DE102012022908A1

DE102012022908A1 - Vorrichtung zur Nutzung von Strömungsenergie

Info

Publication number: DE102012022908A1
Application number: DE102012022908.9A
Authority: DE
Inventors: Konstantin Kelaiditis
Original assignee: ITEA ECOTECH GmbH
Current assignee: ITEA ECOTECH GmbH
Priority date: 2012-11-23
Filing date: 2012-11-23
Publication date: 2014-06-12
Also published as: DE112013001499A5; WO2014079417A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nutzung von Strömungsenergie, insbesondere Windenergie, mit Anströmflächen aufweisenden Elementen (102), die umlaufend an einer geschlossenen Bahn um eine quer zur Strömungsrichtung angeordnete Rotationsachse bewegbar und im Abstand zueinander geführt sind, und mit einer Einrichtung (105) zur Übertragung der mit den Elementen (102) aufgenommenen Strömungsenergie auf einen Generator (115). Erfindungsgemäß umfasst die Übertragungseinrichtung zumindest einen Ring (105), der mit den Elementen (102) bewegbar und verbindbar ist und an dem Magnete (8) angeordnet sind, und der Generator (115) einen mit einer Spule (9) versehenen Kern (10) umfasst, der über einen Ring (5) greift. Der Kern (10) ist zweckmäßigerweise hufeneisenartig geformt. Die Magnete (8) sind zwischen den Schenkeln (11, 12) des Kerns (10) bewegbar, wobei die Magnete (8) in Abstand voneinander an dem Ring (105) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nutzung von Strömungsenergie, insbesondere Windenergie, mit Anströmflächen aufweisenden Elementen, die umlaufend auf einer geschlossenen Bahn um eine quer zur Strömungsrichtung angeordnete Rotationsachse bewegbar und im Abstand zueinander geführt sind, und mit einer Einrichtung zur Übertragung der mit den Elementen aufgenommenen Strömungsenergie auf einen Generator.
Eine solche Vorrichtung ist aus der WO 2007/118462 A1 bekannt. Die Elemente sind parallel zu einander angeordnet und rotieren, anders als ein herkömmliches Windrad, nicht in einer zur Strömungsrichtung senkrechten, sondern in einer dazu parallelen Ebene. Sie sind auf einer kreisförmigen, als Zahnrad ausgestalteten Halterung befestigt, mit der die aufgenommene Strömungsenergie auf den Generator übertragen wird. Da insbesondere bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten und bei großen Vorrichtungen mit einem Zahnraddurchmesser von > 50 m große Kräfte und ggf. starke Schwingungen auftreten, sind an die mechanische Stabilität der Vorrichtungen hohe Anforderungen gestellt. Eine für eine Übertragung der Bewegungsenergie an einen Generator ausreichend genaue Führung der Elemente ist nur unter großem baulichen Aufwand zu erreichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die Kräfte, die durch eine Strömung auf die Elemente ausgeübt werden, besser an den Generator übertragen kann.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Übertragungseinrichtung zumindest einen Ring umfasst, der mit den Elementen bewegbar und verbindbar ist und an dem Magnete angeordnet sind, und dass der Generator einen mit einer Spule versehenen Kern umfasst, der über den Ring greift.
Durch den erfindungsgemäßen, vorzugsweise kreisförmigen, Ring wird es möglich, durch die Strömung verursachte und auf die Elemente wirkende Kräfte von dem Generator zu entkoppeln. Die Vorrichtung kann im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen auch bei größeren Strömungsgeschwindigkeiten betrieben werden. Mittels der erfindungsgemäßen Generatoranordnung, bei der die Magnete an dem Ring an dem örtlich fest installierten, vorzugsweise aus Eisen gebildeten, Kern herbeigeführt werden, lässt sich bei besonders einfachem Aufbau des Generators die Strömungsenergie besonders gut übertragen.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Kern hufeisenartig geformt und die Magnete sind zwischen den Schenkeln des Kerns bewegbar. Zweckmäßigerweise sind die Magnete in Abstand voneinander an dem Ring angeordnet. Die Magnete können flach ausgebildet sein, um sie gut in dem Ring anordnen zu können. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Magnete in den Ring eingelassen. Sie können eine runde, ovale oder eckige Form aufweisen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind zur Änderung des Abstands des Kerns von dem Ring an Enden der Schenkel bewegliche Endabschnitte vorgesehen.
Vorteilhaft können durch eine Anordnung der Endabschnitte in größerem Abstand von dem Ring Haltekräfte, die zwischen den Magneten und dem Kern wirken, verringert werden. Es wird dadurch möglich, nach einem Stillstand die Vorrichtung schon bei Strömungen geringer Strömungsstärke anlaufen zu lassen, als wenn der Abstand nicht verringert wäre. Nachdem die Vorrichtung angelaufen ist, werden die Endabschnitte wieder näher an den Ring bewegt, um eine verbesserte Energieaufnahme zu erreichen.
Durch Änderung des Abstands erleichtert sich darüber hinaus der Zugriff auf den Ring bei Wartungsarbeiten. Ferner kann durch Änderung des Abstands der Endabschnitte von den Ringen bzw. den Magneten die abgenommene Leistung geändert werden.
Zweckmäßigerweise sind die Kernabschnitte drehbar und/oder geradlinig verschiebbar an den Schenkeln angeordnet.
