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Die Erfindung bezieht sich auf ein Fachgebiet zur Stromerzeugung durch eine kinetische Windenergie, insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Turmwindkraftanlage mit einer vertikalen Rotationsachse, wobei eine Mehrzahl von Windkraftaggregaten etagenweise in dem Turm aufgestellt ist. Mit Hilfe einer bei einer Turmausführung erzeugten Windkanalwirkung werden einzelne Windkraftaggregate jeweils durch eine kombinierte Flügelkonstruktion aus Widerstandsflügeln und senkrecht angebrachten Auftriebsflügeln angetrieben, wobei eine Luftmasse senkrecht zu luvseitigen Querschnitten der Widerstandsflügel anbläst und eine Kraft seitlich auf die Auftriebsflügel wirkt, sodass die Flügelkombination wie ein Fliehkraftschwungrad rotiert, was dann ein entsprechendes Windkraftaggregat antreibt. Mit Hilfe einer bei der Rotation erzeugten Massenträgheit einzelner Windkraftaggregate wird die Windenergie kontinuierlich in eine konstante Rotationsenergie umgewandelt. Eine derartige Turmwindkraftanlage mit vertikaler Rotationsachse, angetrieben durch eine kombinierte Flügelkonstruktion aus Widerstandsflügeln und senkrecht angebrachten Auftriebsflügeln, wird auch als Windkanal-Windkraftanlage bezeichnet.
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Die Windenergie wird seit Jahrhunderten vom Menschen für seine Zwecke genutzt. Prinzipiell werden Rotorflügel bzw. ein Fliehkraftregler bei einer Stromerzeugung aus Windkraft durch gewonnene Windenergie in eine mechanische Rotationsbewegung umgewandelt, deren Geschwindigkeit durch ein Getriebe erhöht, sodass die Windkraftanlage diese Rotationsenergie in elektrische Energie umwandeln kann.
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In 11 und 12 ist je eine herkömmliche Windkraftanlage mit einer vertikalen Rotationsachse bzw. einer horizontalen Rotationsachse dargestellt, wobei ein Generator durch einen Dreiblatt- bzw. Mehrblatt-Rotor oder einen Fliehkraftregler angetrieben wird. Die Rotation eines Blattrotors bzw. eines Fliehkraftreglers hängt von mehreren aerodynamischen Wirkungsfaktoren, einschließlich des Widerstands und des Auftriebs ab. Ein dabei entstehendes Drehmoment erzeugt ein Trägheitsmoment bei einer rotierenden Bewegung des Blattrotors bzw. des Fliehkraftreglers, sodass eine kinetische Energie in eine nutzbare mechanische bzw. elektrische Energie umgewandelt wird.
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Die Windkraftanlage mit einer horizontalen Rotationsachse umfasst eine Windkraftturbine, deren Drehachse parallel zu einer Bodenfläche montiert wird. Um maximale Windenergie zu gewinnen, ist eine Ablenkvorrichtung erforderlich, damit die Windkraftanlage einer Windrichtung nachgeführt werden kann. Obwohl die Windkraftanlagen mit einer horizontalen Rotationsachse heutzutage einen überwiegenden Marktanteil haben, weisen sie jedoch folgende Nachteile auf, dass sie einen Einfluss von Luftströmungen, die durch ihren Standort bedingt sind, und von turbulenten Strömungen ganz schwer überwinden und zudem noch laute Geräusche erzeugen.
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Die Windkraftanlagen, egal ob sie mit einer horizontalen bzw. mit einer vertikalen Rotationsachse versehen sind, weisen folgende Nachteile auf:
- 1. Ein Blattrotor bzw. ein Fliehkraftregler kann eine kinetische Windenergie nur teils effektiv benutzen. Bedingt durch luvseitige Querschnitte eines Blattrotors bzw. eines Fliehkraftreglers und durch andere Faktoren wie turbulente Strömungen, liegt ein effektiver Umwandlungsgrad der Windenergie etwa bei 20% bis 30%. Wenn eine Windrichtung in einer praktischen Anwendung geändert wird, bleibt nur etwas 70% der umgewandelten Windenergie übrig. Wird ein Verlust bei der Umwandlung von einer mechanischen Energie in eine elektrische Energie noch mit berechnet, wird noch weniger Leistung abgegeben;
- 2. Um mehr Energie zu erzeugen, muss eine noch größere Windkraftanlage verwendet werden, was nicht nur eine Montage bzw. ein Auseinanderbauen bei einer Wartung noch schwerer macht, sondern auch höhere Fertigungskosten fordert;
- 3. Bei einer größeren Windstärke können deutliche Turbulenzen entstehen, wenn ein Rotorblatt einen Wind schert. Wenn die Windrichtung dabei noch geändert wird und der Wind eine bestimmte Windstärke überschritt, können die Rotorblätter beschädigt werden. Um diese Beschädigung zu vermeiden, muss die Windkraftanlage außer Betrieb gesetzt werden;
- 4. Die Windstärke ist in der Regel abhängig von einer Standorthöhe, und zwar proportional, deswegen ist es am besten, eine Windkraftanlage möglichst höher aufzustellen. Um mehr Windkraft effektiv zu nutzen, wird eine Windkraftanlage immer größer aufgebaut, was nicht nur Eigengewicht und Fertigungskosten der Windkraftanlage erhöht, sondern auch mehr Schwierigkeiten bei einer Wartung zubereitet; und
- 5. Bei einer Stromerzeugung aus Windkraft sind Turbulenzen ein kritischer Faktor, die meisten Rotorblätter werden durch eine momentan erzeugte, starke Turbulenz beschädigt. Deswegen gehören Turbulenzen zu den am schwersten kontrollierbaren Faktoren auf diesem Fachgebiet.
