DE102008027241A1

DE102008027241A1 - Vertikal-Windkraftanlage sowie Rotorblatt

Info

Publication number: DE102008027241A1
Application number: DE102008027241A
Authority: DE
Inventors: Sandeo Concolato
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-06-06
Filing date: 2008-06-06
Publication date: 2008-12-11
Also published as: DE202007008125U1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine vertikale Windkraftanlage umfassend mindestens einen Rotorflügel (20), der als Widerstandsläufer ausgebildet ist, wobei der Rotorflügel (20) über mindestens eine Klappe (30) verfügt, welche sich verschließt, wenn der den Rotorflügel (20) antreibende Wind auf die dem Wind zugewandte Seite auf sie trifft und die sich öffnet, wenn der den Rotorflügel (20) antreibende Wind auf die nach einer Drehung dem Wind zugewandten Rückseite des Rotorflügels (20) auf sie trifft.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vertikal-Windkraftanlage sowie ein Rotorblatt.
Windkraftrotoren sind bekannt und heute als horizontal rotierende Windräder, d. h. mit horizontal angeordneter Rotationsachse bereits vielfach im Einsatz. Die horizontalen Windräder weisen zwar bereits einen beachtlichen Wirkungsgrad auf, aber auch bekannte Nachteile, wie Geräuschentwicklung, Windrichtungsnachführung, starke einseitige Verschleisserscheinung der Lager durch Ihre horizontale Lage und ihr Gewicht.
Aus diesem Grunde wurden vertikal rotierende Windräder mit vertikaler Achse konzipiert. Sie machen so gut wie keine Laufgeräusche, haben keine einseitige Lagerbelastung, es ist keine Windrichtungsnachführung notwendig und das Gewicht ist wesentlich geringer als beim horizontalen Windrad.
Vertikale Windräder weisen allerdings auch Nachteile auf wie bei einem Savoniusrotor, der als Widerstandsläufer gilt. Er ist in seinen Drehzahlen begrenzt, denn wenn bezogen auf die Rotation eines Rotorflügels auf der Hintour Wind in diesen hinein geblasen wird, muss dieser auf der anderen Seite der Halbschale verdrängt werden. Und auf der Rücktour wirkt der entgegen strömende Wind als Bremse, weil der Rotor auf seiner ganzen Breite vom Wind angeströmt wird.
Ein Darrieusrotor hat hingegen schlechte Anlaufeigenschaften, weswegen er zum Anlaufen kurzzeitig angetrieben werden muss. Bei stärkerem Wind erreicht er allerdings sehr beachtliche Drehzahlen und bremst sich nicht aus wie beim Savoniusrotor.
Um den Wirkungsgrad von Windkraftanlagen zu verbessern, wurden zahlreiche Bemühungen unternommen.
So ist aus der DE 10 2004 053 477 A1 ein Windkraftrotor bekannt, welcher kleine Hauptwiderstandsprofile und daneben Nebenwiderstandprofile aufweist, um auf der Rücktour weniger Windwiderstand zu liefern.
Die DE 103 21 193 A1 offenbart eine Windkraftanlage mit vertikaler Rotorwelle, die im Zentrum einen Windablenkkörper und Darrieusflügel im Außenbereich umfasst.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Windkraftrotor und eine Windkraftanlage zur Verfügung zu stellen, welche einen höheren Wirkungsgrad besitzen, die Nachteile des Standes der Technik überwinden, sowie leicht und preiswert herstellbar sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Rotor mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie mit einem Rotorflügel mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 23 gelöst.
Mit dem erfindungsgemäßen Windkraftrotor sowie dem erfindungsgemäßen Rotorflügel ist es möglich, die Windenergie besonders effizient umzusetzen.
Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.
Von den Abbildungen zeigt:
1 eine Aufsicht auf den Querschnitt eines erfindungsgemäßen Rotors,
2 eine Seitenansicht auf die Rotorblätter
3 eine Aufsicht auf den Querschnitt eines erfindungsgemäßen Rotors, der als Savoniusrotor ausgestaltet ist
4 eine Seitenansicht einer vertikalen Windkraftanlage.