Alternativ oder ergänzend zu den beweglichen Endabschnitten könnte ein Antrieb zur Bewegung des Rings vorgesehen sein, mittels dessen der Ring zur Überwindung der genannten Haltekräfte anschiebbar ist. Zweckmäßigerweise ist der Antrieb durch zumindest ein motorisch angetriebenes Rad gebildet, das zum Anschieben des Rings auf den Ring aufsetzbar ist und anschließend wieder abnehmbar ist.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Ring parallel zu der Bahn, entlang der die Elemente bewegt werden, geführt und die durch die Elemente aufgenommene Strömungsenergie wird über den Ring auf den Generator übertragen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist konzentrisch zu dem Ring der Übertragungseinrichtung ein weiterer, der Lagerung der Elemente dienender Lagerungsring vorgesehen. Alternativ können die Elemente auch an die beiden Ringe verbindenden Lagerungsabschnitten angeordnet sein.
Zweckmäßigerweise greift der Kern bezogen auf den Ring in radialer Richtung über den Ring und der Kern ist auf einer Seite des Rings angeordnet, die von der Seite abgewandt ist, an der die Elemente mit dem Ring verbunden sind.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Ring eine im Wesentlichen flache Form auf und ist an seinem inneren und/oder an seinem äußeren Rand, vorzugsweise an seiner Unter- und an seiner Oberseite, an Rollen gelagert. Er ist zweckmäßigerweise modular aus mehreren Teilen gebildet, die sich miteinander verbinden lassen. Er kann ferner zur Einsparung von Gewicht und Material mit Aussparungen versehen sein, die vorzugsweise in radialer Richtung gesehen in der Mitte des Rings vorgesehen sind.
In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Elemente und die Übertragungseinrichtung getrennt voneinander gelagert, wobei die Übertragungseinrichtung vorzugsweise parallel versetzt zu der Bahn gelagert ist.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen den Elementen und dem Ring eine Verbindung vorgesehen, mittels derer in Richtung tangential zu der Bahn wirkende Kräfte übertragbar und zumindest in den anderen horizontalen Richtungen, ggf. auch in den weiteren anderen Richtungen, wirkende Kräfte abgeschwächt, ggf. z. B. durch eine Feder gedämpft, sind. Die Verbindung kann ferner derart gestaltet sein, dass zwischen den Elementen und dem Ring in den genannten, nicht zu der Bahn tangentialen Richtungen keine Kräfte überfragen werden. Gewichtskräfte der Elemente und durch die Strömung verursachte horizontale Kräfte werden von der Übertragungseinrichtung entkoppelt und ggf. auftretende Schwingungen in nur geringem Maße auf den Ring übertragen. Die Vorrichtung kann im Vergleich zu den bekannten Vorrichtungen auch bei noch höheren Strömungsgeschwindigkeiten betrieben werden. Da über die Einrichtung auf den Generator lediglich die in elektrische Energie umzuwandelnden Kräfte übertragen werden, muss dieser nicht für Belastungen durch andere Kraftkomponenten ausgelegt werden.
Zweckmäßigerweise kann der Ring ferner eine mechanische Verbindung der Elemente untereinander bilden. Befindet sich eines der Elemente in einer Position, in der es nicht durch die Strömung angetrieben wird, wird es einerseits mittels der Übertragungseinrichtung von den anderen Elementen mitgezogen, andererseits werden die Elemente durch den Ring voneinander in Abstand gehalten.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Verbindung der Elemente zu dem Ring lösbar, sodass sich der Ring bei seiner Montage oder einer Reparatur vollständig von den Elementen entkoppeln und wieder an ihn ankoppeln lässt.
Der Ring oder die Elemente ist bzw. sind dazu zweckmäßigerweise mit einem Kopplungselement versehen, das einen Sitz für ein an einer Lagerung der Elemente angeordnetes, die Verbindung bildendes und vorzugsweise klappbares Glied aufweist. In Richtungen, die horizontal und senkrecht zur Bewegungsrichtung der Elemente sind, kann das Glied in dem Sitz gleiten.
Der Ring ist zweckmäßigerweise bezogen auf ihre Länge an der Mitte der Elemente mit den Elementen verbunden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Verbindung aber auch an anderen Stellen der Elemente vorgesehen sein.
Während es vorstellbar wäre, die Elemente an einem Rotorteil anzuordnen, das an der genannten Rotationsachse drehbar gelagert ist, sind in einer Weiterbildung der Erfindung die Elemente an einer Halteeinrichtung, die auf einer Außenseite und/oder einer Innenseite der Bahn angeordnet ist, gelagert. Die Halteeinrichtung, die in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung eine gerüstartige Form aufweist, hält die Elemente von einer Innenseite und/oder von einer Außenseite der Bahn aus. Sie kann aufgrund dieser Maßnahme insgesamt stabiler gestaltet werden. Die Vorrichtung ist somit zur Aufnahme noch größerer Strömungsenergien geeignet.
Zweckmäßigerweise ist auch der Ring und vorzugsweise der Kern an der Halteeinrichtung angeordnet.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist an der Halteeinrichtung zumindest eine Schiene, an der die Elemente verschiebbar gehalten sind, vorgesehen. Zweckmäßigerweise sind die Elemente dann mit auf der Schiene laufenden Rädern versehen. Alternativ oder ergänzend dazu können an der Halteeinrichtung Rollen angeordnet sein, über die ein mit zumindest einem Element verbundener Lagerkörper bewegbar ist. Die Elemente und/oder der Ring könnten alternativ auch auf Wasser gelagert sein.
