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Einleitung
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Die Erfindung betrifft das Gebiet der Energieerzeugung mit Schaufelrädern. Insbesondere betrifft die Erfindung das Gebiet der Energieerzeugung aus Wind.
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Stand der Technik und Nachteile
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Schaufelradbetriebene Anlagen zur Energieerzeugung sind hinlänglich bekannt. Das Prinzip dieser Anlagen beruht darauf, einem fluiden Medium wie beispielsweise Luft, aber auch Wasser, einen Widerstand entgegen zu setzen. Der durch den kontinuierlichen Massenstrom des Mediums (Wind, Wasserströmung) bereitgestellte Impuls übt eine Druckkraft auf einen oder mehrere schräggestellte Flügel (auch Blatt genannt) aus, der bzw. die mit einem Ende an einer Welle befestigt sind. Aufgrund des Anstellwinkels des Flügels und seiner Kopplung mit der Welle wird die Druckkraft des fluiden Mediums in eine Rotationskraft umgewandelt. Die so bereitgestellte Energie kann mechanisch abgegriffen (z.B. zum Wasserpumpen) oder bevorzugt in elektrische Energie umgewandelt und verbraucht oder gespeichert werden.
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Ein Typ der bekannten, nachfolgend vereinfachend auch Windräder genannten Anlagen zur Energieerzeugung aus Wind haben eine Welle mit einer Rotationsachse, die in etwa horizontal verläuft und parallel zur Strömungsrichtung orientiert ist. Die Bewegungsrichtung des fluiden Mediums steht weder senkrecht zur Oberfläche des Flügels, noch parallel zu dieser. Sie weist vielmehr einen Anstellwinkel auf, der zwischen 0 und 90 Grad beträgt und typischerweise zwischen 15 und 75 Grad liegt. Auch Flügel mit entlang ihrer Längsachse variierenden Anstellwinkeln, vergleichbar mit Propellern, sind wohlbekannt. Die typischerweise in Mehrzahl vorhandenen, den so genannten Rotor bildenden Rotorblätter sind sternförmig um die Rotationsachse an der so genannten Nabe angeordnet und stehen in etwa senkrecht zur Rotationsachse.
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Ein anderer Typ von Windkraftanlagen nutzt vertikal verlaufende, senkrecht zur Strömungsrichtung orientierte Rotationsachsen. Anlagen solchen Aufbaus zeigen die Druckschriften
DE 100 46042 A1 ,
DE 20 2010 015 298 U1 ,
DE 3303532 A1 ,
DE 2 004 687 und
G 86 27 289.6 . Allen diesen Anlagen ist gemein, dass sie umklappbare Flügel besitzen, was dazu führt, dass ihre Windangriffsfläche variabel ist. Nur während der Phase, in welcher ein Flügel tatsächlich Windenergie aufnehmen kann, also eine Bewegungskomponente aufweist, die parallel zur Windrichtung verläuft, bietet er dem Wind die volle Angriffsfläche (Antriebsphase). In der Phase, in welcher sich der Flügel entgegen der Windrichtung bewegt, klappt der Flügel um, so dass seine Windangriffsfläche minimal wird (Rücklaufphase). Die Änderung der Größe der Windangriffsfläche ist demnach bei jeder Halbrotation nötig. Die Form der Flügel ist jederzeit identisch; typischerweise bestehen die Flügel aus einfachen, rechteckigen Platten.
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Zur Erhöhung der Energieausbeute lassen sich auch mehrere Rotatoren mit einer Welle verbinden; eine solche Anlage offenbart beispielsweise die Druckschrift
DE 20 2009 010 729 U1 .
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Vergleichbare Lösungen sind in den Druckschriften
DE 10 2009 028 946 A1 und
WO 96 34197 A1 gezeigt, in denen jeweils zwei Rotoren sehr nah aneinander liegend auf derselben Welle angeordnet sind ("Zwillingsrotor"). Die Achsen, um welche die Flügel umklappen ("Klappachsen"), verlaufen jeweils an ihren in Längsrichtung verlaufenden Außenkanten. Die Klappachsen der Flügel beider Rotoren liegen nah beieinander, die beiden übrigen in Längsrichtung verlaufenden Außenkanten vollführen die maximale Klappbewegung. Somit entsteht, aus der Ferne betrachtet, der Eindruck eines einzigen Rotors mit variabler Windangriffsfläche. Die Anordnung erlaubt sehr Platz sparende Anlagen.
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Nachteilig an solchen Anlagen ist die Tatsache, dass zur Erhöhung der Windangriffsfläche (und somit der Windausbeute) über den vorstehend beschriebenen "Zwillingsrotor" hinaus (neben der bloßen Vergrößerung der Flügel) immer mehr solcher Rotoren übereinander anzuordnen sind.
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Eine solche Anlage mit mehrstufiger Anordnung ist beispielsweise aus der Druckschrift
WO 2011 116440 A1 bekannt.
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Eine Anlage mit vertikaler Rotationsachse, jedoch ohne Flügel mit variabler Windangriffsfläche ist beispielsweise in der Druckschrift
US 2012 099994 A1 gezeigt. Die Möglichkeit des Verzichts auf die Variabilität wird durch die besondere, verhältnismäßig komplizierte Flügelform erreicht. Ein Ersetzen eines derartigen Flügels ohne spezielle Werkzeuge zu seiner Herstellung ist jedoch nicht möglich. Somit eignet sich eine solche Anlage nicht zum Betrieb in abgelegenen Gebieten, in denen derartige Werkzeuge nicht verfügbar sind.