1 zeigt eine Aufsicht auf den Querschnitt eines erfindungsgemäßen vertikal montierten Rotors. In der Mitte befindet sich die Rotorachse 10, an die Rotorflügel 20 (bzw. 20a, 20b, 20c) angebracht sind. Die Rotorflügel 20 sind gebogen. Die Rotorflügel 20 umfassen Klappen 30 (bzw. 30a, 30b, 30c), die in Richtung der konkaven Rotorflügelseite durch Winddruck geöffnet werden können. Im Außenbereich des Rotors befinden sich Flügel 40 (bzw. 40a, 40b, 40c), die als Darrieusflügel ausgebildet sind und die über Haltemittel 50 (50a, 50b, 50c) mit der Rotorachse 10 verbunden sind.
Die Seitenansicht gemäß 2 zeigt eine Ausführungsform, bei der auf den Rotorflügeln 20 jeweils zwei Klappen 30 übereinander angeordnet sind.
In 3 haben dieselben Vorrichtungsmerkmale die gleichen Bezugszeichen. In der Aufsicht sind die Rotorflügel 20 als Savoniusflügel ausgebildet.
4 zeigt eine vertikale Windkraftanlage, die eine Rotorachse 10, Rotorflügel 20, Darrieusflügel 40, sowie eine feststehende Achse 50, einen Stator 60 sowie ein permanent erregtes Polrad 70, welches sich um den Stator 60 dreht, umfasst.
Im Folgenden soll das Grundprinzip der Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen genauer dargestellt werden.
Die Windkraftanlage, die vorzugsweise vertikal ausgestaltet ist, umfasst einen Rotor und einen Stator 60.
Der Rotor umfasst innere Rotorflügel 20, die an der Rotorachse 10 angebracht sind.
In einer einfachen Ausführungsform sind flache Rotorflügel 20 vorgesehen, welche an der Rotorachse 10 befestigt sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Rotorflügel 20 gebogen, so dass sie bezogen auf die Hintour des Rotors eine konvexe Seite aufweisen, welche der Seite des einfallenden Windes abgewandt ist und eine konkave Seite, welche der Seite des einfallenden Windes zugewandt ist. Auf der Rücktour ist die konvexe Seite dem einfallenden Wind zugewandt, die konkave Seite dem einfallenden Wind abgewandt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Rotorflügel 20 als Savoniusflügel ausgebildet. Hierbei haben die einzelnen Flügel keinen Kontakt zur Rotorachse 10, sondern umgreifen diese, wie in 3 dargestellt, an einem Ende des Rotorflügels 20. Hierdurch wird der beispielsweise in den Rotorflügel 20a einfallende Wind zum Zentrum des Rotors umgeleitet und in die konkave Seite des Rotorflügels 20b geführt, wo er zu einem zusätzlichen gleich wirkenden Rotationsschub führt. Hierdurch wird die Effizienz des Rotors gesteigert. Bei der Ausgestaltung als Savoniusflügel muss die Rotorachse 10 nicht physisch vorhanden sein, wenn die Rotorblätter 20 des Savoniusflügels durch eine obere und/oder untere Platte fixiert sind.
Die Anzahl der Rotorflügel 20 kann bei allen Ausführungsformen variieren, bevorzugt sind jedoch 2, 3 oder 4 Rotorflügel 20 oder ein oder mehrere, beispielsweise 1 bis 4 Flügelpaare, die aus jeweils zwei Rotorflügeln 20 bestehen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform, welche bei allen Typen von Rotorflügeln 20 eingesetzt werden kann, befindet sich auf mindestens einem Rotorflügel 20 mindestens eine Klappe 30, welche einen Durchtritt von Windströmen ermöglicht, die auf der Rücktour auf die konvexe Seite, d. h. auf die Seite treffen, von der der Wind kommt. Die Klappe 30 ist daher bei der Ausführungsform mit gebogenen Flügeln beim Übergang von der Hintour zur Rücktour, d. h. wenn sich die konvexe Seite des Rotorflüges 20 in den Wind dreht, zu öffnen, um den Windwiderstand durch Verringerung der Windangriffsfläche zu reduzieren. Die Klappen 30 sind geschlossen, wenn der Wind auf die konkave Seite des Rotorflügels 20 trifft, so dass die gesamte Flügelfläche als Auftrittsfläche für den Wind zur Verfügung steht, und sind geöffnet, wenn sich die konvexe, dem Wind zuvor abgewandte Seite nach der Rotation des Rotorflügels 20 in Richtung des einfallenden Windes gedreht hat, so dass in dieser Position nicht die gesamte Fläche des Rotorflügels 20 dem Wind entgegensteht. Hierdurch wird wiederum der Wirkungsgrad des Rotors verbessert.