Die Halteeinrichtung weist zweckmäßigerweise eine kreisartige Form auf und ist zu ihrer Stabilisierung bezogen auf die Kreisform radial angeordneten und auf einer Innenseite der Halteeinrichtung angreifenden Halteelementen, beispielsweise Drahtseilen oder Stangen, versehen. Während es vorstellbar wäre, die Halteelemente in einem die Vorrichtung tragenden Untergrund zu verankern, sind sie zweckmäßigerweise im Zentrum oder nahe des Zentrums der Vorrichtung direkt miteinander verbunden. Vorteilhaft lassen sich auf diese Weise mehrere übereinander angeordnete Vorrichtungen stabilisieren.
Um eine weiter verbesserte Stabilisierung der Halteeinrichtung zu erreichen, können die Halteelemente auch an der Außenseite der Halteeinrichtung vorgesehen sein, Diese sind zweckmäßigerweise in dem Untergrund verankert.
Während es vorstellbare wäre, die Elemente der Länge nach lediglich an und/oder nahe ihrer Mitte zu lagern, sind sie in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, ggf. zusätzlich zu der Lagerung an oder nahe ihrer Mitte an und/oder nahe ihrem unteren Ende und ggf. an und/oder nahe ihrem oberen Ende gelagert. Ergänzend oder alternativ können die Elemente auch an anderen Stellen gelagert sein. Als besonders Vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Elemente sowohl in der Mitte als auch im Abstand von 1/6 oder sowohl in der Mitte als auch im Abstand von 1/10 und im Abstand von 3/10 der Länge der Elemente von ihren jeweiligen Enden zu lagern. Damit wird über die gesamte Länge der Elemente betrachtet eine verbesserte Verteilung von an den Elementen anliegenden Biegekräften erreicht.
Zweckmäßigerweise wird das Gewicht der Elemente dabei hauptsächlich durch die an Mitte angreifende Lagerung aufgenommen. Eine weitere Lagerung bzw. weitere Lagerungen dienen vorzugsweise hauptsächlich zur Führung und zur Aufnahme von Drehmomenten, die bei Wind an den Elementen anliegen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist für jedes der Elemente ein Lagerkörper vorgesehen, in dem das Element starr oder beweglich gehalten ist.
Die Elemente sind vorzugsweise an dem Lagerkörper um ihre Längsachse drehbar gelagert, wobei vorzugsweise ist eine Verstelleinrichtung zur Einstellung der Ausrichtung der Elemente zum Wind vorgesehen, mit der sich die Ausrichtung ggf. kontinuierlich beim Betrieb einstellen lässt. Ferner kann zur Verringerung von Schwingungen eine federnde Halterung vorgesehen sein.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst jeder der Lagerkörper ein auf der Schiene geführtes Fahrgestell, das zweckmäßigerweise zumindest teilweise das Gewicht des jeweiligen Elements trägt. Vorteilhaft lässt sich der Lagerkörper dadurch klein und gewichtssparend herstellen.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Lagerkörper untereinander elastisch verbunden. Die Übertragung von Schwingungen zwischen den Lagerkörpern und entsprechend auch zwischen den Elementen wird verringert.
Zweckmäßigerweise sind die Elemente, die Halteeinrichtung und/oder die Übertragungseinrichtung modular aufgebaut. Da die Halteeinrichtung und die Elemente länger als 15 m sein können und der Kreisbogen des Rings eine Länge > 100 m aufweisen kann, vereinfacht sich der Transport von Einzelteilen, insbesondere der Elemente an den Ort, an dem die Vorrichtung zu installieren ist, da keine Sondertransporte für Großteile mehr nötig sind. Auch große Anlagen können mit verhältnismäßig geringem Aufwand an nahezu jeden mit herkömmlichen Fahrzeugen erreichbaren Ort transportiert werden.
Während es vorstellbar wäre, die Elemente einstückig zu bilden, sind sie in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung aus zumindest zwei der Länge nach übereinander angeordneten Elemententeilen gebildet. Zwischen den Elemententeilen ist zweckmäßigerweise eine Verbindung derart vorgesehen, dass die Elemententeile zum Ausgleich von baulichen Toleranzen oder Wärmeausdehnungen sowohl der Elemententeile als auch der Vorrichtung insgesamt bezogen auf ihre Längsachse gegeneinander verkippbar sind. Vorzugsweise sind die Elemententeile durch Scharniere miteinander verbunden, die eine Bewegung um eine zur Rotationsrichtung parallele Achse ermöglichen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden, sich auf diese Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in isometrischer Darstellung,
2 einen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus 1 in isometrischer Darstellung,
3 einen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 1 teilweise im Schnitt,
4 einen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus 1 im Schnitt,
5 einen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 1 in isometrischer Darstellung,
6 einen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 1 schematisch im Schnitt,
7 einen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 1 schematisch in Draufsicht,
8 einen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 1 in Seitenansicht,
9 einen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus 1 in isometrischer Darstellung,
10 einen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 1 in isometrischer Darstellung,
11 einen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 1 im Schnitt,
12 eine alternative Ausführungsform des in 8 gezeigten Teils in isometrischer Darstellung.
