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Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit vertikaler Achse zum Umwandeln von Windkraft in Elektrizität oder in mechanische Kraft. Es sind im Wesentlichen zwei Typen von Windkraftanlagen bekannt. Zum einen Windkraftanlagen, bei denen der Windeinfall parallel zur Rotationsachse erfolgt (im Weiteren horizontale Windkraftanlagen) und zum anderen Windkraftanlagen, bei denen der Windeinfall um bis zu 90° versetzt auf die Rotationsachse erfolgt (im Weiteren vertikale Windkraftanlagen).
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Der Vortrieb der Rotorblätter erfolgt bei horizontalen Windkraftanlagen nach dem Propellerprinzip, bei dem der Wind die rotierende Achse parallel anströmt. Bei vertikalen Windkraftanlagen erfolgt der Vortrieb durch im Wesentlichen senkrechtes Anströmen der Rotorblattfläche durch den Wind.
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Der wesentliche Unterschied zwischen den beiden Anlagentypen liegt in der Rotationsbewegung der Rotorblätter. Während bei den horizontalen Windkraftanlagen die Rotorblätter in jeder Position einen Vortrieb durch den Wind erfahren – es gibt ausschließlich eine positive Phase der Rotorblattbewegung – haben die Rotorblätter bei vertikalen Windkraftanlagen einen Bereich – die negative Phase – in ihrer Umdrehung um die rotierende Achse, in der sie gegen den Wind drehen.
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Das Gebrauchsmuster
DE 000009317364 U1 offenbart eine Bauform für eine vertikale Windkraftanlage mit vertikal zum Windeinfall stehender rotierender Achse. Bei dieser Windkraftanlage wird in der positiven Phase die Rotorblattfläche durch Aufklappen zusätzlicher Windangriffsflächen vergrößert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Gebrauchsmusters
DE 000009317364 U1 wird die Windangriffsfläche des Rotorblatts in der positiven Phase nicht vergrößert, sondern durch Drehen des Rotorblattes die Windangriffsfläche in der negativen Phase verkleinert. Der Dreh- bzw. Klappmechanismus in dem oben angeführten Gebrauchsmuster erfolgt durch an den Rotorblättern angeordnete Gegengewichte. Um die Klapp- bzw. Drehbewegung zu dämpfen, sind die Rotorblätter mit zusätzlichen Stoßdämpfern ausgestattet.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine einfach zu konstruierende Windkraftanlage mit einer zum Windeinfall im Wesentlichen um 90° versetzt stehender rotierender Achse vorzuschlagen, die effizient betrieben werden kann.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Windkraftanlage gemäß Anspruch 1 und/oder Anspruch 2. Abhängige Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Windkraftanlage weist eine rotierende Achse auf, die im Wesentlichen 90° zum Windeinfall angeordnet ist. Die Windkraftanlage besteht aus mindestens zwei Rotorblättern, die um die rotierende Achse drehbar angeordnet sind und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Rotorblätter jeweils zwischen einer ersten und einer zweiten Position um eine Schwenkachse schwenkbar sind. Die erste Position ist die Position, bei der die Rotorblätter eine größere Windangriffsfläche haben als in der zweiten Position.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung (Anspruch 1) sind die Rotorblätter zueinander parallel nebeneinander angeordnet und es ist eine Kopplung der beiden Rotorblätter vorgesehen, die die Rotorblätter synchron zwischen der ersten und der zweiten Position schwenkt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung (Anspruch 2) sind die Rotorblätter diametral an der Achse angeordnet und es ist eine Kopplung vorgesehen, die die Rotorblätter synchron gegenläufig zwischen der ersten und der zweiten Position schwenkt.
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Erfindungsgemäß wird bei beiden Aspekten der geringere Einfluss des Windes in der negativen Phase der Rotorblattumdrehung durch ein Schwenken der Rotorblätter erreicht.
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Das Rotorblatt kann unabhängig von der Art der Schwenkachse über die erste und zweite Position hinaus gedreht werden. Bevorzugt nehmen die Rotorblätter im Betrieb die erste und zweite Position bzw. alle dazwischen liegenden Positionen ein.
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Der allgemeine Vorteil des schwenkbaren Rotorblattes ist die Vergrößerung bzw. Verkleinerung der Windangriffsfläche. Durch das Schwenken bietet das Rotorblatt dem Wind im Bereich der positiven Phase eine große Angriffsfläche, es strömt mehr Wind gegen das Rotorblatt und das Rotorblatt wird angetrieben. In der negativen Phase schwenkt das Rotorblatt in eine Position mit möglichst geringer Anströmfläche, so dass der Rotationsbewegung um die rotierende Achse wenig Windkraft entgegen steht. Durch den Schwenkmechanismus und die Kopplung ist der erfindungsgemäße effiziente Betrieb der vertikalen Windkraftanlage möglich.
