DE102009026143A1

DE102009026143A1 - Vertikalachsenrotor

Info

Publication number: DE102009026143A1
Application number: DE102009026143A
Authority: DE
Inventors: Ernst Dieter Voigt
Original assignee: Voigt Ernst Dieter Drmed
Current assignee: Voigt Ernst Dieter Drmed
Priority date: 2009-07-09
Filing date: 2009-07-09
Publication date: 2011-05-05
Also published as: WO2011003589A2; WO2011003589A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von Windenergie in Form eines Vertikalachsenrotors mit mehreren in Umlaufrichtung aufeinanderfolgenden im Wesentlichen senkrecht stehenden Flügeln, welche mittels Windkraft auf einer im Wesentlichen kreisförmigen Bahn um eine zentrale Achse rotieren. Dabei ist zumindest ein Zentralring für die Flügelhalterung und -lagerung angeordnet, der im Wesentlichen nur die auf die Flügel wirkenden Druckkräfte des Windes aufnimmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von Windenergie in Form eines Vertikalachsenrotors mit mehreren in Umlaufrichtung aufeinander folgenden im Wesentlichen senkrecht stehenden Flügeln, welche mittels Windkraft auf einer im Wesentlichen kreisförmigen Bahn um eine zentrale Achse rotieren.
Derartige Vertikalachsenrotoren sind beispielsweise aus der DE 38 10 339 A1 bekannt. Der Vertikalrotor umfasst im Wesentlichen einen Mast und einen an dessen Spitze um eine vertikale Drehachse gelagerten Rotor. Der Rotor besteht aus jeweils zwei dreiecksförmigen Tragstrukturen pro Rotorblatt, wobei die Tragstrukturen über Verstrebungen miteinander verbunden sind. Auf der radialen Außenseite der Tragstrukturen sind Rotorblätter mit vertikaler Längserstreckung angeordnet. Unterhalb der Tragstrukturen ist an der Drehachse des Rotors eine Umwandlungseinrichtung zur Umwandlung der Bewegungsenergie des Rotors in elektrische Energie angeordnet. Die gesamte Gewichtskraft des Rotors samt Rotorblättern wird dabei durch den Mast getragen. Weiter umfasst der Mast für den Rotor drei Standbeine, die schräg auf die Mastspitze hin in vertikaler Richtung zulaufen und im Querschnitt ein Dreieck bilden.
Nachteilig dabei ist, dass der Mast das gesamte Gewicht sowohl von den Tragstrukturen als auch von den Flügeln bzw. Rotorblättern aufnehmen muss. Dabei übertragen die Tragstrukturen neben ihrer eigenen Gewichtskraft auch die Gewichtskraft der Flügel auf den Bereich der Lagerung des Rotors auf die Spitze des Mastes. Zusätzlich wirken auf die Flügel auch noch stetig wechselnde Druckkräfte des Windes, die ebenfalls auf den genannten Bereich wirken.
Die Folge ist, dass Kippmomente entstehen, welche die gesamte Vorrichtung und insbesondere Getriebe, Lager, etc. mechanisch belasten und zu hohem Verschleiß führen. Weiterhin ist die Größe der Flügel bzw. Rotorblätter beschränkt auf die Stabilität der Tragstruktur in Bezug auf den Abstand zwischen Drehachse und Flügel. Auch ist damit eine beliebige Erhöhung der Anzahl der Flügel, der Höhe der Flügel und des Radius der Umlaufbahn, auf der sich die Flügel bewegen, aus Stabilitätsgründen nicht möglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Umwandlung von Windenergie in Form eines Vertikalachsenrotors zur Verfügung zu stellen, welche einfach und günstig in der Herstellung und Wartung sowie beliebig in ihrer Größe skalierbar und flexibel einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Umwandlung von Windenergie in Form eines Vertikalachsenrotors mit mehreren in Umlaufrichtung aufeinander folgenden im Wesentlichen senkrecht stehenden Flügeln, welche mittels Windkraft auf einer im Wesentlichen kreisförmigen Bahn um eine zentrale Achse rotieren, dadurch gelöst, dass ein Zentralring für die Flügelhalterung und -lagerung angeordnet ist, der im Wesentlichen nur die auf die Flügel wirkenden Druckkräfte des Windes aufnimmt.
Die Anordnung eines Zentralringes für die Flügelhalterung und -lagerung, welcher im Wesentlichen nur die auf die Flügel wirkenden Druckkräfte aufnimmt erlaubt eine vollständige Trennung der Gewichts- und Luftkräfte, die auf den Flügel wirken und die prinzipbedingt senkrecht zueinander verlaufen. Dadurch kann der Zentralring in seinem Querschnitt äußerst schmal und damit strömungsgünstig ausgeführt werden. Ebenso wird ein Kippen des Vertikalachsenrotors durch unterschiedliche Belastungen der Flügel bei Windböen weitestgehend vermieden.