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Die Variabilität der Windangriffsfläche ist im Übrigen auch bei Windrädern mit horizontaler Drehachse bekannt. So offenbart beispielsweise die Druckschrift
JP 2006 307 816 A eine Lösung, bei der die Flügel eine variable Länge aufweisen können, um sich ändernden Windkräften Rechnung zu tragen. Gewöhnlich jedoch erfolgt eine Änderung der Größe der Windangriffsfläche bei derartigen Windrädern durch Kippen der Flügel um ihre Längsachse. Solange sich die Windverhältnisse nicht ändern und keine Änderung der Leistung erwünscht ist, bleiben die Flügel derartiger Windräder jedoch in derselben Lage relativ zur Welle.
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Ein weiterer, jedoch kaum verbreiteter Typ von Windkraftanlagen ist vergleichbar dem Schaufelrad einer Wassermühle aufgebaut. Die Rotationsachse verläuft horizontal und steht senkrecht zur Strömungsrichtung. Eine solche Anordnung zeigt beispielsweise die Patentschrift
DE 42027 . Während der Veränderung der Größe der Windangriffsfläche je Halbrotation ändert sich jedoch auch der Schwerpunkt des jeweiligen Rotorblatts, so dass eine Unwucht entsteht, welche dem Vortrieb des Schaufelrades gerade entgegenwirkt.
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Da die Energieausbeute von Windraftanlagen mit der Windangriffsfläche der Flügel steigt, werden immer größere Anlagen angestrebt.
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Eine bekannte Maßnahme besteht in der Vergrößerung des Rotordurchmessers. Dies führt jedoch zu einer Reihe von Problemen. Die aufgrund der bei steigendem Rotordurchmesser überproportional steigenden Fliehkräfte verlangen nach extrem leistungsfähigen Materialien. Die Montage sehr großer Rotoren stößt bezüglich des Transports an den Aufstellort und bezüglich der Befestigung an der Nabe an technische Grenzen. Reparaturen sind ebenfalls nur unter hohem Aufwand möglich, was bei einem Einsatz auf See (Offshore-Windanlagen) noch verschärft wird.
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Eine andere bekannte Maßnahme (bei Windkraftanlagen mit vertikaler Rotationsachse) besteht in der Erhöhung der Anzahl der Rotoren auf einer Welle. Neben konstruktiven Problemen bei sehr großen / hohen Anlagen resultiert dies in einer Erhöhung der Biegekräfte auf die Welle. Besonders stark wirken sich hier die näher am distalen (oberen) Ende angeordneten Rotoren aus. Entsprechend groß dimensionierte Wellen, Fundamente und Lagerungen sind die Folge.
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Aufgabe der Erfindung und Lösung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Vermeidung der vorgenannten Nachteile. Insbesondere soll die Erfindung einen einfachen und kostengünstigen Aufbau einer Windkraftanlage erlauben und sowohl für kleine (kW-Bereich) als auch große (MW-Bereich) Anlagen geeignet sein (Skalierbarkeit). Auch die Wartung soll im Vergleich zu bekannten Anlagen vereinfacht sein.
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Die Aufgabe wird durch eine Anlage nach Anspruch 1, ein Verfahren zur Energieerzeugung nach Anspruch 11, sowie ein Verfahren zum Aufbau einer Anlage nach Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren zu entnehmen.
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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Energieerzeugung mittels Anströmens durch ein in einer Strömungsrichtung strömendes fluides Medium. Als fluides Medium kommt insbesondere Luft in Betracht, die Anlage kann aber auch mit Wasser betrieben werden. Erfindungsgemäß umfasst die Anlage eine um eine Rotationsachse rotierbare Welle sowie mindestens ein Rotorblatt, welches mit einem Ende radial an ihr angeordnet ist, und eine feste (also nicht variable) Länge und eine senkrecht zu ihr stehende Breite aufweist, die sich zwischen den beiden parallel zur Längsachse verlaufenden Außenkanten des Rotorblatts erstreckt. Auf diese Weise stellt das Rotorblatt, in Strömungsrichtung gesehen, eine Angriffsfläche für das fluide Medium bereit. Die Rotationsachse ist senkrecht zur Strömungsrichtung des fluiden Mediums und kollinear zur Schwerkraft angeordnet. Die Größe der Angriffsfläche des mindestens einen Rotorblatts im ist Wege der Rotation desselben um die Rotationsachse zwischen einem Minimum und einem Maximum veränderbar.
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Mit anderen Worten, der Rotor der erfindungsgemäßen Anlage steht im Betriebszustand nicht vertikal, sondern liegt horizontal zum Erdboden, sofern davon auszugehen ist, dass das fluide Medium strömende Luft oder strömendes Wasser ist, welche sich in etwa parallel zum Erdboden bewegt. Das Medium sollte dabei vorwiegend laminar strömen, oder zumindest in etwa parallele Strömungspfade aufweisen.
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Demnach ist die Angriffsfläche eines Rotorblatts, also die Fläche, welche dem strömenden Medium einen Widerstand entgegensetzt, in ihrer Größe variabel. Somit ist es möglich, dass das Rotorblatt in der Phase, in welcher es sich "im Wind" befindet, volle (maximale) Angriffsfläche bietet ("Antriebsphase"), während es in der Phase, in welcher es sich "entgegen dem Wind" bewegt, eine minimale Angriffsfläche aufweist ("Rücklaufphase"). Dies ist nötig, da der Rotor andernfalls sofort wieder zum Stehen kommen würde.
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Zur Änderung der Größe der Angriffsfläche ist es möglich, dass das Rotorblatt um seine Längsachse kippbar ist. Ein mit seiner Oberfläche senkrecht zur Strömungsrichtung des Windes stehendes Rotorblatt fixer Breite weist naturgemäß eine größere Angriffsfläche als ein solches Rotorblatt auf, dessen Oberfläche parallel zur Strömungsrichtung verläuft (die zur Aufnahme der Windkräfte vorgesehene "Oberfläche" mit ist demnach von den flachen langen "Außenkanten" zu unterscheiden).
