DE102008005553A1 - Neuartige Wind- und Wasserkraftgeneratoren zur Erzeugung von Strom aus regenerativer Energie - Google Patents

Neuartige Wind- und Wasserkraftgeneratoren zur Erzeugung von Strom aus regenerativer Energie Download PDF

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Abstract

Die Generatoren bestehen aus 360° drehbaren Gehäuse und einem sich horizontal drehenden Flügelrad. Unter dem Generator befindet sich ein Sockel, in dem der/die Generator/en und die Steuerungstechnik untergebracht sind.

Description

  • Kurzfassung
  • Die Generatoren bestehen aus einem 360° drehbaren Gehäuse und einem sich horizontal drehenden Flügelrad. Unter dem Generator befindet sich ein Sockel in dem der, die Generator/en und die Steuerungstechnik untergebracht sind.
  • Stand der Technik
  • Die heute bekannten und weit verbreiteten Windgeneratoren bestehen aus einem Rotor, einem Maschinenhaus (Gondel), einem Turm und einem Fundament. Der Rotor besteht aus drei, sich offen, vertikal drehenden Flügeln. Die Nennleistung der modernsten Windgeneratoren liegt bei bisher maximal 6 Megawatt. Bei einer Windgeschwindigkeit von etwa 3,5 Meter/Sekunde wird der Windgenerator eingeschaltet. Die Nennleistung wird bei ca. 12 Meter/Sekunde erreicht. Bei ungefähr 25 Meter/Sekunde wird der Windgenerator abgeschaltet.
  • Die weltweit gemessenen Windgeschwindigkeiten liegen je nach Standort zwischen 4 und 11 Meter/Sekunde im Jahresdurchschnitt.
  • Beschreibung
    • 1. Das Gehäuse ist asymmetrisch aufgebaut und hat die Form zweier sich mit der flachen Seite gegenüberstehenden Flügel mit einer vertikalen Flügelachse. Einer der beiden Flügel ist im Gehäuse verstellbar. Das Gehäuse ist um 360° drehbar. Dadurch wird die Windeinlassseite des Gehäuses immer optimal in den Wind gestellt. Die flügelartige Konstruktion des Gehäuses erzeugt einen Unterdruck auf der Windauslassseite. Der verstellbare Flügel reguliert die in das Gehäuse einströmende Luftmenge und damit auch die Drehzahl des Windrades. Das Gehäuse kann auf der Windeinlassseite geschlossen werden. Die asymmetrische Form des Gehäuses verdeckt auf der Windseite die sich gegen die Windrichtung drehenden Rotorblätter des Windrades. Gleiches gilt für die Anwendung unter Wasser.
  • Zeichnungen Gehäuse
    • 1.1
    Gehäuse bei schwachem Wind.
    1.2
    Gehäuse bei durchschnittlichem Wind.
    1.3
    Gehäuse bei starkem Wind.
    1.4
    Gehäuse geschlossen bei extremem Wind oder zur Wartung.
    • 2. Der Rotor besteht aus einer ungeraden Anzahl von Rotorblättern, die zweiseitig befestigt sind. Die Rotorblätter sind gewölbt und symmetrisch. Die Form der Rotorblätter bewirkt einen Auftrieb der senkrecht zum Wind stehenden Rotorblätter zur Windströmungsachse in Drehrichtung. Die Wölbung der Rotorblätter bietet einen hohen Angriffspunkt der wagrecht zur Windströmungsachse stehenden Rotorblätter.
  • Zeichnungen Rotor
    • 2.1
    Rotor mit 5 Rotorblättern.
    2.2
    Rotor mit 7 Rotorblättern.
    • 3. Unter dem Windgenerator befindet sich ein Sockel, in dem die Technik untergebracht ist. Der Sockel kann aus Stahl oder Stahlbeton hergestellt sein. Der Windgenerator kann auch auf einem Turm montiert werden, der ebenfalls aus Stahl oder Stahlbeton hergestellt sein kann. Hierbei dient der Sockel gleichzeitig als Fundament für den Turm. Die Kraft des Windrades wird dabei mittels einer Welle in den Sockel übertragen. In dem Sockel befindet sich je nach Baugröße, ein oder mehrere Stromgeneratoren. Bei Großwindgeneratoren kommen mehrere Stromgeneratoren zum Einsatz. Diese werden mittels einer elektronischen Steuerung zu, oder abgeschaltet.
  • Zeichnung Bauformen
    • 3.1, 3.2, 3.3
    zeigen die unterschiedlichen Bauformen mit Sockel.
    • 4. Der Windgenerator kann in beliebiger Größe hergestellt werden. Bei kleinen und mittleren Baugrößen kann der Stromgenerator und die Steuerung aus Platzgründen auch direkt in der Rotormitte untergebracht sein. Auf den Sockel wird dabei verzichtet.
    • 5. Die Einsatzgebiete der Windgeneratoren sind sehr vielfältig. Sie können wie herkömmliche große Windgeneratoren eingesetzt werden (3.2). Sie können auf Flachdächern montiert werden (3.3), zum Beispiel: Produktionshallen, Hochhäuser oder Einfamilienhäuser. Weitere Einsatzgebiete sind die Flugzeug-, Fahrzeug- und Schiffstechnik (3.3 und 3.1).
