DE102014001891A1

DE102014001891A1 - Wind- oder Wasserkraftanlage sowie Rotor dazu

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Publication number: DE102014001891A1
Application number: DE102014001891.1A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-02-14
Filing date: 2014-02-14
Publication date: 2015-08-20

Abstract

Vorgeschlagen wird u. a. eine Wind- oder Wasserkraftanlage (1) zur Erzeugung elektrischen Stroms, mit zumindest einem in einem Rotorgehäuse (12, 13) drehbar gelagerten Rotor (2, 3), wobei der Rotor (2, 3) zumindest ein Rotorblatt (5) mit einer Luft- oder Wasserstrom-Angriffsfläche (19) aufweist, deren Profilquerschnitt durch einen Ellipsenabschnitt (20) mit einem zwischen den Enden desselben angeordneten Scheitel „S” gebildet ist, und wobei in dem besagten Scheitel „S” ein Flächenelement (21) um eine Schwenkachse (22) am Rotorblatt (5) schwenkbar gelagert ist, welches zwangsgeführt in Abhängigkeit der Stellung des Rotorblattes (5) zum Luft- oder Wasserstrom (8) eine fensterartige Öffnung (23) im Rotorblatt (5) schließt oder öffnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wind- oder Wasserkraftanlage gemäß der Merkmalskombination des Patentanspruchs 1 der Erfindung. Gemäß Anspruch 10 der Erfindung betrifft diese ferner einen Rotor für eine Wind- oder Wasserkraftanlage.
Anlagen der gattungsgemäßen Art sind seit langem in den unterschiedlichsten Ausführungsformen bekannt. Derzeit finden in der Praxis bei der Nutzung von Windenergie und Umwandlung derselben in elektrische Energie vornehmlich Rotoren in Form sogenannter „Auftriebsläufer” Anwendung. Die Rotoren besagter „Auftriebsläufer” bestreichen bis zu 400 m² Fläche und ernten dabei lediglich einen Prozentsatz von weniger als 10% des die Fläche überstreichenden Windes. Daraus resultieren erhebliche konstruktive und technologische Aufwendungen, um überhaupt noch einen gewissen ökonomisch vorteilhaften Effekt mit solchen Anlagen erzielen zu können. Dieser Umstand erklärt auch den bekanntermaßen großen erforderlichen Zeitraum für deren Amortisation, ggf. unterstützt durch diverse Subventionsmaßnahmen. Bei vorhandenen Windkraftanlagen der vorgenannten Art sind Nutzungsdauer und Amortisationszeitraum überwiegend nahezu deckungsgleich, mit dem Restrisiko, dass dieser unter Umständen auch größer als die Nutzungsdauer wird, beispielsweise infolge geringer anfallenden Windes als ursprünglich prognostiziert.
Demgegenüber sind auch Rotore in Form sogenannter „Widerstandsläufer” mit vertikal ausgerichteter Drehachse sowie mit zwei oder mehr Rotorblättern bekannt, die ihrerseits auch als „Savonius”-Rotore bezeichnet werden. Zwar sind diese Rotore sehr robust aufgebaut, werden jedoch aufgrund ihrer geringen Schnelllaufdrehzahl nur in geringem Umfang zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet, da ihnen ungenügende Wirkungsgrade infolge eines geringen Leistungsbeiwertes zugeschrieben werden. Herkömmlich kann nach dem Stand der Technik lediglich der Anteil der Windenergie geerntet werden, der sich aus der Differenz der Widerstandsbeiwerte von Vorder- und Rückseite der Rotorblätter ergibt.
Um diesem Problem zu begegnen, werden eine Vielzahl von Maßnahmen vorgeschlagen, die insbesondere eine veränderte Anzahl von Rotorblättern respektive Flügeln, eine besondere Anordnung und Ausbildung derselben und/oder den Wind konzentrierende Leitbleche und Gehäuse, die ihrerseits eine Zwangsströmung durch den Rotor bewirken, betreffen.
So ist aus der DE 101 05 424 A1 eine Windkraftanlage zur Erzeugung elektrischer Energie mit zwei frontal angeströmten Vertikalrotoren bekannt, die ihrerseits, zwischen sich einen Spalt ausbildend, zueinander beabstandet angeordnet sind, wobei ein dritter Vertikalrotor vorgesehen ist, welcher von dem durch den Spalt eindringenden Luftstrom und teilweise der Abluft eines frontal angeordneten Vertikalrotors angetrieben wird. Dieser dritte Vertikalrotor ist exzentrisch zur Symmetrieachse der frontal angeordneten Vertikalrotoren angeordnet.
