DE102012005231A1

DE102012005231A1 - Windkraftanlage mit vertikaler Achse

Info

Publication number: DE102012005231A1
Application number: DE201210005231
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-03-15
Filing date: 2012-03-15
Publication date: 2013-09-19
Anticipated expiration: 2032-03-16
Also published as: DE102012005231B4

Abstract

Entgegen den Windkraftanlagen mit horizontaler Achse haben sich die Windkraftanlagen mit vertikaler Achse bisher nicht durchgesetzt. Das liegt vor allem daran, dass die Energieausbeute des Windes bei den bekannten Lösungen schlechter ist. Mit der neuen Windkraftanlage mit vertikaler Achse soll eine höhere Energieausnutzung des anströmenden Windes erreicht werden. Damit kann auch das Positive bei den Windkraftanlagen mit vertikaler Achse, die einfachere technische Ausführung, da vor allen eine Windnachführung und anderer technischer Aufwand entfällt, genutzt werden. Auf den tragenden Mast (1) einer Windkraftanlage wird ein Windleitmantel (2) angeordnet. Als Beispiel wird von einer zylindrischen Form des Windleitmantels mit kreisrunden Querschnitt ausgegangen. Er kann auch davon abweichende Formen haben. Bei dem anströmende Wind auf die Fläche des Windleitmantels ergibt sich eine Verdrängung nach den beiden Seiten und dort jeweils eine Zone mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit, also auch höherem Energiepotential. Der Windleitmantel kann verschieden ausgeführt werden, mitdrehend, oder feststehend, oder es wird ein Teil des Mastes (1) als Windleitmantel genutzt. Die vor dem Windleitmantel angeordneten und sich um die Achse der Windkraftanlage drehenden Rotorblätter (3) durchlaufen auch die Zone mit der erhöhten Strömungsgeschwindigkeit und werden davon angetrieben. Ihre Querschnittsform ist den besonderen Bedingungen und der Erzeugung eines hohen Drehmomentes angepasst. Mit der Windkraftanlage soll elektrischer Energie mittels der in der Windkraftanlage befindlichen Generatorkapazitäten erzeugt werden.