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Um eine kinetische Windenergie effektiv zu nutzen, wird eine Windkraftturbine nach aerodynamischen Prinzipien entworfen [siehe 13], wobei zwei Hauptkräfte, nämlich ein senkrecht zu einer Windrichtung stehender Auftrieb U und ein parallel zu der Windrichtung stehender Widerstand D, bei einer Flügelkonstruktion berücksichtigt werden. Wie in 13 dargestellt, können aerodynamische Eigenschaften einer Flügelkonstruktion so erhöht werden, wobei einzelne verbesserte Flügel je einen ähnlichen Querschnitt wie ein Flugzeugflügel aufweisen.
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Die
US 2005/0074 323 A1 offenbart einen Windkraftgenerator vom Flügeltyp mit einem Ruder, das konstant in Windrichtung zeigt und durch einen Drehtisch gesteuert wird, der eine gespaltene Flügelspitze aufweist. Schwunggewichte, die mit einem schweren Material gefüllt sind, sind an den Flügelspitzen der Flügel des Windkraftrads vorgesehen, um einer entstehenden Unwucht des Windrads entgegenzuwirken.
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Um Probleme bei einer herkömmlichen Windkraftanlage zu lösen, hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung vorher schon eine Lösung entwickelt, die aus
US 7,413,404 ”Sail Wing Type Windmill” (Segel-Typ Windmühle) bekannt ist. Diese betrifft eine Windenergieanlage mit einer vertikalen Rotationsachse, wobei ein aerodynamischer Widerstand durch so genannte Widerstandsflügel erzeugt wird. Die Widerstandsflügel besitzen regelbare Flügelwinkel, die in einer Gegenrichtung unmittelbar eingestellt werden können, um eine kinetische Windenergie maximal gewinnen zu können. Bei einer relativ kleineren Windstärke wird kein Widerstand durch diese Widerstandsflügel erzeugt. Dadurch kann eine Windkraftanlage der oben genannten Erfindung einen viel besseren Wirkungsgrad als andere bisherige Windkraftanlagen erzielen.
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In Bezug auf 14 ist die bekannte Technik schematisch dargestellt. Während die Widerstandsflügel mit ihrer Luvfläche maximale, kinetische Windenergie gewinnen, entsteht eine Unterdruckzone F hinter den Widerstandsflügeln. In dieser Zone wird eine Schubkraft in Gegenrichtung erzeugt, die als ein Widerstand auf die rotierenden Flügel wirkt, was einen Wirkungsgrad bei einer Windenergienutzung erniedrigt. Außerdem weist die oben genannte Erfindung noch einen anderen Nachteil bei einer Drehwinkelsteuerung auf: In Bezug auf 7A und 7B ist eine Nockenwelle in einer Führungsnut angebracht. Da nur eine Y-Achse und eine X-Achse beim Design dieser Konstruktion berücksichtigt werden, kann der Nocken leicht aus der X-Achse entgleiten, wenn die Nockenwelle in einer Gegenrichtung läuft. Die oben genannte Erfindung ist deswegen keine einwandfreie Lösung und lässt sich noch viel verbessern.
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Die vorliegende Erfindung wird durch die beigefügten Ansprüche 1–11 definiert. Der Erfindung liegt die Hauptaufgabe zugrunde, eine Stabilisierungsvorrichtung anzubieten, die unterschiedliche Luftmassen unterschiedlicher Höhe und aus unterschiedlichen Richtungen in eine bestimmte Windkanalrichtung effektiv hält, sodass eine kinetische Windenergie relativ konstant zur Erzeugung von elektrischem Strom genutzt wird.