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Bei beiden erfindungsgemäßen Aspekten übertragen die Rotorblätter die auf sie wirkende Kraft auf eine rotierende Achse. Die rotierende Achse ist bevorzugt im Wesentlichem rechtwinklig (d. h. bspw. 90° ± 20°) oder im Wesentlichen parallel zu der Drehachse der Rotorblätter ausgerichtet. Die Aufgabe der rotierenden Achse ist bei beiden Aspekten die Aufnahme der auf die Rotorblätter wirkenden Kraft und die Übertragung der aufgenommenen Kraft durch eine Rotationsbewegung auf beispielsweise einen Generator.
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Über eine Kopplung sind bei beiden erfindungsgemäßen Aspekten mindestens zwei Schwenkachsen miteinander verbunden. Die Kopplung sorgt dafür, dass sich die mit den Schwenkachsen verbundenen Rotorblätter synchron bewegen. Die synchrone Bewegung findet gleichzeitig statt, muss aber nicht gleichgerichtet sein, sondern die Drehrichtung um die Schwenkachsen kann bei beiden erfindungsgemäßen Aspekten in die gleiche Drehrichtung oder in verschiedene Drehrichtungen erfolgen. Entscheidend ist, dass, unabhängig von der Drehrichtung, die Kopplungen die Rotorblätter von einer Position mit größerem, bevorzugt maximalem Windwiderstand (die ersten Position) in eine Position mit kleinerem, bevorzugt minimalem Windwiderstand (die zweite Position) und zurück schwenken.
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Die Schwenkbewegungen erfolgen durch die Kopplungen automatisch dadurch, dass jede Bewegung eines Rotorblattes Bewegung der mit ihm gekoppelten Rotorblatter verursacht und die Kopplung so wirkt, dass sich die Rotorblätter zum richtigen Zeitpunkt in einer widerstandsminimalen (zweiten) oder eine widerstandsmaximalen (ersten) Position befinden.
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Die Kopplung des ersten Aspektes stellt eine Verbindung zwischen den Schwenkachsen von parallel nebeneinander stehenden Rotorblättern her. Bei dem ersten Aspekt sind die Rotorblätter so gekoppelt, dass sie sich beide gleichzeitig entweder in der ersten oder in der zweiten Position befinden (synchron)
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Somit gewährleistet die synchrone Kopplung, dass die über sie verbundenen Rotorblätter immer zur gleichen Zeit zwischen der ersten Position und der zweiten Position hin- und hergeschwenkt werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform, bei der die Schwenkachsen an einer äußeren Kante des Rotorblatts positioniert sind und die Schwenkachsen von zwei Rotorblättern direkt parallel nebeneinander angeordnet sind, werden die beiden Rotorblätter durch die Schwenkbewegung zusammen- und/oder auseinandergeklappt.
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Die Kopplung führt bei dieser bevorzugten Ausführungsform dazu, dass die mechanische Kraft zur Aufwärtsbewegung des unteren Rotorblattes teilweise von dem oberen sich senkenden Rotorblatt aufgebracht wird. Umgekehrt wird beim Öffnen der Rotorblätter die notwendige mechanische Kraft für das Hochklappen des oberen Rotorblattes teilweise durch das sich senkende, untere Rotorblatt aufgebracht. Es findet durch die Kopplung die bereits erwähnte Drehkraftübertragung statt.
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Die Kopplung der parallel nebeneinander stehenden Schwenkachsen ist durch bekannten Systeme, wie beispielsweise Getriebe, Zahnräder, Gestänge oder Seilsysteme ausführbar.
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Bei dem zweiten Aspekt der erfindungsgemäßen Windkraftanlage sind die Schwenkachsen von mindestens zwei Rotorblättern diametral zueinander angeordnet und über eine Kopplung miteinander verbunden. Die Kopplung ist für ein synchron gegenläufiges Schwenken der Rotorblätter zwischen der ersten und zweiten Position ausgelegt. Das gegenläufige Schwenken bezieht sich auf die versetzten Positionen der diametral zueinander stehenden Rotorblätter und nicht auf den Drehsinn der Rotorblätter.
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Die Kopplung bei dem zweiten Aspekt der erfindungsgemäßen Windkraftanlage stellt eine Verbindung zwischen den Schwenkachsen von zwei diametral zueinander stehenden Rotorblättern her, bei der die dadurch gekoppelten Rotorblätter immer gleichzeitig geschwenkt werden, sich aber in gegenläufigen (zueinander versetzten) Positionen befinden. Das bedeutet, dass wenn mindestens ein Rotorblatt in der ersten Position ist bzw., sich auf dem Weg in die erste Position befindet, sich synchron mindestens ein diametral zu ihm gekoppeltes Rotorblatt in der zweiten Position bzw. sich auf dem Weg in die zweite Position befindet.
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Die Kopplung gewährleistet somit auch hier, dass die über sie verbundenen Rotorblätter immer synchron das bedeutet zur gleichen Zeit zwischen der ersten Position und der zweiten Position hin- und hergeschwenkt werden. Im Gegensatz zum ersten Aspekt, bei dem die gekoppelten Rotorblätter die gleiche Position einnehmen, bewegen sich die diametral zueinander stehenden Rotorblätter beim zweiten Aspekt zwischen den Positionen gegenläufig.
