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Die Erfindung betrifft einen Windmühlenrotor, einen Windmühlenstator und eine Windmühle.
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Windmühlen werden zunehmend für die Energiegewinnung eingesetzt. Die übliche Bauart ist, dass ein sternförmiger Rotor bestehend aus einer axial liegenden Nabe und mehreren daran ansetzenden Flügeln (oft drei) von einem Mast gehalten wird. Bei Wind dreht der Rotor sich und treibt einen Generator an. Im Betrieb überstreichen die Rotorflügel quasi-periodisch eine Kreisfläche (Rotorfläche).
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Der Bedeckungsgrad der Rotorfläche mit Rotorflügeln ist relativ gering, da die randnahen Bereiche nur gering überdeckt sind. Im nabennahen Bereich wird die Zahl der Rotorflügel durch konstruktive Erfordernisse begrenzt. Radial auswärts können die Profile dieser Flügel größer werden. Aber zuletzt verjüngen sich die Profile in distaler Richtung wieder, da anders stabile Konstruktionen nicht möglich sind. Im randnahen Bereich ist die Zahl der Flügel höchstens die gleiche wie an der Nabe, und deren Profil ist relativ klein, so dass die Bedeckung gering ist. Dies hat mehrere Nachteile:
Zum einen ist die Energieausbeute geringer als möglich, da Teile des zugänglichen Querschnitts (nämlich die randnahen Bereiche zwischen je zwei Flügeln) nicht abgedeckt sind. Zum anderen erscheint die Fläche kaum gefüllt und wird so von Vögeln nicht als bewegliches Hindernis und damit als Gefahr erkannt. Insbesondere nach oben haben Vögel nur ein schwach ausgeprägtes Gesichtsfeld, so dass für sie insbesondere die Abwärtsbewegung der rotierenden Flügel einer Windmühle gefährlich ist. Massenhafter Vogeltod durch Kollision der Vögel mit Windmühlenflügeln ist die Folge.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Windmühlenrotor, einen Windmühlenstator und eine Windmühle anzugeben, bei denen die Rotorfläche besser als bei der bekannten Konstruktion gefüllt ist, um die mit der geringen Füllung einhergehenden Nachteile zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Angegeben wird ein Rotor für eine Windmühle, der einen ringförmig ausgebildeten Träger aufweist, an dem mehrere Flügel angebracht oder anbringbar sind, einen am Träger vorgesehenen Lagerungsbereich zum drehbeweglichen Lagern des Rotors an einem Stator, und einen Kopplungsbereich zum Verbinden des Rotors mit einem Generator.
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Der ringförmige Träger verlagert den Haltebereich für die Flügel nach radial außen, so dass er entsprechend dem Radius vergrößert ist und die Begrenzung durch eine zentral liegende Nabe aufgehoben ist. Es können deshalb mehr Flügel angebracht werden, so dass radial außen die Überdeckung der Rotorfläche mit Flügeln verbessert ist.
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Ein korrespondierender Stator ist so aufgebaut, dass er den drehbaren Träger drehbeweglich hält, indem er ihn von radial innen und/oder radial außen drehbeweglich hält und stützt. Rotor und Stator können zusammen ein Kugel- oder Rollen- oder Wälzlager bilden. Einer von beiden kann auch mehrere nach radial innen oder radial außen ragende Räder fest halten, die auf einer kreisringförmigen Laufbahn des anderen abrollen.
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Eine Windmühle weist den o.g. Rotor und den o.g. Stator auf. Zusätzlich sind Generatoreinrichtungen vorhanden, um elektrische Energie zu erzeugen.
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Nachfolgend werden Bezug nehmend auf die Zeichnungen Ausführungsformen und weitere Merkmale der Erfindung beschrieben, es zeigen
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1 eine schematische Seitenansicht einer Windmühle,
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2 einen Schnitt durch eine Ausführungsform des Aufbaus,
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3 schematisch eine Ausführungsform der Ankopplung eines Generators,
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4 mehrere Ausführungsformen eines Rotors,
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5 eine Ausführungsform eines Stators, und
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6 eine weitere Ausführungsform eines Rotors.