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Vorzugsweise ist jedoch zur Änderbarkeit der Angriffsfläche des mindestens einen Rotorblatts dasselbe in seiner Breite veränderbar ausgestaltet. Das bedeutet, dass es dann gerade keine fixe Breite aufweist, wie viele der aus dem Stand der Technik bekannten Rotorblätter, bei welchen die Änderung der Größe der Angriffsfläche durch ein Kippen des Rotorblatts um seine Längsachse erreicht wird, so dass sich, in Strömungsrichtung gesehen, die dem Wind gebotene "effektive" Angriffsfläche verringert.
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In diesem bevorzugten Fall verlaufen dann außerdem Längsachse und die sich parallel zur ihr erstreckenden langen Außenkanten des Rotorblatts jederzeit in derselben, mit der Rotationsachse kollinearen oder zu ihr parallel versetzen Ebene. Vereinfacht ausgedrückt liegen die langen Außenkanten in einer gemeinsamen, senkrecht (zum Boden) verlaufenden Ebene. Diese wiederum verläuft entweder genau durch die Rotationsachse (exakt radial sich von ihr weg erstreckende lange Außenkanten, diese schneiden die Rotationsache), oder sie verläuft zur Rotationsachse parallel (die langen Außenkanten schneiden die Rotationsache nicht, spannen aber trotzdem eine senkrecht ausgerichtete Ebene auf).
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Auch diese konstruktive Ausgestaltung unterscheidet sich von den aus dem Stand der Technik bekannten "Kipplösungen", bei welchen die beiden langen Außenkanten gerade nicht jederzeit in einer senkrecht ausgerichteten Ebene liegen. Sie unterscheidet sich auch von den ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannten "Zwillingsrotoren". Zwar verläuft die durch die beiden langen Außenkanten eines "Zwillingsrotorblatts" aufgespannte Ebene senkrecht; jedoch liegt die Längsachse nur kurzzeitig ebenfalls in dieser Ebene, nämlich dann, wenn beide "Zwillingsrotorblätter" gerade die maximale Angriffsfläche bieten. In allen anderen Fällen liegt die Längsachse außerhalb dieser Ebene, sie eilt derselben, in Rotationsrichtung gesehen, voraus.
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Erfindungsgemäß umfasst die Anlage außerdem zur Erhöhung ihrer Steifigkeit ein konzentrisch zur Rotationsachse verlaufendes Lagergestell, in oder auf dem das distale Ende des Rotorblatts gelagert ist, und das am Boden verankerbar ist. Mit anderen Worten, das distale Ende eines Rotorblatts schwingt nicht frei, sondern es ist eine Lagerung bereitgestellt, welche am distalen Ende des Rotorblatts zumindest die nach unten wirkende Gewichtskraft desselben aufzunehmen imstande ist. Das Lagergestell seinerseits stützt sich am Boden ab, ist somit geeignet, die von ihm aufgenommenen Gewichtskräfte weiterzuleiten.
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Nach einer anderen Ausführungsform kann das Lagergestell auch weitere Kräfte, insbesondere radial wirkende Kräfte, und/oder solche Kräfte, die entgegen der Gewichtskraft wirken, aufnehmen. Es ist auch möglich, dass das distale Ende zumindest an einer Stelle fest mit dem Lagergestell verbunden ist, so dass sich eine besonders steife Konstruktion ergibt.
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Auf diese Weise ist es möglich, deutlich größere Rotoren aufzubauen, da ein Rotorblatt nicht mehr nur alleine von der Welle gehalten wird. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber den bekannten Anlagen, welche in ihrer Größe und somit Leistungsfähigkeit limitiert sind.
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Es ist klar, dass die Anlage vorzugsweise zur Bereitstellung elektrischer Energie genutzt werden kann. Daher ist es bevorzugt, dass sie einen entsprechenden Generator umfasst, oder einem solchen zugeordnet ist.
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Nach einer Ausführungsform ist das distale Ende des mindestens einen Rotorblatts beweglich im oder auf dem dann bevorzugt feststehenden Lagergestell gelagert. Mit anderen Worten, das Lagergestell ist im Wesentlichen fest mit dem Boden verankert, also unbeweglich, und das Rotorblatt ist gleitend oder rollend auf dem oder im Lagergestell gelagert. Der Vorteil einer solchen Konstruktion ist die besonders hohe Steifigkeit des Lagergestells, und dessen einfache Verankerung.
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Nach einer anderen Ausführungsform ist das Lagergestell rotierbar gelagert. Es kann demnach mit dem mindestens einen Rotorblatt mitrotieren. Es ist auch hier klar, dass die Lagerung möglichst reibungsarm sein muss. Demnach kann das Lagergestell mittels Räder, Rollen oder einer Gleitlagerung auf einer bevorzugt ringförmigen Führung oder einem Fundament gelagert sein.
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Nach einer weiteren Ausführungsform sind beide Arten der Lagerung zusammengefasst, das bedeutet, dass sowohl das Rotorblatt beweglich im Lagergestell, als auch letzteres um die Rotationsachse rotierbar gelagert ist.
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Bevorzugt umfasst die Anlage eine Mehrzahl von Rotorblättern, die symmetrisch zur Rotationsachse angeordnet sind, so dass ein (horizontal liegender, parallel zur Strömungsrichtung ausgerichteter) Rotor gebildet ist.
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Besonders bevorzugt umfasst die Anlage drei oder acht Rotorblätter. Bei drei Rotorblättern hat die Anlage den Vorteil, dass sich immer mindestens ein Rotorblatt in der Antriebsphase befindet, so dass die Anlage sich jederzeit selber starten kann. Acht Rotorblätter weisen den Vorteil auf, eine besonders gleichmäßige Antriebskraft zur Energieerzeugung bereitzustellen. Selbstverständlich sind auch andere Rotorblatt-Anzahlen möglich.