13 eine alternative Ausführungsform des in 4 gezeigten Teils in isometrischer Darstellung,
14 eine alternative Ausführungsform des in 8 gezeigten Teils in isometrischer Darstellung,
15 eine alternative Ausführungsform der in 8 und 12 gezeigten Teile in isometrischer Darstellung,
16 eine weitere alternative Ausführungsform des in 5 gezeigten Teils in isometrischer Darstellung,
17 ein Detail einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung in isometrischer Darstellung,
18 eine alternative Ausführungsform der in 8, 12, 14 und 15 gezeigten Teile in isometrischer Darstellung,
19 eine weitere alternative Ausführungsform der in 8, 12, 14, 15 und 18 gezeigten Teile in isometrischer Darstellung,
20 einen Teil einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung in isometrischer Darstellung,
21 eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung in isometrischer Darstellung,
22 einen Ausschnitt der Darstellung der erfindungsgemäße Vorrichtung nach 21 in isometrischer Darstellung,
23 einen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 21 in isometrischer Darstellung und teilweise im Schnitt,
24 einen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 21 in isometrischer Darstellung und teilweise im Schnitt,
25 einen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 21 in isometrischer Darstellung,
26 einen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 21 in isometrischer Darstellung,
Die 1 bis 3 zeigen eine erfindungsgemäße Vorrichtung 100, die ein Traggerüst 101 umfasst, das einen inneren Traggerüstteil 104 sowie einen äußeren Traggerüstteil 114 aufweist. Die Traggerüstteile 104, 114 sind um eine Kreisbahn 103 angeordnet, entlang der Anströmflächen aufweisende Elemente 102 bewegbar geführt sind.
Auf der Innenseite des Traggerüsts 101 sind zur Stabilisierung Stahlseile 110 befestigt, die bezogen auf die Kreisbahn 103 radial geführt sind, sich an einem Mittelpunkt 150 der Kreisbahn 103 treffen und dort miteinander verbunden sind. Ferner kann eine Stabilisierung des Traggerüsts 101 durch hier nicht gezeigte Stahlseile gebildet sein, die von dem Traggerüstteil 114 radial nach außen geführt und an einem Untergrund befestigt sind.
Die Elemente 102 sind an ihrer Oberseite 118, an ihrer Mitte 113 sowie an ihrer Unterseite 117 an dem Traggerüst 101 beweglich gelagert.
An der unteren Seite des Traggerüsts 101 sind Doppelschienen 119 und an der oberen Seite des Traggerüsts 101 weitere Doppelschienen 120 angeordnet. Wie insbesondere den 4 und 5 zu entnehmen ist, sind die Elemente 102 an ihrem unteren bzw. ihrem oberen Ende mit Rädern 121, 122, 123, 126, 127 versehen, mit denen sie entlang der Doppelschienen 119 bzw. 120 rollen können.
Wie 3 zu entnehmen ist, sind die Elemente 102 modular aus einem unteren Elemententeil 111 und einem oberen Elemententeil 112 aufgebaut. Der untere Elemententeil 111 ist an seinem unteren Ende über ein in 4 gezeigtes Scharniergelenk 142, das eine Drehbewegung um eine zur Rotationsrichtung senkrechten Drehachse zulässt, mit einem Verbindungsstück 125 verbunden, das über ein Drehlager 124 an einem Fahrgestell 117 gelagert ist. Das Fahrgestell 117 ist gegen den Elemententeil 111 durch eine in dem Drehlager 124 vorgesehene Federung 143 in vertikaler Richtung abgefedert. Die Räder 121, 122 sind um eine horizontale Drehachse drehbar und liegen von beiden Seiten an einem horizontalen Teil der als Winkelteil ausgebildeten Doppelschiene 119 an. Die Räder 123 sind um eine vertikale Drehachse drehbar und liegen von innen an einem vertikalen Teil der Doppelschiene 119 an.
5 zeigt ein Fahrgestell 118, durch welches der obere Elemententeil 112 an den Doppelschienen 120 geführt ist. Das Fahrgestell 118 ist drehbar mit dem oberen Elemententeil 112 über ein Drehlager 144, das denselben Aufbau wie das Drehlager 124 des Fahrgestells 117 aufweist, und ein dem Scharniergelenk 142 entsprechenden Scharniergelenk 145 verbunden. Es weist zwei über eine horizontale Drehachse drehbare Räder 126 sowie vier um eine vertikale Drehachse drehbare Räder 127 auf, die an der Innenseite der Doppelschiene 120 anliegen.
Wie insbesondere aus den 8 bis 10 hervorgeht, sind die Elemententeile 111 und 112 an der Mitte des Elements 102 über Lagerzylinder 141 miteinander verbunden und drehbar an einem flachen Lagerteil 140 gelagert.
Der Lagerzylinder 141 ist mit Schrauben an dem Lagerteil 140 festgeschraubt und bildet einen feststehenden Teil eines Drehlagers, mit dessen drehbarem Teil Verbindungsteile 133, 134 verbunden sind. An dem Verbindungsteil 133 ist ein Zahnrad 132 vorgesehen, das, wie in 12 gezeigt, mit einem weiteren Zahnrad 135 zusammenwirkt, das mittels eines Antriebs 136 drehbar ist. Durch Verdrehen des Zahnrads 135 lässt sich die Stellung des Elements 102 auf dem Lagerteil 140 verändern.
Das Lagerteil 140 ist zwischen einem Lagerring 106 und einem Übertragungsring 105 angeordnet, die beide ebenfalls eine flache Form aufweisen. Der Lagerring 106 ist über Rollen 129, 131 an dem äußeren Traggerüstteil 114, der Übertragungsring 105 an Rollen 128, 130 an dem inneren Traggerüstteil 104 verschiebbar gelagert. Auch der Übertragungsring 105 und der Lagerring 106 sind modular aufgebaut.
In dem genannten Traggerüst 101 sind ferner vier Generatoren 115 angeordnet, die in den 6 und 7 schematisch und in 8 in Anordnung an der Vorrichtung 100 gezeigt sind.
