DE102011106775A1

DE102011106775A1 - Windkraftanlage mit vertikaler Auftriebskörper-Rotationsachse und mit oberflächenveränderlicher Luftschraube

Info

Publication number: DE102011106775A1
Application number: DE102011106775A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-07-04
Filing date: 2011-07-04
Publication date: 2013-01-10
Also published as: WO2013005090A3; WO2013005090A4; WO2013005090A2

Abstract

Windkraftanlage mit vertikaler Auftriebskörper-Rotationsachse und mit oberflächenveränderlicher Luftschraube, zur Vereinfachung als BOHG-Windkraftanlage genannt, hat als Hauptziele, diese Art von Anlagen sicherer und preiswerter zu machen. Sie sind dadurch gekennzeichnet, dass sie auch unter extremen klimatischen Bedingungen effizient arbeiten. Sie erfordern weder Windrichtungssysteme noch Türme oder Maschinenräume von gewaltiger Höhe, unabhängig davon ob es sich um Mini- oder Mega-Windkraftanlagen handelt. Die Nennmaße ø und H (Durchmesser und Höhe des Rotors) einer BOHG-Windkraftanlage sind zwei Variablen, die von dem Leistungsbedarf und der historischen mittleren Windgeschwindigkeit des Aufstellungsortes abhängig sind. Die BOHG-Windkraftanlagen können einen sehr hohen Leistungsbeiwert von 95% und sogar bis 98% erreichen, dank des Bauentwurfs, der sehr innovative Aspekte vorsieht, wie: • das Schwimmen des Rotors und der Generatorenkerne, auch wenn sie mehrere Zig Tonnen wiegen • das Gewicht (Masse) der Systeme von: Bremse, Getriebe und Statoren der Generatoren ruhen auf den Böden vom Turm oder vom Maschinengondel • die Arbeitsoberfläche der Rotorblätter kann unabhängig so variieren, dass sie praktisch keinen Bewegungswiderstand darbieten, wenn sie gegen die Windrichtung gerichtet sind • jedes Rotorblatt beinhaltet in seiner Längsachse ein Kontergewicht, das unter anderem zur Stabilität der dynamischen Variation/Schwankungen während der Drehbewegung beiträgt

Description

Im Laufe der Beschreibung wird sie zur Vereinfachung als BOHG-Windkraftanlage genannt

1.1. Bei den modernsten und bekanntesten Windkraftanlagen wie bei denen mit dem Savonius-Rotor oder Darrieus-Rotor (mit vertikaler Rotationsachse), oder auch bei denen mit horizontaler Rotationsachse wie der ENERCON E-126 treten folgende Mängel und technische und wirtschaftliche Nachteile: – die Verschwendung eines beträchtlichen Anteils der Windenergie, der nötigt ist, um die zu mehreren Hundert Tonnen schwere Maschinengondel, die zusammen mit der Rotornabe und den Rotorblättern einen großen Luftwiderstand aufweisen, in Bewegung zu setzen. – Technologische Grenzen, die die Erhöhung der nutzbaren Arbeitsfläche der Rotorblätter praktisch unmöglich machen. Dadurch ist der Nutzungsfaktor der Luftschraube sehr klein im Vergleich zum Momentanwert der energetischen Fläche (durch den Rotor eingeschlossene Fläche). – technische und wirtschaftliche Nachteile wenn die mittlere Windgeschwindigkeit unter 4 m/s liegt. – Kaum kann man mit diesen Windkraftanlagen eine Nennleistung von 6–7,5 MW übertreffen (bei einer mittleren Windgeschwindigkeit höher als 6,5 m/s). – der zu hohe Turm (bis über 130 m), in dem sich die wichtigsten mobilen Teile befinden (Maschinengondel, Rotornabe, Rotorblätter, usw). – Rotordurchmesser in großem Umfang (in unserem Beispiel 127 m, bei der Enercon E-126). – Die negative Umweltbelastung, da großes Volumen der natürlichen Umgebung benötigt wird. Noch dazu wird ein noch größerer Raum als Sicherheitszone benötigt, Raum, der für andere sozioökonomische Zwecke nützlich sein könnte (siehe Bildmaterial). – Die hohen Investitionskosten, die mit der Erhöhung der Sicherheitsmaßnahmen gegen Unwetter verbunden sind.