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Wird hingegen nur ein einziges Rotorblatt je Rotor verwendet, so muss der Schwung der Antriebsphase ausreichen, um das Rotorblatt durch die Rücklaufphase zu bringen. Vorzugsweise ist dann ein (nicht als Rotor ausgebildetes) Gegengewicht vorzusehen, um eine Unwucht auszugleichen.
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Ein Rotorblatt kann in Längsrichtung nicht nur durchgehend, sondern auch unterbrochen ausgestaltet sein. So weist die Anlage nach einer weiteren Ausführungsform mehrere konzentrische "Ringe" aus unterbrochenen Rotorblättern, so genannte "Rotorringe" auf, die zu einem Gesamtrotor ("Ringrotor") zusammengefasst sind.
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Die Anzahlen der Rotorblätter in den unterschiedlichen Ringen müssen dabei nicht immer gleich sein, d.h., ein weiter innen (näher an der Rotationsachse) liegender Rotorring kann mehr oder weniger Rotorblätter aufweisen als ein weiter außen liegender. Es ist aber klar, dass die Ringe derart mechanisch miteinander gekoppelt sind, dass sie alle mit derselben Winkelgeschwindigkeit um die Rotationsachse rotieren können. Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, dass jedes Rotorblatt ein von der Welle bis zum außenliegenden Rand des äußersten Rotorrings reichendes Element aufweist. Dieses stellt sicher, dass alle Teile des unterbrochenen Rotors gemeinsam und mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit rotieren (einfache mechanische Kopplung).
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Besonders bevorzugt dienen die "freien Stellen", welche sich durch die Unterbrechungen der Rotorblätter ergeben, ebenfalls zur (zusätzlichen) Lagerung der Rotorblätter zumindest in vertikaler Richtung, so dass eine weitere Vergrößerung der Anlage ermöglicht ist, ohne ein unzulässiges Durchhängen der Rotorblätter zu riskieren. Demnach ist das (Gesamt-)Lagergestell der gesamten Anlage vorzugsweise durch eine der Anzahl der Rotorringe entsprechende Anzahl von konzentrisch zueinander angeordneten Ring-Lagergestellen gebildet.
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Besonders bevorzugt haben das bzw. die Rotorblätter eine rechteckige Windangriffsfläche. Je nach Betriebsphase ist dieses Rechteck bei gleicher Basislänge möglichst hoch (Antriebsphase) oder flach (Rücklaufphase). Es ist alternativ möglich, dass die Größe der Windangriffsfläche, jedenfalls in der Antriebsphase, entlang der Längsachse des Rotorblatts variiert. Beispielsweise kann sich die Windangriffsfläche eines Rotorblatts vom Zentrum des Rotors zu seinem Rand hin vergrößern, also die Form eines Dreiecks haben, dessen Spitze zur Welle zeigt.
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Die Änderbarkeit der Größe der Windangriffsfläche kann auf verschiedene, auch miteinander kombinierbare Arten erfolgen.
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Nach einer ersten Ausführungsform ist das Rotorblatt in Richtung seiner Breite faltbar, also ziehharmonikaartig zusammenschiebbar bzw. auseinanderziehbar, ausgestaltet. Der oder die Bereiche, in denen die Richtungsänderungen der faltbaren Struktur vorliegen, können als Gelenke ausgearbeitet sein, so dass mehrere, sich in Längsrichtung erstreckende Segmente gelenkig miteinander verbunden sind, oder das gesamte Rotorblatt ist in Richtung seiner Breite einstückig ausgebildet, welches dann knickbare Bereiche aufweist.
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Aufeinander folgende Bereiche unterschiedlicher Orientierbarkeit grenzen vorzugsweise unmittelbar aneinander an. Sie haben auch eine gemeinsame Drehachse, um welche sich der jeweilige Bereich unterschiedlicher Orientierbarkeit herum dreht, wenn sich die Breite des Rotorblatts verändert. Die Bereiche der Richtungsänderungen (Gelenke oder Knicke) sind dabei so dicht, dass kaum oder kein fluides Medium hindurchströmen kann.
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Nach einer anderen Ausführungsform weist das Rotorblatt Segmente auf, die in Richtung seiner Breite ineinander schiebbar sind. Mit anderen Worten, das Rotorblatt ist in seiner Breite teleskopierbar ausgestaltet. Die Segmente können dabei aus festen Materialien (z.B. Holz, Kunststoff, Metall) oder biegeschlaffen Materialien (z.B. textilen Flächen, die ggf. mit festen Materialien ausgesteift werden), gebildet sein.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist eine bzw. sind beide der langen Außenkanten des Rotorblatts in vertikaler Richtung beweglich gehalten, und dazwischen ist eine elastische oder biegeschlaffe Folie gespannt. Es ist demnach möglich, die untere oder die obere lange Außenkante festzulegen, und die jeweils andere beweglich zu halten, so dass sich der Abstand zwischen den beiden langen Außenkanten im Wage einer vollen Rotation ändern kann. Alternativ sind beide langen Außenkanten aufeinander zu- und voneinander fortbewegbar.
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Eine elastische Folie ist vorzugsweise so bemessen, dass sie weder beim maximalen Abstand der langen Außenkanten reißt, noch beim minimalen Abstand derselben erschlafft. Eine biegeschlaffe Folie ist vorzugsweise so bemessen, dass sie beim maximalen Abstand der langen Außenkanten nicht reißt und ggf. diesen maximalen Abstand sogar begrenzt. Beim minimalen Abstand wird sie naturgemäß erschlaffen; sie wird sich aber nicht aufblähen, da die "Öffnung", welche durch die beiden langen Außenkanten gebildet ist, verschlossen ist, sondern sie wird lediglich im (Gegen-)Wind flattern.