Gleichzeitig ist die Konstruktion des Vertikalachsenrotors äußerst flexibel. Soll der Vertikalachsenrotor vergrößert werden, wird einfach der Durchmesser des Zentralringes und die Flügelanzahl erhöht. Gleichzeitig nimmt durch den größeren Radius der Umlaufbahn der Flügel die Zentrifugalbeschleunigung der umlaufenden Flügel ab. Der erfindungsgemäße Vertikalachsenrotor ist damit beliebig hinsichtlich seiner Größe, Leistung, etc. skalierbar.
Um die Druckkräfte bzw. Zentrifugalkräfte der Flügel optimal auf den Zentralring übertragen zu können und um Wartungsarbeiten zu erleichtern bzw. zu vereinfachen, ist es vorteilhaft, wenn der Zentralring und die Flügel auf im Wesentlichen halber Flügelhöhe insbesondere lösbar miteinander verbunden sind. Die Flügel geben damit die Kräfte optimal an den Zentralring weiter; aufwendigere bzw. zusätzliche Befestigungen der Flügel am Zentralring, beispielsweise durch zusätzliche Streben, die oberhalb und unterhalb der halben Flügelhöhe an den Flügeln einerseits und am Zentralring andererseits angeordnet werden müssen, entfallen damit. Der Zentralring liegt dabei waagerecht in der Ebene des Luftstromes des Windes. Dadurch ist der Luftwiderstand des Zentralringes gering und die Flügel können auch beim Hindurchströmen des Windes durch den Vertikalachsenrotor auf dessen anderer Seite ohne große Verwirbelungen optimal angeströmt werden.
Für eine einfache und momentenfreie Lagerung, ist es weiter vorteilhaft, wenn die Drehachse des Zentralrings auf der Spitze eines Zentralturms gelagert ist. Das Gewicht des Zentralrings ruht auf dem Lagern der Flügel.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Zentralturm zur Ableitung von Kräften seitlich abgespannt ist. Auf diese Weise wird ein Höchstmaß an Stabilität des Zentralturms erreicht, so dass auch bei hohen Belastungen durch Böen, Stürme, etc. eine stabile und zuverlässige Lagerung des Zentralrings an dem Zentralturm gewährleistet ist.
Vorteilhafterweise ist zusätzlich zum Zentralring ein Basisring zur Aufnahme der Gewichtskräfte der Flügel angeordnet. Die Anordnung eines Basisrings ermöglicht es, die Belastung durch die Gewichtskraft der Flügel abzuführen und gleichmäßig zu verteilen. Dadurch werden die Druckkräfte des Windes auf die Flügel sowie die Gewichtskräfte der Flügel voneinander wirkungsvoll getrennt und einseitige Kräfte vermieden. Gleichzeitig erhöht dies die Gleichmäßigkeit der Rotationsbewegung der Flügel, die am Zentralring und Basisring angeordnet sind.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der Basisring am in vertikaler Richtung unteren Ende der Flügel angeordnet ist. Dadurch ist sichergestellt, dass an den Flügeln keine zusätzliche Aufhängung zur Aufnahme der Gewichtskräfte der Flügel benötigt wird. Die Flügel können auf diese Weise über ihre gesamte Höhe in optimaler Weise vom Wind angeströmt werden. Der Wirkungsgrad wird damit verbessert bzw. erhöht.
Um mögliche Verwindungen zwischen Basisring und Zentralring zu vermeiden, ist es zweckmäßig, dass der Zentralring und der Basisring über insbesondere schräg laufende Zugelemente, insbesondere Zugstangen miteinander verbunden sind. Die Vortriebskraft des Flügels wird vom Kräftemittelpunkt von die Flügel tragenden Tragarmen durch die schräg, insbesondere nach unten, laufenden Zugstangen auf den Basisring übertragen. Dies erhöht die Steifigkeit der Verbindung zwischen Basis- und Zentralring und sorgt gleichzeitig für eine gleichmäßige gemeinsame Drehbewegung von Basis- und Zentralring.
Da die Flügel des Vertikalachsenrotors während eines Umlaufs von der Luvseite von der einen, auf der Leeseite von der anderen Seite vom Wind her angeströmt werden, ist es zweckmäßig ein symmetrisches Querschnittsprofil der Flügel vorzusehen.
Zweckmäßigerweise sind die Flügel hinsichtlich ihrer Anstellwinkel zum Wind verstellbar angeordnet. Durch die verstellbare Anordnung der Flügel können die Flügel jeweils in optimaler Weise bezüglich des Windes ausgerichtet und damit vom Wind angeströmt werden. Der Wirkungsgrad des Vertikalachsenrotors wird damit weiter erhöht.
