DE102012004584A1 - Vertical axis wind turbine installed in e.g. tower, has rotor blades that are raised up to certain higher height and are secured at rotational axis - Google Patents

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Abstract

The vertical axis wind turbine has the rotor blades (1) that are raised up to a certain higher height and are secured at the rotational axis (2). The operating principle of the wind turbine is formed with the combination of savonius and darrieus rotors and/or H-rotor. The outer diameter of the rotor is varied according to the height. The rotor blades are connected with the connection plates (3) along the rotational axis. The wind turbine portion is connected to a bottom plate (4) on a tower or building.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vertikalachs-Windturbine zur Umwandlung von Windenergie in eine andere Energieform wie beispielsweise elektrische Energie sowie ein Rotorblatt. Synonym für Vertikalachs-Windturbine werden auch die Begriffe Vertikalwindkraftanlage oder Vertikalrotor in der Literatur benutzt.The invention relates to a vertical axis wind turbine for converting wind energy into another form of energy such as electrical energy and a rotor blade. Synonymous with vertical axis wind turbine, the terms vertical wind turbine or vertical rotor are also used in the literature.

Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Vertikalachs-Windturbinen wie dem Savonius-Rotor, Darrieus-Rotor oder H-Rotor bekannt, die zur Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie eingesetzt werden. Trotz zahlreicher Vorteile wie beispielsweise der geringen Geräuschentwicklung, der Windrichtungsunabhängigkeit und somit der nicht notwendigen Windrichtungsnachführung, der Anbringung von Getriebe und Generator am Boden und den angeblich geringen Investitionskosten, werden Vertikalachs-Windturbinen nur in seltenen Fällen eingesetzt.Numerous vertical axis wind turbines such as the Savonius rotor, Darrieus rotor or H rotor are known in the prior art, which are used for the conversion of wind energy into electrical energy. Despite numerous advantages such as the low noise, the wind direction independence and thus the unnecessary wind direction tracking, the attachment of gearbox and generator on the ground and the allegedly low investment costs, vertical axis wind turbines are used only in rare cases.

Ein Grund dafür ist der geringe Wirkungsgrad dieser Anlagen im Verhältnis zu den Investitionskosten. Im Vergleich zu Horizontalachs-Windturbinen lassen sich beim Bau von Vertikalachs-Windturbinen bisher kaum Investitionskosten einsparen. Die Herstellungskosten für Generator, Getriebe oder Rotor sind bei gleicher Leistung von Vertikalachs- und Horizontalachs-Windturbinen nahezu identisch. Eine Verringerung der Investitionskosten bei der Herstellung und Inbetriebnahme von Vertikalachs-Windturbinen ist nur durch eine Verringerung der Herstellungskosten für Turm und Fundament und/oder Verringerung der Montagekosten möglich.One reason for this is the low efficiency of these systems in relation to the investment costs. Compared to horizontal-axis wind turbines, investment in the construction of vertical-axis wind turbines has hardly ever been possible. The manufacturing costs for generator, gear or rotor are almost identical for the same power of Vertikalachs- and horizontal axis wind turbines. A reduction in investment costs in the manufacture and commissioning of vertical axis wind turbines is only possible by reducing the cost of manufacturing tower and foundation and / or reducing assembly costs.

Bisher gibt es zwei unterschiedliche Konstruktions- bzw. Verfahrensweisen Vertikalachs-Windturbinen aufzustellen. Bei beiden Möglichkeiten werden die Rotorblätter der Vertikalachs-Windturbine an einer Drehachse oben und unten befestigt. Um die auftretenden Kräfte aufzunehmen gibt es zwei Vorgehensweisen.So far, there are two different construction and procedures to set up vertical axis wind turbines. In both options, the rotor blades of the vertical axis wind turbine are attached to a rotational axis at the top and bottom. There are two ways to absorb the forces involved.

