DE102007032843B4

DE102007032843B4 - Walzen-Windgenerator zur Stromerzeugung

Info

Publication number: DE102007032843B4
Application number: DE102007032843.7A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-07-12
Filing date: 2007-07-12
Publication date: 2015-07-30
Anticipated expiration: 2027-07-13
Also published as: DE102007032843A1

Abstract

Vorrichtung zur Umwandlung von Windenergie mit einem um eine Drehachse (4) drehbar gelagerten Rotor, der die Form eines Querstromventilators mit einer Walze und mit an der Walze befestigten, sich in Längsrichtung der Walze erstreckenden Lamellen (1) aufweist, und mit einer Luftleiteinheit zur Zuleitung von Luft auf den Rotor, welche die Luft in eine Richtung leitet, die an der Drehachse (4) vorbei führt, wobei die Luftleiteinheit mindestens ein Paar Luftleitbleche (5) aufweist, die jeweils zumindest abschnittsweise in einer Ebene verlaufen, wobei die Drehachse (4) außerhalb eines von den beiden Ebenen begrenzten Raumes angeordnet ist, und wobei das Paar Luftleitbleche (5) einen sich zum Rotor hin verengenden Trichter bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftleiteinheit zwei Paar Luftleitbleche (5) aufweist und dass die Luftleitbleche (5) in einer senkrecht zur Drehachse (4) verlaufenden Schnittebene punktsymmetrisch bezüglich der Drehachse (4) angeordnet sind.

Description

I. Beschreibung
1 Bezeichnung der Erfindung Walzen-Windgenerator zur Stromerzeugung
2 Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zwecke der Stromgewinnung aus Windkraft oder anderen Luftströmungen mittels eines horizontal oder vertikal angeordneten Walzenrotors, bekannt durch so genannte Querstrom- oder Tangentiallüfter.
Die Erfindung ist im Besonderen dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Walzenachse, die Form der Lamellen sowie die Form und Anordnung der Windstauhauben so angeordnet werden, dass eine Luft-Strömungsbeaufschlagung von zwei gegenüberliegenden Seiten den gleichen Effekt erzielt, wobei immer gleiche Laufrichtrichtung des Walzenrotors beibehalten wird.
Durch diese Konstruktion ergeben sich ein maximaler möglicher Wirkungsgrad und vielfältige Einsatzmöglichkeiten, die noch näher beschrieben werden.
3 Einsatzbereiche:

Schräg-Giebeldächer bei horizontaler Anordnung
Flachdächer bei horizontaler Anordnung
Vertikale Anordnung bei Gebäudekanten. Durchgängen, usw., an denen aufgrund des Gebäudestaues hohe Windströmungen entstehen.
Vertikale Anordnung an Masten, z. B. Strom- oder Sendemasten, Leuchttürme usw. An Auf-Überbauten (z. B. Toll Collect Mautbrücken), an Brücken, in Tunnels
Gebirgskanten, Uferkanten bei Gewässern
Bewegter Verkehr: Land-Wasser-Luftverkehr (z. B. Bremsstauhaube am LKW für die Bordnetz-Ladefunktion)

4 Vorteile gegenüber den bekannten Windrädern in Form von Turm-Rotorflüglern

Optische sehr gute und problemlose Anpassung an Hausdächer, Gebäudekanten, Flächen, entsprechend an die Landschaftsbilder;
Wesentlich höhere Standortmöglichkeiten, damit verbunden hohe Verbreitung mit effizienter Nutzung der Windenergie;
Sehr niedrige Geräuschpegel, dadurch keine Lärmbelästigung;
Keine Gefährdung der Vogelwelt und des Flugverkehrs;
Leichter selbstständiger Anlauf bei niederen Windgeschwindigkeiten, daher auch für Schwach-Windgebiete geeignet;
Keine Überdrehzahl bei hohen Windgeschwindigkeiten, deshalb keine besondere Überwachungseinrichtung u. ggf. Abschaltung wie bei Windrädern nötig;
Geringer Mess- und Steueraufwand für die optimale Windstellung;
Wartung mit wesentlich geringerem Kostenaufwand als bei den Turmrotoren;
In den Kleinserien kein stör- und wartungsanfälliges Getriebe;
Eine Massenproduktion und Vertrieb im Handel ist problemlos, weil bereits dem Bedarf entsprechende Normmodule hergestellt werden.

