DE102014108177A1

DE102014108177A1 - Vertikalrotor und diesen umfassende Wind- oder Wasserturbine

Info

Publication number: DE102014108177A1
Application number: DE102014108177.3A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-06-11
Filing date: 2014-06-11
Publication date: 2015-12-31

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Vertikalrotor für eine Kraftmaschine sowie eine diesen umfassende Wind- oder Wasserturbine. Der Vertikalrotor weist eine vertikal verlaufende Achse sowie mindestens drei, um die Achse winkelmäßig gleichverteilte Rotorblätter, die jeweils durch eine radiale Strebe mit der Achse verbunden sind, auf. Jede Strebe mit der Achse fest verbunden ist. Ferner weist jedes Rotorblatt eine erste und eine zweite zumindest näherungsweise parallel zur Achse verlaufende Seite auf, wobei die erste Seite mittels eines Gelenks mit einem freien Ende einer der Streben verbunden ist und die zweite Seite durch mindestens ein Seil mit dem freien Ende einer benachbarten Strebe oder mit der Achse beweglich verbunden ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Vertikalrotor für eine Kraftmaschine, die eine vertikal verlaufende Achse sowie mindestens drei, um die Achse winkelmäßig gleichverteilte Rotorblätter aufweist, wobei die Rotorblätter jeweils durch eine radiale Strebe mit der Achse verbunden sind und jede Strebe mit der Achse fest verbunden ist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine einen solchen Vertikalrotor umfassende Wind- oder Wasserturbine.
Stand der Technik
Vertikalwindturbinen bzw. Horizontalrad-Wassermühlen weisen Rotoren mit einer vertikal verlaufenden Rotationsachse auf. Dies hat den Vorteil, dass die Drehbewegung unabhängig von der Windrichtung bzw. Fließrichtung des Wassers ist. Diese Bauart ist insbesondere für Windturbinen vorteilhaft, da diese im Vergleich zu Windturbinen mit horizontaler Rotationsachse unempfindlicher gegenüber wechselnden Windrichtungen und wechselnden Windstärken sind.
Eine Vertikalwindturbine ist beispielsweise aus der DE 10 2011 118 844 A1 bekannt, wobei Rotorblätter mit einer Profilnase und zwei beiderseits der Profilnase gegenüber liegenden Profilseiten an radial verlaufenden Streben um eine vertikale Rotationsachse angeordnet sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen robusteren und universeller einsetzbaren Vertikalrotor mit einer möglichst optimalen Leistungskennlinie bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß Anspruch 1 gelöst.

[A01] Der erfindungsgemäße Vertikalrotor für eine Kraftmaschine weist eine vertikal verlaufende Achse sowie mindestens drei, um die Achse winkelmäßig gleichverteilte Rotorblätter auf. Die Rotorblätter sind jeweils durch eine radiale Strebe mit der Achse verbunden, wobei jede Strebe fest mit der Achse verbunden ist. Jedes Rotorblatt weist eine erste und eine zweite zumindest näherungsweise parallel zur Achse verlaufende Seite auf, wobei die erste Seite mittels eines Gelenks mit einem freien Ende einer der Streben verbunden ist und die zweite Seite durch mindestens ein Seil mit dem freien Ende einer weiteren benachbarten Strebe oder mit der Achse beweglich verbunden ist.