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Die Kopplung der diametral zueinander stehenden Schwenkachsen ist bspw. durch eine feste Verbindung oder eine Verbindung mit einer Manschette ausführbar. Alternativ kann die Kopplung auch bspw. durch ein geeignetes Getriebe bewirkt werden.
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Der Vorteil der Kopplung liegt wie beim ersten Aspekt der erfindungsgemäßen Windkraftanlage in der simultanen Bewegung der gekoppelten Rotorblätter, der Übertragung der notwendigen Drehkräfte zwischen den Rotorblättern und dem oben beschriebenen automatisierten Bewegungsablauf der Rotorblätter.
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Bei der zweiten Ausprägung ist die Kopplung in einer besonders bevorzugten Ausführungsform durch eine gemeinsame Schwenkachse, auf der die Rotorblätter versetzt zueinander montiert sind, herzustellen. Der Versatz kann bevorzugt im Wesentlichen (d. h. bspw. mit Abweichung von nicht mehr als 20°) 90° betragen.
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Der Vorteil der Kopplungen ist bei beiden Aspekten die automatische, synchrone, gleichzeitige Bewegung der verbundenen Rotorblätter mit der damit verbundenen. Drehkraftübertragung zwischen den gekoppelten Rotorblättern.
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Die Schwenkachsen können als eigenständige Achsen mit den Rotorblättern verbunden oder als Drehachse, um mindestens einen Befestigungspunkt, im Rotorblatt ausgebildet sein. Die Schwenkachsen können am Rotorblatt von einer Außenkante bis zu einer Mittelachse positioniert sein, bevorzugt wird sie an einer Außenkante oder in der Mittelachse des Rotorblatts angeordnet.
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Bei der Ausbildung der Schwenkachse als eigenständige Achse, die mit dem Rotorblatt verbunden ist, sind bei beiden erfindungsgemäßen Aspekten alle als Achsen verwendbare Materialien und geometrischen Querschnittsformen, vorzugsweise dem Rotorblatt angepasst, wie beispielsweise rechteckig, ovale oder runde Achsen einsetzbar.
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Die Schwenkachsen und die Rotorblätter sind um mindestens einen Befestigungspunkt stufenlos von einer ersten Position in eine zweite Position oder in eine Position zwischen der ersten und zweiten Position zu drehen.
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Als Rotorblatt können für beide erfindungsgemäßen Aspekte bekannte Rotorblätter für vertikale Windkraftanlagen verwendet werden. Die Querschnittsform des Rotorblatts kann beispielsweise konvex, konkav, rechteckig oder bevorzugt im Bereich der Schwenkachse verdickt sein.
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Der Querschnitt über die Längsachse des Rotorblattes kann unterschiedlich ausgeformt sein, beispielsweise rechtwinklig, oval, verdickt oder auf eine äußere Kante zulaufend dünner werdend. Als geometrische Form des Rotorblattes sind beispielsweise rechteckig, ovale oder runde Formen ausführbar.
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Als Materialien für die Rotorblätter sind für beide erfindungsgemäßen Aspekte übliche Materialien wie zum Beispiel Leichtmetall, Metall, glasfaser- oder kohlefaserverstärkter Kunststoff einsetzbar.
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Bevorzugt wird ein Rotorblatt aus glasfaserverstärktem Kunststoff mit konvex-konkaver Bauform und innen liegender Schwenkachse verwendet. Diese Bauform bietet dem Wind eine besonders gute Angriffsfläche in der Vortriebsphase (positive Phase) und hat einen niedrigen Strömungswiderstand in der negativen Phase. Glasfaserkunststoff ist außerdem witterungsbeständig und hat ein geringes Gewicht, aufgrund dessen die Schwenk- und Drehbewegungen der Windkraftanlage leichter und materialschonender ausgeführt werden.
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Besonders effizient wird die erfindungsgemäße Windkraftanlage bei einer Kombination der beiden Aspekte, d. h. sowohl mit parallel nebeneinander stehenden Rotorblättern als auch mit diametral dazu angeordneten Rotorblättern. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform besteht somit aus mindestens vier Rotorblättern, wobei auf jeder der diametral zueinander stehenden Seiten der rotierenden Achse jeweils zwei Rotorblätter parallel nebeneinander angeordnet sind.
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Besonders bevorzugt wird bei dieser Ausführungsform die Kopplung der parallel nebeneinander stehenden Rotorblätter und zumindest einer diametralen Kopplung zwischen zwei Rotorblättern. Dabei sind alle Rotorblätter untereinander gekoppelt: zum einen über eine parallele Kopplung und zum anderen entweder über eine direkte diametrale Kopplung oder eine indirekt diametrale Kopplung die über die parallele Kopplung mit den direkt diametral gekoppelten Rotorblätter besteht.
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Der Vorteile der Kombination der beiden erfindungsgemäßen Aspekte liegt im deutlich besseren automatischen Bewegungsablauf, in der stärker wirkenden Windkraft auf die Rotorblätter und in der deutlich besseren Drehkraftübertragung zwischen den Rotorblättern, da jedes Rotorblatt mit mindestens drei weiteren Rotorblättern, direkt oder indirekt, gekoppelt ist.