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Die zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, mehrere Windenergieaggregate etagenweise in einem Turm aufzustellen, wobei eine in Luftmassen enthaltene Windenergie durch eine etagenweise Anordnung der Windenergieaggregate und durch eine Mehrzahl von computergesteuerten Windschleusen abgelenkt wird, um Winddruck einer Windkraftanlage mit einer vertikalen Rotationsachse effektiv zu steuern.
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Die dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein neues Design gegen Strömungswiderstand eines Widerstandsflügels anzubieten, wobei eine Mehrzahl von Schräglöchern an einem Widerstandsflügel ausgebildet ist. Wenn die Luvseite des Widerstandsflügels belastet wird, fließt diese Windbelastung durch die Schräglöcher zu der Rückseite des Widerstandsflügels und bildet da einen Strömungswiderstand, was einen Windwiderstandseffekt eines herkömmlichen Widerstandsflügels verbessert, sodass ein Wirkungsgrad bei einer Umwandlung der Windenergie in eine mechanische Energie erhöht wird.
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Die vierte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein neues Vorrichtungsdesign anzubieten, wobei der Widerstandsflügel durch eine Anpassung an den Strömungswiderstand eine vertikale Fläche aufweist, die senkrecht zu der Windrichtung steht, sodass die Windrichtung immer nach dem luvseitigen Querschnitt des Flügels ausgerichtet wird, damit die Windkraftanlage mit einer vertikalen Rotationsachse eine relativ konstante Windenergie nutzen kann.
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Die fünfte Aufgabe der Erfindung ist, eine mit einer vertikalen Rotationsachse versehene Windkraftanlage anzubieten, wobei eine aus den Widerstandsflügeln, die an einen Strömungswiderstand angepasst sind, und den senkrecht angebrachten Auftriebsflügeln kombinierte Flügelkonstruktion zuerst ein Fliehkraftschwungrad und dann durch dieses die gesamte Windkraftanlage antreibt.
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Die sechste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Windkraftanlage mit einer vertikalen Rotationsachse anzubieten, die mittels einer durch Schwungrad erzeugten Massenträgheit und einer dadurch erzeugten Fliehkraft eine Energie speichert, sodass die Windkraftanlage eine relativ konstante, kinetische Windenergie nutzen kann, was einen Balancierungseffekt der Windkraftanlage effektiv erhöht.
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Die siebte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, alle wichtigen Teile einer Windkraftanlage zu modularisieren, sodass sie einzeln gewechselt bzw. ausgetauscht werden können. Alle modularisierten Teile sind aus normalen Materialien und durch gleiche Fertigungstechnik hergestellt, sodass eine Windkraftanlage in einer kurzen Fertigungsperiode aufgebaut werden kann, was nicht nur niedrigere Kosten bei einer Bauausführung, einer Wartung bedeutet, sondern auch eine sichere und leichtere Montage der Windkraftanlage ermöglicht.
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Diese Aufgabe werden erfindungsgemäß gelöst durch eine Turmwindkraftanlage, die die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Gemäß der Erfindung wird eine Turmwindkraftanlage bereitgestellt, die eine vertikale Rotationsachse aufweist, eine etagenweise im Turm erzeugte Windkanalwirkung zu einer Ablenkung einer kinetischen Windenergie nutzt und mit einer kombinierten Flügelkonstruktion aus Widerstandsflügeln und senkrecht angebrachten Auftriebsflügeln ausgerüstet ist, wobei die Turmwindkraftanlage einen Turm aufweist, in dem eine Mehrzahl von Windkraftaggregaten etagenweise aufgestellt ist, wobei die einzelnen Etagen durch eine Mehrzahl von Windschleusen umhüllt sind, deren Heben und Senken durch einen Computer gesteuert sind, sodass eine kinetische Windenergie dementsprechend geregelt wird, und wobei das Windkraftaggregat Folgendes umfasst:
einen Montagesitz, der zur Unterstützung anderer Konstruktion dient;
eine Energieumwandlungsvorrichtung mit einer runden Tragplattform, die mittels eines Lagers an dem Montagesitz befestigt und frei drehbar ist, wobei auf der runden Tragplattform ein Aufsteckrohr angebracht ist, wobei das Aufsteckrohr auf einem Außenrand der runden Tragplattform aufgesteckt und mit der Tragplattform zusammen drehbar ist, und wobei außen am Aufsteckrohr eine Flügelbaugruppe mit einem oberen und einem unteren Verbindungsabschnitt angebracht ist, wobei der obere Verbindungsabschnitt an einem oberen Ende des Aufsteckrohrs und der untere Verbindungsabschnitt an einem unteren Ende des Aufsteckrohrs befestigt ist, und wobei die einzelnen Verbindungsabschnitte jeweils mit einer Mehrzahl von Flügelbaukästen verbunden sind, und wobei in jedem Flügelbaukasten eine Mehrzahl von Widerstandsflügeln vorgesehen ist, die jeweils eine Drehachse aufweist, deren distales Ende mit einer Nockenwelle versehen ist, und wobei an der Nockenwelle ein Nocken ausgebildet ist, der tief in einer Führungsnut einer Spursteuerung greift, und wobei, da der Nocken in der Spursteuerung um drei Achsen bewegt werden kann, eine Nockenspur ganz perfekt an allen Wänden der Führungsnut anliegen kann, wodurch eine gleichzeitige Winkeleinstellung der Widerstandsflügel problemlos durchgeführt wird, und wobei in einem externen Abschnitt der Flügelbaugruppe eine Mehrzahl von senkrecht angebrachten Auftriebsflügeln neben dem Flügelbaukasten mit den Widerstandsflügeln angeordnet ist, und wobei, wenn diese Auftriebsflügel von einer Luftmasse angeblasen werden, ein Druckunterschied entsteht, der die Energieumwandlungsvorrichtung in eine Rotation versetzt, und wobei ein Schwungrad an einer äußersten Stelle neben den Auftriebsflügeln angebracht ist, wobei, wenn das Schwungrad mit einer Fliehkraft rotiert wird, es zugleich zu einer Energiespeicherung und zu einer Balancierung dienen kann, was für eine konstante Energieumwandlung sorgt, und wobei das Aufsteckrohr unten mit der runden Tragplattform verbunden ist, wobei eine Antriebswelle, die zum Antrieb eines Generators dient, in der Mitte der Tragplattform ausgebildet ist; und