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Nach einer anderen Ausführungsform ist mindestens eine der beiden langen Außenkanten des Rotorblatts beweglich gehalten und mit einer Bahn biegeschlaffen Materials wie einer Stoff- oder Folienbahn verbunden. Diese Bahn ist auf einer Rolle, die beispielsweise eine dieser beiden Außenkanten bildet oder an ihr positioniert ist, aufwickelbar und von dieser Rolle abwickelbar. Mit anderen Worten, die Gespanntheit der Bahn wird nicht durch deren Elastizität, sondern durch entsprechendes, periodisch wiederkehrendes Verbreitern bzw. Verschmälern erreicht. Das Material wird dabei auf einer oder zwei Rollen vorgehalten. Die Rolle ist vorzugsweise an einer der Außenkanten angeordnet oder bildet dieselbe. Die Rolle kann jedoch auch doppelt vorhanden sein und vom mittleren Bereich des Rotorblatts aus Material in Richtung der beiden langen Außenkanten bereitstellen bzw. in umgekehrter Richtung aufnehmen.
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Nach einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Änderung der Breite eines Rotorblatts motorisch. Ein Motor kann für alle Rotorblätter vorgesehen sein, oder jedes Rotorblatt weist seinen eigenen Antrieb auf.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist zum Zwecke der Veränderbarkeit der Breite am Lagergestell mindestens eine Kulissensteuerung (auch: Kulissenführung) bereitgestellt, welche mit mindestens einer der langen Außenkanten des mindestens einen Rotorblatts zusammenwirkt.
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Eine Kulissensteuerung zeichnet sich dadurch aus, dass sie auf mechanischem Wege die Position eines Gegenstands (Kulissenstein) führt, der sich entlang einer Bahn (Kulisse), die auch eine geschlossene Kurvenbahn wie insbesondere eine Kreisbahn sein kann, bewegt. Mit anderen Worten, mindestens eine der langen Außenkanten eines Rotorblatts wird auf einer am Lagergestell entlanglaufenden ersten Bahn geführt, welche entlang des Umfangs des Rotors einen variablen Abstand zur Bahn der anderen Außenkante aufweist, die ebenfalls am Lagergestell entlangläuft. Die Kulisse entspricht der Krümmung dieser ersten Bahn. Der Kulissenstein entspricht dem Berührungspunkt mit der (beispielsweise an ihr endenden) langen Außenkante. Letztere wird an diesem Berührpunkt somit durch die Kulisse geführt.
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Auch beide der langen Außenkanten können mit entsprechend gegenläufig steuernden Kulissen geführt werden.
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Für den Fall, dass der Rotor aus mehreren Rotorringen besteht (s.o.), ist vorzugsweise sicherzustellen, dass auch in den unterbrochenen Bereichen des Rotorblatts, wo dasselbe auf oder in den "Ring-Lagergestellen", s.o., gelagert ist, eine analog des äußersten Rings wirkende Kulissensteuerung vorhanden ist. Besonders bevorzugt ist eine der Anzahl der Rotorringe entsprechende Anzahl von Kulissensteuerungen vorhanden.
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Mit anderen Worten, die Anlage umfasst in einer Rotorebene mehrere konzentrisch angeordnete Kulissensteuerungen, mit welchen sowohl die Ober- und/oder Unterkanten (=langen Außenkanten) der Rotorblätter führbar sind, als auch die gesamte Anlage mechanisch versteifbar ist, und die zugleich mittels des Lagergestells der Lagerung der Rotorblätter dienen.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform wirkt die Kulissensteuerung derart mit mindestens einer der beiden langen Außenkanten des mindestens einen Rotorblatts zusammen, dass das (zeitliche) Verhältnis von Minimum und Maximum der Größe der Angriffsfläche während der Rotation um die Rotationsache gleich groß und maximal ist. Das bedeutet, dass die Antriebsphase und die Rücklaufphase in etwa gleich lang und dabei maximal sein sollen. Auf diese Weise wird die Energieausbeute maximiert, während der Energieverlust (in der Rücklaufphase) minimiert wird. Außerdem wird eine technisch nicht zu vermeidende Zwischenphase, in der ein Rotorblatt zwischen den beiden Endlagen hin- und herwechselt, nach Möglichkeit kurz gehalten.
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Nach einer anderen Ausführungsform weist die Anlage einen Ausricht-Antrieb zum Anpassen der Ausrichtung der Anlage an die Strömungsrichtung auf. Dieser Ausricht-Antrieb dient dazu, die Ausrichtung der vertikal stehenden Ebene, welche den Rotor (bzw. die Anlage) in den Antriebs- und den Rückführbereich aufteilt, in die bzw. parallel zur Strömungsrichtung auszurichten. Dies kann dadurch geschehen, dass die gesamte Anlage um ihre Rotationsachse rotiert wird, was dann sinnvoll ist, wenn die Positionen, in welchen die Wechsel zwischen minimaler und maximaler Angriffsfläche stattfinden, nicht variierbar sind. Weist die Anlage hingegen beispielsweise am Umfang verschiebbare Anschläge auf, welche den Beginn und das Ende der Antriebsphase kennzeichnen, so ist es ausreichend, wenn die Position dieser Anschläge je nach Strömungsrichtung entsprechend ausrichtbar ist.
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Nach einer anderen Ausführungsform weist eine Anlage nach vorstehender Definition eine Mehrzahl auf einer gemeinsamen Welle übereinander angeordnete Rotoren auf. Somit handelt es sich um eine mehrstufige Anlage zur Energieerzeugung. Es ist klar, dass die Energieausbeute mit der Anzahl der Rotoren auf einer Welle steigt. Es ist auch klar, dass je nach Größen- und Windverhältnissen optimale Anzahlen von Rotoren existieren, die vom Fachmann entsprechend berechnet und ausgeführt werden können.