Aus der DE 10 2004 060 230 A1 ist eine Windkraftanlage mit zwei in der Horizontalebene miteinander gekoppelten, in Gegenrichtung drehenden Rotoren mit vertikaler Drehachse bekannt, wobei beide Rotoren in einem dieselben umschließenden Gehäuse angeordnet sind. Das Gehäuse weist zunächst eine Vorderwand auf, welche die Rotorflügel abschirmt, die sich aktuell gegen die Windrichtung bewegen. Fernerhin weist das Gehäuse sowohl vorne als auch hinten Öffnungen auf, die das Hindurchströmen der Luftströmung durch das Gehäuse und die Einwirkung der Luftströmung auf die aktuell sich in derselben befindlichen Rotorflügel bzw. -blätter gestatten.
Aus der DE 20 2005 013 658 U1 ist eine Windkraftanlage mit einem Windrotor in Form eines „Savonius”-Rotors mit drei oder mehr nach Art von Luftschaufeln ausgebildeten und symmetrisch angeordneten Rotorblättern bekannt, welche derart ausgebildet und angeordnet sind, dass bei einer Beaufschlagung mit einer Luftströmung wenigstens ein Teil dieser Luftströmung auf ein zu dem ersten Rotorblatt in Drehrichtung des Windrotors benachbartes zweites Rotorblatt umgelenkt wird.
Weitere Windkraftanlagen der gattungsgemäßen Art sind aus der US 1 413 411 A , US 5 494 407 A , US 6 283 711 B1 , EP 0 064 440 A2 , DE 20 2008 007 687 U1 , DE 20 2004 018 879 U1 , DE 299 23 699 U1 , DE 34 03 657 A1 , DE 40 16 622 A1 , DE 196 23 055 A1 , DE 195 32 880 C1 , DE 10 2007 020 081 A1 und DE 10 2011 100 630 A1 bekannt.
Was die Ausbildung der Rotorblätter anbelangt, sind dieselben zur effektiven Nutzung der Windenergie überwiegend nach innen gewölbt ausgebildet. Der Querschnitt bzw. die Geometrie des Rotorblattes kann dabei beispielsweise teilkreisförmig, insbesondere halbkreisförmig oder L-förmig sein. Überdies werden Rotorblätter vorgeschlagen, deren Windangriffsfläche durch eine Mehrzahl sogenannter an Trägerarmen schwenkbar angeordneter Windflügel gebildet ist ( DE 299 23 699 U1 ). Die Windflügel sind hier derart angeordnet, dass diese bei rechtwinkliger Eingriffsrichtung des Windes unmittelbar am Trägerarm oder an Anschlägen desselben anliegen. Dadurch wird dem Wind eine weitgehend geschlossene Fläche entgegengestellt. Während einer Rotation der Trägerarme um einen Mast klappen die Windflügel selbsttätig von einer den Wind nutzenden in eine den Wind durchlassen Stellung um, so dass der Wind in diesen Stellungen der Rotoren zwischen den Windflügeln hindurch treten kann. Die Windflügel bilden in Arbeitsstellung eine weitestgehend geradlinige Windangriffsfläche aus.
Aus der DE 10 2007 020 081 A1 sind demgegenüber Rotorblätter mit nach innen gewölbter Windangriffsfläche sowie mit einer Mehrzahl Windflügeln, hier als Lamellenelemente bezeichnet, bekannt. Die Lamellenelemente können in Abhängigkeit von der aktuellen Stellung des Rotorblattes im rotierenden System bzw. zum Luftstrom mechanisch oder elektromechanisch zwangsgeführt ausgebildet sein. Details zur besagten Zwangsführung sind dieser Druckschrift nicht zu entnehmen.
Ungeachtet der Vielzahl verschiedenster Ausführungsformen besagter Rotoren sowie deren Rotorblätter besteht nach wie vor der Bedarf der noch weiteren Erhöhung des Wirkungsgrades bei der Energieerzeugung. Hier setzt die nachfolgend beschriebene Erfindung an.
Aufgabe der Erfindung ist es demnach, eine alternative, insbesondere einfach und kostengünstig zu bewerkstelligende Wind- oder Wasserkraftanlage mit zumindest einem Rotor zu schaffen, welche im Hinblick auf den zu erzielenden Wirkungsgrad noch weiter verbessert ist. Aufgabe der Erfindung ist es auch, einen Rotor für eine derartige Wind- oder Wasserkraftanlage anzugeben.
Die Erfindung geht im Hinblick auf 7 von der allgemeinen Kenntnis einer Ellipse aus, worunter in der Fachwelt eine zu den Kegelschnitten gehörende, geschlossene Kurve, die die Form eines gestauchten Kreises hat und um zwei feste Punkte, auch als Brennpunkte „F₁”, „F₂” bezeichnet, verläuft, wobei der Abstand eines beliebigen Punktes „P” auf der besagten Kurve zum einen Brennpunkt „F₁” und der Abstand dieses Punktes „P” zum anderen Brennpunkt „F₂” überall die gleiche Summe ergeben. Dabei wird die die Punkte „HS₁” und „HS₂” verbindende Strecke als Hauptachse und die die Punkte „NS₃” und „NS₄” verbindende Strecke als Nebenachse bezeichnet. Die Hauptachse ist länger der Nebenachse ausgebildet. Die die Punkte „M” und „HS₁” sowie „M” und „HS₂” verbindenden Strecken werden als große Halbachsen „HA_gr” und die die Punkte „M” und „NS₃” sowie „M” und „NS₄” verbindenden Strecken werden als kleine Halbachsen „HA_kl.” bezeichnet, wobei „M” für den Mittelpunkt der Ellipse bzw. für den Schnittpunkt der Haupt- mit der Nebenachse der Ellipse steht und die Punkte „HS₁” und „HS₂” als Haupt-Scheitel und die Punkte „NS₃” und „NS₄” als Neben-Scheitel bezeichnet werden.
