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Die Erfindung auf die sich diese Beschreibung bezieht gehört zum Gebiet der Windkraftmaschinen.
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Windkraftmaschinen mit vertikal laufenden Rotoren sind von chinesischen Windmühlen bekannt. Diese Windmühle gehört zu den ältesten Windkraftanlagen zur Energiegewinnung aus Windkraft und ist in ihrer Funktionsweise einfach, zuverlässig und effizient. Sie richtet sich automatisch nach dem Wind aus, und arbeitet nach dem Aufwindprinzip, ohne aufwendige und kostenintensive aerodynamische Rotorflügel, wie sie bei Horizontalläufern notwendig und erforderlich sind. Die Gewinnung von Energie aus regenerativen Quellen gewinnt zunehmend an Bedeutung.
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Meine Erfindung stellt eine Weiterentwicklung dieser chinesischen Windmühle dar und ist durch eine effizientere und verfeinerte Anlagentechnik den Bedürfnissen der heutigen Zeit angepasst, woraus sich zusätzliche Einsatzgebiete zur Anwendung dieser Technik ergeben. Der neuartige Rotor zeichnet sich durch eine hohe Laufruhe aus, schon nach kurzer Anlaufphase. Er läuft bereits bei Windgeschwindigkeiten von unter 0,5 m/s an.
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Nach dem mir bekannten, bisherigen Stand der Technik gibt es keinen vertikal laufenden Rotor auf der Basis des Prinzips der chinesischen Windmühle, der in der Lage ist, schon bei sehr niedrigen Windgeschwindigkeiten anzulaufen und dabei eine hohe gleichmäßige Kraftübertragung auf die Antriebswelle zu gewährleisten. Bei meine Recherchen in den Dokumentationen des Patentamtes konnte ich keinen Rotortyp auffinden, der in derselben Art und Weise aufgebaut ist und funktioniert, wie der von mir entwickelte Rotor. Die meisten der bekannten Vertikalläufer laufen erst bei Windgeschwindigkeiten von über 2 m/s selbst an oder sie benötigen zusätzliche Energie um eine Rotation in Gang zu setzen.
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Die bekannten kleinen oder mittleren Windkraftrotoren sind meistens Horizontalläufer die auf eine Windnachfuhreinrichtung-Windfahne und einen Mast angewiesen sind. Die geringen Angriffsflächen ermöglichen es erst bei höheren Windgeschwindigkeiten, trotz Auftrieb und aerodynamischer Formgebung nennenswerte Erträge zu erwirtschaften.
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Ausgehend von den analysierten und dargestellten Mängeln stellte ich mir die Aufgabe eine Windkraftanlage zu entwickeln, die in der Lage ist, den Bereich der niedrigeren Windgeschwindigkeiten zur Energieumwandlung zu nutzen und somit auch eine geringere Windkraft nutzbar zu machen, die die bekannten großen Windkraftanlagen nicht verwerten können. Hauptaugenmerk galt dabei der anlagentechnischen Umsetzung. Die Anlage sollte nach Möglichkeit in der Lage sein, problemlos bei Windgeschwindigkeiten unter 2 m/s anzulaufen und bereits in diesem Bereich eine hohe Kraftübertragung gewährleisten. Nach meinen Vorstellungen sollte sie als Vertikalläufer ausgeführt sein, nach dem Aufwindprinzip arbeiten nach Möglichkeit keine zu hohe Drehzahl, aber dafür ein hohes Drehmoment aufweisen. Der Rotor sollte zuverlässig, robust möglichst einfach herzustellen sein und eine geringe Geräuschentwicklung aufweisen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen vertikal laufenden Rotor zur Gewinnung von Energie aus Windkraft, dadurch gekennzeichnet, dass
- 1. der Rotor aus einem oder mehreren, sternenförmig um eine Rotationsachse beweglich angeordneten Segeln besteht, die in der Lage sind, sich selbständig innerhalb ihrer eigenen Drehachse und unabhängig voneinander nach dem Wind auszurichten, wobei der Schwenkbereich der Segel durch Begrenzungselemente in einem bestimmten Schwenkwinkel eingeschränkt wird und dabei bei jeder Umdrehung von jedem der Segel ein Impuls auf die Begrenzungselemente, die Rotornabe und folglich auf die Welle des Rotors, übertragen wird, was zu einer Verkürzung der Anlaufphase schon bei geringen Windgeschwindigkeiten und einer hohen Kraftübertragung auf die Rotorwelle führt. Der Rotor kann je nach Größe und Flächenaufteilung aus einem oder mehreren Segeln bestehen. Um eine effektive Rotation zu erreichen sollte der Rotor aus mindestens zwei Segeln bestehen.