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Besonders bevorzugt ist dann, dass die Rotoren auf der Welle in axialer Richtung verschiebbar und fixierbar sind. Somit ist ein einfacher Aufbau der Anlage dergestalt möglich, dass die Welle zunächst aufgerichtet und verankert wird, und die Rotoren anschließend in ihre Endhöhe heraufgezogen und dort fixiert werden. Der Zusammenbau der Rotoren aus Rotorblättern kann demnach auch am Boden erfolgen, was einen bedeutenden Vorteil gegenüber bekannten Anlangen darstellt. Zur Wartung können die Rotoren herabgelassen, und somit auf einfache Weise zugänglich gemacht werden. Aufwändige Arbeiten in großer Höhe und bei den dort oft herrschenden hohen Windgeschwindigkeiten sind nicht nötig.
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Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst die Anlage ferner einen Pufferspeicher für potenzielle Energie und/oder Rotationsenergie, welcher zur Energieaufnahme mittels der Welle anhebbar und/oder in Rotation versetzbar ist.
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Ein Speicher für potenzielle Energie ist beispielsweise ein Gewicht, welches durch mechanische Kopplung mit der Welle oder durch Elektromotoren, die von der durch die Welle bereitgestellte Energie gespeist werden, anhebbar ist. Auch Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, welches mittels der von der Welle bereitgestellten Energie auf ein höheres Niveau gepumpt wird, speichert potenzielle Energie.
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Ein Speicher für Rotationsenergie ist typischerweise ein Kreisel, welcher von der Welle in Rotation versetzt bzw. weiter beschleunigt wird.
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Es ist klar, dass ggf. notwendige Getriebe vorzusehen sind, um die Welle und mit ihr den oder die Rotoren nicht bei der Energiespeicherung zum Stillstand zu bringen. Es ist auch klar, dass Mittel vorzusehen sind, über welche die gepufferte Energie wieder abgegeben werden kann; vorzugsweise unmittelbar an einen Verbraucher oder den Generator, der ansonsten unmittelbar von der Welle angetrieben werden kann.
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Auf diese Weise kann überschüssige oder diskontinuierlich vorliegende Windenergie gepuffert und bei Bedarf abgerufen werden. Auch Belastungsspitzen können durch gleichzeitige Bereitstellung von erzeugter und gepufferter Energie besser abgefangen werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Energieerzeugung mittels Anströmens durch ein in einer Strömungsrichtung strömendes fluides Medium unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß vorstehender Definition, wobei die Größe der Angriffsfläche des mindestens einen, um die Rotationsachse der Welle rotierenden, Rotorblatts ihr Maximum aufweist, solange es eine Bewegungskomponente aufweist, welche parallel zur Strömungsrichtung verläuft, und ihr Minimum aufweist, solange es eine Bewegungskomponente aufweist, welche antiparallel zur Strömungsrichtung verläuft. Mit anderen Worten, solange die Strömungsrichtung des fluiden Mediums zum Antrieb des Rotors geeignet ist, ist die Größe der Angriffsfläche aller sich "im Wind" befindenden Rotorblätter maximal, und alle übrigen Rotorblätter weisen eine Angriffsfläche minimaler Größe auf, da sie sich in der Rücklaufphase befinden. Im Übrigen sei hierzu auf die obigen Ausführungen verwiesen.
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Zur Änderung der Größe Angriffsfläche des jeweiligen Rotorblatts wird dasselbe um seine Längsachse gekippt oder vorzugsweise in seiner Breite verändert (und nicht im seine Längsachse gekippt), wobei dann Längsachse und die sich parallel zur ihr erstreckenden langen Außenkanten jederzeit in derselben, mit der Rotationsachse kollinearen oder zu ihr parallel versetzten Ebene verlaufen. Mit anderen Worten, die Änderung der Angriffsfläche wird vorzugsweise durch ein tatsächliches Ändern der in vertikaler Richtung verlaufenden Breite des Rotorblatts und nicht durch Kippen des in der Breite unveränderten Rotorblatts erreicht.
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Zugleich ist das distale Ende des Rotorblatts jederzeit zumindest in vertikaler Richtung gelagert, um ein Durchhängen zu vermeiden. Auch hier sei im Übrigen auf die obenstehenden Ausführungen verwiesen.
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Da es technisch kaum möglich ist, übergangslos zwischen maximale und minimale großer Angriffsfläche (und somit Breite) zu wechseln, ist bevorzugt, dass die Größe der Angriffsfläche zwischen ihrem Maximum und ihrem Minimum einen Übergangsbereich abnehmender bzw. zunehmender Angriffsfläche durchläuft. Es ist jedoch klar, dass dieser Übergangsbereich möglichst kurz gehalten werden sollte. Wird eine Kulissensteuerung gemäß obigen Ausführungen verwendet, so weist diese für den Übergangsbereich vom Minimum zum Maximum einen Steigungswinkel auf. Der Beginn desselben markiert den Beginn der Phase der Vergrößerung der Angriffsfläche, und das Ende desselben markiert den Abschluss der Phase der Vergrößerung der Angriffsfläche. Analog dazu weist sie für den Übergangsbereich vom Maximum zum Minimum einer Gefällwinkel auf.
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Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Aufbau einer Anlage gemäß vorstehender Definition, wobei zunächst die Welle aufgerichtet und verankert wird, und anschließend die Rotoren in vertikaler Richtung entlang der Welle heraufgezogen und schließlich in einer voneinander beabstandeten Endposition verankert werden. Im Übrigen sei wiederum auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen.