Beispiel I:
Die WKA-Hersteller bieten verschiedene Turmhöhen und Varianten für Anlagen von ähnlichen Eigenschaften mit verschiedenen Turmhöhen in Bezug auf Rotordurchmesser und Nennleistung:

Rotordurchmesser Nennleistung Turmhöhe

etwa 40–60 m etwa 0,5–0,6 MW etwa 40–65 m

etwa 70–90 m etwa 1,5–3,0 MW etwa 65–114 m

etwa 112–126 m Etwa 4,5–6,0 MW etwa 120–130 m

1.2. Die BOHG-Windkraftanlagen (siehe ; ; ; ; ; und ) haben als Hauptziele, die Windkraftanlagen sicherer und preiswerter zu machen und die oben genannten Mängel und technische und wirtschaftliche Nachteile zu lösen. Dafür werden nun folgende innovativen Aspekte vorgesehen: – Ein Auftriebskörper (2), der sachgemäß nach dem archimedischen Prinzip errechnet wird, um das von mehreren zig Tonnen Gewicht aus der Gesamtheit Rotorblätter (3), Blätterträger (6), Kontergewicht (5), Rotorachse (1) und Gegeneisbildungssystem (7) sowie Getriebehauptzahnrad (12) außer Kraft zu setzen. – Eine Luftschraube (27), die aus einer ungeraden Anzahl von Rotorblättern (3) besteht. Die Rotorblätter bestehen aus Pendeltüren (4), die so passend montiert sind, dass das parabol- und ellipsenförmige Profil des Rotorblattes (3) während der 180° Drehung seine konkave Seite (gegenaerodynamisch) gegen den Wind wie ein Konzentrator der Windkraft (20) arbeitet. Bei der anderen 180° Drehung, wenn die konvexe Seite des Rotorblattes (3) (aerodynamisch) gegen den Wind ist, bleiben die Pendeltüren (4) geöffnet, daher verringert sich erheblich die gegen die Windbewegung (20) entgegensetzte Fläche. Damit erhält man einen deutlich höheren Nutzungsfaktor. Nutzungsfaktor ist das Verhältnis zwischen der nutzbaren Arbeitsfläche der Rotorblätter zu dem Momentanwert der energetischen Fläche (Rotorfläche). Die bisher zusammenhängende innovativen Aspekte ermöglichen, dass bei der BOHG-Windkraftanlage sich die Auftriebskörper-Rotationsachse (1–2) mit einer Tangentialgeschwindigkeit annähernd zur linealen Windgeschwindigkeit (20), die sie bewegt und die zudem ein riesiges Drehmoment auf das Getriebehauptzahnrad (12) erzeugt, dreht. – Ein System aus einem oder mehreren Generatoren (14) vertikaler Art und mit einer hohen Stromerzeugungskapazität. Deren Montage ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gewicht der Statoren auf den Böden (18) des Turms ruht und dass das Gewicht der von einer gemeinsamen Achse (19) bewegten Mehrkerne (14) auf einen Auftriebskörper (10), der eine hydrodynamische Bremse mit zentrifugaler Steuerung/Antrieb, die in der Lage ist, die Parameter der Drehung im Nenngebrauchsbereich zu halten, vorsieht, ruht. – Diese technisch sehr innovativen Zusammenbaumerkmale, zusammen mit den früher genannten, ermöglichen, dass bei einer BOHG-Windkraftanlage der Umformungsprozeß der praktischen Nutzung der im Wind enthaltenen Energie optimal sei. Noch dazu können die BOHG-Windkraftanlagen vom Typ einer Kleinwindanlage oder bis zu einer mehrere Megawatt-Windkraftanlage sein. Siehe nun anschließend das Beispiel II, um mit dem Beispiel I zu vergleichen ( ; ; ; ; ; und ). – Der hier vorgestellte Typ ist eine BOHG-Windkraftanlage mit 3 Rotorblättern (3) (anbei Skizze)

Für Windgeschwindigkeiten zwischen:	2,8–11 m/s
Rotodurchmesser:	40–60 m
Nennleistung:	4–30 MW
Turmhöhe:	50–70 m

