-
Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit wenigstens einem um eine vertikale Achse rotierenden Rotor.
-
Der Vorteil derartiger Windkraftanlagen ist die Unabhängigkeit der Drehbewegung des Rotors von der Windrichtung. Infolgedessen wird keine Windrichtungsnachführung benötigt. Unterschieden werden dabei im wesentlichen Widerstandsläufer wie der Savonius-Rotor und Auftriebsläufer wie der Darrieus-Rotor. Vielfältige Mischformen sind ebenfalls bekannt.
-
Ein Nachteil der Windkraftanlagen mit vertikaler Achse ist deren geringe Leistung, so dass sich derartige Windkraftanlagen für den großtechnischen Einsatz zur Stromerzeugung nicht durchgesetzt haben.
-
Vor diesem technischen Hintergrund macht die Erfindung es sich zur Aufgabe, eine Vertikalachswindturbine zur Verfügung zu stellen, die insbesondere auch für eine Stromerzeugung nutzbar einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
-
Gelöst wird diese technische Problematik bei einer Windkraftanlage mit wenigstens einem um eine vertikale Achse rotierenden Rotor gemäß des Anspruchs 1 durch die Maßnahme, dass der Rotor streifenartige, über die Längserstreckung verdrehte Flügel zwischen zwei zu der vertikalen Achse koaxialen, axial beabstandeten Ringhalterungen unterschiedlicher Durchmesser aufweist.
-
Die Windkraftanlage nach der Erfindung weist eine Vielzahl von Vorteilen auf. Gegenüber dem bekannten Darrieus-Rotor in O-Form oder in Helix-Form ist die Konstruktion sehr viel einfacher und mechanisch robuster. Insbesondere kann die Anzahl der Flügel deutlich höher sein als die zwei oder drei Flügel der genannten Darrieus-Rotoren, wodurch eine erhebliche Leistungssteigerung gegenüber den herkömmlichen Rotoren ermöglicht ist. Insbesondere beträgt die Anzahl der Flügel je Rotor zwischen acht und zwölf. Dabei entspricht die Steigungszahl der Verdrehung etwa der Flügelhöhe.
-
In Anlehnung an die bekannten Helix-Formen sowohl des Savonius-Rotors als auch des Darrieus-Rotors kann weiter vorgesehen sein, dass die Anschlüsse der Flügel an die obere Ringhalterung gegenüber den Anschlüssen an der unteren Ringhalterungen gleichmäßig um einen Umfangswinkel versetzt sind.
-
In konstruktiver Ausgestaltung der Windkraftanlage nach der Erfindung kann vorgesehen sein, dass bei zwei übereinander angeordneten Rotoren die mittlere Ringhalterung den größten Durchmesser aufweist. Insbesondere dann kann weiter vorgesehen sein, dass bei zwei übereinander angeordneten Rotoren die Verdrehung der Flügel eines ersten Rotors gegenüber der Verdrehung der Flügel eines zweiten Rotors gegenläufig ist.
-
Aufgrund dieser Maßnahmen werden die typischen Probleme derartiger Windkraftanlagen bei einem Anlauf bei geringen Windgeschwindigkeiten weitgehend vermieden und bedarf es auch bei leistungsstarken Windkraftanlagen nach der Erfindung keines Hilfsmotors zum Starten, obwohl keine Flügelverstellung vorgesehen ist.
-
Ein Leichtlauf des Rotors wird weiter dadurch erreicht, dass für die Lagerung der vertikalen Achse ein Magnetlager vorgesehen ist, das insbesondere auch eine vertikal und eine radial abstützende Wirkung aufweist kann. Zwar können auch zusätzlich herkömmliche Wälz- und/oder Kugellager vorgesehen sein, die jedoch im wesentlichen nur eine Notlaufeigenschaft sicherstellen sollen.