  • Die Vorteile gegenüber den bisher bekannten Großwindgeneratoren:
    • 1. Durch das sich unter dem Windrad befindliche Maschinenhaus, Sockel gibt es folgende Vorteile.
    • • Die Gefahr, dass bei einem Blitzschlag Steuerung, Generator, und Transformator beschädigt werden verringert sich um ein vielfaches, da der Sockel als faradayscher Käfig fungiert.
    • • Die Größe des Maschinenhauses erlaubt den Einbau einer automatischen Feuerlöschanlage. Dadurch halten sich Brände einigermaßen in Grenzen. Sollte es zu einem größeren Brand kommen, kann die Feuerwehr leicht löschen. Bei einer Bauhöhe von 100 Metern und mehr, werden herkömmliche Windgeneratoren bei einem Brand von der Feuerwehr aufgegeben, da sie in dieser Höhe nicht löschen können.
    • • Die Windräder der Großwindgeneratoren sind mit einem automatischen, zentralen Schmiersystem, oder mit elektromagnetischen Lagern ausgerüstet. Hierdurch verringern sich die Wartungsintervalle für den Rotor enorm. Alle weiteren Bauteile, die sich im Sockel befinden, wie Stromgeneratoren, ggf. Getriebe, Transformator, können, da sie sich in Bodennähe befinden, einfach gewartet, oder ohne Kran ausgetauscht werden.
    • • Durch die Bauart mit mehreren Stromgeneratoren kann die Windkraftanlage auch bei Verlust eines, oder mehrerer Stromgeneratoren in Betrieb bleiben und Strom erzeugen. Herkömmliche WKA besitzen nur einen Stromgenerator und oder Getriebe. Bei einem Ausfall dieser Bauteile bedeutet dies einen vollständigen Stillstand der WKA. Der Aufwand diese Bauteile in 100 Metern Höhe auszutauschen ist sehr groß. In vielen Ländern, in denen der Bedarf für WKA besteht gibt es keine fahrbaren Kräne dieser Größenordnung. Deshalb müssen diese zur Montage der WKA mitgebracht werden. Da sie wieder zurückgenommen werden, stehen sie nicht kurzfristig für eine Reparatur zur Verfügung. Das bedeutet einen längeren Ausfall der WKA.
    • • Der Sockel kann schallisoliert werden, dadurch ist WKA nahezu geräuschfrei.
  • 2. Rotor
    • • Der Rotor ist mindestens zweifach gelagert. Die obere und untere Aufnahme der Rotorblätter sind mittels einer Welle starr verbunden. Dadurch und durch die ungerade Anzahl der Rotorblätter wird eine Torsinn in sich des Rotors vermieden. Deshalb kann der Rotor sehr große Angriffsflächen für den Wind haben. Dies bedeutet eine wesentlich höhere Energieausbeute. Bei den bisherigen WKA sind die Rotorblätter einseitig auf einer Welle montiert. Die Welle ist in der Gondel gelagert. Die Rotorblätter haben eine Länge von ungefähr 70 Meter. Durch die vertikale Drehbewegung des Rotors, die Erdanziehungskraft, die Umfangsgeschwindigkeit und den Winddruck wirken enorme Kräfte, Fliehkräfte auf die einfach befestigten Rotorblätter, besonders auf die Spitzen der Rotorblätter. Bei Temperaturen unter 0° Celsius kann sich auf den Rotorblättern eine Eisschicht bilden. Diese erhöht nochmals das Gewicht. Ist die Eisschicht zu schwer, wird sie unvermittelt davon geschleudert, so genannter „Eiswurf"
    • • Der Rotor hat keine verstellbaren Rotorblätter. Er ist deshalb eine stabile, nahezu wartungsfreie Einheit. Ein Verstellmechanismus für Rotorblätter wie in herkömmlichen WKA entfällt.
  • 3. Gehäuse
    • • Das Gehäuse dient als Steuerung und gleichzeitig zum Schutz des Rotors bei sehr hohen Windgeschwindigkeiten. Der am Gehäuse angebrachte verstellbare Flügel öffnet oder schließt die Windeinlassseite. Durch die Form des Gehäuses entsteht auf der Windauslassseite ein Unterdruck. Bei der Entnahme von Leistung aus der Windströmung verlangsamt sich der Wind hinter dem Rotor. Der Unterdruck bewirkt einen schnelleren Abtransport der verlangsamten Windströmung. Das hat den Vorteil, dass mehr Leistung entnommen werden kann als bei einer frei angeströmten, offenen WKA. Zusätzliche Vorteile sind, dass sich die WKA schon bei geringen Windgeschwindigkeiten einschaltet und bei hohen Windgeschwindigkeiten nicht abgeschaltet werden muss. Auch die Windgeschwindigkeiten bei der die WKA ihre Nennleistung erreicht sind wesentlich geringer als bei herkömmlichen WKA. Dem zu Folge steigt die jährliche Energieausbeute.