Gelöst wird die gestellte Aufgabe zunächst durch eine Wind- oder Wasserkraftanlage zur Erzeugung elektrischen Stroms, mit zumindest einem in einem Rotorgehäuse drehbar gelagerten Rotor, wobei der Rotor zumindest ein Rotorblatt mit einer Luft- oder Wasserstrom-Angriffsfläche aufweist, deren Profilquerschnitt durch einen Ellipsenabschnitt mit einem zwischen den Enden desselben angeordneten Scheitel „S” gebildet ist, und wobei in dem besagten Scheitel „S” ein Flächenelement um eine Schwenkachse am Rotorblatt schwenkbar gelagert ist, welches zwangsgeführt in Abhängigkeit der Stellung des Rotorblattes zum Luft- oder Wasserstrom eine fensterartige Öffnung im Rotorblatt schließt oder öffnet.
Die Erfindung unterscheidet sich demnach zum Stand der Technik im Wesentlichen dadurch, dass hier für das Rotorblatt ein besonderer Profilquerschnitt gewählt ist, der durch einen Ellipsenabschnitt mit einem zwischen den Enden desselben angeordneten Scheitel „S” gebildet ist. Vorteilhaft ist im besagten Scheitel „S” das Flächenelement zur Freigabe bzw. zum Verschließen der fensterartigen Öffnung um eine Drehachse schwenkgelagert.
Zwar ist es aus dem Stand der Technik ( DE 299 23 699 U1 , DE 10 2007 020 081 A1 ) bereits bekannt, eine Mehrzahl von Windflügeln bzw. Lamellenelementen mit ähnlicher Wirkung am Rotorblatt vorzusehen, jedoch wurde in umfangreichen Versuchen zum Erfindungsgegenstand gefunden, dass infolge dieser besonderen Ausbildung des Rotorblattes und besonderen Anordnung der Drehachse des einzigen Flächenelements bei minimiertem Herstellungs- und Materialaufwand ein gegenüber dem Stand der Technik weiter verbesserter Wirkungsgrad der Wind- oder Wasserkraftanlage erzielbar ist. Im Wesentlichen sind im Hinblick auf den Stand der Technik durch diese Maßnahme insbesondere auch Verluste im Wirkungsgrad resultierend aus einer herkömmlich vorgesehenen Mehrzahl Lagerstellen sowie daraus wiederum resultierender erhöhter Masse minimiert.
Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen oder Ausgestaltungen der Erfindung.
Danach hat sich in besagten Versuchen als bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ein Ellipsenabschnitt in Form eines Halb-Ellipsenabschnitts als besonders vorteilhaft herausgestellt, welcher durch einen Bereich einer Ellipse mit kleinen und großen Halbachsen „HA_kl., HA_gr.” gebildet ist, der durch die den kleinen Halbachsen „HA_kl.” zugeordneten Neben-Scheitel „NS” der Ellipse begrenzt ist. Alternativ dazu wurde auch ein Halb-Ellipsenabschnitt erfolgreich erprobt, der durch die den großen Halbachsen „HA_gr.” zugeordneten Haupt-Scheitel „HS” der Ellipse begrenzt ist. Überdies haben sich auch Ellipsenabschnitte bewährt, die kleiner einem Halb-Ellipsenabschnitt und bevorzugt symmetrisch zum betreffenden Ellipsen-Scheitel „S” ausgebildet sind.
Wie die Erfindung weiter vorsieht, ist hierbei das Flächenelement bevorzugt symmetrisch zur Schwenkachse ausgebildet, da durch diese Maßnahme die geringsten Kräfte auf das Flächenelement, deren Lagerung sowie die Zwangsführung, auf welche unten näher eingegangen wird, wirken. Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf besagte Symmetrie des Flächenelements zur Schwenkachse, sondern erfasst auch eine unsymmetrische Lagerung des Flächenelements zur besagten Schwenkachse.
Wie die Erfindung noch vorsieht, nimmt das Flächenelement bevorzugt einen Bogenabschnitt des Ellipsenabschnitts ein, der sich aus einem Winkel „α” von 20° bis 40° ergibt und dessen Scheitelpunkt in den Schnittpunkt von Haupt- und Nebenachse der Ellipse gelegt ist.