eine Windnachführungsvorrichtung, die mit einem drehbaren Führungsrohr versehen ist, das durch ein Lager an der Tragplattform befestigt und dadurch separat drehbar ist, wobei an der Außenoberfläche des drehbaren Führungsrohrs eine Führungsnut zur Spursteuerung ausgebildet ist, und wobei oben an der Kopfseite der Windnachführungsvorrichtung ein Windrichtungsgeber mit einer Fahnenfläche angebracht ist, sodass der Windrichtungsgeber stets der Windrichtung entspricht, und wobei, wenn die Windrichtung geändert wird, sich der Windrichtungsgeber dreht, um sich parallel zur Windrichtung auszurichten, wobei das Führungsrohr mit in eine Drehbewegung so gebracht wird, dass die einzelnen Flügel in der Flügelbaugruppe selbsttätig in einem passenden, luvseitigen Winkel einstellbar sind.
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Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausgestaltungen anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
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1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Turmwindkraftanlage mit einer vertikalen Rotationsachse, ausgerüstet mit einer kombinierten Flügelkonstruktion, die aus Widerstandsflügeln und senkrecht angebrachten Auftriebsflügeln besteht, wobei eine etagenweise am Turm erzeugte Windkanalwirkung zur Ablenkung einer kinetischen Windenergie genutzt wird;
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2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Turmwindkraftanlage mit einer vertikalen Rotationsachse;
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3 einen Schnitt durch ein Windkraftaggregat einer erfindungsgemäßen Turmwindkraftanlage mit einer vertikalen Rotationsachse;
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4 eine vergrößerte Teilansicht der erfindungsgemäßen Turmwindkraftanlage im Bereich eines drehbaren Führungsrohrs;
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5 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Turmanordnung;
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5A eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Turmrahmens, um zu zeigen, wo das Windkraftaggregat angeordnet ist;
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6 eine perspektivische Darstellung eines Widerstandsflügels einer erfindungsgemäßen Turmwindkraftanlage mit einer vertikalen Rotationsachse;
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6A eine perspektivische Darstellung eines senkrecht angebrachten Auftriebsflügels einer erfindungsgemäßen Turmwindkraftanlage mit einer vertikalen Rotationsachse;
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6B eine perspektivische Darstellung einer Massenträgheitseinheit einer erfindungsgemäßen Turmwindkraftanlage mit einer vertikalen Rotationsachse;
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7 eine perspektivische Darstellung einer Nockenwelle einer erfindungsgemäßen Turmwindkraftanlage mit einer vertikalen Rotationsachse;
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7A die Vorgehensweise I zum Betätigen der erfindungsgemäßen Nockenwelle;
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7B die Vorgehensweise II zum Betätigen der erfindungsgemäßen Nockenwelle;
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7C die Vorgehensweise III zum Betätigen der erfindungsgemäßen Nockenwelle;
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8 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Scharniereinheit;
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9 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Turmwindkraftanlage, bei der die senkrecht angebrachten Auftriebsflügel zum Einsatz gelangen;
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10 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Turmwindkraftanlage, bei der die Widerstandsflügel zum Einsatz gelangen;
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11 eine schematische Gesamtansicht einer herkömmlichen Windkraftanlage mit einer vertikalen Rotationsachse;
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12 eine schematische Gesamtansicht einer herkömmlichen Windkraftanlage mit einer horizontalen Rotationsachse, wobei gezeigt ist, wie sich die Blattform auf die Windverteilung auswirkt;
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13 eine schematische Darstellung der Winkelverteilung bei der herkömmlichen Windkraftanlage mit einer horizontalen Rotationsachse; und
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14 eine perspektivische Darstellung einer Struktur nach dem Stand der Technik, wobei deren Nachteile gezeigt sind.