Die Klappen 30 können beispielsweise durch Federstahl oder aus flexiblem Kunststoff bestehen. Eine weitere Möglichkeit ist, Klappen mit Scharnieren zu befestigen.
Auf einem Rotorflügel 20 können sich eine, zwei oder mehrere Klappen befinden.
Die Rotorflügel 20 können oben und unten von einer Platte abgedeckt sein.
In einer weiteren Ausführungsform können mindestens zwei Ebenen von Rotorflügeln 20 übereinander angeordnet sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform, können zwei Ebenen übereinander angeordnet sein, die in einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform in Bezug auf die Rotorachse 10 in einem Winkel zueinander versetzt sind. Insbesondere bei einer Ausführungsform, die von zwei übereinander angeordneten Paaren von Savoniusflügeln Gebrauch macht, ist es bevorzugt, die übereinander stehenden Paare um 90° gegenüber der Rotorachse 10 verdreht fest anzuordnen, so dass die Projektion der Flügelachsen eine Kreuzform bildet. Dies hat den Vorteil, dass die Windangriffsfläche erhöht wird und auch bei geringer Windstärke eine beachtliche Drehzahl erreicht wird.
Besitzt ein Rotor n Flügelpaare oder n Flügel, so können die Flügelpaare oder die Flügel in Bezug auf die Rotationsachse zueinander in einem Winkel von vorzugsweise 360°/2n für Flügelpaare und 360°/4n für Flügel versetzt sein.
Die Rotorflügel 20 haben den Vorteil, dass sie bereits bei geringen Windgeschwindigkeiten gut anlaufen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung befinden sich im äußeren Bereich des Rotors Darrieusflügel 40.
Diese haben den Vorteil, dass ihre Funktion nicht von der Windrichtung abhängt. Die Zahl der Darrieusflügel 40 ist wiederum frei wählbar, beträgt aber vorzugsweise 2, 3 oder 4. Vorzugsweise ist die Anzahl der Darrieusflügel 40 gleich der Anzahl der Rotorflügel 20. Dies dient der Stabilisierung des Rotorkopfes und zur besseren Optik des Rotorkopfes. Weiterhin wird eine höhere Drehzahl erreicht, jedoch muss die Anzahl der Darrieusflügel 40 und der Rotorflügel 20 nicht zwingend identisch sein.
Der Rotor soll in einer bevorzugten Ausführungsform aus leichtem Material bestehen oder dieses umfassen.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn das Material witterungsbeständig ist und beispielsweise einem rauen Seeklima standhalten kann.
Zu diesem Zweck können insbesondere Kunststoff oder Aluminium oder eine Kombination zum Einsatz kommen. Insbesondere kann als Beispiel für ein Verbundmaterial Dibond eingesetzt werden.
Dibond besteht im Kern aus Polyethylenkunststoff, der beispielsweise schwarz ist, und einer Außenhaut aus Aluminium. Die Eigenschaften von Dibond sind Dauerhaftigkeit, Witterungsbeständigkeit, sehr gute UV-Stabilität, Temperaturbeständigkeit von –50° Celsius bis +80° Celsius, hohe Stabilität leichte Bearbeitbarkeit, harte Einbrennlackierung, hohe Biegefestigkeit, geringes spezifisches Gewicht sowie Chemikalienbeständigkeit.
Grundsätzlich kann jedes Teil des Rotors aus jedem der genannten Materialien gefertigt sein. Bevorzugt ist jedoch, eine Ober- und/oder Unterplatte aus Dibond einzusetzen.
Für die Rotorflügel 20 ist es bevorzugt, Aluminium oder Edelstahlblech zu verwenden, das eine Stärke von 0,75 bis 1,5 mm, besonders bevorzugt 0,9 bis 1,1 mm oder 1 mm besitzt und seewasserfest ist.
Für die Klappen 30 kann Stahl, vorzugsweise leichter Stahl, besonders bevorzugt leichter Federstahl, eingesetzt werden. Es kann auch das gleiche Material eingesetzt werden, das bei den Rotorflügeln 20 zum Einsatz kommt. Vorzugsweise haben die Klappen eine Dicke von 0,3 bis 0,5 mm, bei Verwendung von Kunststoff mindestens 0,5 mm. Es ist auch denkbar, die Klappen aus einem leichten Kunststoff zu fertigen. Grundsätzlich ist es umso vorteilhafter, je leichtgängiger die Klappen sind.