Jedes Rotorblatt kann nach innen in Richtung der Achse bzw. der radialen Stütze hin einklappen. Das Aufklappen der Rotorblätter wird durch das Seil begrenzt. Unter Seil wird ein längliches, biegeschlaffes Element verstanden, welches eine Zugkraft zu übertragen vermag.
Bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten des antreibenden Mediums, z.B. schwachem Wind, reduziert sich durch das Einklappen einzelner Rotorblätter, also das nach innen Klappen zur Achse hin, der Strömungswiderstand. Dadurch wird der erfindungsgemäße Vertikalrotor bereits bei sehr geringen Strömungsgeschwindigkeiten in eine Rotationsbewegung versetzt, wobei sich jedes Rotorblatt während einer Umdrehung des Vertikalrotors einmal ein- und ausklappt.
Bei stärkeren Strömungsgeschwindigkeiten bleiben die Rotorblätter während einer Umdrehung des Rotors ständig ausgeklappt, wodurch auch bei starken Strömungsgeschwindigkeiten eine stabile Rotationsbewegung und eine möglichst geringe Belastung der Komponenten sichergestellt werden.
Durch die bewegliche Anordnung der Rotorblätter wird somit ein optimales Drehverhalten des Vertikalrotors erreicht. Der Vertikalrotor kann bereits durch sehr geringen Strömungsdruck, z.B. geringe Windgeschwindigkeiten, in Gang gesetzt werden und hält andererseits auch sehr großem Strömungsdruck, z.B. hohen Windgeschwindigkeiten stand. Solche Vertikalrotoren eignen sich besonders gut für Windturbinen, da keine Windrichtungsnachführung notwendig ist und solche Vertikalrotoren besonders unempfindlich gegen wechselnde Windstärken oder Windrichtungen sind. Darüber hinaus können ein Generator und/oder ein Getriebe in Bodennähe unterhalb des Vertikalrotors angeordnet werden, wodurch sie leicht zugänglich sind.
Der erfindungsgemäße Vertikalrotor kann auch von einem anderen Medium als Luft bzw. von jedem beliebigen strömenden Medium, beispielsweise von Wasser bewegt bzw. angetrieben werden. Die Abmessungen des erfindungsgemäßen Vertikalrotors und die Größe der Rotorblätter können von wenigen Dezimetern bis zu einigen Metern oder mehr reichen. Dies macht den Vertikalrotor universell einsetzbar.