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Durch den weitestgehend symmetrischen Aufbau dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Windkraftanlage müssen nur wenige unterschiedliche Einzelteile verwendet werden, wodurch neben der einfachen Herstellung auch Wartungs- und Reparaturarbeiten einfach und kostengünstig durchgeführt werden können.
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In beiden Aspekte der erfindungsgemäßen Windkraftanlage bilden bezogen auf die rotierende Achse die diametral zueinander und/oder zueinander parallel nebeneinander angeordneten Rotorblätter eine axiale Ebene von Rotorblättern an der rotierenden Achse. Um die Kräfte, die auf die rotierende Achse übertragenden werden, weiter zu erhöhen, sind in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der beiden Aspekte der erfindungsgemäßen Windkraftanlage mehrere axial beabstandete Ebenen von Rotorblättern an der rotierenden Achse angeordnet.
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Die Querschnittsform der Rotorblätter beeinflusst die Einwirkung des Windes auf die Rotorblätter. Durch vorteilhaft geformte Rotorblätter kann der Einfluss der negativen Phase der Rotorblattumdrehung verringert und die Kraftübertragung des Windes auf die Rotorblätter verbessert werden.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der beiden alternativen Aspekte der erfindungsgemäßen Windkraftanlage ist mindestens ein Rotorblatt mit einer konkaven oder/und einer konvexen Seite ausgeformt.
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Bevorzugt wird bei beiden Aspekten der erfindungsgemäßen Windkraftanlage eine Ausführungsform, bei der in der ersten Position die konkave Seite des Rotorblattes dem Windeinfall zugewandt ist.
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Eine Dämpfung der Rotorblattbewegung führt zu einem leiseren Bewegungsablauf der Rotorblattbewegung und durch die Dämpfung werden die Bestandteile und das Material der erfindungsgemäßen Windkraftanlage geschont, so dass Wartung und/oder Reparatur seltener notwenig sind.
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Um bei beiden Aspekten der erfindungsgemäßen Windkraftanlage eine möglichst leise und für die Windkraftanlage schonende Drehbewegung der Rotorblätter durchzuführen, ist bei beiden Aspekten in einer besonders bevorzugten Ausführungsform eine Dämpfung der Rotorblattbewegung um die Schwenkachse vorgesehen. Zur Dämpfung können beispielsweise Kolben-Zylindersysteme, mechanische Federdämpfung oder Puffer eingesetzt werden.
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Die rotierende Achse nimmt bei beiden alternativen Aspekten der erfindungsgemäßen Windkraftanlage die an den Rotorblättern erzeugte Kraft auf. Die von der rotierenden Achse aufgenommenen Kräfte werden über eine Kopplung auf einen Generator übertragen. Beispiele hierfür sind Generatoren zur Erzeugung von Elektrizität oder Druckluft.
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Die Kopplung der rotierenden Achse mit dem Generator erfolgt beispielsweise über eine feste Verbindung der rotierenden Achse mit dem Generator oder einem Getriebe, das zwischen rotierender Achse und Generator angeordnet ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der beiden Aspekte ist die rotierende Achse durch ein Getriebe mit einem Generator zur Umwandlung der mechanischen Kraft zur Erzeugung von Elektrizität gekoppelt.
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Um die Windkraft effizient und mit einem hohen Wirkungsgrad auszunutzen, wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der beiden Aspekte ein Generator eingesetzt, der in unterschiedlichen Drehbereichen unterschiedlich effizient ist und bei dem das Getriebe so ausgebildet ist, dass es auf den effizientesten Drehbereich des eingesetzten Generators abgestimmt ist.
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Zur Kopplung der parallel nebeneinander angeordneten Rotorblätter des ersten Aspekts der erfindungsgemäßen Windkraftanlage ist in einer bevorzugten Ausführungsform ein Zahnradsystem vorgesehen. Als Zahnradsystem können bekannte Zahnradsysteme, die die für die auftretenden Kräfte notwendige Robustheit und Anwendbarkeit aufweisen, eingesetzt werden. Bei einer Kopplung über Zahnräder ist meistens keine weitere verbindende Mechanik wie bspw. ein Ketten- oder Seilsystem notwendig. Der Vorteil von Zahnrädern ist ihr einfacher Aufbau, ihre einfache und wartungsfreie Arbeitsweise und ihre Unanfälligkeit für Reparaturen.
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Besonders bevorzugt wird bei dem zweiten Aspekt der erfindungsgemäßen Windkraftanlage eine Ausführungsform, bei der die Schwenkachse im Wesentlichem um 90° zu der rotierenden Achse ausgerichtet ist und für die Kopplung der diametral zueinander stehenden Rotorblätter eine gemeinsame durchgehende Schwenkachse, d. h. eine Schwenkachse, die sich von der rotierenden Achse aus in zwei diametrale Richtungen erstreckt und auf beiden Seiten der rotierenden Achse mit einem Rotorblatt verbunden ist, verwendet wird.
