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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Windrad für eine Windkraftanlage, wobei das Windrad eine Zentralachse aufweist, die im Betrieb im Wesentlichen senkrecht zur Windrichtung orientiert ist.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Windkraftanlage, umfassend mindestens ein derartiges Windrad und mindestens einen elektrischen Generator, der von dem oder den Windrädern angetrieben wird.
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Die Erzeugung von elektrischer Energie mittels Windkraftanlagen gewinnt ständig an Bedeutung, insbesondere vor dem Hintergrund des durch die Emission von Kohlendioxid verursachten Klimawandels. In der Praxis kommen heute ganz überwiegend solche Windkraftanlagen zum Einsatz, die ein Windrad (Propeller) mit einer entlang der Windrichtung orientierten Drehachse aufweisen. Der Flächenverbrauch dieser Windkraftanlagen in Bezug auf ihre Leistung ist relativ hoch.
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Alternativ hierzu sind Windräder mit einer zur Windrichtung senkrechten, in der Regel vertikal (d.h. in Schwerkraftrichtung) orientierten Drehachse bekannt. Diese Windräder weisen eine Mehrzahl von Flügeln auf, die vom Wind angetrieben um die Drehachse umlaufen. Dabei kann ein Antrieb des Windrades generell nur auf einer Seite erfolgen, während die Flügel auf der anderen Seite gegen die Windrichtung zurücklaufen müssen. Es ist zwar möglich, diese Seite des Windrades gegen den Wind abzuschirmen, allerdings kann dann nicht mehr flexibel auf eine Änderung der Windrichtung reagiert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Windrad der eingangs genannten Art vorzuschlagen, das einen hohen Wirkungsgrad aufweist und flexibel einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch das Windrad gemäß dem vorliegenden Anspruch 1 gelöst.
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Beim Betrieb des erfindungsgemäßen Windrades, d.h. bei der Beaufschlagung mit Wind aus einer beliebigen, zu der Zentralachse im Wesentlichen senkrechten Windrichtung, befinden sich jeweils die Hälfte der Schwenkflügel in ihrer Antriebsposition. Jeder Schwenkflügel wird durch den Wind während einer halben Umdrehung des Windrades gegen seinen Begrenzungsanschlag gedrückt, so dass eine effektive Kraftübertragung auf die zwei Trägerelemente erfolgt und diese in Rotation um die Zentralachse versetzt werden.
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Sobald ein Schwenkflügel seine Totposition auf der dem Wind abgewandten Seite der Zentralachse erreicht hat und gegen die Windrichtung zurückläuft, wird er von seinem Begrenzungsanschlag weggedreht und kann sich während der gesamten Rücklaufphase in Windrichtung orientieren, so dass er dem Wind nur einen geringen Widerstand entgegensetzt. Sobald der Schwenkflügel die dem Wind zugewandte Seite der Zentralachse erreicht hat, verhindert der Begrenzungsanschlag eine weitere Drehung des Flügels, der nunmehr wieder für eine halbe Umdrehung des Windrades in der Antriebsposition verbleibt.
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Das Windrad umfasst vorzugsweise zwei bis sechs Schwenkflügel, wobei sich der Wirkungsgrad mit der Zahl der Schwenkflügel erhöht (bei identischen Gesamtabmessungen des Windrades). Besonders bevorzugt ist daher ein Windrad mit sechs Schwenkflügeln. Mehr als sechs Schwenkflügel sind nur möglich, wenn sich diese nicht bis nach innen zur Zentralachse erstrecken, da sie sich sonst gegenseitig bei ihrer Drehung blockieren.
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Die Schwenkachsen sind insbesondere radiärsymmetrisch um die Zentralachse angeordnet, d.h. die Schwenkachsen sind an den Ecken eines regelmäßigen Polygons (z.B. eines Sechsecks) mit der Zentralachse als Mittelpunkt angeordnet.