Vorteilhafterweise wird die Anzahl der Flügel NFL mittels folgender Formel NFL = d/(TFL·SL²·ca·cp) festgelegt, wobei TFL der Flügeltiefe, SL der Schnelllaufzahl, ca dem Auftriebsbeiwert, cp dem Leistungsbeiwert und d dem Durchmesser des Vertikalachsenrotors entspricht. Der Durchmesser d entspricht dabei dem doppelten Abstand von Flügelachse zur Drehachse des Vertikalachsenrotors. Da sowohl die Anzahl der Flügel NFL als auch die Flügeltiefe TFL, mithin also die Flächendichte FDL = NFL·TFL konstant ist, wird somit bei größerer Flügeltiefe TFL die Anzahl der Flügel entsprechend kleiner und umgekehrt. Da andererseits die Flügelstreckung, d. h. das Verhältnis von Flügelhöhe zu Flügeltiefe bestimmten Grenzen unterworfen ist, wirkt sich die Flächendichte bzw. die Flügelstreckung und -höhe direkt auf die Konstruktion bzw. Dimensionierung des Unterbaus aus. Sind wenige, aber schwere Flügel angeordnet, muss der Unterbau für stärkere Belastungen ausgelegt sein als für eine Vielzahl kleinerer leichterer Flügel. Wird also die Flügelanzahl gemäß obiger Formel festgelegt, wird auf einfache Weise eine optimale Flügelanzahl für die Energieumwandlung für den Vertikalachsenrotor bestimmt und überflüssige Kosten werden dadurch vermieden.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn zumindest ein Stellmotor zur Verstellung des Anstellwinkels der Flügel angeordnet ist. Der Stellmotor ermöglicht auf einfache Weise eine Verstellung der Flügel. Zudem benötigt er wenig Platz und ist in seiner Herstellung bzw. Wartung kostengünstig. Der Stellmotor kann insbesondere dabei im Basisring selbst angeordnet sein, denn dort steht genügend Platz, insbesondere Bauhöhe zur Verfügung. Selbstverständlich kann der Stellmotor auch an einer anderen Stelle, beispielsweise am Hauptlager der Flügel angeordnet sein.
Um die Kraft des Windes, die auf die Flügel wirkt, möglichst optimal ausnutzen zu können, ist es vorteilhaft, zumindest eine Sonde zur Messung der Anströmgeschwindigkeit und/oder des Windwinkels in Bezug auf zumindest einen Flügel anzuordnen. Die Sonde ist dabei am Zentralring oder vor dem Flügel angeordnet. Die Sonde misst dann die jeweilige Windgeschwindigkeit sowie den Windwinkel und gibt diese beispielsweise an eine Steuerungsvorrichtung weiter, die wiederum mit dem Stellmotor verbunden ist. Die Steuerungsvorrichtung steuert dann den Stellmotor derart, so dass der jeweilige Flügel optimal zum Wind ausgerichtet ist. Werden mehrere Sonden angeordnet, kann auf diese Weise ein Windfeld, d. h. eine Verteilung von Richtung und Stärke des Windes erhalten werden und der Vertikalachsenrotor dahingehend optimiert werden.
Wenn der Basisring keine eigene physikalische Achse aufweist, ist es vorteilhaft, dass eine Abspannung und/oder seitliche Führungsräder angeordnet sind, um den Basisring auf seiner Umlaufbahn zu halten. Die seitlichen Führungsräder können dabei am Unterbau oder am Basisring selbst angeordnet sein. Wird der Basisring durch eine drehbare Abspannung auf seiner Umlaufbahn gehalten, kann auf die Führungsräder verzichtet werden. Die Abspannung erfolgt dann beispielsweise zwischen dem Hauptlager des Zentralrings an der Spitze des Zentralturms oder mit einem am Zentralturm weiter unten, beispielsweise auf halber Höhe, angeordneten Lager und dem Basisring.
Zweckmäßigerweise ist ein Unterbau derart ausgebildet, dass der Basisring sich auf dem Unterbau mittelbar abstützt und auf diesem um seine Achse rotiert. Damit wird nicht nur eine gleichmäßige Ableitung der Gewichtskräfte von Basisring und damit auch der Flügel auf den Unterbau gewährleistet, sondern es wird eine gleichmäßigere Gesamtbewegung der Flügel des Vertikalachsenrotors ermöglicht. Der Unterbau kann dabei insbesondere nebeneinander und gegenüberliegende Pfeiler umfassen, die an ihren oberen Enden miteinander verbunden sind, wodurch ein weiterer fester und stabiler Ring gebildet wird.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn am Unterbau und/oder am Basisring Räder zum Abrollen des Basisrings angeordnet sind. Auf einfache Weise und ohne größere Reibungsverluste wird damit eine Drehbewegung des Basisrings gegenüber dem Unterbau erreicht. Auch kann die mechanische Energie des Basisringes dann direkt an den Radachsen der Räder abgegriffen werden.
Um hohe Belastungen der Räder zu vermeiden, ist es besonders vorteilhaft, wenn der Basisring auf dem Unterbau mittels eines Luftspaltes gelagert ist. Gleichzeitig wird dabei die Abnutzung des Rades ebenso wie die Kräfte auf die Achse des Rades entsprechend verringert; längere Wartungsintervalle sind damit möglich.