Die Anlagen können modulfähig aneinander gereiht bestückt werden. Deshalb kann die Anlage nach den Erfahrungen mit ein bis zwei Modulen jederzeit erweitert werden, die Investition für den Grundaufbau ist daher überschaubar.
Die Kosten dieser Vorrichtungen insgesamt werden bei einer Massenproduktion bei einem Bruchteil der Herstell- und Errichtungskosten herkömmlicher Windräder liegen, hierzu einige
Beispiele:

a) Herstellung mit bekannter Bauteiletechnik,
b) Wegfall von langwierigen Genehmigungsverfahren, Geländepacht, Fundamentkonstruktionen;
c) weit entfernte Trafostationen und lange Stromleitungen entfallen.
d) Wesentlich geringerer Zeitfaktor bis Fertigstellung, d. h. geringere Vorfinanzierung.
e) Wegfall der hohen Wartungskosten, z. B. in Getriebe oder wiederkehrende sehr kostspielige Sicherheits-Untersuchungen der Flügel, wie diese bei Windrädern vorgegeben sind. u. a.

5 Nachteil gegenüber den bekannten Windrädern in Form von Turm-Rotorflüglern:
Die Größe der einzelnen Module und damit ihrer Leistungen sind begrenzt. Der Einsatz ist vorwiegend für Kleinanlagen geeignet.
6 Stand der Technik

Diese Dokumente beschreiben ähnliche Vorrichtungen. Die Lamellen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind grundverschieden zu den in diesen Dokumenten beschriebenen Flügeln, da sie im Abstand zur Drehachse angeordnet sind.
In der Praxis sind dem Erfinder noch keine vergleichbaren Anlagen bekannt. Dies liegt im Wesentlichen daran, dass der Stand der Technik nicht die spezielle Anordnung der Lüfterwalze für den beidseitigen Lufteintritt bei gleicher Drehrichtung und gleichem Leistungsverhalten berücksichtigt. Damit wird die Leistung auf 50% reduziert und der Betrieb solcher Anlagen unwirtschaftlich.
Aus der DE 29 14 957 A1 ist eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
II Funktionsbeschreibung
7 Funktionsbeschreibung allgemein:
Der Walzen-Windgenerator besteht aus:

7.1 Einer Flügelwalze, in der um zwei Zentrierscheiben an deren äußerem Umfang mehrere entsprechend geformte Lamellen in bestimmtem Abstand angeordnet sind. (1–1)
7.2 Die Lamellen werden je nach Länge der Walze mit einem oder mehreren Stützringen am äußeren Umfang in Form gehalten. (1–2)
7.3 Die beiden Zentrierscheiben können gegeneinander um eine bestimmte Gradzahl verdreht werden. Damit wird eine spiralförmige Anordnung der Lamellen erreicht, die den Leichtanlauf bei Schwachwind optimiert. (1–3)
7.4 An den äußeren Seiten der Zentrierscheiben ist jeweils ein Wellenstück für Lagerung und Aufnahme der Generatorenwelle oder eines Zwischengetriebes angebracht. (1–4)
7.5 Die beiden Wellenenden sind neben den Stützscheiben zur Walzenaufnahme jeweils mit einem Leichtlauflager versehen, die wiederum in einer entsprechenden Haltevorrichtung aufgenommen werden. Die Ausführung dieser Haltevorrichtungen ist für den jeweiligen Einsatz (z. B. Aufbau auf dem Sparren-Gebälk eines Wohnhauses oder Flachdachaufbau) entsprechend modifiziert.
7.6 Bei vertikalem Einsatz ist zudem an der unteren Seite eine axiale Lagerung zur Aufnahme des vertikalen, axialen Druckes der Läuferwalze angebracht, die Leichtlauf garantiert.
7.7 Auf der Verlängerung eines der beiden Wellenenden wird der Läufer eines Stromgenerators (vorzugsweise Scheibengenerator) zur Stromerzeugung angekoppelt. Der Stator ist mit der Lagerhalterung fest verbunden. Je nach Anwendungsfall ist ein Zwischengetriebe erforderlich.
7.8 Ebenso ist die direkte Integration eines so genannten Scheiben-Generators in den Lamellenkorb möglich. Dabei wird der Läufer des Generators zur Aufnahme einer der Zentrierscheiben verwendet.
7.9 Die Flügelwalze wird durch zwei strömungsgerecht geformte fest angebrachte gegenüberliegende Luftleitbleche umgeben. Diese sind stirnseitig geschlossen, somit entsteht beidseitig eine Windstauhaube vor der Walze, die den Winddruck verdichtet von einer Seite von unten und gegenüberliegend von oben an die Walze führt. 2 zeigt die Form der Luftleitbleche (5) und die Strömungskennlinien (6).
7.10 Die Lagerung des Walzenrotors sowie der Anströmung und Ableitdüsen innerhalb der Luftstauhauben ist so gewählt, dass der Walzenrotor auch bei wechselnden Windrichtungen immer die gleiche Drehrichtung für unterbrechungsfreien Generatorbetrieb beibehält. (2–7 im Beispiel Drehrichtung rechts)
7.11 Hierbei kann der Windeinfallswinkel senkrecht zur Längsachse des Walzenrotor bis zu 65° von jeder Seite betragen. Somit werden die in der Regel vorhandenen beiden Hauptwindrichtungen ohne eine aufwändige Nachstellung des Walzengenerators ausgenützt. Insgesamt beträgt der gesamt nutzbare Einfallswinkel ca. 260° (4).