Jeder Generator 115 umfasst einen Eisenkern 10, der eine im Wesentlichen hufeisenartige Form mit Schenkeln 11, 12 aufweist, zwischen denen der Ring 105 bewegbar geführt ist. In den Ring 105 eingelassen sind im Abstand voneinander flache, scheibenförmige Magnete 8, wie dies schematisch 7 zeigt. Ober- und unterhalb des Rings 105 weisen die Schenkel 11, 12 des Kerns 115 mit zu dem Ring hin oder von ihm weg verschiebbare Endabschnitte 13, 14 auf. Der Kern 10 greift radial von der Innenseite über den Ring 105.
Nachfolgend wird die Funktionsweise der Vorrichtung 100 erläutert.
Wird die Vorrichtung 100 zur Gewinnung von Energie aus Wind betrieben, werden die Elemente 102 unter Einwirkung von Wind auf der Kreisbahn 103 rotierend bewegt. Die Elemente 102 werden dabei mittels der Steuereinrichtung 136 während ihrer Rotation auf der Kreisbahn stets derart zum Wind ausgerichtet, dass der Wind eine maximale Kraft in Rotationsrichtung auf die Elemente 102 ausübt oder, wenn die Elemente 102 auf der Kreisbahn 103 entgegen der Windrichtung bewegt werden, eine minimale Kraft ausübt.
Das Gewicht der Elemente 102 wird hauptsächlich mittels des Übertragungsrings 105 und des Lagerrings 106 über die Rollen 128, 129 auf das Traggerüst 101 übertragen. Die Rollen 130, 131 sind vorgesehen, um auf den Übertragungsring 105 und den Lagerring 106 durch die Elemente 102 ausgeübte Kräfte aufzunehmen und den Übertragungsring 105 und den Lagerring 106 in der für ihn vorgesehenen Position zu halten.
Die Räder 121, 122, 123, 126, 127 am unteren und am oberen Ende der Elemente 102 sind vorgesehen, um – sowohl in der Rotationsrichtung als auch in radialer Richtunghorizontal auf die Elemente 102 wirkende Kräfte aufzunehmen und auf das Traggerüst 101 zu übertragen. Ferner können Zugkräfte aufgenommen werden, die bei Verbiegung der Elemente unter Einwirkung der Kräfte auftreten.
Werden die Elemente 102 durch eine Strömung bewegt, werden auch der Lagerring 106 und der Übertragungsring 105 samt der darin eingelassenen Magnete 8 angetrieben. Durch die kontinuierliche Bewegung der Magnete 8 durch die Schenkel 11, 12 des Kerns 10 hindurch wird in der Spule 9 des Generators 115 eine Spannung induziert, sodass elektrische Energie entnommen werden kann und z. B. in ein Stromnetz gespeist werden kann.
Im Folgenden sind alternative Ausführungsformen der Lagerung der Elemente an der Halteeinrichtung beschrieben.
13 zeigt eine alternative Lagerung für ein Element 2 an der Unterseite einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem auf Schienen 19 angeordneten Fahrgestell 17, das das Gewicht der Elemente 2 trägt und in einem Kugelkopflager 20 drehbar gelagert ist. Das Fahrgestell 17 weist vier Rollen 18 auf, von denen zwei auf jeweils einer der beiden Schienen 19 laufen. An dem Fahrgestell 17 sind ferner Seile 22 befestigt, die mit einer mittleren oder oberen Lagerung der Elemente 2 verbunden sind (hier nicht gezeigt).
An Gelenken 21 des Fahrgestells 17 sind Stangen 40 befestigt, die eine horizontale Verbindung zu benachbarten Fahrgestellen 17 bilden. Die Stangen 40 können zur Verringerung von Schwingungen eine gewisse Elastizität aufweisen.
14 zeigt eine alternative Lagerung der Elemente 2 an ihrer Mitte sowie eine weitere erfindungsgemäße Übertragungseinrichtung. Zur Führung der Elemente 2 ist eine Schiene 23 vorgesehen, die zur horizontalen Abstützung der Elemente 2 mit an einer Halterung 10 befestigten Rollen 24 dient. Die Halterung 10 ist über ein Verbindungsglied 9 mit einem parallel zur Schiene 23 bewegbaren Übertragungsring 5 verbunden, der auf seiner Außenseite mit hier nicht gezeigten Zähnen versehen und zur Übertragung der durch Wind verursachten Rotationsbewegung der Elemente 2 auf einen Generator 15 vorgesehen ist. Der Übertragungsring 5 ist horizontal durch Rollen 28 und wie insbesondere aus 15 hervorgeht, vertikal durch Rollen 27 geführt.
Der Übertragungsring 5 kann z. B. aus einem Aluminiumblech gebildet sein, auf dem ein Zahnriemen angeordnet ist. Der Zahnriemen kann auf das Aluminiumblech geklebt oder geschraubt sein.
Das in 15 genauer erkennbare Verbindungsglied 9 greift in einen in einem auf dem Übertragungsring 5 sitzenden Kopplungselement 11 vorgesehenen Sitz ein, in dem das Kopplungselement 11 in bezogen auf die Kreisbahn radialer Richtung gleiten kann, in Bewegungsrichtung der Elemente 2 auftretende Kräfte aber überträgt. Die Elemente 2 können von dem Übertragungsring 5 entkoppelt werden, indem das Verbindungsglied 9 aus dem Kopplungselement 11 geklappt wird.