Um die Windkräfte, die auf die Flügel wirken, in elektrische Energie umzuwandeln, ist es vorteilhaft, zumindest einen Generator mit insbesondere zwischengeschaltetem Getriebe vorzusehen, der mit zumindest einem der Räder zusammenwirkt. Durch die Windkraft auf die Flügel rotieren diese um ihre Achse entlang des Umfangs des Zentral- und Basisringes. Dabei rollt der Basisring mittelbar auf den Rädern ab und versetzt diese ebenfalls in Rotation. Durch deren Rotation wird der Generator angetrieben und kann die mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln. Der Generator, insbesondere das Getriebe, umfasst dabei insbesondere verschiedene Zahnraddurchmesser und entsprechende Zahnstangen, und wird wahlweise eingeschaltet, um bei geringen Windgeschwindigkeiten eine genügend hohe Drehzahl an der Welle des Generators zu erzeugen. Sind die Räder zum Abrollen des Basisrings am Unterbau angeordnet, ist der Generator auch fest am Unterbau angeordnet; der Basisring rotiert dann über diese Räder hinweg bzw. auf diesen ab. Um Schwingungen der Vorrichtung zu vermeiden, wird insbesondere die Anzahl der Räder größer als die Anzahl der Flügel gewählt; sie kann jedoch auch gleich oder kleiner sein.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, dass der Generator durch Zusammenwirken mit weiteren Generatoren und/oder unterschiedlichem Durchmesser der Räder und/oder Anordnung von Generatoren mit unterschiedlichen Leistungen in seinem optimalen Leistungsbereich betrieben wird. Durch eine geeignete Kombination eines oder mehrerer vorstehend genannter Möglichkeiten kann die Energieausbeute, d. h. die vom Generator umgewandelte und erzeugte elektrische Energie, optimiert werden. Anhand des Durchmessers der Räder kann die Umdrehungsgeschwindigkeit der Räder verändert und damit mittelbar die Rotationsgeschwindigkeit der Achse des Generators beeinflusst werden. Wirkt der Generator mit zusätzlichen Generatoren zusammen, erhöht dies den Widerstand beim Abgriff der Kraft der Rotationsbewegung über die Räder, da letztere direkt mit dem Generator verbunden sind. Damit ist für eine gleiche Umlaufgeschwindigkeit des Basisrings mehr Windkraft nötig und die Generatoren werden dann entsprechend bei hoher Windkraft in ihren optimalen Leistungsbereich betrieben. Schließlich ist es auch möglich, Generatoren mit unterschiedlichen Leistungen vorzusehen. Damit ist es möglich, dass zumindest ein Generator in seinen optimalen Leistungsbereich betrieben wird. Ändert sich die Windkraft und damit die Umlaufgeschwindigkeit wird der Generator nicht mehr in seinen optimalen Leitungsbereich betrieben; dieser wird dann abgeschaltet und ein anderer Generator übernimmt dann die Energieumwandlung, der bei der geänderten Umlaufgeschwindigkeit in seinem optimalen Leistungsbereich betrieben wird.
Um die Vorrichtung auch im Wasser nutzen zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung schwimmfähig, insbesondere halbtauchend, ausgebildet ist. Hierzu sind üblicherweise Auftriebskörper am Unterbau angeordnet, die aus untereinander verstrebten großvolumigen Rohren bestehen. Ist die Vorrichtung halbtauchend ausgebildet, wird diese weniger von den Wellen beaufschlagt und liegt ruhiger im Wasser. Damit die Vorrichtung auf einfache Weise im Wesentlichen an ihrer vorbestimmten Schwimmposition verbleibt, ist es weiter vorteilhaft, wenn der Unterbau begrenzt drehbar gelagert ist. An den Rädern des Unterbaus wird die Vortriebskraft des Basisrings auf Grund der Windkräfte auf die Flügel abgenommen. Dadurch entsteht am Unterbau ein Rotationsmoment, welches durch die begrenzte drehbare Lagerung kompensiert bzw. auf den Boden eines Gewässers oder Meeres abgeleitet wird.
Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn die in Umfangsrichtung begrenzte drehbare Lagerung des Unterbaus durch zumindest ein Verankerungsseil, das mit dem Unterbau einerseits und mit zumindest einem Schwerkraftanker andererseits verbunden ist, erfolgt. Dadurch wird auf einfache und kostengünstige Weise das Rotationsmoment ausgeglichen und gleichzeitig verbleibt die Vorrichtung im Wesentlichen an ihrer vorher bestimmten Schwimmposition. Bei stärker werdendem Wind entsteht ein größeres Rotationsmoment, das zumindest eine Verankerungsseil wird stärker gespannt und die Schwimmposition wird damit bei stärkerem Wind durch das größere Rotationsmoment stärker fixiert.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen.
