DE102008052473B4

DE102008052473B4 - Windkraftmaschine mit horizontaler Rotorachse

Info

Publication number: DE102008052473B4
Application number: DE102008052473A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-10-20
Filing date: 2008-10-20
Publication date: 2013-07-04
Anticipated expiration: 2028-10-21
Also published as: DE102008052473A1

Abstract

Windkraftmaschine mit horizontaler Rotorachse (3) und einer auf einem Turm (4) um eine vertikale Achse (5) drehbar angeordneten Gondel (1), wobei der Rotor mit den Rotorblättern (2), aus Windrichtung (6) gesehen, hinter der Gondel (1) angeordnet ist und zur Stabilisierung und zur Anpassung der Windkraftmaschine an unterschiedliche Windgeschwindigkeiten die auf einer Nabe angeordneten Rotorblätter (2) zur Rotorachse (3) dreh- und/oder kippbar angeordnet und durch Spann- oder Stützmittel (11, 12) gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, dass – die Nabe zur Halterung der Rotorblätter (2) in Fortsetzung der Gondel (1) rotationssymmetrisch konusförmig erweitert ist, – die Rotorblätter (2) am größten Außendurchmesser (9) der konusförmigen Erweiterung (8) befestigt sind und – die Rotorblätter (2) über erste Spann- oder Stützmittel (11) in axialer Richtung zur Rotorachse (3) und über zweite Spann- oder Stützmittel (12) in einer Ebene senkrecht zur Rotorachse (3) zum Umfang des größten Außendurchmessers (9) der konusförmigen Erweiterung (8) stabilisiert sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Stabilisierung der Rotorblätter von Windkraftmaschinen mit horizontaler Rotorachse.
[Stand der Technik]
Rotoren mit horizontaler Drehachse sind seit langem bei Windmühlen und Windrädern bekannt und weit verbreitet. Sie sind sehr leistungsfähig, gleichzeitig jedoch relativ aufwendig und anspruchsvoll hinsichtlich ihrer Konstruktion. Ihr Hauptnachteil ist die Abhängigkeit von der Windrichtung.
Bekannt sind Halterungen für Rotorblätter an Windkraftmaschinen in Form von Stangen oder Seilen, welche vorder- und/oder rückseitig an den Rotorblättern befestigt und in beiden Fällen mit einer verlängerten Rotorwelle verbunden sind. Durch die Verbindung der rückseitig des Rotors angebrachten Stangen oder Seile mit der Rotorwelle ist es nötig, die Rotorblätter statt unmittelbar vor die Stirnfläche der Maschinengondel, von dieser weiter entfernt anzubringen. Dies führt insbesondere bei großen zweiblättrigen Windrädern zu gefährlichen Schwingungen, durch die die Rotorwelle verbogen werden kann und der Rotor sich nicht mehr sauber dreht. Weiterhin ist die Ausrichtung des Rotors in die Windrichtung noch aufwendiger, da der Rotor nicht direkt vor dem Turm liegt.
Demgegenüber ist in der DE 196 06 359 A1 eine Lösung beschrieben, bei der die Rotorblätter derart gestützt und stabilisiert sind, indem nach vorne und hinten ragende Stangen an den Rotorblättern um 90 Grad zu diesen stehend in einem Abstand zur Rotorachse angeordnet sind, die durch Stangen oder Seile gehalten werden, welche zu einem an der Rotorwurzel befestigt und zum anderen mit den äußeren Enden der Rotorblätter verbunden sind.
Diese Lösung hat den Nachteil, dass die zwar in sich stabilisierten Rotorblätter großen Kräften an den Befestigungsstellen an der Rotorwelle ausgesetzt sind und eine Neigung der Rotorblätter in Windrichtung und deren Anpassung an unterschiedliche Windgeschwindigkeiten ausgeschlossen ist.
Aus der DE 10 2004 022 731 A1 ist ein Rotor für Windkraftmaschinen mit horizontaler Drehachse und kippbaren Rotorblättern bekannt, indem der Rotor mit seinen Blättern zur Anpassung an unterschiedliche Windgeschwindigkeiten im Durchmesser veränderbar ist. Die Rotorblätter sind dazu in Richtung der Drehachse des Rotors und zurück kippbar angeordnet.
Nachteilig an dieser Lösung ist, dass für die Halterung und Neigung der Rotorblätter massive Gelenke notwendig sind. Die Möglichkeit einer selbständigen Ausrichtung des Rotors in Windrichtung ist nicht gegeben.