-
Die Windkraftanlage nach der Erfindung ist vielfältig einsetzbar. Insbesondere kann sie auch für eine Stromerzeugung einen Generator antreiben. Es ist dann vorgesehen, dass die Rotation der vertikalen Achse über einen Zahnriemen auf ein Getriebe und von dort auf einen Generator übertragen wird. Da die Flügel von Auftriebsläufern zu Schwingungen neigen, werden aufgrund dieser Maßnahme möglicherweise auftretende Schwingungen nicht unmittelbar an den Generator weitergegeben.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Getriebes für eine Windkraftanlage nach der Erfindung ist weiter vorgesehen, dass dieses eine zentrale Welle mit einem Zahnrad aufweist, dass das Zahnrad mit nach Art eines Planetengetriebes angeordneten weiteren Zahnrädern kämmt und dass die weiteren Zahnräder mit verstellbaren und/oder austauschbaren Gewichten versehen sind.
-
Durch diese Maßnahme wirken die weiteren Zahnräder zum einen wie eine Schwungscheibe und lässt sich zum anderen das Trägheitsmoment der Zahnräder einstellen, so dass eine Anpassung an typische, vorherrschende Windgeschwindigkeiten möglich ist und durch die rotierenden Massen der weiteren Zahnräder auch Momente der Windstille überbrückt werden können.
-
Da sich Windkraftanlagen mit vertikaler Achse grundsätzlich nicht aus dem Wind drehen können, ist eine auf die vertikale Achse wirkende Bremse noch vorgesehen. Zu hohe Rotationsgeschwindigkeiten werden damit vermieden.
-
Die Windkraftanlage nach der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, in der lediglich Ausführungsbeispiele dargestellt sind. In der Zeichnung zeigt:
-
1: in einer Seitenansicht ein erstes Ausführungsbeispiel,
-
2: teilweise geschnitten in einer Seitenansicht ein zweites Ausführungsbeispiel,
-
3: teilweise geschnitten in einer Seitenansicht ein drittes Ausführungsbeispiel,
-
4: teilweise geschnitten in einer Seitenansicht ein viertes Ausführungsbeispiel,
-
5: in einer isometrischen Darstellung ein Getriebe,
-
6: das Getriebe gemäß 5 in einer seitlichen Darstellung,
-
7: das Getriebe nach 6 in einer Draufsicht,
-
8: einen Schnitt,
-
9: eine isometrische Darstellung des eine radiale Wirkung entfaltenden Teils eines Magnetlagers und die
-
10 und 11: in isometrischen Darstellungen das eine radiale und vertikale Wirkung entfaltende Teil eines Magnetlagers.
-
Die 1 bis 3 zeigen drei Windkraftanlagen unterschiedlicher Leistungsfähigkeit in einem richtigen Größenverhältnis zueinander.
-
Die Windkraftanlage 1 gemäß 1, ausgelegt für eine Leistung von etwa bis zu 10 kW, weist über einem Unterbau 2 zwei Rotoren 3, 4 an einer vertikalen Achse 5 auf. Typischerweise beträgt bei der Windkraftanlage 1 gemäß 1 der maximale Durchmesser der Rotoren 3, 4 etwa 2 m und die Höhe der Rotoren 3, 4 etwa 1,5 m. Die Gesamthöhe der Windkraftanlage 1 beläuft sich auf etwa 3 m.
-
In dem Unterbau 2, im wesentlichen baugleich auch für die Windkraftanlagen gemäß den 2 und 3, dient der bodennahen Aufnahme eines Generators und eines Getriebes 6, vergleiche 2. Die Kraftübertragung zwischen der rotierenden Achse 7 und dem Getriebe 6 erfolgt über einen Zahnriemen. Der Abtrieb des Getriebes 6 wirkt dann auf einen nicht dargestellten Generator.
-
An die Achse 7 sind über speichenartig angeordnete Träger drei Ringhalterungen 8–10 angeschlossen. Die Ringhalterungen 8–10 sind zu der vertikalen Achse 7 koaxial und untereinander axial bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 etwa gleichermaßen axial beabstandet.
-
Zwischen der unteren Ringhalterung 8 und der mittleren Ringhalterung 9 sind streifenartige, über ihre Längserstreckung verdrehte Flügel 11 festgelegt. Der Querschnitt der Flügel 11 kann herkömmlichen Flügelprofilen entsprechen und sind insbesondere die Kanten aerodynamisch abgeschrägt. Als Flügelmaterial sind alle gängigen Materialien möglich. Insbesondere ist an Kunststoffe wie Acryl oder PVC gedacht.