Description

Die Windkraftanlage zeichnet sich dadurch aus, dass ihre Rotorblätter so angeordnet sind, dass sie um eine zentrale vertikale Achse der Windkraftanlage laufen und durch Wind mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit, verglichen mit dem anströmenden Wind, angetrieben werden.
Nach den hier bekannten Unterlagen ist die Schaffung einer solchen Zone, mit erhöhter Windsrömungsgeschwindigkeit durch eine dafür ausgelegte Gestaltung der Windkraftanlage, die, die Rotorblätter durchlaufen und von der die Rotorblätter durch den Widerstand, den sie ihm entgegensetzen und so angetrieben werden, noch nicht angewendet worden.
Die Lösungen in den Offenlegungsschriften über die technische Ausführung von Windkraftanlagen mit vertikalen Rotoren DE 29 05 569 A1 ; DE 3828361 A1 ; DE 3835387 A1 De 3217763 A1 ; De 197 18048 A1 ; DE 19853993 A1 sind gekennzeichnet durch die Anordnung von Windleitbleche in der unterschiedlichsten Ausführung die eine lenkende Zuleitung des Winde auf die Rotorblätter zum Ziel haben. Bei einigen dieser Lösungen soll außerdem mit einer Ablenkeinrichtung der Wind von der ihm entgegenlaufenden Rotorseite abgewiesen werden. Die Windenergie steht bei diesen Lösungen nur in ihrer dem anströmenden Wind innewohnenden Größe zur Nutzung zur Verfügung.
Auch in der belgischen Patentschrift Nr. 1000925 A6 wird eine Windkraftanlage beschrieben die durch die Zuleitung des Windes auf die Rotoren mittels Windleitbleche und der Abdeckung der dem Wind entgegenlaufenden Rotorseiten gekennzeichnet ist. Das Gleiche trifft für das United States Patent Nr. 4,764,683 zu. Beim Gebrauchsmuster U1 Rollennummer G 88 09 111.2 wird mit Leitblechen die Windzuführung zu mehreren Rotoren hin gelenkt. Auch bei diesen Lösungen trifft das oben Festgestellte zu.
Bekannte und ausgeführte Windkraftanlagen mit vertikaler Achse sind in dem Fachbuch „Windenergie – Theorie, Anwendung, Messung„ von Jens-Peter Molly; Verlag C. F. Müller Karlsruhe – 2. Auflage 1990 Abschnitt 3.2., ab Seite 69 bis Seite 75 aufgeführt. Es sind dies der Savonius Rotor der als Lüfter bei Eisenbahnwaggons in kleiner Bauweise eingesetzt wurde, der Darrieus Rotor bei dem um eine senkrechte Achse in großem Abstand von dieser meist ein zweiflügliger Rotor mit gebogenen Rotorblättern läuft und dessen Achse durch weite Abspannungen gehalten werden muss. Außerdem ist der Just-Rotor bekannt und der Flettner-Rotor. Bei dem Flettner Rotor wird der Wind in eine Röhre geleitet wird und dadurch diese in Drehung versetzt. All diese Anlagenarten haben sich bisher in der Praxis nicht durchgesetzt.
Es ist bekannt, dass Windkraftanlagen mit vertikaler Achse bis heute keine Verbreitung fanden und im Entwicklungsstand deutlich hinter denen mit horizontaler Achse zurück liegen. Diese Feststellung wird auch in dem Fachbuch „Windenergie – Theorie, Anwendung, Messung„ auf Seite 73 getroffen. Die wesentlich einfachere Bauweise von Windenergieanlagen mit vertikaler Achse ist einer der Vorteile gegenüber den Windkraftanlagen mit horizontaler Achse. Nach den in der Fachliteratur ausgeführten Berechnungen über die Voraussetzungen dieser Art von Windkraftanlagen zur Ausnutzung des jeweils anstehenden Energiepotentials des Windes besitzt sie jedoch dabei einen Nachteil gegenüber den Windkraftanlagen mit horizontaler Achse.
Die Ausführung der in der erfindungsgemäßen Bezeichnung genannten „Windkraftanlage mit vertikaler Achse„ kann diesen bisher erkannten Nachteil gegenüber der Windkraftanlage mit horizontaler Achse aufheben und sogar verbessern.
Erfindungsgemäß wird auf einen tragenden Mast (1) einer Windkraftanlage ein Windleitmantel (2) angeordnet, durch den beidseitig von der Windkraftanlage, bezogen auf den anströmenden Wind, eine Zone mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit des Windes geschaffen wird. Außen vor dem Windleitmantel (2) befinden sich die vorgesehene Anzahl von Rotorblättern (3), die diese Zone des Windes mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit, die ein erhöhtes Energiepotential besitzt, durchlaufen und davon angetrieben werden. Erfindungsgemäß wird als Beispiel von einer zylindrischen Form mit kreisrunden Querschnitt für den Windleitmantel (2) ausgegangen. Er kann auch davon abweichende Formen haben. Es kann verschiedene Ausführungen des Windleitmantels geben. Erstens der Windleitmantel (2.1) dreht sich, zweitens der Windleitmantel (2.2.) steht fest, er ist kein Teil des Mastes (1). Drittens ein Abschnitt des Mastes (1) wird als Windleitmantel (2.3) genutzt.
Die durch die Rotorblätter (3) erzeugte Drehung um die vertikale Achse der Windkraftanlage wird über ihre Halterung (4) auf diese und über einen Antriebsstrang, für die Energiegewinnung durch die Generatorenkapazität der Windkraftanlage übertragen. Das Ausführungsbeispiel nach der zeigt eine solche Windkraftanlage mit einem Windleitmantel (2) der drehbar (2.1) gelagert ist.
Das Ausführungsbeispiel nach der zeigt ebenfalls eine Windkraftanlage mit dem oben beschriebenen Wirkprinzip der Schaffung einer Zone mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit, jedoch mit einem Windleitmantel (2) der feststehenden angeordnet ist (2.2.) in dem er mit dem Mast (1) der Windkraftanlage verbunden ist, vor dem drehbar die angeordneten Rotorblätter (3) laufen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach wird eine Windkraftanlage, bei der eine Kombination verschiedener Windleitmäntel (2) oben drehbar (2.1.) analog der Ausführung und mit der Nutzung eines Abschnittes des Mastes (1) als Windleitmantel (2.3) darunter dargestellt.
Das Ausführungsbeispiel nach der zeigt die Anordnung eines Windleitmantels (2) drehbar (2.1) oben mit einem mit einem kleineren Durchmesser und unten mit einem größeren Durchmesser. Dieses Beispiel zeigt außerdem die mögliche Versetzung der unteren Rotorblätter gegenüber den oberen Rotorblättern um 60°. Aus den Ausführungsbeispielen nach bis wird erkennbar, dass eine Vielfalt von Ausführungen bei dem erfindungsgemäßen Wirkprinzip möglich sind. Der Mast (1), alle Windleitmantelarten (2.1 bis 2.3) sowie die Rotorblätter (3) können unten, in der Mitte und oben d. h. auch über ihre ganze Länge unterschiedliche Abmessungen besitzen.
Bei der beschriebenen Erfindung, gemäß den Ausführungsbeispielen nach bis dargestellt, wird, wie in der in einer Ansicht von oben gesehen, die gewählte Anordnung von 3 Rotorblättern (3) im Detail gezeigt. Ihre Anzahl und Größe wird von dem Ziel bestimmt eine größtmögliche Energiemenge mit der Windkraftanlage zu erzeugen und optimale Laufeigenschaften zu erhalten. Davon ausgehend kann auch eine andere Anzahl angeordnet werden. In der ist die erfindungsgemäße Anordnung der Rotorblätter (3) vor dem Windleitmantel (2) im größeren Maßstab als Beispiel dargestellt. Die Rotorblätter (3) sind vom an der Stelle (3.1.) den Halterungen (4) befestigt. Die Halterung (4), überträgt das erzeugte Drehmoment durch einen Anschluss an einen Antriebsstrang. Dieser treibt die Generatorkapazitäten der Windkraftanlage zur Stromerzeugung an. Die Rotorblätter (3) sind, wie in der erkennbar ist, so gestaltet, dass sie dem anströmenden Wind eine größt mögliche Windwiderstandsfläche (3.2) zur Erzeugung der Drehbewegung entgegen setzen, wozu auch die Nase (3.2.1) im vorderen Teil beiträgt und das darüber hinaus auch noch ein Sogeffekt entwickelt wird, der gleichfalls der Erzeugung der Drehbewegung dient. Die zeigt die zusätzliche Anordnung von Windwiderstandsflächen bei den Rotorblättern (3) und bei der Ausführung eines mitdrehenden Windleitmantels (2.1.1). Bei dieser Rotorblattausführung ist auf der Innenseite eine Vertiefung (3.2.2) zur Vergrößerung der Windwiderstandsfläche angeordnet. Zur Erzielung eines zusätzlichen Anteiles des erzeugbaren Drehmomentes ist die einordnende Gestaltung und Ausführung von Windwiderstandsflächen durch Vertiefungen (5) am mitdrehenden Windleitmantel (2.1.1), wie im dargestellten Beispiel gezeigt wird, möglich. Maßgeblichen Einfluss auf die Größe des erzeugbaren Drehmomentes hat die Befestigung der Rotorblätter (3) im vorderen Bereich (3.1) an den Halterungen (4). Wobei vom in Übereinstimmung mit der in der ausgewiesenen Drehrichtung nach rechts, von oben betrachtet, zu sehen ist. Die dargestellte Form der Rotorblätter (3) erzeugt außerdem einen möglichst geringen Widerstand im Lauf gegen den Wind. Die in der eingezeichneten Resultierenden des Windes (10) in Bezug auf das Rotorblatt (3) und des Soges (11) zur Erzeugung der Drehbewegung in der dargestellten Position, aber auch in anderen Positionen, machen den Vorteil der Befestigung des Rotorblattes im vorderen Bereich deutlich. Die Befestigungsstellen können sich in Anpassung an eine andere gewählte Geometrie des Rotorblattes auch verschieben, müssen jedoch darauf gerichtet sein ein großes Drehmoment zu erzeugen. Die Rotorblätter (3) können mit dem Anschluss (3.1.) an die Halterung (4) in den bekannten Weisen drehbar gelagert werden, so dass sich mit ihrer Verstellung um einen Winkel Alpha ein unterschiedlicher Abstand zum Windleitmantel (2) einstellt und auf diese Weise eine Einflussnahme auf das abgebbare Drehmoment des Rotors erfolgen kann.
Bezugszeichenliste