Die DE 34 13 191 A1 beschreibt einen Rotor für Windkraftwerke oder dgl., der ohne störanfällige Verstellmechanismen für die Rotorblätter auskommen soll.
Hier wird vorgeschlagen, die Rotorblätter entgegen der Windrichtung geneigt auf der Rotornabe zu befestigen und zwischen dem freien Ende der ebenfalls der Windrichtung entgegen verlängerten Rotornabe und den Rotorblättern, exzentrisch zu den Rotorblätterachsen an den Rotorblättern befestigte Zug- oder Spannvorrichtungen anzuordnen.
Mit dieser Erfindung ist zwar ein einfacherer, leichterer und kostengünstigerer Aufbau des Rotors gegeben. Nachteilig sind jedoch die Verlängerung der Rotorwelle und die Neigung der Rotorblätter vom Turm der Windkraftmaschine weg, was insbesondere bei hohen Windgeschwindigkeiten zu erheblichen Stabilisierungsproblemen führt.
In der Erfindungsbeschreibung US 2005/0196281 A1 wird eine Windkraftanlage vorgestellt, bei der der Wind den Rotor von hinten über die Gondel anströmt. Über ein Hebelgestänge und eine Schiebehülse auf der Rotorwelle werden die Rotorblätter je nach Windstärke in die Windrichtung geneigt. Mit dieser Anordnung und der Verwendung zusätzlicher Ruder richtet sich die Gondel automatisch in Windrichtung aus und die durch die Rotorblätter aufgespannte Fläche wird je nach Windstärke vergrößert oder verkleinert.
Nachteilig an dieser Lösung ist die relativ lange aus der Gondel herausragende Rotorwelle was zu Schwingungen und zu einer Deformation der Rotorwelle führen kann. Die Rotorblätter sind starken Windbelastungen ausgesetzt und müssen deshalb sehr stabil ausgeführt werden.
Schließlich beschreibt die WO 98/26177 A2 ebenfalls eine Windkraftanlage mit einer aus Windrichtung gesehen hinter der Gondel angeordneten Rotorblättern. Die Flügel sind an einem elastischen Tragmittel befestigt, über die die durch die Flügel aufgespannte Fläche mit zunehmender Windstärke verkleinert wird. Auch mit dieser Lösung ist eine Reduzierung des Gewichtes von Rotor und Rotorblättern nicht möglich.
[Aufgabe der Erfindung]
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Windkraftmaschine mit horizontaler Rotorachse zu schaffen, bei der eine Windausrichtung im wesentlichen ohne zusätzliche Windmess- und Nachführeinrichtungen möglich ist. Außerdem soll über den Einsatz leichterer Rotorblätter eine Materialeinsparung bei effektiver Nutzung der Windenergie erzielt werden.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des 1. Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Windkraftmaschine besteht aus einem Turm, auf dem eine Gondel drehbar angeordnet ist. In der Gondel dreht sich die Welle eines Rotors mit den Rotorblättern um eine im wesentlichen horizontale Rotorachse und treibt z. B. einen Generator an.
Zur Drehung in unterschiedliche Windrichtungen ist die Gondel auf dem Turm mit dem Rotor um eine vertikale Achse drehbar gelagert.
Eine im wesentlichen selbständige Ausrichtung des Rotors in die entsprechende Windrichtung wird erreicht, indem der Wind von der Rückseite der Windkraftmaschine anströmt, d. h. die Anströmrichtung des Windes gegen die Rotorblätter erfolgt aus Richtung der Gondel. Dazu ist die Gondel aerodynamisch vorteilhaft ausgebildet und die Nabe zur Halterung der Rotorblätter ist in Fortsetzung der Gondel rotationssymmetrisch konusförmig erweitert, wobei die Rotorblätter am größten Außendurchmesser der konusförmigen Erweiterung befestigt beziehungsweise zusätzlich gelagert sind.
Die Rotorblätter sind über Zugmittel in axialer Richtung zur Rotorachse und außerdem zu der sich mitdrehenden Rotornabe entgegen der Drehrichtung verspannt. Alternativ zu den Zugmitteln können auch Stützen eingesetzt werden, die die Rotorblätter gegen die Kraft des Windes bzw. in Drehrichtung des Rotors abstützen.