- 2. die Begrenzungselemente elastische Zugbänder sind, was zu einem ruhigen Lauf und einer erheblichen Steigerung der Drehzahl des Rotors führt, gegenüber dem Einsatz unelastischer Bänder, Halteseile oder Anschläge als Begrenzungselemente. Bedingt durch die Impulswirkung und die Dämpfung der Segelausschläge läuft der Rotor wesentlich schneller an und erreicht eine höhere Drehzahl.
- 3. durch ein Umlegen der elastischen äußeren Bänder, der Rotor sowohl als Rechts- als auch als Linksläufer rotieren kann, ohne dass zusätzliche konstruktive Veränderungen am Rotor vorgenommen werden müssen. Das Umlegen der elastischen äußeren Bänder erfolgt an beiden Naben manuell. Bevor das geschieht müssen die Segel auf die andere Seite geschwenkt werden und die Bänder auf die jeweiligen anderen Haltepunkte umgehängt werden.
- 4. der Rotor sowohl an einen Generator zur Stromerzeugung als auch an eine Arbeitsmaschine angeschlossen werden kann. In einem Generatorbetrieb kann der Rotor der Stromerzeugung dienen, um z. B. Akkumulatoren zu laden. Im Anschluss an eine Arbeitsmaschine kann der Rotor zur direkten mechanischen Energieübertragung eingesetzt werden. Somit kann der Rotor für den Antrieb von Schiffen, Fahrzeugen oder Pumpen verwendet werden.
- 5. der Rotor und die Segel des Rotors in Form, Größe und Materialeinsatz unterschiedlich ausgebildet sind. Insbesondere der Einsatz von Material und die Formgebung der Segel mit aerodynamischen Eigenschaften ermöglichen eine Verbesserung der Auftriebswirkung und eine Steigerung der Effizienz. Von Bedeutung sind hierbei auch die Höhe und Breite der Segel und deren Verhältnis zueinander sowie der Abstand Ihrer Drehpunkte von der Rotationsachse des Rotors.
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Vorteile dieser Erfindung
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- 1. Der Rotor ist in der Lage schon bei sehr niedrigen Windgeschwindigkeiten Strom zu erzeugen. Der Windertrag steigt, da niedrigere Windgeschwindigkeiten häufiger sind als hohe Windgeschwindigkeiten
- 2. Der Rotor kann einfach und kostengünstig hergestellt werden. Man kann auf teure Flügel oder Segelkonstruktionen verzichten
- 3. Der Rotor ist klein und platzsparend und kann daher auf Dächern (First- oder Flachdächer) von Wohn- oder Industriegebäude, stillgelegte Schornsteine oder auch auf beweglichen Objekten, wie Schiffe oder Fahrzeuge, angeordnet sein. Auf das Aufstellen eines Mastes und die damit verbundenen statischen Berechnungen kann verzichtet werden.
- 4. Der Rotor ist so beschaffen, das er auch hohen Windgeschwindigkeiten standhält. Die Segel sind so beschaffen, das sie höchstens reißen und Teile des Stoffes davon fliegen können, aber dabei niemanden gefährden.
- 5. Die Anwendung erstreckt sich von der Stromerzeugung für die Brauchwassererwärmung in Haushalten und zur Heizungsunterstützung, Zur Ladung von Akkumulatoren, zum Betreiben von Pumpen bis hin zur Nutzung für Schiffs- oder Fahrzeugantriebe.
- 6. Der Rotor hat durch die niedrige Drehzahl ein ruhigen und geräuscharmen Lauf und weist einen geringen Verschleiß der rotierenden Teile auf.
- 7. Eine Gefährdung von Vögeln kann durch die niedrige Drehzahl ausgeschlossen werden.
- 8. Der Rotor eignet sich besonders für eine zusätzliche dezentrale Stromversorgung für Wohnhäuser und Industriegebäude, speziell zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung, für das Betreiben von Pumpen oder zur Bereitstellung von Strom für Beleuchtung, aber auch für Antriebe von Schiffen, Fahrzeugen und kleineren Arbeitsmaschinen oder zur Aufladung von Akkumulatoren.
- 9. Bei einer entsprechenden Generatorauswahl können auch höhere Windgeschwindigkeiten zur Stromerzeugung genutzt werden
- 10. Diese Erfindung leistet einen Beitrag zur Reduzierung der CO2-Emissionen, die durch den Ersatz fossiler Energieträger möglich wird.