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In 1 bis 5A ist ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die Windkraftanlage hauptsächlich aus einem Turm 5 mit mehreren Etagen besteht, wobei je ein Windkraftaggregat auf einzelnen Etagen aufgestellt ist. An allen Seiten einzelner Etagen ist eine Mehrzahl von Windschleusen 51 angebracht, die von einem Computer gesteuert sind und zu einer Ablenkung der Windrichtung dienen. Die Windschleusen 51 können je nach einer vorhandenen Windrichtung und Windgeschwindigkeit wahlweise geöffnet bzw. geschlossenen werden, um entsprechende Windkanäle für einen Luftmasseneintritt zu bilden und mögliche Turbulenzen zu unterdrücken. An einzelnen Windschleusen 51 ist zudem noch eine Mehrzahl von Windlöchern 52 ausgebildet, die zum Schutz gegen einen starken Wind dienen. Wenn ein bestimmter Winddruck überschritten wird, können die Windschleusen 51 gesenkt werden, um die Windkraftanlage vor einem momentan erzeugten, heftigen Windstoß zu schützen, wobei ein durch Windlöcher eingetretener Winddruck für einen weiteren Betrieb der Windkraftanlage sorgt.
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Ferner umfasst die Windkraftanlage noch einen Montagesitz 1, eine Energieumwandlungsvorrichtung 3, eine Windnachführungsvorrichtung 2 und eine Antennen- und Geräteunterlage 4.
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Ein Montagesitz 1 wird auf einer einzelnen Etage des Turms 5 angebracht und dient zur Unterstützung anderer Bauteile, sodass andere Bauteile darauf zusammengebaut werden. Weil eine derartige Bauausführung nicht zu der vorliegenden Erfindung gehört, wird dies hier nicht näher erläutert.
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Unten an der Unterlage der Energieumwandlungsvorrichtung 3 ist eine runde Tragplattform 39 ausgebildet, die mittels eines Lagers 322 an dem Montagesitz 1 befestigt ist und sich frei drehen lässt. Auf der Tragplattform 39 ist ein Aufsteckrohr 32 angebracht, wobei das Aufsteckrohr von außen auf einem Außenrand der Tragplattform 39 aufgesteckt und mit dieser zusammen drehbar ist. Das Aufsteckrohr 32 ist außen mit einer Flügelbaugruppe 30, bestehend aus einem oberen Verbindungsabschnitt 33, verbunden, wobei der obere Verbindungsabschnitt 33 an einem oberen Ende des Aufsteckrohrs 32 und der untere Verbindungsabschnitt 33 an einem unteren Ende des Aufsteckrohrs 32 befestigt ist. Die einzelnen Verbindungsabschnitte 33 sind jeweils mit einer Mehrzahl von Flügelbaukästen 34 verbunden. In jedem Flügelbaukasten 34 ist eine Mehrzahl von Widerstandsflügeln 35 angebracht, die jeweils eine Drehachse 351 aufweist, deren distales Ende mit einer Nockenwelle 38 versehen ist. An der Nockenwelle 38 ist ein Nocken 381 ausgebildet, der tief in einer Führungsnut 23 einer Spursteuerung greift. Weil der Nocken 381 in der Spursteuerung um drei Achsen X, Y, Z bewegt werden kann, kann eine Nockenspur ganz perfekt an Seitenwänden der Führungsnut 23 anliegen, wodurch eine gleichzeitige Winkeleinstellung der Widerstandsflügel 35 problemlos durchgeführt wird. In einem externen Abschnitt der Flügelbaugruppe 30 ist eine Mehrzahl von senkrecht angebrachten Auftriebsflügeln 36 neben dem Flügelbaukasten 34 mit den Widerstandsflügeln 35 angeordnet. Werden diese Auftriebsflügel 36 von einer Luftmasse angeblasen, so entsteht ein Druckunterschied, der die Energieumwandlungsvorrichtung 3 in eine Rotation setzt. Wie es in der 2 dargestellt ist, ist ein Schwungrad 6 an einer äußersten Stelle neben den Auftriebsflügeln 36 angebracht. Das Schwungrad 6 besteht aus einer Mehrzahl von Flügeln und dient als ein Gegengewicht. Wird das Schwungrad 6 mit einer Fliehkraft rotiert, so kann es zugleich zu einer Energiespeicherung und zu einer Balancierung dienen, was für eine konstante Energieumwandlung sorgt. In der Mitte der Tragplattform 39 ist eine Antriebswelle 31 ausgebildet, um einen in der Fig. nicht dargestellten Generator zur Stromerzeugung anzutreiben.