[A02] Vorteilhafterweise ist jedes Rotorblatt durch mindestens zwei Streben mit der Achse verbunden, wodurch auf einfache Weise eine sehr stabile Konstruktion erreicht wird. Insbesondere bei größeren Rotorblättern können auch noch weitere radiale Streben pro Rotorblatt zur Stabilisierung vorgesehen werden.
[A03] Vorteilhafterweise sind die Gelenk zumindest in eine zur Achse senkrechten Richtung bewegbar, wodurch auf einfache Weise ein optimales Klappverhalten der Rotorblätter erreicht wird.
[A04] Vorteilhafterweise sind die Rotorblätter als rechteckige Platten ausgebildet. Hierdurch wird nicht nur eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung ermöglicht, sondern auch eine optimale Übertragung der Strömungsenergie auf die Achse des Vertikalrotors erreicht.
[A05] Vorteilhafterweise sind die Rotorblätter als rechteckige Segel ausgebildet, was eine weitere einfache und kostengünstige Variante darstellt.
[A06] Vorteilhafterweise ist eine Länge der Streben größer als eine Breite der Rotorblätter. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Rotorblätter vollständig einklappen können bzw. das Einklappen höchstens von einer Länge des Seils begrenzt wird.
[A07] Vorteilhafterweise ist eine Länge der Seile kleiner als eine Länge der Streben, wodurch die Rotorblätter auch im vollständig eingeklappten Zustand jeweils einen Winkel zu der jeweiligen radialen Strebe einschließen. Hierdurch wird ein besonders optimales Klappverhalten und damit ein stabiles Rotationsverhalten erreicht.
[A08] Vorteilhafterweise weist der Vertikalrotor vier Rotorblätter auf, was insbesondere bei einer Verwendung als Windrad bzw. als Teil einer Windturbine zu besonders optimalen Ergebnissen hinsichtlich Stabilität und Energieausbeute führt.
[A09] Vorteilhafterweise weist der Vertikalrotor mindestens sechs Rotorblätter auf, wobei jeweils mindestens drei Rotorblätter in einer unteren Ebene und jeweils drei Rotorblätter in einer oberen Ebene angeordnet sind und wobei die Streben der Rotorblätter der unteren Ebene zu den Streben der Rotorblätter der oberen Ebene winkelmäßig versetzt angeordnet sind. Hierdurch ist es möglich Rotorblätter in möglichst vielen Winkelstellungen um die Achse herum zu verteilen, wodurch der Vertikalrotor besonders unempfindlich gegenüber Windrichtungswechseln wird und eine Hohe Energieausbeute erreicht wird.
[A10] Vorteilhafterweise weist der Vertikalrotor eine Haltevorrichtung auf, die mindestens einen zwei vertikale Stützpfeiler aufweist, die in jeweils gleichem Abstand zur Achse angeordnet sind und über eine Führung und/oder ein Lager mit einem oberen Ende der Achse verbunden sind. Dies stellt eine besonders einfache und kostengünstige Haltevorrichtung dar, wodurch die Stabilität des Vertikalrotors deutlich erhöht werden kann. Die Stützpfeiler können beispielsweise fest auf dem Untergrund befestigt werden.
[A11] Weiterhin betrifft die Erfindung eine Wind- oder Wasserturbine zur Umwandlung der kinetischen Energie eines strömenden Mediums in elektrische Energie, die einen Vertikalrotor mit den vorab beschriebenen Merkmalen aufweist. Aufgrund der beschriebenen Vorteile eignet sich der vorbeschriebene Vertikalrotor besonders zur effizienten und zuverlässigen Energiegewinnung mittels einer Wind- oder Wasserturbine.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1A, B schematisch eine Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Vertikalrotor mit drei bzw. vier Rotorblättern,
2A, B eine Skizze einer Haltevorrichtung für einen erfindungsgemäßen Vertikalrotor und
3 schematisch einen erfindungsgemäßen Vertikalrotor mit zwei Ebenen.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1A und 1B ist eine Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Vertikalrotor 1 skizziert. Der Vertikalrotor 1 weist eine Achse 2, beispielsweise eine stabile Metallstange, auf von der sich radiale Streben 3 nach außen erstrecken. Die radialen Streben 3 sind um die Achse 2 winkelmäßig gleich verteilt und jeweils fest mit der Achse 2 verbunden. Die radialen Streben 3 können beispielsweise ebenfalls Metallstangen sein, die mit der Achse 2 beispielsweise verschweißt sind. Jede radiale Strebe 3 weist ein freies Ende 4 auf, an dem ein Rotorblatt 5 angeordnet ist. Jedes Rotorblatt 5 ist hierfür mit einer näherungsweise parallel zur Achse 2 verlaufenden ersten Seite 6 über ein Gelenk 7 mit dem freien Ende 4 verbunden. Ferner weist jedes Rotorblatt 5 eine der ersten Seite 6 gegenüberliegende Seite 8 auf, welche über ein der Übersichtlichkeit halber gestrichelt dargestelltes Seil 9 mit einer weiteren, benachbarten radialen Strebe 3 verbunden ist. Diese zweiten Seiten 8 könnten alternativ auch jeweils über ein Seil 9 mit der Achse verbunden sein.
Während in 1A ein Vertikalrotor 1 mit vier Rotorblättern 5 dargestellt ist, weist der Vertikalrotor 1 der 1B lediglich drei Rotorblätter 5 auf. Letzteres kann insbesondere bei einem strömenden Medium, wie Wasser, besonders vorteilhaft sein. Die dargestellten Rotorblätter 5 sind alle rechteckig ausgebildet. Eine Größe der Rotorblätter 5 kann je nach Anwendungsbereich von wenigen Dezimetern Seitenlänge bis zu einigen Metern oder mehr variieren. Eine rechteckige Form bietet sich an, ist jedoch nicht Voraussetzung für die Funktion des Vertikalrotors 1. So sind sowohl andere Formen als auch Aussparungen, Öffnungen oder Löcher in den Rotorblättern 5 möglich. Die Rotorblätter 5 können ferner auch als Segel ausgebildet sein. Als Material kann beispielsweise Metall, Holz, Kunststoff oder auch eine textile Plane für die Rotorblätter 5 eingesetzt werden. Prinzipiell ist jedes flächige Material geeignet, welches eine ausreichende Stabilität und Wetterbeständigkeit aufweist.
Sowohl die Achse 2 als auch die radialen Streben 3 können ebenfalls aus anderen Materialien, z.B. Kunstoffe oder Holz, bestehen, solange eine ausreichende Stabilität für das gewünschte Anforderungsprofil sichergestellt wird. Zur Stabilisierung können die Rotorblätter auch jeweils durch zwei oder mehr radiale Streben 3 und/oder jeweils zwei oder mehr Seile mit der Achse 2 bzw. der benachbarten Strebe 3 verbunden sein.
2A veranschaulicht ferner eine Haltevorrichtung 10 zur Stabilisierung eines Vertikalrotors 1. Die Haltevorrichtung 10 weist vier Stützpfeiler 11 auf, die parallel zur Achse 2 verlaufen und über Querträger 12 miteinander verbunden sind. Mittels einer Führung 13 oder eines Lagers 13 sind die Querträger 12 mit der Achse 2 verbunden, so dass diese sich frei drehen kann und zumindest in horizontaler Richtung geführt wird.
Eine solche Haltevorrichtung kann auch mit nur zwei oder drei Stützpfeilern 11 oder auch mit mehr als vier Stützpfeilern umgesetzt werden. Dies richtet sich im Wwesentlichen nach den Stabilitätsanforderungen, der Größe des Vertikalrotors und den Fertigungskosten. In 2B ist eine Haltevorrichtung 10 mit zwei beispielsweise fest mit dem Boden zu verbindende Stützpfeilern 11 in einer seitlichen Ansicht skizziert. Ferner ist in 2B skizziert, wie ein Wandler, beispielsweise ein Generator und/oder ein Getriebe, in Bodennähe, leicht zugänglich an einem unteren Ende der Achse 2 des Vertikalrotors 1 angeordnet werden kann, um die Rotationsenergie in beispielsweise in elektrische Energie umzuwandeln.
Zur Stabilisierung könnten auch Rollen bzw. Räder an einer nach unten zeigenden Seite der Rotoblätter so angeordnet werden, dass diese bei einer Rotation des Vertikalrotors mit dem Boden in Berührung stehen.
In 3A ist ein Vertikalrotor 1 mit zwei Ebenen 14, 15 dargestellt. An der bzw. um die Achse 2 sind Rotorblätter sowohl winkelmäßig verteilt, als auch übereinander angeordnet und zwar so, dass die radialen Streben 3 der unteren Ebene 14 zu den radialen Streben 3 der oberen Ebene 15, die der Übersichtlichkeit halber strichpunktiert dargestellt sind, hinsichtlich einer Umlaufrichtung um die Achse 2 versetzt angeordnet sind.
Diese Ausführungsvariante zeichnet sich durch ein besonders leichtes Anschwingverhalten aus, ein solcher Vertikalrotor wird also schon durch besonders geringe Windstärken bzw. Strömungsgeschwindigkeiten des antreibenden Mediums bewegt und kann für eine besonders gute Energiegewinnung sorgen.
Bezugszeichenliste