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Auch die zwei Trägerelemente, an denen die Schwenkflügel festgelegt sind, sind bevorzugt radiärsymmetrisch ausgebildet, insbesondere scheibenförmig oder sternförmig. Die Gestalt der Trägerelemente kann aber grundsätzlich relativ frei gewählt werden, solange sie die drehbare Festlegung der Schwenkflügel ermöglichen.
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Die Schwenkflügel sind vorzugsweise im Wesentlichen rechteckig ausgebildet. Mit rechteckigen Schwenkflügeln kann der zur Verfügung stehende Platz bei einem Windrad mit einer vorgegebenen Gesamtabmessung am effektivsten ausgenutzt werden und somit der Wirkungsgrad optimiert werden.
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Besonders günstig ist es, wenn die Höhe der Schwenkflügel im Wesentlichen dem Abstand zwischen den zwei Trägerelementen entspricht, und die Breite der Schwenkflügel im Wesentlichen dem Abstand zwischen der Zentralachse und den Schwenkachsen entspricht.
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Das Verhältnis von Höhe zu Breite ist im Rahme der Erfindung relativ frei wählbar, wobei ein Verhältnis im Bereich 5:1 bis 1:2 bevorzugt ist.
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Günstigerweise verläuft die Schwenkachse jeweils im Wesentlichen entlang eines Randes des Schwenkflügels. In diesem Fall erstrecken sich die Schwenkflügel in der Antriebsposition nicht über die Schwenkachse hinaus.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind die Schwenkflügel als Platten aus einem steifen Material ausgebildet, bevorzugt aus Kunststoff oder aus Metall. Je nach Größe der Schwenkflügel und Art des Materials kann die Dicke der Platten so gewählt werden, dass eine ausreichende Stabilität gewährleistet ist.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Schwenkflügel aus einem flexiblen Flächenmaterial gebildet, bevorzugt aus einem Textilmaterial, das in einem ganz oder teilweise umlaufenden Rahmen eingespannt ist. Das Textilmaterial kann insbesondere mit Kunststoff beschichtet sein, um es luftdicht zu machen. Gegenüber steifen Schwenkflügeln kann durch die Verwendung eines flexiblen Materials das Gewicht der Schwenkflügel reduziert werden. Dadurch, dass der Wind das flexible Material in der Antriebsposition des Schwenkflügels zu einem gewissen Grad aufbläht (ähnlich wie bei einem Segel), wird zusätzlich die Kraftübertragung optimiert.
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Besonders günstig ist es, wenn die Schwenkflügel eine Oberflächenstruktur mit einer Vielzahl von Vertiefungen aufweisen. In diese Vertiefungen kann der Wind „eingreifen“, während sich der jeweilige Schwenkflügel in der Antriebsposition befindet, wodurch die Ausnutzung der Windkraft und der Wirkungsgrad des Windrades weiter verbessert werden können. Eine derartige Oberflächenstruktur ist sowohl bei einem steifen als auch bei einem flexiblen Material der Schwenkflügel möglich.
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Die Vertiefungen sind vorzugsweise in Form eines regelmäßigen Rasters angeordnet, und in der Draufsicht insbesondere dreieckig, viereckig oder sechseckig. Diese Formen erlauben eine lückenlose und flächendeckende Anordnung der Vertiefungen auf dem gesamten Schwenkflügel. Die Vertiefungen können dabei durch dünne Stege voneinander getrennt sein.
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Die zwei Trägerelemente können durch eine Zentralwelle, die mit der Zentralachse zusammenfällt, miteinander verbunden sein. Alternativ kann die Verbindung der Trägerelemente aber auch nur über die Schwenkflügel erfolgen.
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Die Begrenzungsanschläge für die Drehbewegung der Schwenkflügel können an verschiedenen Stellen des Windrades angeordnet sein. Beispielsweise können die Begrenzungsanschläge an der Zentralwelle angeordnet sein, falls eine solche vorhanden ist. Ansonsten sind die Begrenzungsanschläge bevorzugt an einem oder beiden Trägerelementen angeordnet, insbesondere im Bereich der Zentralachse und/oder im Bereich der Schwenkachsen.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Windkraftanlage, umfassend mindestens ein erfindungsgemäßes Windrad und mindestens einen elektrischen Generator, der von dem oder den Windrädern angetrieben wird.