Durch diese Art der Verspannung oder Abstützung (Spann- oder Stützmittel) wird eine hohe Stabilität der Rotorblätter erreicht, so dass leichte und auch flexible Materialien eingesetzt werden können.
In Abhängigkeit von der Größe des Durchmessers der konusförmigen Erweiterung kann bei gleichem Wirkungsgrad die Länge der Rotorblätter reduziert werden.
Auch eine Neigung der Rotorblätter gegen den Wind kann den Wirkungsgrad der Windkraftmaschine verbessern.
Werden die Blätter der Windkraftmaschine an der konusförmigen Erweiterung gelenkig befestigt, kann der Durchmesser einer durch die Rotorblätter aufgespannten Rotationsebene über die Länge der Spann- oder Stützmittel verändert werden, wodurch eine windstärkeabhängige Regelung möglich wird.
Bei dieser Art der Verspannung ist eine Gegenkraft erforderlich, die über eine zusätzliche Stütz- oder Zugvorrichtung realisiert werden kann.
Vorteilhafterweise werden für die Verspannungen Seile eingesetzt, die z. B. an den äußeren Enden der Rotorblätter angreifen.
Durch die konusförmige Erweiterung und die daran angeordneten Rotorblätter ist es möglich, auch den Turm der Windkraftmaschine, beispielsweise in leichter Fachwerkkonstruktion als Gittermast ausgeführt, durch Seile abzustützen.
Auch die konusförmige Erweiterung könnte in Form einer gitterähnlichen Konstruktion errichtet sein. Durch diese Gitterkonstruktion könnte über geeignete veränderbare Bespannungen, Lamellen oder Ähnliches die Winddurchlässigkeit reguliert werden. Die Haube könnte dann entfallen oder ebenfalls luftdurchlässig und/oder steuerbar gestaltet werden.
[Beispiele]
An Hand von Zeichnungen wird eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht der Windkraftmaschine,
2 eine schematische Ansicht der Windkraftmaschine aus der Windrichtung gesehen.
Aus den Zeichnungen 1 und 2 ist der Aufbau und die Wirkungsweise der Windkraftmaschine gemäß der Erfindung zu entnehmen.
Die Windkraftmaschine besteht aus einer Gondel 1, in der sich die Rotorwelle befindet und den außerhalb der Gondel 1 angeordneten Rotorblättern 2. Die Rotorwelle dreht sich um eine im wesentlichen horizontal ausgerichteten Rotorachse 3 und treibt z. B. einen Generator an.
An die Gondel 1 schließt sich in Windrichtung 6 gesehen eine konusförmige Erweiterung 8 an, die rotationssymmetrisch um die Rotorachse 3 in Verlängerung der Gondel 1 ausgebildet ist.
Die Gondel 1 der Windkraftmaschine ist auf einem Mast oder Turm 4 um eine vertikale Achse 5 drehbar gelagert.
Dadurch, dass die durch die Rotorblätter 2 gebildete Rotationsebene 7, aus der Windrichtung 6 gesehen, sich hinter dem Turm 4 befindet, dreht sich die Windkraftmaschine im wesentlichen von selbst in die Windrichtung 6.
Zu diesem Zweck ist die Nabe zur Halterung der Rotorblätter 2 in Fortsetzung der Gondel 1 konusförmig erweitert, wobei die Rotorblätter 2 am größten Außendurchmesser der konusförmige Erweiterung 8 befestigt sind. Leeseitig kann die konusförmige Erweiterung 8 durch eine Haube 10 abgeschlossen werden.
Zur Stabilisierung sind als erste Spann- oder Stützmittel 11 die Rotorblätter 2 durch Spannseile in Richtung zur Gondel 1 und als zweite Spann- oder Stützmittel 12 durch Spannseile entgegen der Drehrichtung 13 des Rotors tangential zum größten Außendurchmesser 9 der konusförmigen Erweiterung 8 verspannt.
An den Rotorblättern 2 sind die Spann- oder Stützmittel 11, 12 z. B. an ihren äußeren Enden befestigt.
Über eine Längenänderung der Spann- oder Stützmittel 11 kann der Durchmesser einer durch die Rotorblätter 2 aufgespannten Rotationsebene 7 verändert werden.
In den Zeichnungen ist der Turm 4 zusätzlich durch Abspannseile 14 verspannt. Diese Verspannung mit den Abspannseilen 14 wird erst durch die erfindungsgemäße Anordnung des Rotors möglich.
Die Anzahl der Rotorblätter 2 der Windkraftmaschine, von denen in dem Ausführungsbeispiel vier dargestellt sind, kann beliebig sein.
Bezugszeichenliste