1: Vertikalrotor
2: Achse
3: radiale Strebe
4: freies Ende der radialen Strebe
5: Rotorblatt
6: ersten Seite des Rotorblatts
7: Gelenk
8: der ersten Seite 6 gegenüberliegende Seite des Rotorblatts
9: Seil
10: Haltevorrichtung
11: Stützpfeiler
12: Querträger
13: Führung oder Lager
14: erste Ebene
15: zweite Ebene
16: Wandler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011118844 A1 [0003]

Claims

Vertikalrotor für eine Kraftmaschine, aufweisend eine vertikal verlaufende Achse sowie mindestens drei, um die Achse winkelmäßig gleichverteilte Rotorblätter, die jeweils durch eine radiale Strebe mit der Achse verbunden sind, wobei jede Strebe mit der Achse fest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Rotorblatt eine erste und eine zweite zumindest näherungsweise parallel zur Achse verlaufende Seite aufweist, wobei die erste Seite mittels eines Gelenks mit einem freien Ende einer der Streben verbunden ist und die zweite Seite durch mindestens ein Seil mit dem freien Ende einer benachbarten Strebe oder mit der Achse beweglich verbunden ist.
Vertikalrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Rotorblatt durch mindestens zwei Streben mit der Achse verbunden ist.
Vertikalrotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenk zumindest in eine zur Achse senkrechten Richtung bewegbar sind.
Vertikalrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dass die Rotorblätter als rechteckige Platten ausgebildet sind.
Vertikalrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dass die Rotorblätter als rechteckige Segel ausgebildet sind.
Vertikalrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dass eine Länge der Streben größer ist als eine Breite der Rotorblätter.
Vertikalrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dass eine Länge der Seile kleiner ist als eine Länge der Streben.
Vertikalrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dass der Vertikalrotor vier Rotorblätter aufweist.
Vertikalrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dass der Vertikalrotor mindestens sechs Rotorblätter aufweist, wobei jeweils mindestens drei Rotorblätter in einer unteren Ebene und jeweils drei Rotorblätter in einer oberen Ebene angeordnet sind und wobei die Streben der Rotorblätter der unteren Ebene zu den Streben der Rotorblätter der oberen Ebene winkelmäßig versetzt angeordnet sind.
Vertikalrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dass der Vertikalrotor eine Haltevorrichtung aufweist, die mindestens zwei vertikale Stützpfeiler aufweist, die in jeweils gleichem Abstand zur Achse angeordnet sind und über eine Führung und/oder ein Lager mit einem oberen Ende der Achse verbunden sind.
Wind- oder Wasserturbine zur Umwandlung der kinetischen Energie eines strömenden Mediums in elektrische Energie, dadurch gekennzeichnet, dass die Wind- oder Wasserturbine einen Vertikalrotor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.