Dabei zeigt
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Form senkrecht von oben
2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß 1 in einer Seitenansicht;
3a, b eine Ansicht gemäß 2 mit abrollendem Basisring auf Rädern;
4 einen Flügel in schematischer Form senkrecht von oben und einen Ausschnitt eines Zentralringes;
5a, b einen Querschnitt eines Flügels mit Flügellagerung;
6 einen Zentralring mit angeschlossenem Flügel im Querschnitt;
7 einen Ausschnitt eines Basisrings zusammen mit Flügellagerung und einem Hilfskasten;
8a, b verschiedene Lagerungen des Flügels zusammen mit Basisring und Laufrad in schematischer Form;
9a, b alternative Lagerungen des Flügels mit Basisring auf dem Unterbau;
10 einen Flügel in einer Draufsicht in schematischer Form;
11 eine schwimmfähige erfindungsgemäße Vorrichtung.
In 1 ist in schematischer Form senkrecht von oben eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gezeigt. Entlang des Umfangs eines Zentralringes 2 sind senkrecht zur Zeichenebene Flügel 5 angeordnet, die mit dem Zentralring 2 lösbar verbunden sind. Die Flügel 5 sind in gleichem Abstand entlang des Umfangs des Zentralrings 2 verteilt angeordnet. Der Zentralring 2 ist dabei senkrecht zur Zeichenebene um eine Achse D drehbar gelagert.
Weiter sind schräg laufende Zugstangen 3 im Bereich der Verbindung zwischen Zentralring 2 und Flügel 5 angeordnet, die mit einem Basisring 7 (in 1 nicht gezeigt) verbunden sind. Der Zentralring 2 ist weiterhin verwindungsfest ausgeführt und bildet durch gerade verlaufende Abspannseile 4 zur direkt gegenüberliegenden Seite ein im Wesentlichen steifes und waagrechtes Rad (in 1 in der Zeichenebene) analog zu einem Fahrradreifen. Der stabile Zentralring 2 nimmt dabei die Druckkräfte auf, die der Wind auf die umlaufenden Flügel 5 ausübt. Weiterhin liegt der Zentralring 2 waagerecht im Luftstrom des Windes und weist daher einen äußerst geringen Luftwiderstand auf. Zur Messung der Anströmgeschwindigkeit und des Windwinkels ist an dem Zentralring 2 eine Sonde 5a angeordnet.
In 2 ist eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1 gezeigt. Die Flügel 5 sind dabei jetzt in der Zeichenebene orientiert. An den in vertikaler Richtung unteren Enden der Flügel 5, die die Form von Holmstummeln aufweisen, ist ein Basisring 7 angeordnet, der um seine Achse, die mit der Achse D des Zentralrings 2 übereinstimmt, auf einem Unterbau 8 rotiert. Der Unterbau 8 ist wiederum auf einem Boden 9 fest angeordnet. Die Achse D des Zentralringes 2 ist dabei auf der Spitze 10b eines Zentralturms 10 drehbar gelagert und liegt auf den Verbindungslinien zwischen den Abspannseilen 4 des Zentralrings 2. Der Zentralturm 10 ist über Abspannseile 10a zur Ableitung von Kräften seitlich breit abgespannt. Der Basisring 7 kann dabei auf dem Unterbau 8 auf zweierlei Art rotieren. Zum einen können an dem Unterbau 8 in Umfangsrichtung Räder 20a fest montiert angeordnet sein (siehe 3a), die um ihre Achse drehbar gelagert sind und auf denen der Basisring 7 umläuft. Umgekehrt kann auch der Basisring 7 in Umfangsrichtung verteilt Räder 20a aufweisen (siehe 3b), die auf dem Unterbau aufliegen und auf diesem abrollen; der Basisring 7 rotiert auf diese Weise ebenfalls um seine vertikale Achse auf dem Unterbau.
In 4 ist ein waagrechter Querschnitt eines Flügels 5 in schematischer Form gezeigt, Der Flügel 5 ist dabei drehbar gelagert (Bezugszeichen L) und weist hierzu im Bereich der Festlegung des Zentralringes 2 am Flügel 5 zur Lagerung und Federung L des Flügels 5 von innen nach außen eine Holmaufdickung 12, Kugellager für vertikale und horizontale Kräfte, einen entsprechenden Lagerkäfig sowie mehrere umfänglich verteilte elastische Puffer 13 und einen äußeren Lagerring L_R mit 3 Bohrungen für eine Schnellmontage des Flügels 5 am Zentralring 2 auf. Die Drehachse D_F des Flügels 5 ist dabei senkrecht zur Zeichenebene orientiert und geht durch den aerodynamischen Neutralpunkt des Flügels 5. Der Flügel 5 wird nun am Zentralring 2, der im radialen Außenbereich in Richtung auf den Flügel 5 mehrere Steckverbindungen 11 aufweist, die mit Steckverbindungen 11' am äußeren Lagerring L_R des Flügels 5 korrespondieren, festgelegt. Der Flügel 5 kann zur Ausrichtung gegenüber dem Wind um den Winkel W_F um die Achse D_F gedreht werden.