- 11. Einzelne Teile des Rotors können aus nachwachsenden Rohstoffen, wie Holz oder Stoff, hergestellt werden.
- 12. Mit einer entsprechenden Materialauswahl, einer stabilen Ausführung der Segel, einer guten Lagerung der rotierenden Teile kann die Funktionszuverlässigkeit des Rotors weiter verbessert werden.
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In der folgenden Beschreibung gehe ich näher auf ein Ausführungsbeispiel meiner Erfindung ein:
Der Rotor besteht aus einem Grundkörper und drei im Versatz von 120° angeordneten, beweglichen, rechteckigen Segeln, deren Fläche mit Segeltuch bespannt ist. Die Flächen können aber auch steif und relativ unflexibel sein. Die Segel sind durch Verwendung von Segeltuch in der Lage sich beidseitig leicht aufzublähen und zu wölben. Den Abschluss der Segel bilden an den Stirnflächen Stege, die eine ruhige Laufphase und Stabilisierung der Segel sicherstellen sollen. Der Grundkörper besteht aus zwei Naben die über sternenförmig angeordneten Verstrebungen miteinander verbunden sind. Die obere Nabe wird fest mit der Antriebswelle verbunden. Die durchgehende Welle wird durch ein Rohr geführt und im oberen Bereich innen durch ein Radiallager gelagert. Die untere Nabe enthält das zweite Radiallager. Der Innenring ist hier im Gegensatz zu oben fest mit dem Rohr verbunden und der Außenring drehbar mit der unteren Nabe verbunden. Unterhalb der unteren Nabe wird die durch das Rohr gehende Welle dann axial gelagert
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Das Rohr ist fest mit einer runden stabilen Grundplatte verbunden. Die Grundplatte wird dann am jeweiligen Standort mit dem Gebäude oder einem mobilen Objekt-Schiff verbunden. Die Welle geht durch die Grundplatte hindurch und bietet die Verbindungsmöglichkeit für den Generator. Siehe Zeichnung – – .
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Die drei senkrecht angeordneten Verstrebungen bilden jeweils die Drehachse der Segel. Die Drehachsen sind jeweils oben und unten mit den Naben verbunden. Die Segelbreite reicht bei diesem Modell vom Drehpunkt bis fast unmittelbar an die Naben des Grundkörpers heran. Breite und Höhe oder der Abstand der Segeldrehachse von der Rotationsachse können aber auch unterschiedlich sein. Auch das Verhältnis von Höhe und Breite kann unterschiedlich sein.
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Unterhalb der unteren Nabe befindet sich eine drehbare und verschiebbare leichte Scheibe, die bei Sturmwarnung zur Festsetzung der Segel dient. Der Rotor wird vor einer Sturmwarnung mechanisch oder elektrisch abgebremst, anschließend die Feststellscheibe – Sturmsicherung – nach oben geschoben, die Segel eingeklappt und die Schlaufen der Sicherungsscheibe mit den Ösen der äußeren, unteren Zugbänder verbunden.
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Der Schwenkbereich der Segel wird durch elastische Zugbänder oder Haltebänder in einem bestimmten Winkel eingeschränkt.
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Die Segel können innerhalb dieses, durch die elastischen Bänder bestimmten Schwenkbereiches pendeln und dabei dem Wind während einer Umlaufphase ständig wechselnden Widerstand entgegensetzen. Das Umschwenken der Segel wird durch die elastischen Bänder abgebremst und die Energie durch die dabei erzeugten Impulse an die Antriebswelle weitergegeben. Die Folge ist ein schnellerer Anlauf des Rotors und eine wesentliche Drehzahlerhöhung. Vom Prinzip her ist dieser Rotor weder ein reiner Auftriebsläufer noch ein Widerstandsläufer. Jedes einzelne Segel durchläuft unterschiedliche Phasen. In der Phase beim Wenden in Richtung mit dem Wind überwiegt das Widerstandsprinzip. Nach der Umkehr, gegen den Wind, erfolgt ein gleichmäßiger Übergang zum Aufwindprinzip. Die großen Segelflächen ermöglichen eine hohe Kraftaufnahme und ermöglichen einen schnellen Anlauf.
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Die folgende Funktionsbeschreibung siehe auch Zeichnung – – , soll die Funktionsweise des Rotors näher erläutern.
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Funktionsbeschreibung:
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1. Anlaufphase – Windgeschwindigkeit etwa 2 m/s.