Die in 16 gezeigte alternative obere Lagerung 29 der Elemente 2 bildet im Wesentlichen in gleicher Weise wie die mittlere Lagerung nach 14 und 15 mit Rollen 24a an der Schiene 23 eine Stütze in horizontaler Richtung.
Wie insbesondere aus 17 hervorgeht, ist der Übertragungsring 5 aus mehreren einzelnen, durch an Gelenken 31 miteinander verbindbaren Teilstücken gebildet.
Es wird nun auf die 18 und 19 Bezug genommen, in denen verschiedene Einrichtungen zur Ausrichtung der Elemente 2 dargestellt sind, die an der Vorrichtung nach 1 verwendet werden können.
Bei dem in 18 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Elemente 2 mit einem Teller 37 verbunden, der eine seitliche Ausnehmung aufweist, in der eine Halterung befestigt ist. Die Halterung ist mit einem Seil oder einer Blattfeder 36 versehen. Mittels eines Elektromotors lässt sich der mögliche Bewegungsradius des Tellers 37 einstellen und somit ein möglicher Schwenkradius der Elemente 2 verstellen. Je nach auf die Elemente 2 wirkender Windrichtung können die Elemente 2 in Stellungen links bzw. rechts von der Halterung 36 klappen.
Mittels in einer in 19 gezeigten Steuereinrichtung 38 lässt sich eine Position der Elemente 2 steuern. Eine in eine Ausnehmung in einem Teller 37a eingreifende Nase 44 ist entlang einer Stange 45 verschiebbar gelagert. Durch Verschieben der Nase 44 auf der Stange 45 wird der Teller 37a und mit ihm die Elemente 2 gedreht.
20 zeigt Verbindungen von Teilen der modular aufgebauten Elemente 2 untereinander, die eine Verkippung der Elemente gegeneinander um maximal 1° zulassen. Bei dem Beispiel nach 20a greifen zwei mit Schlitzen versehene Blechstücke 46 ineinander. 20b zeigt eine Stange 47 aus einem elastisch verformbaren Kunststoff. Wie insbesondere aus 20c und 20d hervorgeht, können die Elemente 2 auch durch zwei ineinandersteckbare Rohre 48 und 49 miteinander verbunden werden. Sie sind durch eine vom inneren Rohr 48 in eine Ausnehmung in dem äußeren Rohr 49 vorstehende Nase 50 gegen Verdrehung und Verrutschen in axiale Richtung gegeneinander gesichert.
Bei Betrieb der Vorrichtung werden die Elemente 2 durch Einwirkung von Wind in Bewegung gesetzt und laufen entlang der Schienen 19, 23 auf einer Kreisbahn.
Die Ausrichtung der Elemente 2 im Verhältnis zur Windrichtung und in Abhängigkeit von ihrer jeweiligen Position lässt sich mit Hilfe der Steuereinrichtungen 135 (vgl. 12), 35 (14), 36 (18) oder 38 (19) einstellen. Die Ausrichtung lässt sich dazu mit einem Computerprogramm in Abhängigkeit von der Windrichtung und der Windstärke steuern.
Nachfolgend wird die Funktionsweise der anhand der 12 bis 20 beschriebenen Vorrichtung erläutert. Bei ihrer Bewegung entlang der Schienen 19, 23 und 30 nehmen die Elemente 2 den, wie eingangs anhand der Vorrichtung 100 beschrieben, ebenfalls mit Magneten 8 besetzten Übertragungsring 5 mit. Sie sind dazu mit dem Übertragungsring 5 jeweils über das Verbindungsglied 9 verbunden, das lediglich Kräfte in zum Übertragungsring 5 tangentialer Richtung Überträgt und ansonsten, insbesondere in radialer und vertikaler Richtung mit vernachlässigbar geringer Kraftübertragung in dem Kopplungselement 10 verschiebbar ist. Es werden nur Kräfte in der Rotationsrichtung der Elemente 2 auf den Übertragungsring 5 überfragen. Die beim Betrieb der Vorrichtung auftretende, insbesondere auch durch Schwingungen verursachte, Kräfte, die nicht in der Rotationsrichtung wirken, werden von den Schienen 19, 23 und 30 bzw. dem Traggerüst, an dem die Schienen 19, 23 und 30 befestigt sind, aufgenommen, an den Übertragungsring 5 nicht oder nur in geringem Maße überfragen. Die Bewegung des Übertragungsringes 5 wird wie oben anhand der 6 bis 8 beschrieben auf einen Generator überfragen.
Es ist vorstellbar, mehrere der in 1 gezeigten und der beschriebenen Vorrichtung übereinander anzuordnen. Auf diese Weise wird ein Turm mit mehreren Gruppen von rotierenden Elementen, Einrichtungen und entsprechenden Lagerungen gebildet, von denen der erzeugte Strom einzeln abgenommen werden kann. Dabei ist vorstellbar, die Elemente der einzelnen Gruppen in entgegengesetzten Richtungen laufen zu lassen, um eine ausgeglichene mechanische Belastung an dem Turm zu erreichen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil wenn an dem Turm wechselnde Belastungen anliegen.
Ferner kann für die Vorrichtung eine Überdachung und ggf. eine Windführung vorgesehen sein. Ferner kann eine Abdeckung vorgesehen sein, mit der sich einzelne Gruppen der Elemente vollständig nach außen hin gegen die Strömung schließen lassen. Dazu können beispielsweise jalousienartige Abdeckungen vorgesehen sein, mit denen verhindert werden kann, dass die Strömung zu den Elementen gelangt.