Um den Flügel um den Winkel W_F zu drehen, weist der Flügel 5 in 5a bzw. 5b an seinem in vertikaler Richtung unteren Ende, bei dem der Flügel 5 durch Tragarme 15 des Basisringes 7 gehalten wird, einen Stell- bzw. Schrittmotor 14 zur Steuerung der Drehbewegung des Flügels 5 um seine vertikale Achse auf. Der Flügel 5 umfasst weiter eine waagerechte bzw. senkrechte Lagerung 16a, 16b auf deren radialer Außenseite der Schrittmotor 14 angeordnet ist (siehe 5b).
6 zeigt analog zu 5 die Befestigung des Zentralringes 2 am Flügel 5. Der Flügel 5 ist dabei mittels eines Schnellanschlusses 17 in Form einer Steckverbindung 11 am Zentralring 2 angeordnet. Der Schrittmotor (nicht gezeigt) ist dabei an der Lagerung L des Flügels 5 vertikal unterhalb des Schnellanschlusses 17, 11 des Zentralringes 2 angeordnet. Der Zentralring 2 wird über Abspannseile 4 und einen Zentralringholm 2b gebildet. Die Abspannseile 4 sind dabei am Zentralringholm 2b angeordnet und Zentralringholm 2b und Abspannseile 4 sind teilweise mit einer aerodynamisch geformten Schale 2a versehen, so dass diese zusammen einen verwindungsfesten Kasten 2a bilden. Die Schale 2a ist auf der dem Flügel 5 zugewandten radialen Seite angeordnet und optimiert zum einen den Luftwiderstand des Zentralringes 2, zum anderen erhöht sie auch die Steifigkeit des Zentralrings 2. Da der Zentralring 2 im Wesentlichen auf halber Flügelhöhe des Flügels 5 angeordnet ist, können dabei weitere mechanische Komponenten für die Verstellung der Flügel, wie beispielsweise aufwendige Getriebe, entfallen.
In 7 ist in schematischer Form ein Teil des Basisringes 7 senkrecht von oben gezeigt. Der Basisring 7 weist dabei an seiner radialen Innenseite I einen im Wesentlichen dreiecksförmigen Hilfskasten 18 auf. Im Hilfskasten 18, also zwischen Innenseite des Basisringes 7 und der dem Basisring 7 zugewandten Innenseite des Hilfskastens 18 ist die Flügellagerung 19 für den um seine vertikale Achse drehbaren Flügel 5 angeordnet. Der Basisring 7 wird dabei von auf seiner Außenseite angeordneten Führungsrädern 20b auf seiner Umlaufbahn gehalten. Die Achsen der Führungsräder 20b sind im Unterbau 8 drehbar gelagert. Im Basisring 7 ist ebenfalls ein Generator 21 und ein mit ihm zusammenwirkendes Getriebe angeordnet. Dieses wiederum wirkt mit Achse eines Laufrades 20a zusammen.
8a zeigt nun einen Schnitt durch die Vorrichtung entlang des Umfangs des Basisrings 7 und senkrecht zu dessen Drehrichtung. Die Flügellagerung 19 ist dabei (siehe 7) auf der radialen Innenseite I des Basisringes 7 angeordnet und nimmt dabei den unteren Flügelholm 5a lagernd auf. Auf der radialen Außenseite A des Basisringes 7 sind Führungsräder 20b angeordnet, welche mit ihrer Achse drehbar am Unterbau 8 gelagert sind. Diese dienen zur Stabilisierung der Rotationsbewegung des Basisrings 7. Der Basisring 7 hat dabei keine eigene physikalische Achse, sondern wird durch die Führungsräder 20b auf seiner Umlaufbahn gehalten.
Auf der Unterseite des Basisrings 7 in Richtung auf den Unterbau 8 läuft der Basisring 7 auf einem Laufrad 20a ab, welches an einem Pfeiler 22 angeordnet ist und der einen Teil des Unterbaus 8 darstellt. An der Achse des Rades 20a ist weiterhin ein Generator 21 angeordnet, welcher die Windkraft, die über die Drehbewegung der Flügel 5 auf den Basisring 7 übertragen wird, in elektrische Energie umwandelt. Die Unterseite des Basisringes 7 korrespondiert dabei mit der Lauffläche 23 des Rades 20a. In 8b ist die Achse des Rades 20a mit einer Zahnstange 24a und Zahnrädern 24b verbunden sowie einer Klauenkupplung 24c, welche wiederum mit dem Generator 21 zusammenwirkt. Auf diese Weise kann der Generator 21 jeweils in seinem optimalen Leistungsbereich arbeiten, indem je nach Windkraft und damit Drehzahl des Vertikalachsenrotors die Drehzahl der Achse des Rades 20a über das Getriebe 24a–c entsprechend für den Generator 21 geregelt wird. Mehrfache Zahnräder 24b müssen dabei nur an wenigen Generatoren 21 angeordnet sein, da bei niedriger Windgeschwindigkeit auch nur wenig Rotationsenergie vorhanden ist. Zusätzliche Generatoren 21 können dann bei höherer Windgeschwindigkeit ggf. zugeschaltet werden.