Die Darrieusflügel 40 sind in einer bevorzugten Ausführungsform aus wasserfestem Kunststoff.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Darrieusflügel 40 ein Innenrohr zur Stabilisierung aufweisen, welches bevorzugt aus Kunststoff besteht.
Als Kunststoffmaterialien können beispielsweise PVC oder Foamalux als Beispiel für einen geschäumten Kunststoff eingesetzt werden, welche ähnliche Eigenschaften haben wie Dibond.
Die eingesetzten Kunststoffrohre in den Darrieusflügeln können aus einfachem PVC, wie es beispielsweise für Abflussrohre verwendet wird, bestehen, da diese nach außen nicht sichtbar werden. Die geformte Außenhaut besteht vorzugsweise aus Foamalux. Des Weiteren können die Darrieusflügel auch aus Metall wie z. B. Aluminium oder Edelstahl bestehen.
Der Rotor wechselwirkt mit Mitteln zum Umsetzen der Rotationsenergie in elektrische Energie. Hierzu können verschiedene Mechanismen eingesetzt werden.
Der in 4 dargestellte Rotor 10 und 20 ist eine Zusammenfassung aus Savonius und Darrieusrotor. Der Anlauf erfolgt über einen integrierten Savoniusantrieb, und die Drehzahl wird nachher über den auf den Außenflanken integrierten Darrieusrotor erreicht. Der Windkraftrotor besitzt eine vertikale Zentralachse, um die er drehbar ist, und weist mindestens zwei oder besser noch drei bis vier Flügelpaare mit im Wesentlichen radial angeordneten Rotorblättern auf, die den Rotor in gleich große Sektoren unterteilen.
Der innere Teil des Rotors besteht wegen des guten Anlaufverhaltens aus einem Savoniusrotor (Widerstandsläufer). Um den Widerstand zu verringern, sind Luftklappen (Ventile) in die Windfangbleche eingelassen, 2.
Die Luftklappen schließen sich bei der Hintour, d. h. bei eintretendem Wind durch den alleinigen Winddruck. Somit wird hier der maximale Wind ausgenutzt. Auf der Rücktour öffnen sich die Klappen automatisch durch die breite Windanströmung und bremsen den Rotor wesentlich weniger ab, 1 und 3.
Die Klappen sind aus leichtem Federstahl. Somit wird auf der Hintour eine maximale Windauslastung erreicht, auf der Rücktour der strömungstechnische Widerstand minimiert und so die Drehzahl gesteigert.
Der Rotor ist aus leichtem witterungsbeständigem Material geschaffen. Zum Einsatz kommt ein Material, welches aus wetterfestem Kunststoff und Aluminium besteht (Dibond) für die Ober- und Unterplatte. Die Windfangbleche des Savoniusrotors, in dem die Luftklappen eingelassen sind, der zum Anlauf des Rotors dient, sind aus 1 mm seewasserfesten Aluminiumbögen gefertigt. Die seitlichen Auftriebsläufer (Flügel) des Darrieusrotors sind aus wetterfestem Kunststoff oder Aluminium gebogen, und in deren Innenteil dient ein Kunststoffrohr zur Stabilisierung.
Die Lagerung des Rotors ist ebenfalls preiswert und effektiv. Hier kommt eine Achsaufnahme mit zwei Kegelrollenlagern zum Einsatz. Derart gelagerte Achsen können mehrere Tonnen Belastung standhalten, so dass die Lagerung ausreichend ist, einen Rotorkopf mit einer Höhe von 1 m bis 3 m und einem Durchmesser bis zu 2 m tragen zu können und dem Winddruck eines Orkans standzuhalten.
Zum Erzeugen von Energie wird unter dem Rotor ein Generator als Direktantrieb angeflanscht. Hier kommt ein so genannter hochpoliger permanent erregter bürstenloser Außenläufer oder Scheibenläufer zum Einsatz. Der Stator wird an der horizontalen sich nicht drehenden Achse befestigt, auf der die Lagerung sitzt und auf der der Rotorkopf montiert ist (siehe 4). Das pulsierende Magnetfeld (Polrad) mit Permanentmagneten wird unter dem Rotor befestigt und über den Stator gestülpt und zentriert (beim Außenläufer). Durch die Drehbewegung des Rotors wird das Magnetfeld mitgenommen und dreht sich um den Stator berührungsfrei. Es entsteht elektrische Energie.