Claims (12)

  1. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie durch Ausnutzung der Energie eines in eine Richtung strömenden Fluids, mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie, einem drehbar gelagerten Rotor, wobei die Drehachse senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids angeordnet ist und der Rotor mit dem Generator gekoppelt ist und diesen antreibt, und mehreren Rotorblättern, die am Rotor angebracht sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse vorgesehen ist, welches den Rotor mit den Rotorblättern aufnimmt, wobei das Gehäuse eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung für das Fluid aufweist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnung so ausgestaltet ist, dass nur Rotorblätter angeströmt werden, die auf einer Seite der Drehachse liegen.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsquerschnitt der Einlassöffnung veränderbar ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse mit der Einlass- und Auslassöffnung drehbar gelagert ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse asymmetrisch aufgebaut ist und die Form zweier sich mit der flachen Seite einander gegenüberstehender Flügel mit einer vertikalen Flügelachse hat.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden Flügel verstellbar ist, um die Einlassöffnung zu verstellen und folglich die in das Gehäuse einströmende Fluidmenge zu steuern.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine ungerade Anzahl von Rotorblättern vorgesehen ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter gewölbt ausgebildet sind.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse so ausgebildet ist, dass ein Unterdruck auf der Seite der Auslassöffnung entsteht, der die Fluidströmung durch den Rotor fördert.
  11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid Luft ist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid Wasser ist.
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