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Die Windnachführungsvorrichtung 2 verfügt über ein drehbares Führungsrohr 21, das durch ein Lager 22 an der Tragplattform 39 befestigt ist und dadurch separat gedreht werden kann. An der Außenoberfläche des drehbaren Führungsrohrs 21 ist eine Führungsnut 23 zur Spursteuerung ausgebildet. Oben an der Kopfseite der Windnachführungsvorrichtung 2 ist ein Windrichtungsgeber 24 mit einer Fahnenfläche 25 angebracht, sodass der Windrichtungsgeber 24 stets der Windrichtung entspricht. Wird die Windrichtung geändert, so dreht sich der Windrichtungsgeber 24, um sich parallel zur Windrichtung auszurichten, wobei das Führungsrohr 21 mit in eine Drehbewegung gebracht wird, sodass die Flügelbaugruppe 30 selbsttätig in einem luvseitigen Winkel eingestellt wird.
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An der Antennen- und Geräteunterlage 4 ist ein Führungsrohr 40 ausgebildet, das sich nach unten erstreckt und jeweils durch die Mitte des Montagesitzes 1, der Energieumwandlungsvorrichtung und der Windnachführungsvorrichtung eingeführt ist, wobei je ein Lager 41 an einer entsprechenden Verbindungsstelle mit dem Montagesitz 1, der Windnachführungsvorrichtung 2 und der Antriebswelle 31 angebracht ist, sodass die hier genannten Teile separat gedreht werden können, ohne die Bewegung anderer Teile dabei zu verhindern. Durch das Führungsrohr 40 können Anschlusskabel der oben angebrachten Antenne und der Geräte bzw. Leitungen eines Blitzableiters nach unten bis zu der Bodenfläche durchgeführt werden, um einen weiteren Anschluss von dort zu ermöglichen.
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Wie in der 3 dargestellt, ist das Aufsteckrohr 32 unten mit einem Verlängerungsrohr 321 verbunden, dessen nach innen gebogener Rand fest an den unteren Boden des Montagesitzes 1 geklemmt ist. Zwischen dem Verlängerungsrohr 321 und dem Montagesitz 1 ist ein Lager 323 angebracht, was nicht nur eine Stabilität der Energieumwandlungsvorrichtung gegen Schwankung verstärkt, sondern auch zum Schutz gegen Regenwasser und Staubverschmutzung dient, um langfristig einen sicheren Betrieb zu gewähren. Außen an dem Aufsteckrohr 32 ist eine Bremsscheibe 7 angebracht, sodass die Windkraftanlage zur Wartung sicher abgestellt werden kann.
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Wie in der 1 dargestellt, werden die einzelnen Flügelbaukästen 34 und die Verbindungsabschnitte 33 durch Stützen 341 bzw. Zugseile 342 miteinander verbunden, um eine Stabilität zu verstärken. Die Stützen 341 bzw. Zugseile 342 sind über eine maximale Spannweite der Widerstandsflügel 35 gespannt, sodass die Widerstandsflügel 35 bei einem momentan erzeugten, heftigen Windstoß die Stützen 341 bzw. Zugseile 342 kontaktieren können.
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Um einen auf die Widerstandsflügel 35 wirkenden Windwiderstand zu reduzieren, sind luvseitige Winkel der Widerstandsflügel 35 regelbar. In Bezug auf 6 können die Widerstandsflügel 35 bei einem Rückenwind völlig gesenkt werden, um einen maximalen Winddruck zu tragen. Bei einem Gegenwind können die Widerstandsflügel 35 nach oben geschwenkt werden, sodass eine Luftströmung beiderseitig an den Widerstandsflügeln 35 vorbeifließen kann. Gleichzeitig werden Schräglöcher 352 an der Oberfläche einzelner Widerstandsflügel 35 ausgebildet. Bei einer dem Wind zugewandten Stellung kann eine Luftströmung teils nach vorne geleitet werden, um zu vermeiden, dass ein Widerstand auf der Leeseite der Widerstandsflügel erzeugt wird, was eine Erzeugung von einem Flügelwiderstand stark reduziert.