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Auf dieser gemeinsamen Schwenkachse werden beispielsweise zwei diametral zueinander stehende Rotorblätter befestigt. Ein Rotorblatt wird auf der ersten Position, das diametral dazu stehende auf der zweiten Position angeordnet. Durch die gemeinsame Achse ist die diametrale Kopplung gegeben und durch die versetzte Anbringung der Rotorblätter gewährleistet die Schwenkbewegung eine effiziente Ausnutzung des anströmenden Windes während des Umlaufs um die rotierende Achse.
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Bei der Schwenkbewegung dieser Ausführungsform ist ein Rotorblatt immer im Wesentlichem um 90° zum diametral stehenden Rotorblatt versetzt. Es findet daher, wie bereits oben erläutert, eine synchron gegenläufige Schwenkbewegung der Rotorblätter zwischen ihrer ersten Position und ihrer zweiten Position statt.
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Der Vorteil dieser besonders bevorzugten Ausführungsform, mit im Wesentlichen um 90° zueinander versetzten Rotorblättern, ist die einfach durchzuführende und effiziente Kopplung.
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Die Schwenkachsen sind bei beiden Aspekten in einer bevorzugten Ausführungsform um im Wesentlichen um 90° zur rotierenden Achse angeordnet. Die Verbindung zwischen den Schwenkachsen und der rotierenden Achse erfolgt bei beiden Aspekten besonders bevorzugt über eine an der rotierenden Achse angeordneten Nabe. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Nabe sind die Rotorblätter mit ihren Schwenkachsen an der Nabe befestigt und die Kopplung der parallel nebeneinander und/oder der diametral zueinander stehenden Rotorblätter ist in der Nabe angeordnet.
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Bei einer alternativen Ausführungsform beider Aspekte sind die Schwenkachsen im Wesentlichen parallel zur rotierenden Achse angeordnet. Darunter wird verstanden, dass die Enden der Schwenkachse und die Enden der rotierenden Achse in die gleichen Richtungen weisen.
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Um in dieser Ausführungsform die Kraft des auf das Rotorblatt einwirkenden Windes auf die rotierende Achse zu übertragen, ist bevorzugt ein Rahmen an der rotierenden Achse vorgesehen, an dem mindestens ein Rotorblatt mit seiner Schwenkachse befestigt ist und an dem die Kopplung von parallel nebeneinander und/oder von diametral zueinander stehenden Rotorblättern angeordnet ist.
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Der Rahmen ist mit der rotierenden Achse bevorzugt am oberen und unteren Ende der rotierenden Achse fest verbunden. Als Rahmen können bekannten Materialien und geometrische Formen genutzt werden. Beispiele hierfür sind Rahmen mit ovaler oder rechteckiger Form aus beispielsweise Metall, Leichtmetall oder Glasfaser- und/oder kohlefaserverstärkten Kunststoffen. Der Rahmen ist bspw. auch als oberer und unterer Träger ausführbar. Als Rahmen sind z. B. alle Träger verwendbar, die die Schwenkachsen in ihrer vorgegebenen Position halten und eine Kraftübertragung auf die rotierende Achse gewährleisten.
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Vorteile dieser alternativen Ausführungsform sind die gute Stabilisierung der Rotorblätter durch Lagerung in zwei Drehpunkten und die Möglichkeit eine erfindungsgemäße Windkraftanlage in länglicher, schlanker Bauform zu konstruieren, die einfach zu konstruieren ist und effizient betrieben werden kann.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen
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1 eine erste Ausführungsform der Windkraftanlage mit einem perspektivisch dargestellten Rotor und mit schematisch dargestellter rotierender Achse, Getriebe und Generator,
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2 einen schematischen Schnitt durch die Nabe der Ausführungsform von 1,
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3 einen schematischen Schnitt durch eine Ausführungsform der Rotorblätter,
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4 eine schematische seitliche Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer Windkraftanlage mit, bezogen auf die rotierende Achse, parallel angeordneten Schwenkachsen.
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Die in 1 dargestellte Windkraftanlage 1 zeigt einen Rotor 2 der aus acht Rotorblättern 5–12 besteht die mit sechs Schwenkachsen 13–18 an einer Nabe 22 befestigt sind.
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Zwei Schwenkachsen 13, 16 gehen ohne Unterbrechung durch die Nabe 22 durch. An diesen zwei Schwenkachsen 13, 16 sind jeweils zwei Rotorblätter angeordnet. Die übrigen vier Schwenkachsen 14, 15, 17,18 sind jeweils mit einem Rotorblatt versehen.
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Weiter sind immer zwei Rotorblätter übereinander und parallel als Rotorblattpaar 4a–4d mit ihren Schwenkachsen an der Nabe 22 angeordnet. Jedes Rotorblattpaar ist mit einem Abstand von 90° in Drehrichtung des Rotors 2 zum nächsten Rotorblattpaar an der Nabe 22 befestigt. Es ergibt sich eine kreuzweise Anordnung der Rotorblattpaare 4a–4d um die Nabe 22, wobei jeder Schenkel des Kreuzes aus jeweils einem Paar übereinander und parallel stehender Rotorblätter besteht.
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Die als Paar angeordneten Rotorblätter sind so ausgerichtet, dass die Rotorblattflächen beim Schwenken zusammen bzw. auseinander klappen.