Eine mechanisch einfache und funktionssichere Zwangsführung für das Flächenelement erzielt man mit einer Kulissensteuerung. Vorteilhaft ist besagte Kulissensteuerung durch zumindest eine fest mit dem Rotorgehäuse verbundene Kulisse gebildet, in der ein mit dem Flächenelement verbundener Kulissenstein gleit- oder wälzgelagert geführt ist. Bevorzugt ist die Kulisse durch eine geschlossene Kurve gebildet, die weiter bevorzugt abschnittsweise auf zueinander konzentrisch angeordneten Kreisen verläuft. Mit der Wahl der Radien der besagten Kreise wird der Öffnungswinkel des Flächenelements bestimmt, wogegen mit der Lage des Übergangs von einem Kreis bzw. Radius zum anderen die Position der Öffnungs- bzw. Schließbewegung des Flächenelements bestimmt wird.
Wie die Erfindung schließlich noch vorsieht, sind bevorzugt zwei oder mehr gleichmäßig über den Umfang des Rotors verteilt angeordnete Rotorblätter mit je einem zwangsgeführten schwenkbaren Flächenelement vorgesehen, wobei alle Flächenelemente eine Kulissensteuerung mit einer gemeinsamen Kulisse aufweisen, D. h., die Kulissensteine aller Rotorblätter laufen in ein und derselben Kulisse.
Die Erfindung betrifft auch einen Rotor für eine Wind- oder Wasserkraftanlage, mit zumindest einem Rotorblatt, welches eine Luft- oder Wasserstrom-Angriffsfläche aufweist, deren Profilquerschnitt durch einen Ellipsenabschnitt mit einem zwischen den Enden desselben angeordneten Scheitel „S” gebildet ist, wobei in dem besagten Scheitel „S” ein Flächenelement um eine Schwenkachse am Rotorblatt schwenkbar gelagert ist, welches zwangsgeführt in Abhängigkeit der Stellung des Rotorblattes zum Luft- oder Wasserstrom eine fensterartige Öffnung im Rotorblatt schließt oder öffnet. Ein derartiger Rotor lässt sich einfach und kostengünstig in bereits vorhandene Wind- oder Wasserkraftanlagen mit herkömmlichen Rotoren nachrüsten, um deren Wirkungsgrad merklich zu erhöhen.
Nachstehend wird die Erfindung anhand der in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Sie ist jedoch nicht auf diese beschränkt, sondern erfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Windkraftanlage mit zwei in je einem Rotorgehäuse angeordneten Rotoren, wobei jeder Rotor drei Rotorblätter mit je einem schwenkbaren Flächenelement aufweist,
2 die Windkraftanlage nach 1 in einem oben geöffneten, jedoch mittels eines Deckelelementes verschließbaren Zustand,
3 die Aufsicht nach 2,
4 einen Rotor der Windkraftanlage nach 1 bis 3 in einer perspektivischen Einzelansicht,
5 äußerst schematisch einen alternativen Rotor mit zwei Rotorblättern in Kombination mit einer deren schwenkbare Flächenelemente steuernden Kulissensteuerung,
6 die Kulissensteuerung nach 5 in einer schematischen Darstellung, und
7 die Darstellung einer an sich bekannten Ellipse mit im Beschreibungstext definierten Bezeichnungen.
Die 1 bis 3 zeigen äußerst schematisch eine Windkraftanlage 1 zur Erzeugung elektrischer Energie mit zumindest einem, vorzugsweise jedoch zwei oder mehr Rotoren 2, 3, welche ihrerseits mit zumindest einem nicht zeichnerisch dargestellten Generator wirkverbunden sind. Die vorliegend zwei Rotoren 2, 3 sind jeweils durch einen an sich bekannten sogenannten „Widerstandsläufer” mit vertikal angeordneter Drehachse 4 gebildet. In der Fachwelt werden derartige Rotoren 2, 3 auch als „Savonius”-Rotoren bezeichnet. Die Rotoren 2, 3 weisen lediglich beispielgebend jeweils drei gleichmäßig über den Umfang der Drehachse 4 angeordnete Rotorblätter 5 auf. Demgegenüber zeigen die 5 und 6 einen alternativen Rotor 2, 3, der lediglich zwei Rotorblätter 5 aufweist.
Die Rotoren 2, 3 sind derart innerhalb eines Gehäuses 6 der Windkraftanlage 1 mit Gehäusedeckel 6a angeordnet, dass die in Strömungsrichtung 7 des Luftstroms 8 (Wind) sich bewegenden Rotorblätter 5 der Rotoren 2, 3 über die Außenkontur 9 des Gehäuses 6 hinausragen. Die Windkraftanlage 1 ist bevorzugt über ihr Gehäuse 6 auf einem nicht zeichnerisch dargestellten Ständerelement um eine Hochachse drehbar angeordnet, so dass sie sich vorzugsweise selbsttätig in den Wind drehen kann.