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In 1 bezeichnen 10 einen Rotor, 11 einen Stator, 12 einen Rotorträger, 13 mehrere Lagerungselemente für die gegeneinander drehbewegliche Verbindung von Stator 11 und Rotor 10, etwa Walzen oder Kugeln, 14 ein Drehgelenk mit vertikaler Drehachse zur Ausrichtung der Windmühle auf die herrschende Windrichtung, 15 die Flügel des Rotors, 16 eine Statorverankerung, die einen mehr oder minder langen Mast mit einem Fundament oder einer sonstigen Gründung aufweisen kann, 17 einen Generator und 18 die physisch nicht vorhandene Drehachse des Rotors. Zusammen bilden sie eine Windmühle für die Stromerzeugung.
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In der gezeigten Ausführungsform sind Stator 11 und Rotorträger 12 kreisringförmig ausgebildet, wobei der Stator außen liegt. An den sich gegenüberliegenden Außenflächen von Stator und Rotor können sie Laufrinnen 27, 28 für die Kugeln 13 oder Walzen eines Kugel- bzw. Wälzlagers haben, wie dies im Schnitt der 2 angedeutet ist.
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Die Flügel 15 ragen radial einwärts zum Rotormittelpunkt hin. Die Flügel können aerodynamisch für die Erzeugung dynamischen Vortriebs („lift“) geformt sein und über die Länge unterschiedlich große und angestellte Querschnittsprofile haben. Sie können sich zur Rotormitte 18 hin markant verjüngen. Das größte Querschnittsprofil (Fläche oder max. lineare Abmessung) kann in den radial äußeren 50% oder 35% oder 20% der Flügellänge liegen. Dies erhöht radial außen die Flächenfüllung und damit die Energieausbeute und die Wahrnehmbarkeit.
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Die Verankerung der Flügel 15 am Rotorträger 12 kann mittels eines Lagers 26 drehbeweglich um die Flügellängsachse sein, so dass Anpassungen an unterschiedliche Windverhältnisse möglich sind. Für diese Verdrehung ist geeignete Aktorik vorgesehen, ggf. auch geeignete Sensorik.
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Der Rotorträger 12 kann radial ganz außen auf der Rotorfläche liegen und nach radial innen ragende Flügel 15 tragen. Er kann aber auch weiter innen liegen, etwa einen Durchmesser zwischen 20% und 90% des Rotorflächendurchmessers haben und nach radial außen ragende Flügel und ggf. auch nach radial innen ragende Flügel tragen. Ggf. nach radial außen ragende Flügel können in radialer Richtung relativ kurz sein, etwa weniger als 50% oder weniger als 30% oder weniger als 20% der Länge der nach radial innen ragenden Flügel.
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Entsprechend dem Rotorträger 12 mit großem Durchmesser muss der Stator 11 einen großen Durchmesser haben, um die drehbewegliche Halterung bewirken zu können. Allgemein muss der Stator 11 die vertikale Gewichtskraft des Rotors 10 aufnehmen sowie horizontale Windkräfte, Kräfte aus Drehmomenten und darüber hinaus dynamische Kräfte wie Unwuchten oder ähnliches. Der Stator 11 kann radial außen und/oder radial innen am Rotor 10 angreifen. Um Kollisionen zwischen Flügeln 15 und Teilen des Stators 11 zu vermeiden, können Stator 11 oder Rotorträger 12 eine gewisse Abmessung in Richtung der physisch nicht vorhandenen Drehachse 18 haben, so dass die Flügel 15 in Richtung der Drehachse versetzt gegenüber den kritischen Statorteilen (z. B. dessen Mast 16) gehalten werden können.
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Wenn der Rotorträger 12 nach radial außen ragende Flügel 15 aufweist, können deren äußerste Enden über einen Haltering miteinander verbunden sein. Dies dient der mechanischen Stabilisierung und der Erhöhung der optischen Wahrnehmbarkeit des Rotors für Vögel.
