen sind, wobei die Befestigungsringe (7, 8) magnetgelagert auf der Rotorwelle (1) drehbar sind.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft eine Windkraftmaschine, insbesondere für Anwendungen auf Gebäuden, auf Fahrzeugdächern, in Schiffs- und Lichtmasten u. a., wobei Ausführungsformen für unterschiedliche Leistungswerte möglich sind. Die Windkraftmaschine umfasst zumindest einen spulenförmigen Rotor und einen Generator sowie eine Lagerung der Rotorwelle gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

[0002] Windkraftmaschinen, insbesondere mehrflügelige Propelleranordnungen sind bekannt und werden im industriellen Massstab angewendet. Nachteilig sind jedoch die hohen Investitionskosten, eine vergleichsweise grosse Abhängigkeit von den Witterungsbedingungen, z.B. Windgeschwindigkeit oder Eisbildung und nachteilige Wirkungen auf das Landschaftsbild sowie psychische Beeinträchtigen in unmittelbarer Umgebung von Propelleranlagen.

[0003] Die CN-A-2 802 113 offenbart einen Windgenerator für turbulente Strömungen, wobei jede drehende Welle mit einer Spirale versehen ist.

[0004] Bekannt sind auch vertikal angeordnete Rotoren in Wasserkraftwerken, in Schiffsmasten oder hohen Gebäuden. So zeigt die RU-C-2 330 989 eine Windkraftanlage, deren kreisring-bis scheibenförmiger Rotor oberhalb des Meereswasserspiegels angeordnet ist. Auf einem Kreisring ist eine Vielzahl von Schaufeln, ggf. verstellbar und einzeln stehenden angeordnet. Ein ähnliches und selbsteinstellendes Windrad, mit fünf horizontal und gleichmässig beabstandet angeordneten Schaufeln sind in der US-A-4 468 169 offenbart.

[0005] Weitergehend offenbart die US-A-3 938 907 eine Windradturbine mit zwei Schaufelkränzen, die zwischen zwei horizontal liegenden Kreisscheiben angeordnet sind. Der äussere Schaufelkranz umfasst fest angeordnete Turbinenschaufeln, die nahezu gerade sind, während die Schaufeln des inneren Kranzes stärker gebogen sind und auch anstellbar ausgebildet sein können.

[0006] Bekannt sind ebenfalls Tornadotürme mit in Achsrichtung festen oder verstellbaren Flügeln im Aussenmantel sowie auch Vortex-Tower mit grosser Bauhöhe für eine erhofft hohe Leistung.

[0007] Zur Minderung oder Meidung von Reibungsverlusten bei linearen oder rotierenden Bewegungen kommen neben Wälz- und Gleitlagern auch Magnetlagerungen zur Anwendung.

[0008] Zur berührungslosen Lagerung einer horizontal angeordneten Rotorwelle einer Turbomaschine weist die Lageranordnung gemäss der WO-A-2 010 006 859 ein magnetisches Radiallager auf, dessen Lagergehäuse elastisch aufgehängt ist.

[0009] Propeller- und Turbinenräder sind mit Generatoren zur Stromerzeugung gekoppelt, wobei eine optimale Energieerzeugung an bestimmte Drehzahlbereiche gebunden ist.

[0010] Bekannt sind auch vertikal angeordnete Rotoren mit spezifischen Hüllformen, die sich aus dem Flügeldesign ergeben. So zeigt die US-B-7 303 369 eine Windturbine mit schraubenförmig und sich nach oben verjüngende Flügel, die die Gestalt einer Saftpresse oder einer Propellernase annehmen. Bei einer ähnlichen Windturbine gemäss US-A-20 080 145 224 ergibt die Anordnung der Flügel oder Schaufeln auf der Rotorwelle eine Birnen- oder Tulpenform. Die Flügel sind weiterhin, einer Umfangslinie folgend gebogen und weisen einen Kern aus Schaumstoff oder Fiberglas auf. Im Rotor ist ein Übertrieb zum Generator vorgesehen, wobei die innere Wandung der Rotorwelle mit einer Zahnung versehen ist, die Zahnräder umläuft, die wiederum eine Generatorwelle antreiben.