Das Gehäuse 6 weist ein strömungsgünstiges Profil auf, welches unter weitestgehender Vermeidung von Turbulenzen überwiegend laminare Strömungen an der vom Luftstrom 8 überstrichenen Oberfläche (Außenkontur 9) des Gehäuses 6 erlaubt. Das strömungsgünstige Profil des Gehäuses 6 ähnelt einem Fischprofil mit einem Frontbereich respektive einem im Querschnitt weitestgehend gerundeten stumpfen Kopfbereich, der seinerseits in einen gestreckten und sich verengenden Heck- bzw. Schwanzbereich ausläuft. Dieses Profil sollte möglichst „fett” ausgebildet sein, um größtmögliche Strömungsgeschwindigkeiten des über die Oberfläche des Profils streichenden Luftstroms 8 zu erzielen.
Die Erhöhung der Geschwindigkeit der anströmenden Luft erlaubt eine überproportional erhöhte Ernte an elektrischer Energie. Die Ernte hängt bekanntermaßen in der dritten Potenz von dieser Geschwindigkeit ab, so dass bei einer Verdoppelung der Geschwindigkeit eine achtfach höhere Energiemenge geerntet werden kann als herkömmlich. Demgemäß sind die Rotoren 2, 3 somit vorzugsweise im oder unmittelbar vor oder hinter dem Bereich des größten Querschnitts des Profils des Gehäuses 6 angeordnet. Die beiden Rotoren 2, 3 sind quer zur Mittenlängsachse 10 des Gehäuses 6 und zueinander beabstandet sowie achsparallel nebeneinander angeordnet und rotieren demgemäß gegenläufig.
Wie insbesondere den 2 und 3 zu entnehmen ist, weist das Gehäuse 6 im Frontbereich einen Hohlraum 11 auf, in welchem in Anlehnung an die DE 10 2007 020 081 A1 der vorstehend bereits erwähnte, nicht zeichnerisch dargestellte zumindest eine Generator angeordnet sein kann. Die Wirkverbindung der Rotoren 2, 3 mit besagtem zumindest einem Generator erfolgt über an sich bekannte Getriebeanordnungen, beispielsweise Zahnrädergetriebe oder Riementriebe.
Wie den 1 bis 3 weiter zu entnehmen ist, sind die Rotoren 2, 3 jeweils in einem Rotorgehäuse 12, 13 drehbar gelagert. Die Rotorgehäuse 12, 13 stoßen in der Mittenlängsachse 10 des Gehäuses 6 der Windkraftanlage 1 aneinander an oder sind gemäß 2 und 3 zumindest nahe der besagten Mittenlängsachse 13 angeordnet. Hier schließt sich ein den Heckbereich der Windkraftanlage 1 ausbildendes langgestrecktes Schwanzelement 14 an, welches insbesondere auch der oben bereits erwähnten selbsttätigen Ausrichtung der Windkraftanlage 1 in den Wind dient.
In den Rotorgehäusen 12, 13 sind jeweils eine Lufteintrittsöffnung 15 und eine Luftaustrittsöffnung 16 vorgesehen. Die Luftaustrittsöffnung 16 ist in axialer Richtung der Windkraftanlage 1 gesehen versetzt zur Lufteintrittsöffnung 15 angeordnet und zwar derart, dass diese näher zur Mittenlängsachse 10 angeordnet ist als die Lufteintrittsöffnung 15. An die Luftaustrittsöffnung 16 schließt sich zum Heckbereich hin ein Strömungskanal 17 mit Luftleitelementen 18 an. Der Strömungskanal 17 ist dabei düsenförmig ausgebildet. Hierdurch wird die Strömungsgeschwindigkeit des den Strömungskanals 17 durchsetzenden Luftstroms 8 erhöht, welches sich wiederum vorteilhaft auf den Wirkungsgrad der Windkraftanlage 1 auswirkt.
Nachfolgend wird die Erfindung weiter unter anderem unter Bezugnahme auf 7, welche eine Ellipse mit bereits oben im Beschreibungstext definierten Bezeichnungen zeigt, beschrieben.
Die Rotorblätter 5 der Rotoren 2, 3 weisen jeweils eine Luftstrom-Angriffsfläche 19 auf, deren Profilquerschnitt bzw. deren Geometrie durch einen Ellipsenabschnitt 20 mit einem zwischen den Enden desselben angeordneten Scheitel „S” gebildet ist. Die Rotorblätter 5 sind im Bereich einer ein Ende des besagten Ellipsenabschnitts 20 aufweisenden Längskante an der Drehachse 4 befestigt.
Gemäß der gezeigten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Ellipsenabschnitt 20 ein Halb-Ellipsenabschnitt 20 und ist besagter Scheitel „S” ein Hauptscheitel „HS”. Der Halb-Ellipsenabschnitt 20 ist demgemäß ein Bereich einer Ellipse, der von den kleinen Halbachsen „HA_kl.” der Ellipse zugeordneten Nebenscheiteln „NS” begrenzt ist (vgl. insbes. auch 6).
Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf einen derartigen Ellipsenabschnitt 20. So erfasst die Erfindung auch einen Halb-Ellipsenabschnitt 20, dessen Enden einen Bereich der Ellipse mit einem Nebenscheitel „NS” begrenzen, wobei die besagten Enden durch die den großen Halbachsen „HAgr.” der Ellipse zugeordneten Hauptscheitel „HS” gebildet sind. Des Weiteren erfasst die Erfindung auch einen Ellipsenabschnitt 20, der kleiner einem Halb-Ellipsenabschnitt 20 und bevorzugt symmetrisch zum Ellipsen-Scheitel „S”, sei es ein Hauptscheitel „HS” oder ein Nebenscheitel „NS”, ausgebildet ist (nicht zeichnerisch dargestellt).
Wie den 2 bis 4 sowie 6 noch zu entnehmen ist, ist im besagten Scheitel „S” ein Flächenelement 21 um eine achsparallel zur Drehachse 4, demgemäß ebenfalls vertikal ausgerichtete Schwenkachse 22 am Rotorblatt 5 schwenkbar gelagert. D. h., die Schwenkachse 22 ist in den Scheitel „S” gelegt. Das Flächenelement 21 stellt einen Ausschnitt des Rotorblattes 5 dar, der geeignet ist, eine zum Flächenelement 21 korrespondierende fensterartige Öffnung 23 im Rotorblatt 5 situationsbedingt zu schließen und zu öffnen. Der Querschnitt des Flächenelementes 21 ist demgemäß durch einen Bogenabschnitt 20a bzw. bogenförmigen Teilabschnitt des Ellipsenabschnitts 20 gebildet.
Bevorzugt ist das Flächenelement 21 symmetrisch zur Schwenkachse 22 bzw. zum Scheitel „S” ausgebildet und erstreckt sich in vertikaler Richtung gesehen über nahezu die gesamte Länge des Rotorblattes 5. Ungeachtet dessen wird auch eine unsymmetrische Anordnung des Flächenelementes 21 zur Schwenkachse 22 durch die Erfindung mit erfasst. So kann die Schwenkachse 22 statt mittig beispielsweise auch an einem Ende des die Kontur des Flächenelements 21 bestimmenden Bogenabschnitts 20a angeordnet sein (nicht zeichnerisch dargestellt).
Gemäß 6 nimmt das Flächenelement 21 bevorzugt einen Bogenabschnitt 20a mit einem Winkel „α” von etwa 20° bis etwa 40° ein, wobei dessen Scheitelpunkt in den Schnittpunkt von Haupt- und Nebenachse bzw. in den Mittelpunkt „M” der Ellipse gelegt ist. In Abhängigkeit bestimmter, aktuell zu verzeichnender Randbedingungen, wie beispielsweise bestimmter Strömungsverhältnisse und/oder bestimmter Abmaße des Rotorblattes 5, kann sich auch ein kleinerer oder größerer Winkel „α” für besagten Bogenabschnitt 20a ergeben, der sich rechnerisch oder auch durch Versuche, demgemäß empirisch ermitteln lässt und somit durch die Erfindung mit erfasst ist (nicht zeichnerisch dargestellt).
Dem besagten Flächenelement 21 ist eine rein mechanische Zwangsführung nach Art einer Kulissensteuerung 24 zugeordnet, um den Widerstand des betreffenden Rotorblattes 5 in der Phase des Gegenlaufes zu minimieren. Im Wesentlichen ist die Kulissensteuerung 24 durch eine fest mit dem Rotorgehäuse 12 verbundene Kulisse 24a gebildet, in der ein mit dem Flächenelement 21 verbundener Kulissenstein 24b gleit- oder wälzgelagert geführt ist (vgl. insbes. 5 und 6). Die Kulisse 24a ist durch eine geschlossene Kurve gebildet, welche in Bezug auf 6 abschnittsweise auf gedachten, zueinander konzentrisch angeordneten Kreisen 25a, 25b verläuft. Vorliegend weist die geschlossene Kurve vorteilhaft einen eiförmigen Verlauf mit weichen respektive relativ lang ausgebildeten Übergängen von einem zum anderen Kreis 25a, 25b; 25b, 25a auf. Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf derartige Übergänge, sondern erfasst auch Übergänge, die weit kürzer ausgebildet sind, wodurch die Öffnungs- und Schließbewegung des Flächenelementes 21 in kürzerer Zeiteinheit bewirkt wird (nicht zeichnerisch dargestellt).
Mit der Wahl der Radien der besagten Kreise 25a, 25b wird der Öffnungswinkel des Flächenelements 21 bestimmt. Mit der Wahl der Lage des Übergangs von einem Kreis 25a, 25b bzw. Radius zum anderen Kreis 25b, 25a wird die Position der Öffnungs- bzw. Schließbewegung des Flächenelements 21 bestimmt.