-
Die Anschlüsse der Flügel 11 an die für den Rotor 12 obere Ringhalterung 9 sind gegenüber den Anschlüssen an der unteren Ringhalterung 8 gleichmäßig um einen Umfangswinkel versetzt, so dass sich die Flügel 11 Helix-artig darstellen.
-
Zwischen der für den oberen Rotor 13 unteren Ringhalterung 9 und der oberen Ringhalterung 10 sind ebenfalls streifenartige, über die Längserstreckung verdrehte Flügel 14 festgelegt, wobei wiederum die Anschlüsse der Flügel 14 an der oberen Ringhalterung 10 gegenüber der unteren Ringhalterung 9 gleichmäßig um einen Umfangswinkel versetzt sind.
-
Die Verdrehung der Flügel 14 des oberen Rotors 13 ist allerdings gegenüber der Verdrehung der Flügel 11 des Rotors 12 gegenläufig, bei dem oberen Rotor 13 liegt eine Rechtsdrehung vor und bei dem unteren Rotor 12 eine Linksdrehung.
-
Die Windkraftanlage 15 gemäß 2 ist für eine Leistung von etwa bis zu 30 kW ausgelegt. Der maximale Rotordurchmesser, entsprechend der Ringhalterung 9, liegt bei etwa 5 m und die Höhe der beiden Rotoren bei etwa 4 m.
-
Die Windkraftanlage 16 gemäß 3 ist für eine Leistung von bis zu etwa 60 kW ausgelegt. Die Höhe der Rotoren 17, 18 beträgt etwa 6,5 m und der maximale Durchmesser der mittleren Ringhalterung 19 liegt bei etwa 4 m. Die obere Ringhalterung 20 des Rotors 18 ist, wie auch bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen, von einer kegelförmigen Spitze 21 überdeckt.
-
Die Windkraftanlage 25 gem. 4 ist für noch größere Leistungen auslegbar. Die Windkraftanlage 25 weist einen zentralen Schaft 26 auf, der mittels Seilen 27 verspannt ist. Durch den Schaft 26 können damit auch von den Rotoren 28, 29, die drehbar an dem Schaft 26 gelagert sind, unter Windlast hervorgerufene, sehr große Kippmomente sicher aufgefangen werden. Auch kann die Anzahl der Rotoren mehr als die dargestellten zwei betragen.
-
Der untere Rotor 28 weist bei diesem Ausführungsbeispiel acht Flügel 30 auf, während der obere Rotor 29 mit zwölf Flügeln 31 versehen ist.
-
Eine Lagerung der beiden Rotoren 28, 29 an dem Schaft 26 erfolgt über Lager 32, 33, vorzugsweise Magnetlager. Auch für die vertikale Abstützung der Rotoren 28, 29 kann ein Magnetlager vorgesehen sein. Hierzu steht der unteren Ringhalterung des unteren Rotors 28 zumindest ein nach unten weisender Achsstummel vor, der in eine topfartig ausgebildetes Magnetlager eingreift.
-
Dieser Achsstummel oder auch eine durchgängig ausgebildete, körperliche Achse gem. den voranstehend erläuterten Ausführungsbeispielen trägt weiter ein Zahnriemenrad für einen Zahnriemen, um die Rotation der Rotoren 28, 29 auf das Getriebe 34 zu übertragen, das anhand der 5 bis 8 weiter erläutert wird.
-
In einem Lagerbock 36 ist eine durchgängige Welle 37 drehbar gelagert. Für die Übertragung der Rotation von der Achse einer Windkraftanlage auf die Welle 37 ist ein oberes Zahnriemenrad 38 vorgesehen. Der Abtrieb für bspw. den Antrieb eines Generators erfolgt über ein unteres Zahnriemenrad 39. Zwischen den Zahnriemenrädern 38, 39 trägt die Welle 37 ein weiteres Zahnrad 40. Mit dem Zahnrad 40 stehen drei weitere Zahnräder 41–43 in Eingriff. Die Zahnräder 41–43 sind zwischen sternförmig radial abgehenden Armen 44–46 zweier Halterungen 47, 48 gehalten.