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Jedes der acht Rotorblätter 5–12 ist zweifach gekoppelt. 2 zeigt einen schematischen Schnitt durch die Nabe 22 mit einem Kopplungssystem 3 für vier Rotorblätter 5, 6, 9, 10. Das dargestellte Kopplungssystem 3 besteht aus zwei parallelen Zahnradkopplungen 25, 26 und einer diametralen Kopplung 27 in Form einer durchgehenden Schwenkachse 13. Das Kopplungssystem 3 befindet sich innerhalb der Nabe 22.
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Die parallele Kopplung besteht zwischen zwei übereinander und parallel stehenden Rotorblättern und erfolgt über die Zahnradkopplungen 25, 26. Diese besteht für das Rotorblattpaar 4a aus zwei gleichen Zahnrädern 25a, 25b, die auf die jeweiligen Schwenkachsen 13, 14 der Rotorblätter 5, 6 montiert sind und ineinander greifen. Die parallele Kopplung 25 überträgt die auftretenden Drehkräfte zwischen den Rotorblättern 5, 6 und synchronisiert im Betrieb die Bewegung der Rotorblätter 5, 6.
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Die Rotorblattpaare 4b–4d der Windkraftanlage 1 sind wie das oben beschriebene Rotorblattpaar 4a über gleichartige und in 2 dargestellte Zahnradkopplungen 25, 26 miteinander verbunden.
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Die zweite Kopplung besteht zwischen diametral zueinander stehenden Rotorblättern und erfolgt über durchgehende Schwenkachsen 13, 16. An der Schwenkachse 13 sind dabei zwei Rotorblätter 5, 9 diametral und um 90° versetzt zueinander angeordnet. Die diametrale Kopplung überträgt, genauso wie die parallele Kopplung, auftretende Drehkräfte zwischen den Rotorblättern und synchronisiert die Bewegung.
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Eine gleichartige diametrale Kopplung besteht bei der Windkraftanlage 1 außerdem über die Schwenkachse 16 zwischen den Rotorblättern 8 und 12.
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Die Kopplungssysteme 3 der Windkraftanlage 1 sind innerhalb der Nabe 22 positioniert und dadurch vor Witterungseinflüssen weitestgehend geschützt.
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Bei der Windkraftanlage 1 besteht das Kopplungssystem 3 einerseits wie gezeigt zwischen den Rotorblättern 5, 6, 9 und 10 mit der diametralen Kopplung (durchgehende Schwenkachse 13) der beiden oberen Rotorblätter 5, 9 und andererseits (nicht dargestellt) zwischen den Rotorblättern 7, 8, 11, und 12 mit der diametralen Kopplung (durchgehende Schwenkachse 16) der beiden unteren Rotorblätter 8, 12.
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Alle Rotorblätter 5–12 haben eine rechteckige Form und bestehen aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Der Querschnitt der Rotorblätter 5–12 ist im Wesentlichen plan-konkav. Die Rotorblätter haben im Bereich der Schwenkachse 13–18 den dicksten Querschnitt und werden zu der der Schwenkachse gegenüberstehenden Rotorblattkante immer dünner. Die Schmalseite der Rotorblätter 5–12 an den Schwenkachsen 13–18 ist halbrund geformt. Der Längsquerschnitt der Rotorblätter 5–12 ist rechteckig.
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Die Schwenkachsen 13–18 sind wie die Rotorblätter 5–12 aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Sie sind innerhalb der Rotorblätter 5–12 angeordnet und verlaufen jeweils an den äußeren Längskanten der Rotorblätter 13–18. Sie sind mit den Kopplungen 25, 26, 27, die sich innerhalb der Nabe 22 befindet, verbunden.
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Die Nabe 22 ist fest mit der rotierenden Achse 18 zum Übertragen der Kräfte verbunden. Die Nabe 22 besteht aus einem metallischen Gehäuse mit Einlässen für die Schwenkachsen 5–12 und Befestigung für die rotierende Achse 21.
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Die an der Nabe 22 angeordnete rotierende Achse 21 ist vertikal ausgerichtet und an einem Ende mit der Nabe und am anderen Ende mit einem Getriebe 23 und einem Generator 24 verbunden. Die rotierende Achse 21 besteht aus einem metallischen Rohr mit Anschlüssen für das Getriebe 23 und die Nabe 22.
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Der Generator 24 erzeugt Elektrizität. Das Getriebe 23 regelt die Umdrehungsanzahl der rotierenden Achse 21 auf den effizientesten Bereich des Generators 24 ein.
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In der in 1 dargestellten Position sind die Rotorblätter 5–8 in ihrer ersten Position dargestellt, d. h. sie sind in der Position, in der sie dem Wind die größere Angriffsfläche bieten. Die Rotorblätter 9–12 befinden sich in ihrer zweiten, eingeklappten Position, das bedeutet, sie sind in der Position mit der kleineren Angriffsfläche für den Wind.