[0011] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftmaschine insbesondere für Anwendungen auf Gebäuden, auf Fahrzeugdächern, in Schiffs- und Lichtmasten u. a. zu schaffen, die bei vergleichsweise geringen Investitionskosten und kleinstmöglicher Umweltbeeinflussung Ausführungsformen für unterschiedliche Einsatzgebiete und Leistungswerte ermöglicht. Die Aufgabe ist mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

[0012] Die erfindungsgemässe Windkraftmaschine weist Flügel auf, die spiralförmig um eine bevorzugt stehende Rotorwelle angeordnet sind, wobei die Hüllkurve tonnenförmig ist. Die Flügel sind bevorzugt propellerförmig, d.h. Auftriebsläufer, Innen- und Aussenseite sind dabei ungleich. Etwa mittig zwischen einer oberen und der unteren Befestigung der Flügel an der Rotorwelle ist ein Radkörper angeordnet, der den Bereich des grössten Durchmessers der tonnenförmigen Hüllkurve bildet und an dem die Flügel ebenfalls befestigt sind. Die Windkraftmaschine kann in grossen Windgeschwindigkeitsbereichen und windrichtungsunabhängig einsatzfähig sein und gewährleistet eine kompakte Bauweise in unterschiedlichen Einsatzgebieten.

[0013] Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart. So bestehen die Flügel bevorzugt aus einem durchsichtigen Kunststoff und sie sind weiterhin bevorzugt durch den Radkörper unterbrochen und auf dem Umfang des Radkörpers versetzt angeordnet. Der Radkörper ist in einem Magnetlager bevorzugt auf der Rotorwelle drehbar angeordnet, wobei die Rotorwelle fest stehend ist. Hierbei sind auch obere und untere Befestigungen der Flügel ringförmig und drehbar magnetgelagert. Der unteren Befestigung ist ein mitdrehbarer Zahnkranz zugeordnet, auf dem ein Zahnriemen o. dgl. umläuft, der zugleich einen Zahnkranz eines Fliehkraftgetriebes o. a. umschlingt. Mittels eines weiteren Zahnriemens o. dgl. ist das Fliehkraftgetriebe mit einem Generator gekoppelt. Alternativ könnten auch die Befestigungen und der Radkörper fest mit einer drehbaren Rotorwelle verbunden sein. Die Rotorwelle ist je nach Ausführungsform entweder in einer Basis aufgenommen oder drehbar in dieser gelagert.

[0014] Ebenso kann die Windkraftmaschine hängend, z.B. unter Brücken angeordnet sein. Die Drehachse kann vertikal, schräg oder horizontal ausgerichtet sein. Die Anlagenleistung kann je nach Baugrösse und Einsatzgebiet im Bereich von ca. 1 KW bis ca. 25 KW je Windkraftmaschine variieren. Denkbar sind daher auch sehr kleine Ausführungsformen für Klimaanlagen (mit horizontal gelagertem Rotor), in innenbelüfteten Dachstühlen von z.B. Einfamilienhäusern, in hohlen Tragmasten (Sog-Druck Thermik) einer Strassenbeleuchtung o. dgl., auf dem Fahrerhaus von LKWs, in Abluftrohren, Kaminen oder in Masten von Booten oder kleineren Schiffen für eine autarke Stromerzeugung in Verbindung mit geeigneten Energiespeichern, somit auch für Hybrid-Antriebe.

[0015] Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand einer Zeichnung naher beschrieben. In der Zeichnung zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Windkraftmaschine.

[0016] Eine erfindungsgemässe Windkraftmaschine umfasst zweimal acht Flügel 3, die spiralförmig und drehbar um eine fest stehende Rotorwelle 1 angeordnet sind, wobei die Hüllkurve der Flügel 3 tonnenförmig ist. Die Rotorwelle 1 ist in einer Basis 5 aufgenommen, die je nach Aufstellort wiederum mit dem Boden, einem Dach etc. verbunden ist. Die Flügel 3 sind propellerförmig (Auftriebsläufer), Innen- und Aussenseite sind dabei ungleich. Sie bestehen bevorzugt aus einem durchsichtigen Kunststoff und sie sind bevorzugt mit einer witterungsbeständigen, durchsichtigen Schutzschicht versehen. Der Kunststoff ist ebenfalls witterungsbeständig, seewasserfest, stabil und ozon- und alterungsbeständig. Etwa mittig zwischen einem oberen und einem unteren Befestigungsring 7, 8 der Flügel 3 an der Rotorwelle 1 ist ein Radkörper 2 angeordnet, der den Bereich des grössten Durchmessers der tonnenförmigen Hüllkurve bildet und an dem die Flügel 3 ebenfalls befestigt sind. Es sind jeweils acht Flügel 3 zwischen dem Radkörper 2 und dem oberen resp. unteren Befestigungsring 7, 8 angeordnet, wobei die Flügel 3 am Radkörper 2 selbst versetzt angeordnet sind.