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Um eine Massenträgheit bei einer Rotation zu erhöhen, hat die vorliegende Erfindung das Eigengewicht eines an der äußersten Stelle angebrachten Auftriebsflügels 36 erhöht, sodass der zu einer Massenträgheitseinheit 37 wird, wie es in 6A und 6B dargestellt ist. Die Massenträgheitseinheit 37 bildet zusammen mit einer Mehrzahl von Auftriebsflügeln 36, die in einem äußeren Abschnitt angebracht sind, ein Schwungrad 6. Dank dem größeren Eigengewicht und einem relativ größeren Drehmoment kann das Schwungrad 6 bei einer Rotation eine natürliche Massenträgheit erzeugen, um die Rotation aufrechtzuerhalten. Dadurch kann die Energieumwandlungsvorrichtung 3 nach einem Start mit Hilfe dieser erzeugten Massenträgheit eine lange Zeit balanciert rotieren, was eine Abhängigkeit von einer konstanten Windkraft verringert.
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Sowohl die senkrecht angebrachten Auftriebsflügel 36 als auch die Massenträgheitseinheit 37 weisen einen ähnlichen Querschnitt wie ein Flugzeugflügel auf. Wenn eine Luftmasse durch die Auftriebsflügel fließt, wird ein Auftrieb nach dem Gesetz von Bernoulli erzeugt, der die Energieumwandlungsvorrichtung 3 in eine Rotationsbewegung setzt.
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Um den Widerstandsflügeln einen guten, luvseitigen Winkel zu verleihen, muss der Nocken 381 in seinem normalen Zustand tief in der Führungsnut 23 greifen. Weil das drehbare Führungsrohr 21 einen runden Querschnitt aufweist, kann es passieren, dass der Abstand des Nockens 381 zu der Führungsnut 23 oft variiert, wenn der Nocken 381 dreht. An der Nockenwelle 38 ist eine Drehachse 382 mit einem Spannstück 383 verbunden, wobei das Spannstück 383 durch eine Feder 384 unterstützt wird. An einem Ende des Spannstücks 383 ist eine kugelförmige Drehachse 385 ausgebildet, woran der Nocken 381 angebracht ist.
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Wie in der 7A dargestellt liegt der Nocken 381 in seiner Ausgangsstellung an den Boden der Führungsnut 23 an. Wird die Flügelbaugruppe 30 gedreht, so bewegt sich die Nockenwelle 38 in der Führungsnut 23 der Spursteuerung und bringt den Nocken 381 mit in eine Bewegung, die in Richtungen der X-Achse und Y-Achse auf einer gleichen Ebene erfolgt. Wie in der 7B dargestellt, weicht der Nocken 381 dabei von dem Boden der Führungsnut 23 ab. In diesem Moment erzeugt die Feder 384 eine Schubkraft, die das Spannstück 383 in der Richtung der Z-Achse schiebt, was zu einer Höhenvariierung der kugelförmigen Drehachse 385 in der Führungsnut 23 der Spursteuerung führt, sodass der Nocken 381 wie in der 7C dargestellt, perfekt in der Führungsnut 23 bleibt. Durch eine entsprechende Bewegung um drei Achsen X, Y, Z wird der Nocken 381 perfekt an die Führungsnut 23 der Spursteuerung angepasst.
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In Bezug auf 8 können Widerstandsflügel 35 bei einer praktischen Witterung wegen eines momentan erzeugten, heftigen Windstoßes beschädigt werden. Deswegen sind Scharniereinheiten 353 in der vorliegenden Erfindung zwischen den Widerstandsflügeln 35 und der Drehachse 351 angebracht, wobei eine Öffnungskraft an einzelnen Scharniereinheiten 353 je nach einem praktischen Bedarf voreingestellt werden kann. Wenn eine auf die Widerstandsflügel 35 wirkende Kraft bei einem momentan erzeugten, heftigen Windstoß einen voreingestellten Wert überschreitet, kann diese auf die Widerstandsflügel wirkende Stoßkraft durch Öffnung der Scharnierblätter 354 der Scharniereinheit 353 gedämpft werden, um eine ausgelegte Festigkeit der Widerstandsflügel 35 aufrechtzuerhalten.
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In Bezug auf 9 kann eine Anordnung der Flügelbaukästen 34 der vorliegenden Erfindung je nach einem Windverteilungsverhältnis eines Standorts geändert werden. Beispielsweise können mehr senkrecht angebrachte Auftriebsflügel 36, die eine Schubkraft erzeugen, in einer windschwachen Region angebracht werden, damit die Windkraftanlage die relativ schwächere, kinetische Windenergie am effektivsten zur Energieumwandlung nutzt. Die Anzahl der Widerstandsflügel 35 kann dabei reduziert werden. Die Widerstandsflügel 35 können sogar völlig durch senkrecht angebrachte Auftriebsflügel 36 ersetzt werden, sodass entsprechende Funktionen noch besser erfüllt werden, wobei eine Widerstandsflügelsteuerung auch vereinfacht wird.