Bei der ersten werden die Kräfte, die an der Achse auftreten, zum einen über das Fundament auf dem die Drehachse befestigt ist und über Spannseile die oben an der Drehachse angebracht werden aufgenommen. Die Spannseile werden dann an von der Drehachse weit entfernten Fundamenten befestigt. Dies führt zu einem sehr hohen Flächenverbrauch, da mit einem Anstieg der Mast- bzw. Turmhöhe die Fundamente, an denen die Seile befestigt sind, immer weiter von der Drehachse entfernt sein müssen, damit die Seile nicht mit den sich drehenden Rotoren kollidieren. Die notwendige Fläche nimmt also quadratisch mit der Höhe des Mastes bzw. Turmes zu. Außerdem entstehen nicht unerhebliche Kosten für die zusätzlichen Fundamente, die für die Aufnahme der Spannseile erstellt werden müssen. Der Vorteil dieser Variante besteht darin, dass keine Biegemomente an den Achslagern aufgenommen werden müssen. Somit muss auch vom Fundament, das sich unterhalb der Drehachse befindet, kein Biegemoment aufgenommen werden, sodass sich die Fundamentkosten deutlich reduzieren lassen. Aber die Nachteile, insbesondere der hohe Flächenverbrauch, überwiegen bei dieser Methode.In the first, the forces that occur on the axis, on the one hand on the foundation on which the axis of rotation is attached and over tension cables which are mounted at the top of the axis of rotation are added. The tensioning cables are then fastened to foundations far away from the axis of rotation. This leads to a very high space consumption, since with an increase in the mast or tower height, the foundations to which the ropes are attached must be always further away from the axis of rotation, so that the ropes do not collide with the rotating rotors. The necessary area therefore increases quadratically with the height of the mast or tower. In addition, not inconsiderable costs for the additional foundations that need to be created for receiving the tension cables. The advantage of this variant is that no bending moments must be absorbed at the axle bearings. Thus, even from the foundation, which is located below the axis of rotation, no bending moment must be taken, so that the foundation costs can be significantly reduced. But the disadvantages, especially the high area consumption, outweigh this method.

Bei der zweiten Vorgehensweise werden die Kräfte nur durch die Drehachse aufgenommen und auf das Fundament, das sich direkt unter der Drehachse befindet, übertragen. Spannseile werden hier nicht verwendet. Bei dieser Vorgehensweise sind die Kosten im Vergleich zu den Horizontalachs-Windturbinen ähnlich hoch, denn hier werden hohe Biegemomente von der Achse und dem Fundament aufgenommen, sodass diese deutlich höhere Festigkeiten aufweisen müssen, wodurch zusätzliche Kosten entstehen.In the second approach, the forces are absorbed only by the axis of rotation and transmitted to the foundation, which is located directly below the axis of rotation. Tensioning cables are not used here. In this approach, the costs are similar compared to the horizontal axis wind turbines, because here high bending moments of the axis and the foundation are included, so they must have significantly higher strengths, resulting in additional costs.

Die Aufgabe die Investitionskosten von Vertikalachs-Windturbinen signifikant zu verringern und somit die Wirtschaftlichkeit zu steigern, wird gelöst indem die Rotorblätter eigensteif konstruiert werden und somit die Mast- bzw. Turmlänge deutlich verringert werden kann. Dies führt zu einer deutlichen Materialeinsparung bei der Drehachse und/oder einer Verringerung der Mast- bzw. Turmlänge, wobei gleichzeitig die zur Energiewandlung nutzbaren Luftströmungen einen größeren Abstand vom Boden besitzen, was sich Vorteilhaft auf den Energieertrag der Anlage auswirkt. Des Weiteren entstehen geringere Montagekosten bei der Aufstellung von Vertikalachs-Windturbinen, da die Montagehöhe zur Befestigung der Rotorblätter verringert wird.The task of significantly reducing the investment costs of vertical axis wind turbines and thus increasing cost-effectiveness is achieved by designing the rotor blades with inherent rigidity and thus significantly reducing the length of the mast or tower. This leads to a significant saving of material in the axis of rotation and / or a reduction in the length of the mast or tower, at the same time usable for energy conversion air currents have a greater distance from the ground, which has an advantageous effect on the energy yield of the system. Furthermore, lower assembly costs arise in the installation of vertical axis wind turbines, since the mounting height for mounting the rotor blades is reduced.