1: Gondel
2: Rotorblätter
3: im wesentlichen horizontale Rotorachse
4: Turm, Mast
5: vertikale Turmachse
6: Windrichtung, Anströmrichtung des Windes
7: durch die Rotorblätter aufgespannte Rotationsebene
8: konusförmige Erweiterung
9: größter Außendurchmesser der konusförmigen Erweiterung
10: Haube
11: erste Spann- oder Stützmittel
12: zweite Spann- oder Stützmittel
13: Drehrichtung des Rotors
14: Abspannseile Turm

Claims

Windkraftmaschine mit horizontaler Rotorachse (3) und einer auf einem Turm (4) um eine vertikale Achse (5) drehbar angeordneten Gondel (1), wobei der Rotor mit den Rotorblättern (2), aus Windrichtung (6) gesehen, hinter der Gondel (1) angeordnet ist und zur Stabilisierung und zur Anpassung der Windkraftmaschine an unterschiedliche Windgeschwindigkeiten die auf einer Nabe angeordneten Rotorblätter (2) zur Rotorachse (3) dreh- und/oder kippbar angeordnet und durch Spann- oder Stützmittel (11, 12) gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, dass – die Nabe zur Halterung der Rotorblätter (2) in Fortsetzung der Gondel (1) rotationssymmetrisch konusförmig erweitert ist, – die Rotorblätter (2) am größten Außendurchmesser (9) der konusförmigen Erweiterung (8) befestigt sind und – die Rotorblätter (2) über erste Spann- oder Stützmittel (11) in axialer Richtung zur Rotorachse (3) und über zweite Spann- oder Stützmittel (12) in einer Ebene senkrecht zur Rotorachse (3) zum Umfang des größten Außendurchmessers (9) der konusförmigen Erweiterung (8) stabilisiert sind.
Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Spann- oder Stützmittel (11) Seile sind, die die Rotorblätter (2) auf Zug gegen die Windrichtung (6) verspannen.
Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Spann- oder Stützmittel (12) Seile sind, die die Rotorblätter (2) auf Zug entgegen der Drehrichtung (13) der Rotorblätter (2) verspannen.
Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Spann- oder Stützmittel (11) Stützen sind, die die Rotorblätter (2) gegen die Windrichtung (6) abstützen.
Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Spann- oder Stützmittel (12) Stützen sind, die die Rotorblätter (2) in Drehrichtung (13) der Rotorblätter (2) abstützen.
Windkraftmaschine nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der durch die Rotorblätter (2) aufgespannten Rotationsebene (7) über eine Längenänderung der ersten Spann- oder Stützmittel (11) in axialer Richtung veränderbar ist.
Windkraftmaschine nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter (2) am größten Außendurchmesser (9) der konusförmigen Erweiterung (8) über Gelenke befestigt sind.
Windkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter (2) über die Gelenke hinaus hebelförmig verlängert sind und die hebelförmigen Verlängerungen bei Bewegung der Rotorblätter (2) innerhalb der konusförmigen Erweiterung und/oder der Haube verstellbar angeordnet sind.
Windkraftmaschine nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Spann- oder Stützmittel (11, 12) an den äußeren Enden der Rotorblätter (2) angreifen.
Windkraftmaschine nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Spann- oder Stützmittel (11, 12) pro Rotorblatt (2) angeordnet sind.