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Wie gezeigt wurde, vermeidet die Erfindung die vorgenannten Nachteile es Standes der Technik. Insbesondere erlaubt die Erfindung einen einfachen und kostengünstigen Aufbau und ist sowohl für kleine (kW-Bereich) als auch große (MW-Bereich) Windkraftanlagen geeignet. Auch die Errichtung und die Wartung sind im Vergleich zu bekannten Anlagen vereinfacht. Durch die erfindungsgemäße Lagerung der Rotorblätter an ihrem distalen Ende und ggf. auch in den unterbrochenen Bereichen lassen sich sehr lange Rotorblätter ohne die Gefahr einer Beschädigung durch ihr Eigengewicht verwenden, was zu Anlagen mit großen Durchmessern führt. Zugleich dient das erfindungsgemäß vorgesehene Lagergestell einer generellen Versteifung der gesamten Anlage, so dass auch mehrstufige Anlagen mit entsprechend großen Höhen fertig- und aufbaubar sind.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Anlage;
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2 zeigt die verschiedenen Phasen bei der Veränderung der Größe der Angriffsfläche;
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3 zeigt die Stellung eines um seine Längsachse L kippbaren Rotorblatts 2;
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4 eine schematische Darstellung der Anlage mit mehreren Rotoren;
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5 eine schematische Darstellung eines Rotors mit mehreren Kulissensteuerungen;
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6 die zur 5 korrespondierende Stellung der Rotorblätter;
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7 eine Detailansicht der 6;
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8 ein Rotorblatt mit teleskopierbarer Breite;
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9 die Darstellung einer Anlage mit mehreren Rotoren.
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Die in der 1 gezeigte Anlage zeigt eine vertikal ausgerichtete und in Richtung der Schwerkraft G verlaufende, rotierbare Welle 1. An dieser sind nach der dargestellten Ausführungsform zwei Rotorblätter 2 symmetrisch angeordnet, die sich entlang ihrer Längsachse L (nur einmal eingezeichnet) in radialer Richtung von der Welle nach Außen hin erstrecken. Die Breite B eines Rotorblatts wird in vertikaler Richtung, also parallel zur Schwerkraft G, zwischen seinen beiden langen Außenkanten 2' gemessen.
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Die Rotationsrichtung R ist durch den Pfeil am oberen Ende der Welle 1 angedeutet.
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Die Strömungsrichtung S des fluiden Mediums wird durch die anderen beiden Pfeile symbolisiert, wobei diese nur zu besseren Visualisierung gekippt erscheinen (prinzipiell weisen sie in die Blattebene hinein).
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Das linke Rotorblatt 2 steht "im Wind" und weist eine Bewegungskomponente (nach "hinten") auf, die parallel zur Strömungsrichtung S verläuft. Seine Breite B ist maximal. Somit weist auch die Größe seiner Angriffsfläche A ein Maximum Amax auf, so dass das Rotorblatt vom fluiden Medium (z.B. Wind) in Rotationsrichtung R bewegt werden kann.
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Das rechte Rotorblatt 2 steht "entgegen zum Wind" und weist eine Bewegungskomponente (nach "vorn") auf, die antiparallel zur Strömungsrichtung S verläuft. Die Breite (ohne Bezugszeichen) ist minimal. Somit weist auch die Größe seiner Angriffsfläche A ein Minimum Amin auf, so dass das Rotorblatt möglichst wenig vom fluiden Medium gebremst wird, während es sich ihm entgegen bewegt.
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In der 2 sind verschiedene Phasen der in ihrer Größe variierenden Angriffsfläche gezeigt. Es sei bemerkt, dass bereits eingeführte Bezugszeichen aus Gründen der Übersichtlichkeit in dieser wie auch den folgenden Figuren teilweise weggelassen werden.
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Im oberen Teil der Figur sind zwei voneinander beabstandete Kreise in perspektivischer Darstellung gezeigt. Der untere Kreis zeigt den Pfad des äußersten Punktes der Unterkante eines Rotorblatts (nicht dargestellt). Dieser läuft auf einer flachen Kreisbahn. Der Pfad des äußersten Punktes der Oberkante des Rotorblatts hingegen durchläuft zwei (Haupt-)Phasen sowie zwei Übergangsphasen. In der rechten Bildhälfte ist der Abstand der beiden Kreisbahnen minimal, was einer minimal großen Angriffsfläche des Rotorblatts entspricht (Pfad von A nach B, Phase I). In der linken Bildhälfte ist der Abstand maximal, was einer maximal großen Angriffsfläche gleichkommt (Pfad von C nach D, Phase III). In der Übergangsphase B nach C wächst die Größe der Angriffsfläche (Phase II), in der Übergangsphase D nach A schrumpft sie wieder (Phase IV). Dementsprechend weist der obere Kreis zwischen B und C einen Steigungswinkel, und zwischen D und A einen Gefällwinkel auf.
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Im der 3 ist die Stellung eines um seine Längsachse L kippbaren Rotorblatts 2 gezeigt (Längsachse L und Rotorblatt 2 nur einmal mit Bezugszeichen versehen, Längsachse L nur einmal eingezeichnet). Zunächst weist das Rotorblatt eine minimal große Angriffsfläche Amin auf (Phase I). Danach nimmt die Größe der Angriffsfläche zu (Phase II). In der Phase III hat sie ihr Maximum Amax erreicht. Anschließend nimmt sie wieder ab (Phase IV), und der Rotationszyklus kann von Neuem beginnen.
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Die 4 zeigt eine mehrstufige Anlage mit einer Welle 1 und mehreren parallel zueinander angeordneten Rotoren 4, wobei auch die Rotorebene 4’ zu sehen ist, in welcher sich die Rotorblätter bewegen (nur der bzw. die oberste mit Bezugszeichen versehen). Durch entsprechend große Anzahlen von Rotoren 4 sind Anlagen auch für große Leistungen auf einfache Weise konzipierbar. Zur einfachen Montage sind die Rotoren auf der Welle 1 in axialer Richtung verschiebbar (vertikaler Doppelpfeil ohne Bezugszeichen).
