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Anwendungsgebiet
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Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit vertikaler Rotordrehachse, die vorzugsweise zur Energiegewinnung vorgesehen ist. Sie steht deshalb in geeigneter Weise in Wirkverbindung mit einem Generator. Prinzipiell sind auch andere Verwendungen möglich.
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Bis zu Bauhöhen von ca. 20 m kann die Windkraftanlage als Anlage für Kleinenergieerzeuger ausgebildet werden. Sie ist dann vorteilhaft an oder auf Wohnhäusern oder gewerblichen Immobilien einsetzbar. Als geeignete Standorte werden auch Randlagen von kommunalen Flächen angesehen.
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Die erzeugte Energie kann vom Anlagenbetreiber selbst genutzt, gespeichert oder ins öffentliche Netz eingespeist werden. Als sinnvoll kann sich die Kombination mit anderen Anlagen zur Nutzung von regenerativer Energie erweisen.
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Stand der Technik
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Das Prinzip, Windrotoren vertikal anzuordnen, ist seit langem bekannt und beispielsweise an Instrumenten zur Windgeschwindigkeitsmessung, so genannten Schalensternanemometern, verwirklicht. Dieses Messinstrument erfasst die Windgeschwindigkeit, indem ein mit horizontaler Drehkreisebene und senkrecht stehender Rotationsachse auf einem Mast montiertes Windrad aus mindestens zwei, meist jedoch drei oder vier halbkugelartigen Schalen vom Wind angetrieben wird. Vorteile des Schalensternanemometers sind die einfache Bauweise, die relative Wartungsfreiheit und der robuste mechanische Aufbau. Zudem arbeitet das System ohne Windrichtungsführung (Wikipedia, Stichwort Anemometer).
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Nach diesem Prinzip arbeiten auch Windkraftanlagen zur Erzeugung elektrischer Energie. Eine derartige netzunabhängige Generatoranlage ist im
deutschen Gebrauchsmuster 296 14 614 angegeben. Das vorgestellte Windrad umfasst eine senkrecht angeordnete Welle mit zumindest drei an radialen Armen in Drehrichtung gleichsinnig ausgerichteten Kugelhalbschalen. Der Generator ist direkt auf der Welle im Zentrum der radialen Arme angeordnet, was als nachteilig angesehen wird.
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Die Anlage ist gegenüber den verbreiteten Propelleranlagen mit horizontaler Drehachse windrichtungsunabhängig und in der Lage, Auf- oder Abwinde direkt in eine Drehung der Welle umzusetzen.
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In der
DE 10 2009 009 327 ist eine Windkraftanlage beschrieben, die zwar einen horizontal ausgerichteter Propeller besitzt, bei der aber der Generator im unteren Bereich aufgestellt ist, wobei die Verbindung zum Rotor mittels einer senkrechten Welle realisiert ist, was eine Drehrichtungsumsetzung erforderlich macht.
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Bei den Bauformen der derzeit im Praxiseinsatz befindlichen Windkraftanlagen wird insbesondere als störend empfunden, dass der Generator und alle anderen wichtigen Bauteile im Turm montiert sind. Das macht einen hohen Aufwand bei der Herstellung, Montage und Wartung erforderlich.
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Diesen Nachteil hat eine Windkraftvorrichtung zur Erzeugung von elektrischen Strom nach
DE 89 14 969 bereits seit langem überwunden. Die Vorrichtung besitzt ein vertikal ausgerichtetes drehbares Lüfterrad und eine damit gekuppelte Antriebswelle, die mit einem Getriebe und einem Generator in Wirkverbindung steht. Das Lüfterrad ist durch mehrere in regelmäßigen Abständen auf einem Kreisring angeordneten Schaufeln, die somit ein Schaufelgitter bilden, realisiert. Die Schaufeln sind auch durch Schalen bzw. schüsselartige Konstruktionen ersetzbar. Das Getriebe ist als Keilriemengetriebe mit wählbarer Übersetzung ausgebildet.
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Aufgabenstellung
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Hiervon ausgehend besteht die erfinderische Aufgabenstellung darin, eine Windkraftanlage mit vertikaler Rotordrehachse zu entwickeln, die zwar Elemente des Standes der Technik nutzt, diese aber derartig kombiniert, dass eine effektiv arbeitende Gesamtanlage entsteht, die das zur Verfügung stehende Windenergieangebot verlustarm in elektrische Energie umsetzen kann. Die Anlage soll mit reduziertem Aufwand gegenüber bekannten Anlagen hergestellt, errichtet und betrieben werden können.
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Lösung der Aufgabenstellung
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Die Lösung der Aufgabenstellung ist im Patentanspruch 1 angegeben.