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Die Zentralachse(n) ist/sind vorzugsweise entlang der Schwerkraftrichtung, d.h. vertikal, orientiert.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Windkraftanlage ist jedem Trägerelement ein Generator zugeordnet. Dadurch kann eine optimale Kraftübertragung von dem Windrad auf die Generatoren erfolgen. Der Generator kann im Bereich der Zentralachse oder im Bereich des Außenumfangs des Trägerelements angeordnet sein. Geeignete Mittel für die Kraftübertragung von dem Trägerelement auf den Generator sind dem Fachmann bekannt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Windkraftanlage eine Mehrzahl von Windrädern umfasst, die entlang einer gemeinsamen Zentralachse übereinander angeordnet sind. Auf diese Weise ermöglicht die erfindungsgemäße Windkraftanlage eine besonders effiziente Ausnutzung der Windkraft bei minimalem Flächenverbrauch.
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Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
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Es zeigen im Einzelnen:
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1: Eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Windrades;
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2: eine Draufsicht des Windrades gemäß der 1; und
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3: eine Seitenansicht des Windrades gemäß der 1.
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Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Windrades ist in den 1 bis 3 schematisch dargestellt und als Ganzes mit 10 bezeichnet. Das Windrad 10 umfasst zwei Trägerelemente 12, die sich voneinander beabstandet in zwei Ebenen, die senkrecht zu einer Zentralachse 14 des Windrades 10 orientiert sind, erstrecken. Die Trägerelemente 12 sind durch eine mit der Zentralachse 14 zusammenfallende Zentralwelle 16 miteinander verbunden.
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Die Trägerelemente 12 sind radiärsymmetrisch in Bezug auf die Zentralachse 14 ausgebildet und weisen jeweils einen Trägerring 18 auf, der über sechs Radialstreben 20 mit der Zentralwelle 16 verbunden ist. Die Radialstreben 20 sind gleichmäßig mit Winkelabständen von jeweils 60° um die Zentralachse 14 verteilt, d.h. sternförmig angeordnet. Dabei sind die Radialstreben 20 der beiden Trägerelemente 12 deckungsgleich angeordnet.
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Das Windrad 10 umfasst ferner sechs Schwenkflügel 22, die im Wesentlichen rechteckig ausgebildet sind, und die sich zwischen den zwei Trägerelementen 12 erstrecken. Dabei ist jeder Schwenkflügel 22 derart an den Trägerelementen 12 festgelegt, dass er sich um eine Schwenkachse 24, die entlang eines Randes des Schwenkflügels 22 verläuft, drehen kann. Die Schwenkachsen 24 sind parallel zu der Zentralachse 14 und radiärsymmetrisch um diese verteilt, und zwar jeweils an den Verbindungsstellen der Radialstreben 20 mit den Trägerringen 18.
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Die Schwenkflügel 22 sind bei diesem Ausführungsbeispiel aus einem flexiblen Flächenmaterial 26 gebildet, insbesondere aus einem mit Kunststoff beschichteten Textilmaterial, das in einem umlaufenden Rahmen 28 eingespannt ist. Alternativ können die Schwenkflügel 24 aber auch als Platten aus einem steifen Material ausgebildet sein.
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Zur Verbesserung der Kraftübertragung weisen die Schwenkflügel 22 bzw. das Flächenmaterial 26 eine strukturierte Oberfläche mit einer Vielzahl von Vertiefungen 29 auf, die in Form eines regelmäßigen Rasters angeordnet sind. Die Vertiefungen 29 sind in diesem Beispiel dreieckig, und sind lückenlos auf der gesamten Oberfläche des Flächenmaterials 26 angeordnet. Alternativ sind z.B. auch sechseckige Vertiefungen, die eine Art Wabenstruktur bilden, möglich. Die Vertiefungen 29 sind durch dünne Stege voneinander getrennt.