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Im Betrieb strömt der Wind auf den Rotor 3 und versetzt diesen von oben betrachtet, rechts herum in Bewegung. Sobald sich das Rotorblattpaar 4b so weit gedreht hat, dass der Wind 29 zwischen den Rotorblättern 9, 10 angreifen kann, initiiert er ein Aufklappen der Rotorblätter 9, 10 und die Rotorblätter 9, 10 beginnen ihre Schwenkbewegung von ihrer zweiten Position in ihre erste Position. Synchron dazu werden die diametral hierzu angeordneten Rotorblätter 5, 6, zum einen aufgrund des anströmenden Windes und zum anderen aufgrund der diametralen Kopplung zwischen dem Rotorblatt 5 und 9, von der ersten Position in die zweite Position geschwenkt.
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Während der Bewegungen findet über die Kopplungen ein Austausch von Kräften zwischen den vier Rotorblättern 5, 6, 9, 10 statt. Die Rotorblätter 5 und 10 senken sich und geben damit mechanische Kraft in das Kopplungssystem 3 ab, die Rotorblätter 6 und 9 werden angehoben und nehmen über das Kopplungssystem 3 die mechanische Kraft auf.
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Sobald sich die Rotorblätter 9, 10 im Wesentlichem um weitere 180° um die rotierende Achse gedreht haben und der Wind angreifen kann, wird die oben beschriebene Schwenkbewegung an den Rotorblättern 5, 6, 9, 10 erneut initiiert. Sie erfolgt an den jeweiligen Rotorblättern 5, 6, 9, 10 umgekehrt zu der oben beschriebenen Schwenkbewegung.
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Durch die Kombination der parallelen Kopplungen 25, 26 mit der diametralen Kopplung 27 werden die auftretenden Drehkräfte nicht nur zwischen parallelen Rotorblättern sondern zwischen allen vier Rotorblättern 5, 6, 9 und 10 übertragen.
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Die Kopplungen 25, 26, und 27 sorgen dafür, dass die Schwenkbewegungen der vier Rotorblätter 5, 6, 9 und 10 synchron und automatisch stattfinden. Die Zahnradkopplungen 25, 26 wirken dabei an den jeweiligen Rotorblättern der Rotorplattpaare 4b, 4d. Die diametrale Kopplung 27 wirkt zwischen den diametral gekoppelten Rotorblättern 5, 9 und die Kombination aus paralleler und diametraler Kopplung wirkt zwischen den Rotorblattpaaren 4b, 4d.
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Die Rotorblätter 7, 8, 11, 12 verhalten sich analog zu den Rotorblättern 5, 6, 9, 10. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden im Betrieb die Rotorblätter eines Rotorblattpaares zusammen und auseinander gefaltet.
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Beide Kopplungen und der Wind initiieren das synchrone Schwenken von der ersten Position in die zweite Position und umgekehrt. Der Bewegungsablauf der Rotorblätter findet automatisch, ohne weitere Steuerung, nur aufgrund der Kopplungen und in Abhängigkeit vom Wind statt. Die Kopplungen sind für die automatische Bewegung der Rotorblätter zuständig, da sie alle Rotorblätter miteinander verbinden, so dass jede einzelne Bewegung eines Rotorblattes Bewegungen an den gekoppelten Rotorblättern erzeugt. Die automatischen Bewegungen in Kombination mit der Bewegungsinitiierung durch den Wind sorgen dafür, dass die Rotorblätter zum richtigen Zeitpunkt in der ersten Position (minimaler Windwiderstand) oder in der zweiten Position (maximaler Windwiderstand) sind.
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3 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine mögliche Ausführungsform von zwei parallelen Rotorblättern 30. Es werden zwei Rotorblättern 31, 32, die sich in ihrer ersten Position befinden mit zwei Schwenkachsen 33, 34 und einem auf Höhe der Schwenkachsen 33, 34 angeordnetem Dämpfungssystem 35 dargestellt.
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Das Dämpfungssystem 35 dämpft die Schwenkbewegung der Rotorblätter 31, 32 um ihre Schwenkachsen 33, 34 Die Dämpfung der Schwenkbewegung erfolgt durch Abbremsen der Rotorblätter 31, 32 beim Erreichen ihrer ersten Position oder ihrer zweiten Position. Durch die Dämpfung wird zum einen eine leisere Schwenkbewegung erreicht und zum anderen wird durch die Dämpfung ein Zusammenschlagen oder ein Nachschwingen der Rotorblätter 31, 32 über die Zielposition hinaus verhindert.
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Die Ausführungsform der Rotorblätter 31, 32 in 3 ist flügelartig, mit konvex-konkav gebogenen Flächen, die zu der äußeren Kante – die Kante, die der Schwenkachse gegenüber liegt – spitz zulaufen.
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4 zeigt eine schematische seitliche Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer Windkraftanlage 40 mit einer vertikal ausgerichteten rotierenden Achse 43, bei der die vier Schwenkachsen 50–53 der vier Rotorblätter 45–48 im Wesentlichen parallel zur rotierenden Achse 43 angeordnet sind.
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Die Schwenkachsen 50–53 der Rotorblätter 45–48 sind in dieser Ausführungsform an jeweils zwei Drehpunkten mit einem Traggestell 62 verbunden. Das Traggestell 62 besteht aus einem oberen und einem unteren Querträger die mittig mit der rotierenden Achse 43 verbunden sind.