1.3. Die BOHG-Windkraftanlagen sind so konstruiert, damit die im Wind enthaltene primäre Energie in Rotationskraft umgewandelt wird. Die Eigenschaft, dass sie für Windgeschwindigkeiten von 2,8 bis 11 m/s bestens arbeiten können, verleiht den BOHG-Windkraftanlagen einen sehr breiten Nutzungsbereich, nicht nur in der Elektroenergieerzeugung; sondern auch in einigen Landwirtschaftsbereichen, sowie auch in anderen Industriezweigen, auf fast jedem geografischen Gebiet, auch wenn die mittlere historische Windgeschwindigkeit 3,5 m/s nicht übersteigt.
2. Die Zeichnungen der ; ; ; ; ; und (anbei Skizze) zeigen die Hauptbestandteile einer BOHG-Windkraftanlage: – eine vertikale Rotationsachse (1), die passend an die vertikale Achslinie des Turms (18) durch die Zentrierbolzen (8); die Kontergewichte (5); sowie durch das piezoresistive Drucksensor-Kugellager (25). Die Rotationsachse ist dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Anteil oder das gesamte Gewicht, das sie trägt, auf das piezoresistive Drucksensor-Kugellager (25) oder auf den Auftriebskörper (2) überträgt. – ein Auftriebskörper (2) (siehe erweiterte Abbildung in der Vorderansicht der und im oberen Teil der ). Der Auftriebskörper wird mechanisch durch die zu den Öffnungen (4) (23) des Ringes (22) aufgelegten Schrauben mit den Blätterträgern (6) verbunden/befestigt. Der Auftriebskörper (6) hat dort die Form eines konzentrischen kreisförmigen Ringes und ist dadurch gekennzeichnet, dass wenn seine Umgebung mit der Flüssigkeit (11) flutet, bis der Standanzeiger des piezoresistiven Drucksensor-Kugellagers (25) „0” kg zeigt, trägt die zig Tonnen, die aus der Achse (1) übertragen werden, die sich zusammen mit allen Bestandteilen schwimmend dreht. [diese Bestandteile sind: die Achse (1); der selbe Auftriebskörper (2); die Luftschraube (27); die Blätterträger (6); die Rotorblätter (3) mit Pendeltüren (4), die Achse mit dem Getriebehauptzahnrad (12) und andere Bestandteile mit geringem Eigengewicht]. – eine Luftschraube (27) (siehe und ). Sie kann aus 3; 5 oder 7 Rotorblättern (3), die zugleich aus mehrfachen auf dem Blätterträger (6) passend montierten Pendeltüren (4) zusammengesetzt sind, bestehen. [Siehe erweiterte Abbildung des Profils in der ]. Die Pendeltüren (4) sind so montiert, dass sie selbstständig die nach der Lage des Blattes (3) augenblickliche Widerstandsoberfläche entsprechend der Windrichtung (20) variieren können. Außerdem sind sie mit einem Mechanismus (24) ausgestattet, der passend auf der Struktur des Blätterträgers (6) befestigt ist, um den Bereich der freien Bewegung der Pendeltüren (4) zu begrenzen; daraufhin wird die Wirkung der Bremse (9) ergänzt wenn es nötig ist, die Bewegung der vertikalen Auftriebskörper-Rotationsachse (1) anzuhalten. – ein passend auf dem Turmaufbau eingebautes Getriebe (13), anhand dessen sich das ganze System von Generatoren (14) bewegt. – ein System von Elektrogeneratorenkraftmaschinen, besteht aus einem oder mehreren Generatoren (14) vertikaler Art und mit einer hohen Stromerzeugungskapazität. Deren Montage ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gewicht der Statoren auf den Böden (18) des Turms ruht und dass das Gewicht der von einer gemeinsamen Achse (19) zu bewegenden Mehrkerne (14) auf einen Auftriebskörper (10), der eine hydrodynamische Bremse mit zentrifugaler Steuerung, die in der Lage ist, die Parameter der Drehung im Nenngebrauchsbereich zu halten, vorsieht, ruht. – Ein Auftriebskörper (10), der durch eine Achse (19) das Körpergewicht der Rotoren von den Generatoren (14) trägt (siehe auch *Motoren). Der Auftriebskörper (10) sieht in seinem Konstruktionsaufbau eine hydrodynamische Bremse mit zentrifugaler Steuerung vor. Da er sich mit einer sehr hohen Geschwindigkeit dreht, wird er sachgemäß durch die Zentriervorrichtungen (8) und (25) zentriert. – In einer BOHG-Windkraftanlage sind auch sehr wichtige Bestandteile: das Netzanschlußsystem (16); der Turm (18) und das Fundament (17).