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Die untergeordneten Ansprüche enthalten zweckmäßige Ausgestaltungen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß wie folgt gelöst:
Innerhalb eines Turms verlauft eine senkrechte Welle, die am unteren Ende eine Schwungscheibe tragt. Letztere dient als Antrieb für einen am Fuß des Turms stationierten Generator, der entweder unmittelbar oder unter Zwischenschaltung eines Übersetzungsgetriebes mit der Schwungscheibe verbunden ist.
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Am oberen Ende der Welle im Bereich der Turmspitze ist ein Rotor mit horizontaler Dreirichtung angeordnet.
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Der Turm ist vorteilhaft als sich nach oben hin verjüngende Stahlgitterkonstruktion mit vier- oder mehreckigem Querschnitt aus Hohlprofil, Winkelprofil oder in Gemischtbauweise gefertigt. Auch andere Konstruktionen sind wirtschaftlich realisierbar, beispielsweise begehbare Rohrelemente oder Holzkonstruktion, z. B. auf vorhandenen Bauwerken.
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Am Turmfundament befindet sich ein Maschinenraum, in dem der Generator und weitere maschinen- und elektrotechnische Komponenten sowie elektronische Anlagen und Bauteile untergebracht sind.
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Die Welle ist am Boden des Turms innerhalb des Maschinenraums in einem Drucklager, beispielsweise ausgeführt als Kugel- oder Rollenlager, abgestützt und gelagert. Vertikal beabstandet sind in Abhängigkeit von der Länge der Welle gegebenenfalls weitere Lager zu deren Führung und zur Vermeidung von Unwuchten vorgesehen.
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Zur Gewichtsminimierung sollte die Welle aus Leichtmetall, einer Leichtmetalllegierung oder aus dünnwandigem Stahlblech bzw. Gussmaterial bestehen.
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Weiterhin wird die Anordnung einer Schwungscheibe vorgeschlagen. Diese soll für eine gewisse Laufruhe und den Ausgleich von Windspitzen und kurzzeitigen Flauten sorgen. Im Bereich der Schwungscheibe und erforderlichenfalls an anderen Stellen ist die Welle verstärkt auszuführen.
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Der Rotor ist fest, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung von Getriebeelementen, am oberen Ende der Welle montiert. Er ist aus wenigstens zwei Ebenen mit mindestens einem Arm pro Ebene gebildet. Vorteilhafterweise sind die Arme in mehr als zwei Ebenen mit wenigstens einem Arm pro Ebene direkt an der Welle angeordnet. Die Amme können gegen andere Arme oder gegen die Welle abgestützt sein. Sie tragen mindestens eine Schale mit Boden. Die Form der Schalen ist prinzipiell frei wählbar. Je nach den zu erwartenden Windverhältnissen und anderen Bedingungen können diese als abgeflachte Kugelhalbschalen bzw. auch schüssel- oder pfannenartig mit runden, eckigen oder ovalen Querschnitt ausgebildet sein.
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Zur sicheren Kraftübertragung ist die Verbindung von Arm und Schale am flachen Schalenboden realisiert. Diese kann auch schwenkbar gestaltet sein.
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Nachträglich können Abdeckungen rückseitig an die Schalen form- oder kraftschlüssig zur Verbesserung des CW-Wertes angebracht werden. Die Arme können untereinander versteift werden.
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Als Alternative besteht die Möglichkeit, die Schalen stromlinienförmig auszubilden und jeweils mit seitlichen Löchern zu versehen. Die entsprechenden Arme waren dann durch die Löcher hindurchzuführen und fachüblich zu befestigen. In dem Fall kann auf den flachen Schalenboden sowie auf die erwähnten Abdeckungen verzichtet werden.
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Bei Ausführungsformen mit wenigstens zwei Armen in einer Ebene sind zur optimalen Windausbeute mehreren Ebenen realisiert. Dabei stehen die Schalen von Ebene zu Ebene vorteilhafterweise versetzt zueinander. So sind zum Beispiel dreifache Anordnungen übereinander mit drei oder vier Schalen pro Ebene an drei bzw. vier Armen realisierbar, wodurch sich eine Gesamtzahl von 9 bis 12 Schalen ergibt.
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Die Armlängen können von Ebene zu Ebene variieren, wodurch sich beispielsweise ein nach oben, nach unten oder zur Mitte hin verjüngter bzw. verbreiterter Rotor ergibt, bzw. kann die Außenkontur des Rotors unregelmäßig gestaltet werden.
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Bei einer Ausführungsform mit wenigstens einem Arm pro Ebene ist eine wendelartige Anordnung der Arme an der Welle realisierbar. Auch hier können die Armlängen in der oben beschriebene Art und Weise variieren.
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Andere Konstellationen sind selbstverständlich möglich.