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In einer windstarken Region kann die Anzahl der Widerstandsflügel 35 ebenfalls vermehrt werden. Wie die 10 zeigt, können mehr Widerstandsflügel 35 in der vorliegenden Erfindung verteilt werden, wobei die Anzahl der senkrecht angebrachten Auftriebsflügel 36 dementsprechend reduziert werden kann, sodass eine reichliche, kinetische Windenergie am effektivsten zur Stromerzeugung benutzt wird. Sogar alle senkrecht angebrachten Auftriebsflügel 36 können durch Widerstandsflügel 35 ersetzt werden, was die gesamte Konstruktion noch vereinfacht.
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Eine erfindungsgemäße Windkraftanlage mit einer vertikalen Rotationsachse, ausgerüstet mit einer kombinierten Flügelkonstruktion aus Widerstandsflügeln und senkrecht angebrachten Auftriebsflügeln, weisen folgende Vorteile auf:
- 1. Weil eine erfindungsgemäße Windkraftanlage mit einer vertikalen Rotationsachse in einer Turmausführung aufgebaut wird, kann eine Mehrzahl von Windkraftaggregaten etagenweise in Turm aufgestellt werden, wobei eine in einer Luftmasse enthaltene, kinetische Windenergie mittels einer etagenweise Anordnung und einer Mehrzahl von computergesteuerten Windschleusen abgelenkt wird, sodass ein Winddruck an der Windkraftanlage mit einer vertikalen Rotationsachse effektiv gesteuert wird. Dadurch ist verwirklicht, dass die Windkraftanlage mit einer einfachen und einem leichten Eigengewicht ausgeführt ist, was nicht nur einen sicheren Betrieb, sondern auch niedrigere Kosten bei der Fertigung und bei der Wartung bedeutet;
- 2. Die Windkraftanlage mit einer vertikalen Rotationsachse wird durch eine kombinierte Flügelbaugruppe aus Widerstandsflügeln und senkrecht angebrachten Auftriebsflügeln angetrieben, wobei die einzelnen Flügel so ausgelegt sind, dass sie jeweils eine senkrechte, der Windrichtung zugewandte Fläche besitzt, die stets gegen den Wind ausgerichtet wird;
- 3. Die vorliegende Erfindung fordert bei einem Start nur eine relativ niedrigere Windgeschwindigkeit. Bei einem Betrieb mit einer niedrigeren Windgeschwindigkeit kann die Windkraftanlage die Energie in einem Energiespeicher speichern. Wenn die gespeicherte Energie eine bestimmte Menge erreicht, kann die Windkraftenergie Strom erzeugen, was einen hohen Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung mit niedrigeren Kosten ermöglicht; und
- 4. Durch ein neues Design wird eine Windkraftanlage mit einem leichteren Gewicht, aber zugleich mit einer verstärkten Struktur und einer erhöhten Konstruktionsfestigkeit aufgebaut, sodass die Windkraftanlage bei einem heftigen Wind nicht abgestellt werden muss, sondern mit einer Volllast Strom erzeugen kann, weil eine hohe Energieeingabe vorhanden ist.
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Die vorstehende Beschreibung stellt die Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und soll nicht die Ansprüche beschränken. Alle gleichwertigen Änderungen und Modifikationen, die gemäß der Beschreibung und den Zeichnungen der Erfindung von einem Fachmann vorgenommen werden können, gehören zum Schutzbereich der vorliegenden Erfindung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Montagesitz
- 2
- Windnachführungsvorrichtung
- 21
- Drehbare Führungsrohr
- 22
- Lager
- 23
- Führungsnut der Spursteuerung
- 24
- Windrichtungsgeber
- 25
- Fahnenfläche
- 3
- Energieumwandlungsvorrichtung
- 30
- Flügelbaugruppe
- 31
- Antriebswelle
- 32
- Aufsteckrohr
- 321
- Verlängerungsrohr
- 322
- Lager
- 323
- Lager
- 33
- Verbindungsabschnitt
- 34
- Flügelbaukasten
- 341
- Stütze
- 342
- Zugseil
- 35
- Widerstandsflügel
- 351
- Drehachse
- 352
- Schrägloch
- 353
- Scharniereinheit
- 354
- Flügel
- 36
- Senkrecht angebrachter Auftriebsflügel
- 37
- Massenträgheitseinheit
- 38
- Nockenwelle
- 381
- Nocken
- 382
- Drehachse
- 383
- Spannstück
- 384
- Feder
- 385
- Kugelförmige Drehachse
- 39
- Runde Tragplattform
- 4
- Antenne- und Geräteunterlage
- 40
- Führungsrohr
- 41
- Lager
- 5
- Turm
- 51
- Windschleuse
- 52
- Windloch
- 6
- Schwungrad
- 7
- Bremsscheibe
- F
- Unterdruck
- U
- Auftrieb
- D
- Widerstand