Claims

Windkraftanlage mit vertikaler Auftriebskörper-Rotationsachse und mit oberflächenveränderlichen Rotorblättern. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass sie vorsieht: – eine vertikale Rotationsachse (1), die passend durch die Zentriervorrichtungen (8) und (25) mit einer Schiebeeinrichtung zusammengebaut und zentriert sind, die ermöglicht, das ganze von ihr getragene Gewicht auf einen Auftriebskörper (2) zu übertragen um sich zusammen durch die Wirkung der Luftschraube (27) zu drehen. – Eine Luftschraube (27), bestehend aus 3; 5 oder 7 Rotorblättern (3), die in der Lage sind, ihre aerodynamische Oberfläche zyklisch und eigenständig entsprechend der auf die Windrichtung bezogene Betriebsstellung zu verändern. – ein System von Elektrogeneratorenkraftmaschinen aus einem oder mehreren Generatoren (14) vertikaler Art, deren Rotoren-Kerne durch eine gemeinsame Achse (19) bewegt werden, die das eigene Gewicht auf einen Auftriebskörper (10) überträgt und sich schwimmend zusammen dreht.
Schwimmende vertikale Achse (1). Sie ist konstruiert, um die riesige Rotationskraft auf das Getriebe zu übertragen, damit die von ihr getragenen Rotorblätter (3) der Luftschraube (27) die im Wind enthaltene Energie umwandeln. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass sie Zentriervorrichtungen (8) und (25) vorsieht. Die Zentriervorrichtungen (8) und (25) ermöglichen der Achse, sich koaxial mit Schiebeeinrichtungen bezüglich der Turmstruktur (18) und der Bremse (9) zu drehen, indem die Achse im richtigen Zeitpunkt die ganze von ihr getragene Last auf den Auftriebskörper (2) überträgt und sich schwimmend zusammen dreht.
Luftschraube (27) mit aerodynamisch eigenständiger veränderlichen Oberfläche. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass sie aus 3; 5 oder 7 Rotorblättern (3) besteht. Die Rotorblätter (3) sehen in ihrem Konstruktionsaufbau mehrfache Pendeltüren (4) vor. Die Pendeltüren (4) sind sachgemäß auf dem Blätterträger (6) montiert, damit sie sich eigenständig öffnen oder schließen und so variieren sie selbstständig die nach der Betriebslage der Rotorblätter (3) augenblickliche Oberfläche entsprechend der Windrichtung (20). Falls nötig sehen sie auch aus der Handlungsfreiheit der Pendeltüren (4) eine Begrenzervorrichtung (24), die die Regulierung der Rotationsgeschwindigkeit erlaubt, ohne auf die Bremse (9) frühzeitig zurückzugreifen, vor.
ein System von Elektrogeneratorenmaschinen (14) vertikaler Art. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gewicht der Statoren auf den Böden (18) des Turms ruht und dass das Gewicht der von einer gemeinsamen Achse (19) zu bewegenden Mehrkerne (14) auf einen Auftriebskörper (10), der mit einer hydrodynamischen Bremse vorgesehen ist, um die Rotationsgeschwindigkeit durch zentrifugale Wirkung zu steuern, ruht. Diese innovativen Aspekte ermöglichen den Einsatz von Generatoren mit einer hohen Stromerzeugungskapazität, da die Energieverluste während des Betriebs minimal sind.
Schwimmende vertikale Achse (19). Sie ist konstruiert, um die für ihren Antrieb benötigte Drehmomente aus dem Getriebe (13) auf das System von Generatoren zu übertragen (Oder umgekehrt von den elektrischen Motoren auf das Getriebe oder auf andere kinematische Mechanismen im Allgemeinen). Sie ist auch dadurch gekennzeichnet, dass sie das Gewicht der Kerne des oder der Generatoren auf einen Auftriebskörper (10) übertragen kann und sich schwimmend zusammen dreht.