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Materialseitig bestehen die Schalen aus nichtrostendem Stahl, Kupfer oder Aluminium bzw. deren Legierungen, Kunststoffen, Glas- oder Kohlefasergeweben oder Kombinationen aus den genannten Stoffen. Die Arme sind aus Rohrmaterial oder anderen geeigneten Profilen gefertigt.
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Die Staffelung der Schalen in der beschriebenen Weise hat den Vorteil, dass auch geringe Windgeschwindigkeiten zur Stromerzeugung nutzbar sind.
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Bei Anordnung mehrerer Generatoren besteht die Möglichkeit, Selbige je nach Windangebot zu- bzw. abzuschalten. Der Antrieb der Generatoren erfolgt in dem Fall vorteilhaft mittels Keil- oder Zahnriemen bzw. auch mittels Reibradgetriebe.
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Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, einen oder mehrere Generatoren an den verzahnten Umfang des Schwungrades anzukoppeln.
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Zweckmäßigerweise sollte der Rotor, entweder mit oder ohne Welle von der weiteren Technik abkoppelbar und mittels geeigneter Bremstechnik abgebremst bzw. festgelegt werden können.
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Die Gesamtanlage kann als Baukastensystem zur Verfügung gestellt werden.
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Es empfiehlt sich, die gesamte Anlage in geeigneter und fachüblicher Weise einzufrieden. Weiterhin sind eine Blitzschutzanlage und eine Brandschutzanlage vorzusehen. Der Turm sollte begehbar sein. Eine Montagehilfe in Form eines Kranes oder dgl. wäre hilfreich.
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Ausführungsbeispiel
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Eine erfindungsgemäße Windkraftanlage mit vertikaler Rotordrehachse und einem ebenerdig angeordneten Generator wird nachfolgend an Hand von Zeichnungen (1–8) näher erläutert.
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Gemäß 1 ist eine senkrechte Welle 2 innerhalb eines Turms 1 angeordnet.
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Die Welle 2 trägt am unteren Ende eine Schwungscheibe 5, die als Antrieb für einen am Fuß des Turms 1 stationierten Generator 3 fungiert. Zweckmäßigerweise kann die Welle 2 in einem nicht dargestellten Schutzrohr angeordnet sein. Am oberen Ende der Welle 2 im Bereich der Turmspitze befindet sich ein Rotor mit horizontaler Drehrichtung. Im Beispiel keine Getriebeelemente zwischen Rotor und Welle 2 vorgesehen.
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Der Rotor ist aus drei in einer Ebene angeordneten Armen 4 gebildet. Diese sind direkt an der Welle 2 montiert und untereinander mit nicht dargestellten Versteifungen versehen.
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Jeder Arm trägt eine Schale 6. Die Schalen 6 sind jeweils gleich in Drehrichtung ausgerichtet. Sie haben im gewählten Beispiel eine schüsselartige Grundform und sind von daher mit einem ebenen Boden 7 versehen.
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Das ist mit Blick auf eine sichere Kraftübertragung von den Schalen 6 auf die am flachen Schalenboden angebrachten Arme 4 wesentlich. Es empfiehlt sich, die Schalenrückseiten mit Abdeckungen auszustatten.
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Auf die in der voranstehenden Beschreibung beschriebene Alternative wird hingewiesen. Die Arme 4 sind in mehreren Ebenen an der Welle 2 angeordnet. Gemäß den 1, 2 und 3 ergeben sich drei Ebenen mit insgesamt neun Schalen 6, die von Ebene zu Ebene versetzt zueinander ausgerichtet sind.
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In den 4 und 5 ist eine Situation mit vier Schalen 6 pro Ebene bei versetzter Anordnung von vier Ebenen übereinander dargestellt.
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Dabei können die Armlängen von Ebene zu Ebene unterschiedlich gestaltet werden, wodurch beispielsweise ein sich nach oben, nach unten oder zur Mitte hin verjüngter bzw. verbreiterter Rotor realisierbar ist.
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Bei einer Ausführungsform nach den 6, 7 und 8 ist jeweils ein Arm (4) pro Ebene angebracht. Die Arme (4) sind dabei radial wendelartig versetzt an der Welle (2) angeordnet. Prinzipiell sind die Armlängen auch hier variierbar.
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Zur Vermeidung von Wiederholungen wird in Bezug auf die übrigen Merkmale auf die Ausfürungen in der voranstehenden Beschreibung verwiesen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Turm,
- 2
- Welle,
- 3
- Generator,
- 4
- Arm,
- 5
- Schwungscheibe,
- 6
- Schale,
- 7
- Boden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 29614614 U [0005]
- DE 102009009327 [0007]
- DE 8914969 [0009]