Vorliegend ist die Kulisse 24a lediglich beispielgebend als Nut ausgebildet. Die besagte Nut ist in einem oberen Flächenteil 26 des Rotorgehäuses 12 vorgesehen, welches den Rotor 2, 3 noch oben begrenzt und überdies das obere, nicht zeichnerisch dargestellte Drehlager der Drehachse 4 des betreffenden Rotors 2, 3 trägt (vgl. 5). Der besseren Übersichtlichkeit halber ist das Flächenteil 26 des Rotorgehäuses 12 horizontal geschnitten dargestellt. Wie der 5 weiter zu entnehmen ist, verfügt das Rotorgehäuse 12 auch über ein unteres, das untere Drehlager der Drehachse 4 tragendes Flächenteil 27. Dieses kann ebenfalls eine Kulisse 24a der vorbeschriebenen Art aufweisen, welche mit der oberen korrespondiert und die Schwenkbewegung des Flächenelementes 21 vorteilhaft unterstützt (nicht zeichnerisch dargestellt).
Da die Rotoren 2, 3 bevorzugt jeweils zwei oder mehr gleichmäßig über den Umfang des Rotors 2, 3 verteilt angeordnete Rotorblätter 5 mit je einem zwangsgeführten schwenkbaren Flächenelement 21 aufweisen, sind die Flächenelemente 21 aller Rotorblätter 5 durch eine Kulissensteuerung mit einer gemeinsamen Kulisse 24a zwangsgeführt, D. h., die Kulissensteine 24b aller Rotorblätter 5 laufen in ein und derselben Kulisse 24a (vgl. 5 und 6).
Die Funktionsweise einer derartigen Zwangsführung ist sehr gut aus 3 ersichtlich. Die Flächenelemente 21 erlauben in vorteilhafter Weise eine Verringerung des Strömungswiderstandes der Rotorblätter 5 während des Durchlaufs derselben durch den Innenraum des Rotorgehäuses 12, indem zu einem Zeitpunkt „t₁”, bei dem des betreffende Rotorblatt 5 die Luftaustrittsöffnung 16 passiert hat, die fensterartige Öffnung 23 im betreffenden Rotorblatt 5 freigegeben wird. Erreicht im Anschluss daran, d. h., zu einem Zeitpunkt „t₂” das Rotorblatt 5 wieder den Windangriffsbereich, d. h., den Bereich der Lufteintrittsöffnung 15 des Rotorgehäuses 12, 13, wird die fensterartige Öffnung 23 mittels des Flächenelements 21 aktiv verschlossen.
Sicherlich ist auch eine elektromechanische oder rein elektrische Betätigung der Flächenelemente 21 in Abhängigkeit von der aktuellen Stellung des jeweiligen Rotorblattes 5 im rotierenden System denkbar und demgemäß durch die Erfindung mit erfasst, jedoch gehen diese Alternativen sicherlich mit erhöhten Kosten, insbesondere erhöhtem elektrischen Aufwand, nämlich Steuer- und Regelaufwand, sowie erhöhtem Materialaufwand und gegebenenfalls erhöhter zu bewegender Masse einher (nicht zeichnerisch dargestellt).
Die Widerstandsbeiwerte von herkömmlichen „Savonius”-Rotoren liegen bei ca. 2,3 in Strömungsrichtung und 1,2 gegen die Strömungsrichtung. Die Flächenelemente 21 erlauben dagegen eine Minderung des Widerstandsbeiwertes gegen die Strömungsrichtung auf ca. 0,5 oder sogar darunter. Die geerntete Energiemenge kann damit zusätzlich um etwa 60% gesteigert werden.
Die vorstehenden Ausführungsbeispiele stellen auf eine Windkraftanlage 1 ab, deren Rotoren 2, 3 um eine vertikale Drehachse 4 drehen. Durch die Erfindung mit erfasst sind selbstverständlich auch Rotoren 2, 3, deren Drehachsen 4 beispielsweise in Anpassung an bestimmte Anbau- oder Einbauvorgaben von der vertikalen abweichen, indem diese z. B. waagerecht ausgerichtet sind.
Überdies beschränkt sich die Erfindung nicht auf Windkraftanlagen 1, sondern erfasst auch weitestgehend identisch ausgebildete Wasserkraftanlagen, wo lediglich das die Rotoren 2, 3 antreibende Strömungsmedium Luft durch Wasser ersetzt ist (nicht zeichnerisch dargestellt).