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Die Schwenkachsen sind an einer äußeren Kante innerhalb der Rotorblätter angeordnet. Es stehen immer zwei Rotorblätter als Rotorblattpaar 41, 42 parallel nebeneinander. Die Rotorblätter 45, 46 des Rotorblattpaares 42 und die Rotorblätter 47, 48 des Rotorblattpaares 41 sind jeweils so ausgerichtet, dass sie beim Schwenken zusammen- bzw. auseinanderklappen.
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Ein Rotorblattpaar 42 ist diametral und um 90° versetzt zum anderen Rotorblattpaar 41 ausgerichtet. Dadurch befindet sich ein Rotorblattpaar 42 in seiner ersten Position oder auf dem Weg in seine erste Position und das andere Rotorblattpaar 41 in seiner zweiten Position oder auf dem Weg in ihre zweite Position.
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Die Windkraftanlage 40 weist weiter zwei Kopplungssysteme bestehend aus zwei Zahnradkopplungen 55, 56 und einer diametralen Kopplung 54 auf.
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Die Zahnradkopplung 55 besteht aus zwei ineinandergreifenden Zahnrädern, die um das untere Ende der Schwenkachsen 50, 51 angeordnet sind. Sie koppeln die Rotorblätter 45, 46 eines Rotorblattpaares 42 miteinander. Die zweite Zahnradkopplung 56 koppelt die Rotorblätter 47, 48 analog zur Zahnradkopplung 55.
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Das diametrale Kopplungssystem 54 koppelt die Rotorblattpaare 41, 42 durch Zahnscheiben 57, 58 und einen Zahnriemen 59. Die Zahnscheiben sind unterhalb der Zahnradkopplungen 55, 56 und an zwei diametral zueinander angeordneten Schwenkachsen 50, 53 befestigt.
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Die Zahnradkopplungen 55, 56 und das Kopplungssystem 54 übertragen Drehkräfte zwischen den Rotorblättern und sorgen für einen automatischen, synchronen Bewegungsablauf der gekoppelten Rotorblätter. Wie beim ersten Ausführungsbeispiel findet der automatische Bewegungsablauf auch bei dieser alternativen Ausführungsform statt.
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Die rotierende Achse 43 ist an ihrem Fußende mit einem Ständer 63 und einem unter dem Ständer 63 angeordnetem Getriebe 60 und Generator 61 verbunden.
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In der gezeigten Stellung befinden sich die Rotorblätter 45, 46 in der ersten Position, das bedeutet, sie sind in der Position, in der sie dem Wind die größere Angriffsfläche bieten. Die Rotorblätter 47, 48 befinden sich in der zweiten Position, das bedeutet, sie sind in der Position mit der kleineren Angriffsfläche für den Wind.
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Im Betrieb strömt der Wind die Rotorblätter 45–48 an und versetzt diese, von oben betrachtet, rechts herum in Bewegung. Sobald sich die Rotorblätter 47, 48 so weit gedreht haben, dass der Wind an den Rotorblättern 47, 48 angreifen kann, initiiert er ein Aufklappen der Rotorblätter 47, 48 von der jetzigen zweiten Position in die erste Position. Zeitgleich initiiert er ein Zusammenklappen der diametral angeordneten parallel stehenden Rotorblätter 45, 46 von der jetzigen ersten Position in die zweite Position. Durch die Kopplungen und den damit verbundenen automatischen Bewegungsablauf bewegen sich alle Rotorblätter gleichzeitig.
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Sobald sich die Rotorblätter 45–48 um im Wesentlichen weitere 180° um die rotierende Achse 43 gedreht haben und erneut eine Drehbewegung um die Schwenkachsen 50–53 initiiert wird, findet die oben beschriebene Schwenkbewegung der Rotorblätter 45–48 in umgekehrter Reihenfolge erneut statt.
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Während der Bewegung findet über die Kopplungen 54, 55, 56 ein Austausch von mechanischen Kräften zwischen den vier Rotorblättern 45–48 statt. Die parallelen Kopplungen 55, 56 übertragen Drehkräfte zwischen den Rotorblättern eines Rotorblattpaares. Die diametrale Kopplung 54 überträgt Drehkräften zwischen den diametral stehenden Rotorblattpaaren 41, 42.
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Beide Kopplungen in Kombination übertragen Drehkräften zwischen allen vier Rotorblättern und sorgen nur in Abhängigkeit vom Wind für den automatischen synchronen Bewegungsablauf der vier Rotorblätter ohne dass eine weitere Steuerung notwendig ist.
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Im Betrieb werden die Rotorblätter 45–48 im Wesentlichen alle 180° um die rotierende Achse 43 von der ersten Position in die zweite Position geschwenkt, bzw. von der zweiten Position in die erste Position geschwenkt. Die Rotorblätter 45–48 sind nach einer vollen 360° Drehung um die rotierende Achse 43 wieder in ihrer Ausgangsposition.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 000009317364 U1 [0004, 0005]