Beim Scheibenläufer funktioniert es ähnlich. Auf einer 360° runden Platte werden Spulen kreisrund aufgelegt. Diese bilden den Stator. Diese Platte wird an der Achse vertikal befestigt. Über diese Statorplatte kreist vertikal eine Platte mit Magneten, die am unteren Ende des Rotors befestigt ist und vom Rotor angetrieben wird. Dies geschieht alles berührungslos. Somit ist auch hier wie beim Außenläufer eine reibungslose Energiegewinnung gegeben.
Durch eine zusätzlich angebrachte Riemenscheibe ist es unter anderem auch möglich, mit Hilfe der Rotorkraft beispielsweise eine mechanische Wasserpumpe oder einen Kompressor anzutreiben.
Der Innenrotor und der Außenrotor sind vorzugsweise fest miteinander verbunden, so dass sie stets die gleiche Umlaufdauer besitzen.
Bei einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist der mittlere Rotor ein Widerstandsläufer und der Darrieusrotor kein Widerstandsläufer.

10: Rotorachse
20: Rotorflügel
30: Klappe
40: Darrieusflügel
50: Haltemittel
60: Stator
70: Polrad

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102004053477 A1 [0007]
- DE 10321193 A1 [0008]

Claims

Rotor für eine vertikale Windkraftanlage umfassend mindestens einen Rotorflügel (20), der als Widerstandsläufer ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorflügel (20) über mindestens eine Klappe (30) verfügt, welche sich verschließt, wenn der den Rotorflügel (20) antreibende Wind auf die dem Wind zugewandten Seite auf sie trifft und die sich öffnet, wenn der den Rotorflügel (20) antreibende Wind auf die nach einer Drehung dem Wind zugewandten Rückseite des Rotorflügels (20) auf sie trifft.
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er 2, 3 oder 4 Rotorflügel (20) besitzt,
Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorflügel (20) gebogen sind.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er Savoniusflügel besitzt.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorflügel (20) als Flügelpaare ausgebildet sind, deren Endpunkte mit der Rotationsachse des Rotors eine Linie bilden.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens ein Flügelpaar besitzt.
Rotor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass er 2, 3 oder 4 Flügelpaare besitzt.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Ebenen von Rotorflügeln (20) übereinander angeordnet sind.
Rotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügelpaare der verschiedenen Ebenen bei einer Anzahl von n Flügelpaaren um 360°/4n bezüglich der Rotationsachse zueinander verschoben angeordnet sind.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorflügel (20) oben und/oder unten von einer Platte abgedeckt sind.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich im äußeren Bereich des Rotors mindestens ein Darrieusflügel (40) befindet.
Rotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass er 2, 3 oder 4 Darrieusflügel (40) umfasst.
Rotor nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Darrieusflügel (40) gleich der Anzahl der Rotorflügel (20) ist.
Rotor nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Darrieusflügel (40) im Inneren eine Stange zur Stabilisierung besitzen.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass er wenigstens teilweise aus leichtem Material gefertigt ist.
Rotor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass er als Materialien Aluminium, Kunststoff, PVC, Dibond, Foamalux und/oder Edelstahl umfasst.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappen aus Stahl oder Kunststoff bestehen.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Darrieusflügel (40) eine Außenhaut aus Foamalux besitzen.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Darrieusflügel (40) eine Außenhaut aus seewasserfestem Aluminiumblech besitzen.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Darrieusflügel (40) aus einem Vollmaterial bestehen.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Stangen im Inneren der Darrieusflügel (40) aus PVC bestehen.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorflügel (20) aus Aluminium oder Dibond bestehen.
Rotorflügel für einen Rotor, dadurch gekennzeichnet, dass er über mindestens eine Klappe (30) verfügt, welche sich verschließt, wenn der den Rotorflügel (20) antreibende Wind auf die dem Wind zugewandten Seite auf sie trifft, und die sich öffnet, wenn der den Rotorflügel (20) antreibende Wind auf die nach der Drehung dem Wind zugewandten Rückseite des Rotorflügels (20) auf sie trifft.
Rotorflügel nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass er aus leichtem Material gefertigt ist.