Bezugszeichenliste
Ellipsenbezeichnungen:

„M”: Mittelpunkt
„F₁”: Brennpunkt
„F₂”: Brennpunkt
„P”: Punkt
„S”: Scheitel Hauptscheitel Hauptscheitel
„HS₂”: Hauptscheitel
„NS”: Nebenscheitel
„NS₃”: Nebenscheitel
„NS₄”: Nebenscheitel
Strecke „HS₁–HS₂”: Hauptachse
Strecke „NS₃–NS₄”: Nebenachse
„HA_gr.”: große Halbachse kleine Halbachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10105424 A1 [0005]
DE 102004060230 A1 [0006]
DE 202005013658 U1 [0007]
US 1413411 A [0008]
US 5494407 A [0008]
US 6283711 B1 [0008]
EP 0064440 A2 [0008]
DE 202008007687 U1 [0008]
DE 202004018879 U1 [0008]
DE 29923699 U1 [0008, 0009, 0016]
DE 3403657 A1 [0008]
DE 4016622 A1 [0008]
DE 19623055 A1 [0008]
DE 19532880 C1 [0008]
DE 102007020081 A1 [0008, 0010, 0016, 0036]
DE 102011100630 A1 [0008]

Claims

Wind- oder Wasserkraftanlage (1) zur Erzeugung elektrischen Stroms, mit zumindest einem in einem Rotorgehäuse (12, 13) drehbar gelagerten Rotor (2, 3), wobei der Rotor (2, 3) zumindest ein Rotorblatt (5) mit einer Luft- oder Wasserstrom-Angriffsfläche (19) aufweist, deren Profilquerschnitt durch einen Ellipsenabschnitt (20) mit einem zwischen den Enden desselben angeordneten Scheitel „S” gebildet ist, und wobei in dem besagten Scheitel „S” ein Flächenelement (21) um eine Schwenkachse (22) am Rotorblatt (5) schwenkbar gelagert ist, welches zwangsgeführt in Abhängigkeit der Stellung des Rotorblattes (5) zum Luft- oder Wasserstrom (8) eine fensterartige Öffnung (23) im Rotorblatt (5) schließt oder öffnet.
Wind- oder Wasserkraftanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Ellipsenabschnitt (20) ein Halb-Ellipsenabschnitt (20) ist, wobei der Halb-Ellipsenabschnitt (20) durch einen Bereich einer Ellipse mit kleinen und großen Halbachsen „HA_kl., HA_gr.” gebildet ist, der aa) durch die den kleinen Halbachsen „HA_kl.” zugeordneten Neben-Scheitel „NS” der Ellipse oder ab) durch die den großen Halbachsen „HA_gr.” zugeordneten Haupt-Scheitel „HS” der Ellipse begrenzt ist, oder dass b) der Ellipsenabschnitt (20) kleiner einem Halb-Ellipsenabschnitt (20) ausgebildet ist.
Wind- oder Wasserkraftanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächenelement (21) symmetrisch zur Schwenkachse (22) ausgebildet ist.
Wind- oder Wasserkraftanlage (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächenelement (21) einen Bogenabschnitt (20a) des Ellipsenabschnitts (20) einnimmt, der sich aus einem Winkel „α” von 20° bis 40° ergibt und dessen Scheitelpunkt in den Schnittpunkt von Haupt- und Nebenachse (Mittelpunkt „M”) der Ellipse gelegt ist.
Wind- oder Wasserkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwangsführung für das Flächenelement (21) eine Kulissensteuerung (24) aufweist.
Wind- oder Wasserkraftanlage (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kulissensteuerung (24) durch zumindest eine fest mit dem Rotorgehäuse (12, 13) verbundene Kulisse (24a) gebildet ist, in der ein mit dem Flächenelement (21) verbundener Kulissenstein (24b) gleit- oder wälzgelagert geführt ist.
Wind- oder Wasserkraftanlage (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kulisse (24a) durch eine geschlossene Kurve gebildet ist.
Wind- oder Wasserkraftanlage (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die geschlossene Kurve abschnittsweise auf zueinander konzentrisch angeordneten Kreisen (25a, 25b) verläuft.
Wind- oder Wasserkraftanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr gleichmäßig über den Umfang des Rotors (2, 3) verteilt angeordnete Rotorblätter (5) mit je einem zwangsgeführten schwenkbaren Flächenelement (21) vorgesehen sind, wobei alle Flächenelemente (21) eine Kulissensteuerung (24) mit einer gemeinsamen Kulisse (24a) aufweisen.
Rotor (2, 3) für eine Wind- oder Wasserkraftanlage (1), mit zumindest einem Rotorblatt (5), welches eine Luft- oder Wasserstrom-Angriffsfläche (19) aufweist, deren Profilquerschnitt durch einen Ellipsenabschnitt (20) mit einem zwischen den Enden desselben angeordneten Scheitel „S” gebildet ist, wobei in dem besagten Scheitel „S” ein Flächenelement (21) um eine Schwenkachse (22) am Rotorblatt (5) schwenkbar gelagert ist, welches zwangsgeführt in Abhängigkeit der Stellung des Rotorblattes (5) zum Luft- oder Wasserstrom (8) eine fensterartige Öffnung (23) im Rotorblatt (5) schließt oder öffnet.