-
5 zeigt, dass der umlaufende Zahnkranz 49 der gleichartig ausgebildeten Zahnräder 41–43 einer Oberseite 50 axial vorsteht. Durch einen radial innenliegenden Flansch 51 wird eine ringartige Führung für ein formschlüssig einsetzbares Gewicht 52 ausgebildet. Diese Gewichte 52–54 sind verstellbar und/oder austauschbar an den entsprechenden Zahnrädern 41–43 festlegbar.
-
Für die Lagerung der vertikalen Achse einer Windkraftanlage nach der Erfindung ist bevorzugt ein Magnetlager vorgesehen. Für die Entfaltung einer radial abstützenden Wirkung sind zwischen zwei Flanschen 55, 56, die durch einen Ring 57 axial beabstandet sind, eine Vielzahl von Permanentmagneten 58 gehalten, vergleiche 9. In diese Magnethalterung 59 von Permanentmagneten 58 ist ein scheibenförmiger Einsatz 60 einbringbar, an dessen Umfang zwei Reihen von Magneten 61, 62 angeordnet sind, vergleiche 10 und 11. Insbesondere 11 zeigt, dass die Magnete 61, 62 unter einem Anstellwinkel in die Umfangsfläche 63 des Einsatzes 60 eingelassen sind. Bei entsprechender Polarität der Magnete 58, 61, 62 wird der Einsatz 60 innerhalb der Magnethalterung 59 zentriert.
-
Es kann vorgesehen sein, dass für die Ausbildung von Magnetlagern 32, die einen zentralen Schaft 26 gemäß 4 umschließen, kein scheibenförmiger Einsatz 60 Verwendung findet, sondern ein ringförmiger, der den Schaft 26 umschließt, an diesem festgelegt ist und radial außenliegend mit zwei Reihen von Magneten versehen ist. Die Magnethalterung 59 ist dann mit den Rotoren 29, 30 mitrotierend.
-
Für eine vertikale Kraftentfaltung ist in die Unterseite 64 des Einsatzes 60 eine Vielzahl weiterer Magnete 65 eingelassen. Entsprechend der Darstellung in 11 schließt sich die Achse der Windkraftanlage an den Einsatz 60 nach unten an.
-
Eine dem Bild 11 entsprechende Magnetanordnung wird die ringförmige Magnethalterung 59 einseitig abschließen, so dass der Einsatz 60 in eine dann topfartig ausgebildete Magnethalterung eintaucht.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Windkraftanlage
- 2
- Unterbau
- 3
- Rotor
- 4
- Rotor
- 5
- Achse
- 6
- Getriebe
- 7
- Achse
- 8
- Ringhalterung
- 9
- Ringhalterung
- 10
- Ringhalterung
- 11
- Flügel
- 12
- Rotor
- 13
- Rotor
- 14
- Flügel
- 15
- Windkraftanlage
- 16
- Windkraftanlage
- 17
- Rotor
- 18
- Rotor
- 19
- Ringhalterung
- 20
- Ringhalterung
- 21
- Dachspitze
- 22
-
- 23
-
- 24
-
- 25
- Windkraftanlage
- 26
- Schaft
- 27
- Seil
- 28
- Rotor
- 29
- Rotor
- 30
- Flügel
- 31
- Flügel
- 32
- Lager
- 33
- Lager
- 34
- Getriebe
- 35
-
- 36
- Lagerbock
- 37
- Welle
- 38
- Zahnriemenrad
- 39
- Zahnriemenrad
- 40
- Zahnrad
- 41
- Zahnrad
- 42
- Zahnrad
- 43
- Zahnrad
- 44
- Arm
- 45
- Arm
- 46
- Arm
- 47
- Halterung
- 48
- Halterung
- 49
- Zahnkranz
- 50
- Oberseite
- 51
- Flansch
- 52
- Gewicht
- 53
- Gewicht
- 54
- Gewicht
- 55
- Flansch
- 56
- Flansch
- 57
- Flansch
- 58
- Ring
- 59
- Permanentmagnet
- 60
- Magnethalterung
- 61
- Einsatz
- 62
- Magnet
- 63
- Magnet
- 64
- Umfangsfläche
- 65
- Unterseite
- 66
- Magnet