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Die elastischen Bänder sind so angeordnet dass der Rotor sich rechts herum dreht. Die inneren Bänder sind immer gespannt – von der Nabe zur Drehachse des Segels. Die äußeren Bänder befinden sich im ungespannten Zustand – hängend – Verbindung von der Nabe zur Außenseite des Segels.
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Beim Auftreffen des Windes auf die Segel setzt sich der Rotor in Bewegung. Die Segel klappen nacheinander, jeweils beim Durchlaufen des Wendepunktes in Richtung gegen den Wind auf und spannen dabei das äußere Gummiband. Auf der Gegenseite, also beim Wendepunkt in Richtung mit dem Wind schlägt jedes Segel nacheinander an seinem inneren elastischen Band an. Bei beiden Manövern- Wendepunkten (Kreuzen und Halse) also beim Umschlagen übertragen die Segel einen Impuls auf die Bänder, die diesen dann wiederum auf die Nabe und damit auf die Welle weiterleiten. Die Bänder sind im Winkel so angeordnet dass die Rechtsdrehung durch den Impuls beschleunigt wird. Der Dreh- oder Schwenkbereich des Segels wird jeweils oben und unten durch 2 Bänder eingeschränkt. Die inneren Bänder sind gespannt und verhindern im Wesentlichen beim Umschlagen in Richtung mit dem Wind ein hartes Anschlagen. Die Impulsübertragung ist hier geringer wie bei den äußeren Bändern. Während der Anlaufphase ist die Bewegung der Segel heftiger. Nach etwa 10 Sekunden hat der Rotor seine volle Drehzahl erreicht. Sie beträgt dann etwa 85 U/min. Der Rotor läuft ruhig, Impulse und Ausschläge der Segel sind kürzer und teilweise nur noch an den äußeren Bändern zu erkennen. Die Elastischen Bänder stehen einer unkontrollierten Zunahme der Fliehkräfte entgegen und verhindern ein Aufschlagen über den eingeengten Schwenkbereich hinaus. Die Segel können sich so schneller und optimaler nach dem Wind ausrichten und der Rotor erreicht so in wesentlich kürzerer Zeit einen ruhigen Lauf. Die Drehzahl des Rotors kann gegenüber der Verwendung von unelastischen Haltebändern oder anderen festen oder puffernden Begrenzungspunkten zur Begrenzung der Segel, um mehr als 30% gesteigert werden. Die Beanspruchung der äußeren Bänder steigt proportional mit der Zunahme der Fliehkräfte. Die durch die elastischen Bänder weitergegebene Impulsfrequenz wird größer und die an die Antriebswelle übertragene Kraft nimmt zu. Für eine hohe Effizienz der Energiegewinnung ist die Länge und Winkelanordnung der elastischen Bänder von großer Bedeutung.
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2. Verringerung der Windgeschwindigkeit von 2 m/s auf unter 0,5 m/s
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Die Ausschläge der Segel vergrößern sich wieder, bleiben aber in der Bewegung gleichmäßig, im Gegensatz zur kurzen Anlaufphase aus dem Stillstand. Der Rotor läuft ruhig weiter. Lässt der Wind nach läuft der Rotor langsam bis zum Stillstand aus.
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3. Sturm
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Bei hohen Windgeschwindigkeiten oder Sturm wird die Welle mechanisch oder elektrisch abgebremst und die Segel des Rotors mit der unteren Scheibe (Sturmsicherung) verbunden. Sind alle Segel eingeklappt und diese mit den Fangösen der Sturmsicherung verbunden, ist die Rotation des Rotors verhindert. Der Rotor verhält sich dann dem Wind gegenüber neutral und führt nur noch geringfügige Pendelbewegungen aus.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Segel
- 2
- Steg des Segels, oberer, unterer
- 3
- Verbindungselement, Verstrebung
- 4
- Rotornabe, obere, untere
- 5
- Standrohr der Rotorwelle
- 6
- Rotorwelle
- 7
- Haltepunkt des Zugbandes, Halte-Öse an der Rotornabe
- 8
- Drehachse des Segels
- 9
- Führungsrohr des Segels
- 10
- Sturmsicherung, Sicherungsscheibe zur Segelarretierung
- 11
- Begrenzungselement, elastisches Zugband, inneres a, äußeres b
- 12
- Muffe
- 13
- Grundplatte
- 14
- Haltepunkt des Zugbandes, Halte-Öse am Segel
- 15
- Fang-Öse der Sicherungsscheibe
- W
- Windrichtung