8 Funktionsbeschreibung bei Schräg/Giebeldach-Anordnung:

8.1 Der Walzen-Windgenerator kann fast auf jedem Gebäude mit Schräg- oder Giebeldach über dem First montiert werden. Er nützt die bekannten abgelenkten Aufwinde der dem Wind zugewandten Seite des Gebäudes und gleichzeitig die Sogwirkung der Wind abgewandten Seite.
8.2 Die Halterung mit Walzenrotor und Windhaube ist so angeordnet, dass der einfallende Wind von beiden Seiten des Walzenrotors bei gleich bleibender Drehrichtung genützt wird. Zu diesem Zweck wird der Walzengenerator zur Hauptwindrichtung hin axial aus der Windabrisskante in entsprechendem Abstand unterhalb der Firstkante gelagert. Somit trifft der Wind entweder auf die untere oder aus der Gegenrichtung kommend auf die obere Hälfte der Rotorlamellen. (3–8)
8.3 Zur Ein- und Auslass-Optimierung des Windstromes wird eine schwenkbare, sogenannte Windstauhaube. montiert, die in entsprechend strömungsgerechter Form den Walzenrotor umschließt. Gelagert wird diese stirnseitig über zwei Halbscheiben auf der Welle. Die Windstauhaube ist schwenkbar, somit kann sie auf optimale An- und Abströmeinstellung zur jeweiligen Windrichtung um ca. 20° geschwenkt werden. (3–9)
8.4 Die Verstellung erfolgt über eine elektrische Magnetzugeinrichtung oder einen elektrischen Spindelmotor, deren Ansteuerung auch unter 4.2 beschrieben ist.
8.5 Analog zu Ziff. 7.11 ist der mögliche Windeinfallswinkel hier gleich zu sehen. (4)

9 Funktionsbeschreibung bei Aufbau auf Flachdächern und sonstigen horizontalen Aufbauflächen (Fig. 5) und (Fig. 6):

9.1 Für diese Anwendung wird der in Ziff. 1 vorgestellte Walzen-Windgenerator mit einem Flachdach-Trägergestell montiert. (5–10)
9.2 Die Windstauhauben können individuell nach Gebäude und Umgebung formgestaltet werden.
9.3 Optional können in diese Windstauhauben Solarzellen für Photovoltaik oder thermische Sonnenkollektoren für Brauchwassererwärmung integriert werden. (6) Die Solarflächen dienen hierbei gleichzeitig als Anström- (6–11) bzw. Staufläche (6–12). Damit wird der Platzanspruch sowie der Trägeraufbau der Rotorenanlage und bei Photovoltaik die elektrische Einrichtung (Regler, Wandler usw.) optimal für die regenerative Energiegewinnung genützt.

10 Funktionsbeschreibung einer Konstruktion als sogenannte Windrichtungsanpassung per Verdrehmechanismus des Walzenträgers (Fig. 5)

10.1 Hierbei wird der gesamte Walzenrotor mit Generator so auf der Trägerkonstruktion montiert, dass die Wellenlagerung der Generatorseite in einen Drehpunkt (7–13) und die gegenüberliegende Seite auf einer halbrunden Schlittenkonstruktion (7–14) gelagert wird, die ein Schwenken von +/–30° ermöglicht. Damit wird die Längsachse des Rotors und somit die beiden Windeinfallflächen in optimale Anstellwinkel zur Windrichtung (90°) gebracht. Dies ist vor allem bei größeren Anlagen zur Leistungsoptimierung vorgesehen.
10.2 Die Ansteuerung erfolgt über einen elektronischen Windrichtungsmesser, der einen Mittelwert über einen bestimmbaren Zeitraum ermittelt. Über einen elektrischen Spindel- oder hydraulischen Antrieb an der Schlittenseite erfolgt dann die Zustellung.