9a bzw. 9b zeigt eine Luftkissen- bzw. Luftspaltlagerung 25 für den Basisring 7 auf dem Unterbau 8. Diese Lagerung 25 ist verschleißfrei und die Räder 20a bzw. deren Achsen werden dabei entlastet. Die Abnahme der Vortriebskraft des Basisrings 7 kann dabei aber nicht über die Tragräder 20a erfolgen, sondern muss von den seitlichen Führungsrädern 20b abgenommen werden, die deshalb wiederum mit einem Generator 21 verbunden sind. Die seitlichen Führungsräder 20b sind dabei drehbar gelagert aber ortsfest in dem Unterbau 8 angeordnet. Der Vorteil dabei ist, dass dann auch der Generator ortsfest im Unterbau mit den Führungsrädern 20b verbunden ist. Es ist allerdings auch möglich, den Generator 21 am Basisring 7 anzuordnen ebenso wie die Lagerung der Führungsräder 20b, um dann dort die Drehbewegung des Basisrings 7 in elektrische Energie umzuwandeln (siehe 7).
9a zeigt weiter ein auf der radialen Innenseite des Basisringes 7 angeordnetes Laufrad 20a, dessen Achse mit einem Generator 21, der direkt an der Achse des Laufrades 20a angeordnet ist, zusammenwirkt. Gleichzeitig oder alternativ ist an der radialen Außenseite des Basisringes 7 neben den Führungsrädern 20b mit vertikaler Drehachse, ein mit den Führungsrädern 20b zusammenwirkender Generator 21 angeordnet. Zwischen der Unterseite des Basisringes 7 und Unterbau 8 ist ein Luftkissen 25 und darunter ein Wasserbett 25a zur Lagerung des Basisringes 7 auf dem Unterbau 8 angeordnet. Durch unterschiedliche Befüllung des Wasserbettes kann der Anpressdruck an das Laufrad 20a verändert werden. Damit ist eine verschleißfreie Lagerung des Basisringes 7 auf dem Unterbau 8 möglich. Weiterhin ist der gesamte Bereich des unteren vertikalen Endes des Flügels 5 zusammen mit Generator 21, Laufrädern 20a, Flügellagerung 19, etc. mit einer aerodynamischen Verkleidung 27 versehen.
9b zeigt nun den umgekehrten Fall. Der Basisring 7 ist dabei wieder über ein Luftkissen 25 und ein Wasserbett 25a auf dem Unterbau 8 gelagert. Weiter sind nun im Unterbau 8 drehbar gelagerte Räder 20a angeordnet, welche mit einem Generator 21 über ihre Achse zusammenwirken. Der Basisring 7 weist dabei auf seiner radialen Innenseite einen Abschnitt auf, der mit der Lauffläche L_R des Rades 20a korrespondiert und über das der Basisring 7 mittelbar auf dem Unterbau 8 rotiert. Bei Rotation des Basisrings 7 wird das Laufrad 20a in Rotation versetzt und der mit der Achse des Laufrades 20a verbundene Generator 21 erzeugt elektrische Energie. Gleichzeitig ist der Basisring 7 wiederum verschleißfrei über die Luftspalt- bzw. Wasserbettlagerung 25, 25a auf Pfeilern 22 des Unterbaus 8 gelagert.
10 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Anstelle der Führungsräder 20b in den 8a bzw. 8b wird gemäß 10 der Basisring 7 allein mittels Abspannungen 29a, 29b auf seiner Umlaufbahn gehalten. Die Abspannung 29 kann dabei auf zweierlei Art erfolgen. Zum einen kann der Basisring 7 mittels der Abspannung 29b (10, rechte Seite) zum Hauptlager 28 an der Spitze 10b des Zentralturms 10 hin erfolgen, zum anderen kann die Abspannung 29a auch zu einem weiteren Lager 28a erfolgen, das tiefer und bei einem größeren Durchmesser des Zentralturms 10 angeordnet ist. Durch die beiden Abspannungen 29a, 29b können jeweils die seitlichen Führungsräder 20b am Unterbau entfallen.