Im Folgenden wird eine weitere Ausführungsform der Erfindung anhand der 21 bis 26 beschrieben. 21 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung, die eine Halteeinrichtung 200 für in 22 gezeigte Elemente 201 aufweist. Die Halteeinrichtung 200 unterscheidet sich von der in den 1 bis 3 gezeigten Halteeinrichtungen insbesondere dadurch, dass zur Lagerung der Elemente 201 an ihrer Mitte Doppelschienen 220 vorgesehen sind, auf denen die Elemente 201 mit einem in 24 gezeigten Fahrgestell 202 geführt sind. Ferner sind nahe der Unterseite und der Oberseite der Halteeinrichtung 200 weitere Doppelschienen 220 vorgesehen, an denen in 23 gezeigte Fahrgestelle 203, 204 geführt sind.
Wie auch für das Ausführungsbeispiel nach 1 gezeigt, ist die Halteeinrichtung 200 zu ihrer Stabilisierung mit Drahtseilen 210 versehen, die radial zum Zentrum des durch die Halteeinrichtung 200 gebildeten Kreis geführt sind und dort miteinander verbunden sind. Ferner kann die Halteeinrichtung 200 wie oben für 1 beschrieben auch nach außen durch Drahtseile stabilisiert sein.
Die Stahlseile 210 greifen dabei an den Doppelschienen 220 an oder an den Traggerüstteilen 230 an. Die Traggerüstteile 230 sind, wie oben für die 1 und 2 beschrieben, durch hier nicht gezeigte Trägerteile miteinander verbunden.
Das Fahrgestell 203, 204 ist, wie in 23 gezeigt, mit um eine horizontale Achse drehbaren, auf den Doppelschienen 220 zu führenden Rädern 205 und mit um eine vertikale Achse drehbaren Rädern 206 versehen, die seitlich an eine der Doppelschienen angreifen, wie dies genauer in 23 zu erkennen ist. Die Räder 205 sind fest mit einem Gestellabschnitt 207 verbunden, der auf um eine horizontale Achse drehbaren Rollen 208 angeordnet sind. Die Räder 206 sind an Führungsteilen 230 angeordnet, die mit dem Gestellabschnitt 207 über eine Verbindungsabschnitt 231 verbunden sind, der eine horizontale, durch Federn 232 gedämpfte Bewegung ermöglicht. Auf den Rollen 208 ist um eine Längsachse des Elements 201 drehbar ein Fahrgestellteil 209 gelagert, der wiederum mit horizontal angeordneten Rollen 211 versehen ist, die an dem Element 201 anliegen und eine geführte vertikale Bewegung des Elements 201 in dem Fahrgestell 203, 204 ermöglichen. Das Fahrgestell 203, 204 trägt das Element 201 an seiner oberen und an seiner unteren Seite. Die Fahrgestelle 203, 204 sind jeweils im Abstand von dem unteren bzw. dem oberen Ende des Elements 201 angeordnet, der jeweils 1/6 der Gesamtlänge des Elements 201 beträgt.
Wie insbesondere 23b) und c) zu entnehmen ist, ist der Gestellabschnitt 207 mit einer Aussparung versehen, die vorgesehen ist, damit sich das Element 201 einfach in das Fahrgestell 203, 204 einsetzen lässt. Die Aussparung ist durch einen Verschlussabschnitt 229 schließbar ist. Wie aus 23c) ferner hervorgeht, ist der Fahrgestellteil 209 zweiteilig gebildet, sodass es möglich wird, den Fahrgestellteil um das Element 201 herum anzuordnen. Die Fahrgestellteile werden durch Schrauben 210 miteinander verbunden.
Im Unterschied zu dem in 23 gezeigten Fahrgestell bei dem Fahrgestell 202 zwischen dem Fahrgestellabschnitt 212 dem Fahrgestellteil 214 eine Feder 213 vorgesehen, und der Fahrgestellteil 214 mit dem Element 201 über eine Manschette 215 verbunden. Das Fahrgestell 203, 204 kann somit ferner Gewichtskräfte des Elements 201 aufnehmen. Durch die Feder 213 können vertikale Bewegungen des Elements 201 abgedämpft werden. Ferner ist das Fahrgestell 202 mit einem in 24 gezeigten Verbindungsglied 216 versehen, das zur Verbindung mit einem Übertragungsring 220 vorgesehen ist, der mit einem Generator 221 in Verbindung steht.
Wie insbesondere den 25 und 26 zu entnehmen ist, ist der Übertragungsring 220 durch ein gestanztes Blech gebildet, von dem gebogene Abschnitte 225, 226 vertikal nach oben vorstehen. Zur Verbindung des Übertragungsrings 220 mit dem Fahrgestell 202 ist das Verbindungsglied 216 über Halteelemente 217, 218 mit einer Platte 219 verbunden, die mit Ausnehmungen versehen ist, in die die Abschnitte 225, 226 vorstehen und somit in tangentialer Richtung des Übertragungsrings 220 gesehen von der Platte 219 mitbewegt werden können. Wie insbesondere 26 zu entnehmen ist, sind die Halteelemente 217, 218 mit dem Verbindungsglied 216 gelenkig verbunden, sodass die Platte 219 in bezogen auf die Kreisbahn, auf der sich der Übertragungsring 220 bewegt, radialer Richtung gegenüber dem Verbindungslied 216 bewegen kann. In zu der Kreisbahn tangentialer Richtung dagegen ist eine Relativbewegung zwischen der Platte 219 und dem Verbindungsglied 216 nicht möglich.