1: Mast
2: Windleitmantel
2.1: Windleitmantel – drehbar
2.1.1: Windleitmantel drehbar mit Vertiefungen
2.2.: Windleitmantel – feststehend
2.3: Windleitmantel – Teil des Mastes (1)
3: Rotorblatt
3.1: Rotorblatt vorderer Bereich
3.2: Windwiderstandsfläche am Rotorblatt
3.2.1: Windwiderstandsfläche an der Nase
3.2.2: Vertiefung auf der Innenseite des Rotorblattes
4: Halterung
5: Vertiefungen am mitdrehenden Windleitmantel (2.1.1)
10: Resultierende des Windes
11: Resultierende des Soges

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 2905569 A1 [0003]
DE 3828361 A1 [0003]
DE 3835387 A1 [0003]
DE 3217763 A1 [0003]
DE 19718048 A1 [0003]
DE 19853993 A1 [0003]
BE 1000925 A6 [0004]
US 4764683 [0004]
DE 8809111 U [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Windenergie – Theorie, Anwendung, Messung„ von Jens-Peter Molly; Verlag C. F. Müller Karlsruhe – 2. Auflage 1990 Abschnitt 3.2., ab Seite 69 bis Seite 75 [0005]
„Windenergie – Theorie, Anwendung, Messung„ auf Seite 73 [0006]

Claims

Windkraftanlage mit vertikaler Achse mit folgenden Merkmalen: 1. sie besitzt einen Windleitmantel, 1.1. der mit den Rotorblättern umläuft, oder 1.1.1 der mit den Rotorblättern umläuft und Vertiefungen besitzt, oder 1.2 der feststeht und vor dem die Rotorblätter umlaufen, oder 1.3 der ein Teil des Mastes ist vor dem die Rotorblätter umlaufen, oder 1.4 eine Kombination der verschiedenen Arten nach 1.1 bis 1.3 ist 2. sie besitzt umlaufende Rotorblätter vor dem Windleitmantel 3. sie besitzt Halterungen für die umlaufenden Rotorblätter