11 Durch eine Massenproduktion mit -in günstigstem
Kosten/Nutzenverhältnis festgelegten Seriengrößen- können je nach Bedarf oder Platzangebot bei allen vorgestellten Anwendungen mehrere Module in Reihe aufgebaut werden.
12 Funktionsbeschreibung einer Konstruktion als so genannte Windstaubremse bei bewegten Fahrzeugen

12.1 Bekannt sind z. B. die Windabweiser auf den Fahrzeugkabinen der LKWs. Diese können mit einfachen Mittel mit den vorgestellten Walzenrotoren (8–15) bestückt werden.
12.2 Analog zur vorgestellten Schwenkhaube für Schrägdächer wird hier eine ähnliche Schwenkhaube verwendet, die beispielsweise mit dem Gas- oder Bremspedal den Lufteintritt zur Walze öffnet oder schließt. Im offenen Zustand (bei Bremsleistung oder Talfahrt) als natürliche Bremse mit gleichzeitiger Bordstrom-Ladefunktion (8–16), im geschlossenen Zustand (bei Antriebsleistung) funktioniert die Haube als Windabweiser (9–17). Am unteren Lufteintritt befindet sich ein entsprechender Anströmkeil. (7–18)

Zeichnungslegende

Beschreibung Ziff.	Kurz-Bezeichnung	Zeichnung	Figur	Bezugszeichen-Nr.
1.1	Walze	1	1
1.1	Zentrierscheibe/Lamellen	1	1	1
1.2	Stützringe	1	1	2
1.3	Spiralform	1	1	3
1.9	Luftleitbleche	1	2	5
19	Strömungskennlinien	1	2	6
1.10	Drehrichtung	1	2	7
2.2	Drehrichtung Schrägdach	2	3	8
2.3	Schwenkbereich Haube	2	3	9
1.11 u. 2.5	Windeinfallswinkel	2	4
3.3	Solarfläche Anströmseite	3	6	11
3.3	Solarfläche Stauseite	3	6	12
4.1	Flachdachträger Schlitten	4	7	14
6.1	Windabweiser Walze	5	8	15
6.2	Anströmkeil	5	8	17

Claims

Vorrichtung zur Umwandlung von Windenergie mit einem um eine Drehachse (4) drehbar gelagerten Rotor, der die Form eines Querstromventilators mit einer Walze und mit an der Walze befestigten, sich in Längsrichtung der Walze erstreckenden Lamellen (1) aufweist, und mit einer Luftleiteinheit zur Zuleitung von Luft auf den Rotor, welche die Luft in eine Richtung leitet, die an der Drehachse (4) vorbei führt, wobei die Luftleiteinheit mindestens ein Paar Luftleitbleche (5) aufweist, die jeweils zumindest abschnittsweise in einer Ebene verlaufen, wobei die Drehachse (4) außerhalb eines von den beiden Ebenen begrenzten Raumes angeordnet ist, und wobei das Paar Luftleitbleche (5) einen sich zum Rotor hin verengenden Trichter bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftleiteinheit zwei Paar Luftleitbleche (5) aufweist und dass die Luftleitbleche (5) in einer senkrecht zur Drehachse (4) verlaufenden Schnittebene punktsymmetrisch bezüglich der Drehachse (4) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftleitbleche (5) gegenüber dem Rotor begrenzt beweglich sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (1) zwischen zwei den Rotor in axialer Richtung begrenzenden Zentrierscheiben verlaufen und dass die Zentrierscheiben so gegeneinander bezüglich der Drehachse (4) verdreht sind, dass die Lamellen (1) in Schraubenlinien verlaufen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftleiteinheit mit Solarzellen bestückt ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Halteeinrichtung (10) zur Befestigung an einem feststehenden Bauteil wie einem Hausdach, welche einen Drehmechanismus (13) zum Drehen des Rotors und der Luftleiteinheit bezüglich des feststehenden Bauteils aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Stromgenerator, dessen Läufer mit dem Rotor verbunden ist.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Montage auf dem Dach eines Kraftfahrzeugs.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass am Fahrzeugdach eine Schwenkhaube (16, 18) montiert ist, die beim Bremsen den Lufteinlaß im Rotor freigibt und beim Beschleunigen den Lufteinlaß verschließt.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit vertikal angeordneter Drehachse zur Montage an einem Mast.