Wie den 29 bis 31 zu entnehmen ist, ist zur Verbindung des Übertragungsrings 220 mit einem Generator 227 ein Zahnband 223 vorgesehen, das über drei Zahnräder 222 geführt ist. Das Zahnband 223 ist auf seiner Innenseite mit in die Zähne der Zahnräder 222 eingreifenden Zähnen versehen und weist auf seiner Außenseite eine Zahnung auf, die mit durch die Ausstanzungen des Blechs des Übertragungsrings 220 gebildeten Ausnehmungen eingreift. Wie insbesondere 30 zu entnehmen ist, ist das Blech an den Stellen 225, 226 mit einer Abrundung gebogen, so dass die Zahnung auf der Außenseite des Zahnbands 223 einfach in die Ausnehmungen eingreifen kann.
Nachfolgend werden weitere Ausführungsbeispiele, die die Verbindung des Übertragungsrings mit dem Generator betreffen, beschrieben. Es versteht sich, dass die gezeigten Verbindungen auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele übertragen werden können.
32 zeigt einen Übertragungsring 305, der auf seiner Innenseite mit einer Zahnung versehen ist, in die ein mit einem hier nicht gezeigten Generator verbundenes Zahnrad 306 eingreift. Einen weiteren Übertragungsring 405, der auf seiner Außenseite mit einer Zahnung versehen ist, zeigt 33. In die Zahnung des Übertragungsrings 405 greift ein Zahnrad 406 ein, das mit einem hier nicht gezeigten Generator verbunden ist.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein Übertragungsring 505 über ein Band 507 mit einem Rad 506 verbunden, das mit einem hier nicht gezeigten Generator verbunden ist. Das Band ist dabei so straff gespannt, dass bei Drehung des Übertragungsrings das Rad 506 durch das Band angetrieben wird. Es versteht sich, dass anstatt des Bandes 507 auch eine Kette verwendet werden kann und sowohl der Übertragungsring 505 als auch das Rad 506 auf ihrer Außenseite mit Zahnungen versehen sein können. Bei dem Ausführungsbeispiel nach 35 ist ein Übertragungsring 605 über ein Band 607 verbunden, das über zwei Räder 606 gegen den Übertragungsring gespannt ist. An einem der beiden Räder 606 ist ein hier nicht gezeigter Generator angeordnet. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann das Band 607 als Kette ausgebildet sein und der Übertragungsring 605 und die Räder 606 durch Zahnungen versehen sein.
In den Ausführungsbeispielen nach 36 und 37 sind weitere Möglichkeiten zur Übertragung der Rotationsenergie zu einem Generator gezeigt.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 36 sind auf einer Oberseite eines Übertragungsrings 705 mehrere Magnete 708 angeordnet, die an hufeisenförmigen Eisenkernen 709 vorbeigeführt werden, um die eine Spule 710 herum angeordnet ist. Durch die sich bei Drehung des Übertragungsrings 705 unter Vorbeiführung der Magnete 708 ändernden magnetischen Felder in den Spulen 710 wird in die Spulen 710 eine Spannung induziert. Das Ausführungsbeispiel nach 37 unterscheidet sich von demjenigen nach 36 dadurch, dass Magnete 808 auf einer Innenseite eines Übertragungsrings 805 angeordnet sind und dementsprechend auch mit Spulen 810 versehene Eisenkerne 809 auf der Innenseite des Übertragungsrings 805 vorgesehen sind.
Es versteht sich, dass die Magnete 708, 808 auch auf der Außen- oder Unterseite des Übertragungsrings 705, 805 angeordnet und die Eisenkerne 709, 809 mit den Spulen 710, 810 dementsprechend auch an der Außenseite bzw. der Unterseite des Übertragungsrings 705, 805 angeordnet sein können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2007/118462 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Nutzung von Strömungsenergie, insbesondere Windenergie, mit Anströmflächen aufweisenden Elementen (102), die umlaufend auf einer geschlossenen Bahn (103) um eine quer zur Strömungsrichtung angeordnete Rotationsachse bewegbar und im Abstand zueinander geführt sind, und mit einer Einrichtung (105) zur Übertragung der mit den Elementen (102) aufgenommenen Strömungsenergie auf einen Generator (115), dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungseinrichtung zumindest einen Ring (105) umfasst, der mit den Elementen (102) bewegbar und verbindbar ist und an dem Magnete (8) angeordnet sind, und dass der Generator (115) einen mit einer Spule (9) versehenen Kern (10) umfasst, der über den Ring (5) greift.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (10) hufeneisenartig geformt ist und die Magnete (8) zwischen den Schenkeln (11, 12) des Kerns (10) bewegbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (8) in Abstand voneinander an dem Ring (105) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (8) eine flache Form aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (8) in den Ring (105) eingelassen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel (10, 11) zur Änderung des Abstands des Kerns (10) von dem Ring bewegliche Endabschnitte (13, 14) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Endabschnitte (12, 13) drehbar und/oder geradlinig verschiebbar an den Schenkeln (10, 11) gelagert sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überwindung von Haltekräften zwischen dem Kern (10) und den Magneten (8) beim Anlaufen der Vorrichtung (100) ein Antrieb zur Bewegung des Rings (105) vorgesehen ist
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (10) bezogen auf den Ring (105) in radialer Richtung über den Ring (105) greift.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (105) parallel zu der Bahn (103) geführt ist und/oder selbst zur Lagerung der Elemente (102) eingerichtet ist.