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Die nach innen ragenden Flügel 15 können alle untereinander gleich sein oder unterschiedlich zueinander ausgebildet sein. Sie können gleich lang sein oder unterschiedliche Längen aufweisen. Die Längen oder Querschnittsflächen an einem gegebenen Radius können sich um mindestens 20 % oder mindestens 40 % unterscheiden. Es können bspw. abwechselnd lange (weit zur Mitte hin reichende) und kürzere Flügel über den Rotorumfang verteilt sein. Nimmt man bspw. unterschiedliche relative Längen von a und b an, kann das Verteilungsmuster über den Rotorumfang z. b. a-b-a-b-a-b- sein, aber auch komplexer a-c-b-c-a-c-b-c-a-c-b-c-, wobei „c“ die Länge des relativ kürzesten Flügels sein kann. Gleiches gilt für ggf. nach radial außen ragenden Flügel.
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Durch den weit außen liegenden Rotorträger 12 kann die Rotorfläche leichter als in bekannten Konstruktionen, die eine zentrale Nabe haben, mit Flügeln 15 bedeckt werden, so dass die die Rotorfläche durchsetzende Windleistung vollständiger abgegriffen werden kann. Gleichzeitig erscheint der Rotor 10 wegen der größeren Füllung und wegen des Rotorträgers 12 weniger transparent, so dass auch Vogelschlag verringert werden kann.
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2 zeigt schematisch einen Generator 17 bestehend aus Generatorrotor 23 und Generatorstator 24. Die Kopplung zwischen beiden kann rein induktiv ohne mechanische Kopplung ausgebildet sein. Generatorrotor 23 und Generatorstator 24 können radial oder axial voneinander beabstandet sein. Der Stator 24 kann Induktionsspulen aufweisen, die bei Drehung des Rotors 10 von einem veränderlichen Magnetfeld durchflutet werden und so elektrische Energie erzeugen, die über Leitungen 25 abgeführt werden kann. Der Generatorrotor 23 kann Dauermagneten und/oder Elektromagneten aufweisen. Generatorrotor 23 und/oder Generatorstator 24 können über einen Teilumfang oder über den ganzen Umfang des Stators 11 bzw. Rotors 10 ausgebildet sein.
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3 zeigt schematisch die mechanische Ankopplung eines Generators 32 an den Windmühlenrotor 10 bzw. dessen Träger 12. Der Generatorrotor kann mit dem Mühlenrotor etwa über einen (angedeuteten) Mechanismus mit Zahnkranz 33 und Zahnrad 31 oder mit einem Riemenantrieb verbunden sein. Der Generatorrotor dreht sich im Generatorstator und erzeugt dadurch abgreifbare elektrische Leistung.
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Der Generator 17, 23, 24, 32 kann funktional oberhalb des Drehgelenks 14 angebracht sein und sich dann bei Ausrichtung der Windmmühle mitdrehen, oder er kann fest gegründet sein, wenn die mechanische Leistung über einen geeigneten, nicht gezeigten Mechanismus an ihn übertragen wird.
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4 zeigt mehrere mögliche Ausführungsformen eines Windmühlenrotors 10, jeweils ohne Stator. 4a entspricht der Ausführungsform der 1. Die Verjüngung der Flügel hin zur Rotormitte ist angedeutet.
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4b zeigt eine Ausführungsform, bei der beide Flügelenden über Ringe 12, 41 miteinander verbunden sind. An beiden Enden kann ein Drehgelenk 26 vorgesehen sein. Der äußere Ring kann wieder der eigentliche Tragering 12 gegenüber dem Stator 11 sein, der innere 41 dient dann der mechanischen Aussteifung. Die Verhältnisse können aber auch andersherum dergestalt sein, dass der innere Ring der tragende ist und der äußere der Stabilisierung dient.
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In 4c sind ausgehend vom Rotorträger 12 Flügel 15b nach radial innen und Flügel 15a nach radial außen verlaufend gezeigt.
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In 4d berühren sich einige oder alle der Rotorflügel 15 in der Rotormitte, ohne dass dort allerdings eine tragende Welle wäre.