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Bei dem Windrad 16 ist ferner jedem Schwenkflügel 22 ein Begrenzungsanschlag 30 zugeordnet (siehe 2), der eine Drehung des Schwenkflügels 22 über die Antriebsposition hinweg verhindert. Die Antriebsposition ist diejenige Stellung des Schwenkflügels 22, in der er sich von seiner Schwenkachse 24 in Richtung der Zentralachse 14 erstreckt, d.h. entlang der jeweiligen Radialstreben 20 der Trägerelemente 12. Die sechs Begrenzungsanschläge 30 sind dabei so angeordnet, dass alle Schwenkflügel 22 ihre Antriebsposition nur in derselben Drehrichtung verlassen können. Diese entspricht der Drehrichtung des Windrades 10 um die Zentralachse 14, wenn es mit Wind beaufschlagt wird.
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Die in der 2 nur schematisch dargestellten Begrenzungsanschläge 30 können insbesondere an der Zentralwelle 16 und/oder an den Radialstreben 20 angeordnet sein.
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Beim Betrieb des Windrades 10 ist die Zentralachse 14 im Wesentlichen vertikal, d.h. entlang der Schwerkraftrichtung, orientiert, und das Windrad 10 wird aus einer beliebigen Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Zentralachse 14 mit Wind beaufschlagt. Bei der in den Figuren dargestellten Situation ist die Windrichtung 32 von vorne rechts (1) bzw. von rechts (2 und 3).
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Aufgrund der Begrenzungsanschläge 30 befinden sich zu jedem Zeitpunkt drei der Schwenkflügel 22 in ihrer Antriebsposition und übertragen die Windkraft auf die Trägerelemente 12, welche in eine Drehung um die Zentralachse 14 versetzt werden (in diesem Fall im Uhrzeigersinn). Die anderen drei Schwenkflügel 22 befinden sich jeweils in einer Position, in der sie im Wesentlichen parallel zur Windrichtung orientiert sind, so dass ihr Windwiderstand beim Zurücklaufen gegen die Windrichtung 32 minimiert ist.
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Die Höhe der Schwenkflügel 22 (entlang der Zentralachse 14) entspricht im Wesentlichen dem Abstand zwischen den zwei Trägerelementen 12, und ihre Breite (senkrecht zur Zentralachse 14) entspricht im Wesentlichen dem Abstand zwischen der Zentralwelle 16 und den Trägerringen 18. Auf diese Weise ist der Wirkungsgrad des Windrades 10 bei vorgegebenen Außenabmessungen optimiert. Die Schwenkflügel 22 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in etwa quadratisch ausgebildet, es können aber auch andere Verhältnisse von Höhe und Breite gewählt werden.
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Die absoluten Abmessungen des Windrades 10 können über einen weiten Bereich variieren. Die Schwenkflügel 22 können z.B. eine Größe von etwa drei mal drei Metern aufweisen.
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Bei einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage ist mindestens ein elektrischer Generator vorgesehen, der durch das Windrad 10 angetrieben wird. Dabei besteht die vorteilhafte Möglichkeit, jedem der beiden Trägerelemente 12 einen Generator zuzuordnen. Mit besonderem Vorteil können auch mehrere Windräder 10 entlang der Zentralachse 14 übereinander angeordnet werden, z.B. derart, dass zwischen zwei Windrädern 10 jeweils ein Generator vorgesehen ist. Auf diese Weise kann eine hohe elektrische Leistung bei geringem Flächenbedarf erzielt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Windrad
- 12
- Trägerelemente
- 14
- Zentralachse
- 16
- Zentralwelle
- 18
- Trägerringe
- 20
- Radialstreben
- 22
- Schwenkflügel
- 24
- Schwenkachsen
- 26
- Flächenmaterial
- 28
- Rahmen
- 29
- Vertiefungen
- 30
- Begrenzungsanschläge
- 32
- Windrichtung