[0017] Der Radkörper 2 und die Befestigungsringe 7, 8 sind in einem Magnetlager 4 auf der Rotorwelle 1 drehbar gelagert, wobei dem unteren Befestigungsring 8 ein mitdrehbarer Zahnkranz 6 zugeordnet ist, auf dem ein Zahnriemen o. dgl. umläuft, der zugleich einen Zahnkranz eines Fliehkraftgetriebes 9 umschlingt. Das Fliehkraftgetriebe 9 ist ein Fliehkraft-Planetengetriebe, dessen magnetgelagerter Rotor entkoppelt ist. Mittels eines weiteren Zahnriemens o. dgl. ist das Fliehkraftgetriebe 9 mit einem Permanentmagnet-Generator 10 gekoppelt. Rotorwelle 1 und Basis 5 sind wind- resp. sturmsicher ausgebildet. Ggf. ist die Basis 5 noch mit einem Kegel umgeben (oder der Übergang von Basis 5 zur Rotorwelle 1 ist keglig ausgebildet), der den Wind nach oben in den Flügelrotor leitet. Für eine Generatorleistung bis ca. 10 (25) KW beträgt die Höhe der Rotorwelle 1 ca. 3 m (6 m), der Radkörper weist einen Durchmesser von ca. 3 m (6 m) auf, während der Durchmesser im Bereich der Befestigungsringe 7, 8 ca. 0,5 m (1 m) beträgt.

Liste der Bezugszeichen

[0018] <tb>1<SEP>Rotorwelle <tb>2<SEP>Radkörper <tb>3<SEP>Flügel <tb>4<SEP>Magnetlager <tb>5<SEP>Basis <tb>6<SEP>Zahnkranz <tb>7<SEP>oberer Befestigungsring <tb>8<SEP>unterer Befestigungsring <tb>9<SEP>Fliehkraftgetriebe <tb>10<SEP>Permanentmagnet-Generator

Claims (6)

1. Windkraftmaschine, geeignet insbesondere für Anwendungen auf Gebäuden, auf Fahrzeugdächern, in Schiffs- und Lichtmasten u. a., umfassend eine mit Flügeln versehene Rotorwelle (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (3) spiralförmig und drehbar um die fest stehende Rotorwelle (1) angeordnet sind, wobei die Hüllkurve der Flügel (3) tonnenförmig ist.

2. Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (3) propellerförmig sind und aus einem Kunststoff bestehen.

3. Windkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (3) in einem oberen und einem unteren Befestigungsring (7, 8) aufgenommen sind, wobei die Befestigungsringe (7, 8) magnetgelagert auf der Rotorwelle (1) drehbar sind.

4. Windkraftmaschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass etwa mittig zwischen dem oberen und dem unteren Befestigungsring (7, 8) ein um die Rotorwelle (1) rotierbarer Radkörper (2) angeordnet ist, der den Bereich des grössten Durchmessers der tonnenförmigen Hüllkurve bildet und an dem die Flügel (3) ebenfalls befestigt sind.

5. Windkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils acht Flügel (3) zwischen dem Radkörper (2) und dem oberen resp. unteren Befestigungsring (7, 8) angeordnet sind, wobei die Flügel (3) am Radkörper (2) selbst versetzt angeordnet sind.

6. Windkraftmaschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem unteren Befestigungsring (8) ein mitdrehbarer Zahnkranz (6) zugeordnet ist der über Zahnriemen oder dergleichen mit einem Generator korrespondiert.