Erfindungsgemäß ragen die Rotorblätter höher in den Himmel als die Achse an der die Rotorblätter befestigt werden. 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vertikalachs-Windturbine ist in diesem Fall als Widerstandsläufer ausgeführt. Die Rotorblätter (1) ragen deutlich höher in den Himmel als die Drehachse (2) an denen die Rotorblätter (1) über die Verbindungsplatten (3) mit der Drehachse (2) verbunden sind. Mit der oberen Verbindungsplatte (3) endet auch die Drehachse. Die Vertikalachs-Windturbine wird mit der Bodenplatte (4) mit einem Turm oder Gebäude oder direkt mit einem Fundament verbunden. Auch eine direkte Verbindung der Drehachse (2) mit einem Turm, Gebäude oder Fundament ist möglich.According to the invention, the rotor blades protrude higher in the sky than the axis to which the rotor blades are attached. 1 and 2 show an embodiment of the present invention. The vertical axis wind turbine is designed in this case as a resistance rotor. The rotor blades ( 1 ) protrude significantly higher in the sky than the axis of rotation ( 2 ) at which the rotor blades ( 1 ) via the connecting plates ( 3 ) with the axis of rotation ( 2 ) are connected. With the upper connecting plate ( 3 ) also ends the axis of rotation. The vertical axis wind turbine is connected to the bottom plate ( 4 ) connected to a tower or building or directly to a foundation. Also a direct connection of the rotation axis ( 2 ) with a tower, building or foundation is possible.

3 und 4 zeigen eine Vertikalachs-Windturbine, die als eine Kombination aus Savonius- & Darrieusrotor ausgeführt ist. Der konstruktive Aufbau hinsichtlich der Befestigung der Rotorblätter an die Drehachse und die Verbindung der Drehachse mit einem Mast, Gebäude oder Fundament ist vergleichbar mit dem oben beschriebenen Widerstandsläufer 1. und 2. Beide Ausführungen besitzen eigensteife Rotorblätter. 3 and 4 show a vertical axis wind turbine, which is designed as a combination of Savonius & Darrieusrotor. The structural design with regard to the attachment of the rotor blades to the axis of rotation and the connection of the axis of rotation with a mast, building or foundation is comparable to the resistance rotor described above 1 , and 2 , Both versions have inherently stiff rotor blades.

Claims (9)

Vertikalachs-Windturbinen zur Umwandlung von Windenergie in eine andere Energieform wie beispielsweise elektrische Energie die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Rotorblätter höher in den Himmel ragen als die Rotationsachse an der sie befestigt sind.Vertical axis wind turbines for converting wind energy into another form of energy, such as electrical energy, characterized in that the rotor blades are higher in the sky than the axis of rotation to which they are attached. Vertikalachs-Windturbinen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsprinzip aus einer Kombination aus Savonius- und Darrieus-Rotor bzw. H-Rotor besteht.Vertikalachs wind turbines according to claim 1, characterized in that the operating principle consists of a combination of Savonius and Darrieus rotor or H rotor. Vertikalachs-Windturbinen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsprinzip als Widerstandsläufer bzw. Savoniusrotor ausgeführt ist.Vertikalachs wind turbines according to claim 1, characterized in that the operating principle is designed as a resistance rotor or Savoniusrotor. Vertikalachs-Windturbinen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsprinzip als Darrieus bzw. H-Rotor ausgeführt ist.Vertikalachs wind turbines according to claim 1, characterized in that the operating principle is designed as a Darrieus or H-rotor. Vertikalachs-Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser des Rotors über die Höhe variabel gestaltet ist.Vertikalachs wind turbine according to one of the preceding claims, characterized in that the outer diameter of the rotor is designed variable over the height. Vertikalachs-Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass sie direkt an einem Gebäude/Bauwerk angebracht ist.Vertical-axis wind turbine according to one of the preceding claims, characterized in that it is mounted directly on a building / structure. Vertikalachs-Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass sie auf dem Erdboden ohne Turm bzw. Mast montiert wird.Vertical-axis wind turbine according to one of the preceding claims, characterized in that it is mounted on the ground without tower or mast. Vertikalachs-Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass sie als versandfähiger Bausatz geliefert wird.Vertical-axis wind turbine according to one of the preceding claims, characterized in that it is delivered as a shipping kit. Rotoren für eine Vertikalachs-Windturbine die in eine nach einem der vorhergehenden Ansprüche beschriebenen Vertikalachs-Windturbine eingebaut werden.Rotors for a vertical axis wind turbine installed in a vertical axis wind turbine as claimed in any one of the preceding claims.
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