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In der 5 ist eine schematische Darstellung einer Rotorebene 4’ mit mehreren Kulissensteuerungen 3 gezeigt. Diese sind konzentrisch zueinander angeordnet. Sie dienen einerseits der Führung der Oberkanten der Rotorblätter (nicht dargestellt), aber auch der mechanischen Versteifung der gesamten Anlage, wenn sie Teil eines Lagergestells (nicht gezeigt) sind, welches der Lagerung der Rotorblätter dient. Auf diese Weise lassen sich auch Anlagen mit extrem großen Rotordurchmessern, z.B. 100 m oder mehr, realisieren.
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In der linken Bildhälfte sind die Pfade, die die Ober- und Unterkanten der Rotorblätter (nicht gezeigt) abfahren, weiter voneinander beabstandet (maximale Breite und Angriffsfläche), und in der rechten Bildhälfte nahe beieinander (minimale Breite und Angriffsfläche).
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In der korrespondierenden 6 sind zusätzlich auch die Rotorblätter 2 eingezeichnet (nur zwei mit Bezugszeichen versehen). Wie unschwer erkennbar, weisen die in der linken Bildhälfte gezeigten Rotorblätter eine maximal große Angriffsfläche Amax aufgrund maximaler Breite (Bezugszeichen jeweils nicht eingezeichnet) auf, während die rechts im Bild gezeigten Rotorblätter eine minimal große Angriffsfläche Amin aufgrund minimaler Breite (Bezugszeichen ebenfalls nicht eingezeichnet) aufweisen. Die links dargestellten Rotorblätter werden demnach vom fluiden Medium (nicht dargestellt) angetrieben, während demselben die rechts im Bild gezeigten einen möglichst geringen Widerstand entgegen setzen.
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In der 7 ist ein Detail der vorstehenden 6 gezeigt. Es ist erkennbar, dass die Breite B des Rotorblatts 2 veränderbar ist, womit auch die Größe der Angriffsfläche A variierbar ist. Durch ziehharmonikaartiges Auseinanderziehen bzw. Zusammenschieben in Richtung der Breite B, was durch Ab- bzw. Aufwärtsbewegen der obenliegenden langen Außenkante 2’ erreicht werden kann, verändert sich ihr Flächeninhalt. Vorzugsweise wird zum Ab- bzw. Aufwärtsbewegen o.g. Kulissensteuerung verwendet. Es ist jedoch klar, dass auch andere, dem Fachmann bekannte Arten, die zu einer Veränderung der Breite B führen können, verwendbar sind. Insbesondere das Kippen einer einfachen rechteckigen Fläche um ihre Längsachse (nicht gezeigt, vgl. jedoch 3) sei hier genannt, welches ein einfaches und alternatives Mittel zum Verändern der Größe der "effektiven" Angriffsfläche A ist.
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In der 8 ist das Detail einer möglichen Ausführungsform betreffend ein in seiner Breite faltbares Rotorblatt 2 dargestellt. Durch einfache Gelenkverbindungen können einzelne Segmente des Rotorblatts 2 zusammengefaltet werden, um die Größe der Angriffsfläche wie gezeigt zu minimieren.
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Die 9 schließlich zeigt schematisch sechs übereinander angeordnete Rotoren (nur der oberste mit Bezugszeichen 4 versehen), wobei die "im Wind" befindlichen Rotorblätter (ohne Bezugszeichen) links im Bild dargestellt sind. Sie weisen eine deutlich größere Breite auf als die rechts im Bild dargestellten.
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Im unteren Teil des Bildes sind, ebenso wie ganz oben, vier umfänglich verteilte Kreise dargestellt (ohne Bezugszeichen). Diese symbolisieren die Anfangs- und Endpunkte von Stützen 5 (nur eine mit Bezugszeichen versehen), welche die Anlage in vertikaler Richtung durchziehen. An den Stützen sind umlaufende Ringe befestigt, welche der Lagerung der distalen Enden der Rotorblätter dienen (Lagergestell 7). Diese Konstruktion verleiht der Anlage eine deutlich höhere mechanische Stabilität. Auf diese Weise sind auch Anlagen mit extrem großen Höhen, z.B. mehrere hundert Meter, konstruierbar.
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Im unteren Bereich der Anlage ist ein als zylinderförmiges Gewicht ausgestalteter Pufferspeicher 6 für Energie angeordnet. Je nach konkreter Ausführungsform kann dieser mittels der von den Rotoren bereitgestellten Energie mechanisch von der Welle (nicht dargestellt) oder elektrisch in Rotation versetzt werden, um Rotationsenergie zu speichern, oder angehoben werden, um potenzielle Energie zu speichern. Beim Verlangsamen bzw. Absenken wird die so gepufferte Energie wieder frei und treibt beispielsweise einen Generator an (nicht dargestellt). Auch eine Kombination beider Speicherformen ist möglich; so kann das rotierbare Gewicht auf einer anhebbaren Plattform gelagert sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Welle
- 2
- Rotorblatt, Blatt
- 2'
- Außenkante (des Rotorblatts)
- 3
- Kulissensteuerung
- 4
- Rotor
- 4’
- Rotorebene
- 5
- Stütze
- 6
- Pufferspeicher
- 7
- Lagergestell
- S
- Strömungsrichtung
- R
- Rotationsachse
- A
- Angriffsfläche
- Amin
- Minimum (der Größe der Angriffsfläche)
- Amax
- Maximum (der Größe der Angriffsfläche)
- G
- Schwerkraft
- L
- Längsachse (des Rotorblatts)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10046042 A1 [0004]
- DE 202010015298 U1 [0004]
- DE 3303532 A1 [0004]
- DE 2004687 [0004]
- DE 8627289 U [0004]
- DE 202009010729 U1 [0005]
- DE 102009028946 A1 [0006]
- WO 9634197 A1 [0006]
- WO 2011116440 A1 [0008]
- US 2012099994 A1 [0009]
- JP 2006307816 A [0010]
- DE 42027 [0011]