In 11 ist schließlich eine erfindungsgemäße Vorrichtung gezeigt, welche schwimmfähig ausgebildet ist. Der Vertikalachsenrotor eignet sich damit gut zur Nutzung in Starkwindfeldern, beispielsweise an der Atlantikküste, etc. Wird die Vortriebskraft der Flügel zur Umwandlung in elektrische Energie an den Rädern des Unterbaus abgenommen, entsteht ein unterschiedliches Rotationsmoment zwischen Unterbau 8 und Boden 9, welches ausgeglichen werden muss, um die Vorrichtung an einer vorgegebenen Position zu fixieren. Hierzuumfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung drei Schwerkraftanker 30 und lockere Verankerungsseile 32, die mit dem Unterbau 8 verbunden sind und die durch die Differenz der Rotationsmomente gespannt werden. Der Wind- und Wellendruck sowie das Drehmoment stellen dann einen Gleichgewichtszustand her. Ist keine Windkraft vorhanden, wirkt auch kein Rotationsmoment und der Mittelpunkt der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann sich innerhalb der Fläche 33, die im Wesentlichen durch die Länge der Verankerungsseile 32 bestimmt wird, verschieben. Die Position der Anlage wird unabhängig von der Windrichtung umso stärker fixiert, je höher die Windstärke und damit das unterschiedliche Rotationsmoment zwischen Unterbau 8 und Boden 9 ist. Dadurch werden die Seile 32 immer stärker gespannt und fixieren bei stärker werdendem Wind auch die Position der Vorrichtung dementsprechend.
Zusammenfassend bietet die Erfindung mehrere Vorteile. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine nahezu vollständige Trennung der Gewichts- und Luftkräfte, die auf den Flügel wirken. Weiterhin ist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch im Wesentlichen frei skalierbar. Die Energieabgabe erfolgt gleichmäßig. Der Zentralturm ist darüber hinaus auch frei von auf ihn wirkenden Drehmomenten. Zudem wird der Luftwiderstand der Lagerung des Basisrings am Unterbau minimiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3810339 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Umwandlung von Windenergie in Form eines Vertikalachsenrotors (1) mit mehreren in Umlaufrichtung aufeinander folgenden im Wesentlichen senkrecht stehenden Flügeln (5), welche sich mittels Windkraft auf einer im Wesentlichen kreisförmigen Bahn um eine zentrale Achse rotieren, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Zentralring (2) für die Flügelhalterung und -lagerung angeordnet ist, der im Wesentlichen nur die auf die Flügel (5) wirkenden Druckkräfte des Windes aufnimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralring (2) und die Flügel (5) auf im Wesentlichen halber Flügelhöhe insbesondere lösbar miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (D) des Zentralringes (2) auf der Spitze eines Zentralturms (10) gelagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Zentralring (2) ein Basisring (7) zur Aufnahme der Gewichtskräfte der Flügel (5) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Basisring (7) am in vertikaler Richtung unteren Ende der Flügel (5) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralring (2) und der Basisring (7) über insbesondere schräg laufende Zugelemente (3), insbesondere Zugstangen miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (5) ein symmetrisches Profil (T) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralturm (10) zur Ableitung von Kräften seitlich abgespannt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (5) hinsichtlich ihrer jeweiligen Anstellwinkel zum Wind verstellbar angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Flügel (5) mittels folgender Formel NFL = d/(TFL·SL²·ca·cp) festgelegt, wobei NFL der Anzahl der Flügel (5), TFL der Flügeltiefe, SL der Schnelllaufzahl, ca dem Auftriebsbeiwert, cp dem Leistungsbeiwert und d dem Durchmesser des Vertikalachsenrotors entspricht.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stellmotor (14) zur Verstellung der jeweiligen Anstellwinkel der Flügel (5) angeordnet ist.
Vorrichtung nach zumindest Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellmotor (14) für die Verstellung des Flügels (5) im Bereich des Basisringes (7) und/oder im Bereich des Zentralrings (2) am Flügel (5) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Sonde (5a) zur Messung der Anströmgeschwindigkeit und/oder des Windwinkels in Bezug auf zumindest einen Flügel (5) angeordnet ist.
Vorrichtung nach zumindest Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abspannung (29a, 29b) oder seitliche Führungsräder (20b) angeordnet sind, um den Basisring (7) auf seiner Umlaufbahn zu halten.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Unterbau (8) derart ausgebildet ist, sodass der Basisring (7) sich auf dem Unterbau (8) mittelbar abstützt und auf diesem um seine Achse rotiert.
Vorrichtung nach zumindest Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass am Unterbau (8) und/oder am Basisring (7) Räder (20a, 20b) zum Abrollen des Basisrings (7) angeordnet sind.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Basisring (7) auf dem Unterbau (8) mittels eines Luftspaltes (25) gelagert ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Generator (21) mit insbesondere zwischengeschaltetem Getriebe (24a, 24b, 24c) angeordnet ist, der mit zumindest einem der Räder (20a, 20b) zusammenwirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (21) mittels Zuschaltung weiterer Generatoren (21) und/oder unterschiedlichem Durchmesser der Räder (20a, 20b) und/oder Anordnung von Generatoren mit unterschiedlichen Leistungen in seinem optimalen Leistungsbereich betrieben wird.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) schwimmfähig insbesondere halbtauchend ausgebildet ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterbau (8) in Umfangsrichtung begrenzt drehbar gelagert ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die in Umfangsrichtung begrenzte Lagerung des Unterbaus (8) durch zumindest ein Verankerungsseil (32), das mit dem Unterbau (8) einerseits und mit zumindest einem Schwerkraftanker (30) andererseits verbunden ist, erfolgt.