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In den 4a bis 4d sind die Rotorträger 12 geschlossen kreisringförmig angedeutet, sie können so Teil eines Kugel- oder Rollenlagers bilden. Stattdessen können für die drehbewegliche Halterung von Stator 11 und Rotor 10 gegeneinander auch mehrere fest gehaltene Räder 43 vorgesehen sein, um ein Radlager zu bilden. 4e symbolisiert das. Die Räder 43 weisen je eine Drehachse 44 auf, die fest am Rotorträger 12 gehalten ist. Die Räder 43 ragen nach radial außen. Der Rotorträger 12 muss dann nicht kreisringförmig gebildet sein, sondern kann polygonal ausgebildet sein und wie vorher beschrieben die Flügel 15, 15a, 15b radial einwärts ragend und/oder radial auswärts ragend tragen. Die Räder 43 können aber auch nach radial einwärts ragen und auf der nach außen weisenden kreisringförmigen Lauffläche eines Stators 11 abrollen. Das verringert die Baugröße des Stators 11.
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Es ist auch möglich, die Räder 51 bzw. deren Achsen 52 fest am Stator 11 anzubringen und diese auf einer kreisringförmigen Lauffläche 28 des Rotorträgers 12 abrollen zu lassen. Dies ist schematisch in 5 gezeigt. Der Stator kann dann allgemein ein Gestell mit mehreren Streben 53 aufweisen, das die Radachsen 52 geeignet um die Lauffläche 28 des Rotorträgers 12 herum verteilt positioniert hält.
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Allgemein werden bei Radlagern mehrere Räder über den Umfang und entsprechend dem Radius der Lauffläche der zugehörigen Lauffläche verteilt und fest gehalten. Die zugehörige Lauffläche kann radial innen oder radial außen liegen, wie dies durch die zwei gestrichelten Kreissegmente in 5 angedeutet ist.
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Bisher wurden Rotoren ohne Nabe beschrieben. 6 zeigt demgegenüber eine Ausführungsform eines Rotors mit einer physisch vorhandenen Welle/Nabe/Drehachse 61. Auch diese Ausführungsform weist einen ringförmig ausgebildeten Träger 62 auf, an dem mehrere nach radial innen ragende Flügel 15b angebracht sind. Mehrere oder alle der nach radial innen ragenden Flügel 15b sind mit der zentralen Welle 61 verbunden, die mit einem Generator gekoppelt oder koppelbar ist. Am Träger 61 können auch mehrere nach radial außen ragende Flügel 15a angebracht sein, die distal mit einem Außenring 63 verbunden sein können. Die Flügel 15 können auch wieder mittels eines oder mehrerer Gelenke 26 an einem bzw. beiden Enden drehbeweglich um die Längsachse gehalten sein.
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Auch diese Ausführungsform erhöht die Füllung der Rotorfläche in radial außen liegenden Bereichen und erreicht so die beschriebenen Effekte. Der Stator für einen derartigen Rotor kann konventionell ausgebildet sein, also als Mast, der an der Nabe den Generator drehbeweglich hält.
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Es kann eine Rotorbremse relativ zum Stator vorgesehen sein, um die Rotordrehung zu verlangsamen oder ganz zu unterbinden.
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Der Durchmesser des Rotorträgers 12, 62 oder der Rotorfläche 12, 62 kann größer als 10 oder 20 oder 50 oder 100 Meter sein. Bei einem polygonalen Träger kann dessen größte oder kleinste Öffnungsabmessung oder der Durchmesser eines flächengleichen Kreises als äquivalenter Durchmesser angesehen werden.
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Beschriebene Merkmale der Erfindung sollen auch dann als miteinander kombinierbar angesehen werden, wenn diese Kombination nicht ausdrücklich angesprochen ist, soweit die Kombination technisch möglich ist. Miteinander kombiniert beschriebene Merkmale der Erfindung sollen auch dann als voneinander separierbar angesehen werden, wenn diese Separierung nicht ausdrücklich angesprochen ist, soweit die Separierung technisch möglich ist. Vorrichtungsmerkmale sollen auch als Beschreibung eines von dem jeweiligen Merkmal ggf. implementierten Verfahrensmerkmals verstanden werden, und umgekehrt.
