DE102017010568A1

DE102017010568A1 - Vorrichtung zur linearen Abschöpfung der Strömungs-Energie des Windes und Transformation in speicherbare Energieformen - ein Linear - Windkraft - Generator

Info

Publication number: DE102017010568A1
Application number: DE102017010568.5A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-11-15
Filing date: 2017-11-15
Publication date: 2019-05-16

Abstract

Vorrichtung, welche verwirbelungsfrei die Strömungs-Energie des Windes auffängt und in speicherbare Energie transformiert, bestehend aus einem speziell geformten walzenförmigen, vertikal zur Windströmung stehenden Rotor (A) ausgerüstet mit umliegenden Windwirkflächen (4.1) welcher über die Auffangvorrichtung (B) die Strömungs-Energie verdichtet und beschleunigt, nur axial-einseitig zugeführt bekommt, was den höchstmöglichen Wirkungsgrad erzielen lässt

Description

Stand der Technik
Vorherrschend sind Vorrichtungen zur Abschöpfung der Strömungsenergie des Windes mit horizontal gegen die Windrichtung, axial-gelagerte großdimensionierte Rotorblätter (überwiegend 3 Stck.); welche auf bis 200m hohen Turmkonstruktionen in Gondeln (bis 22.t) drehbar gelagert sind. Die Bezeichnung „Propeller“, wäre treffender. Diese gigantische Mechanik wird ständig dem Windwechsel nachgeführt, (bis 20 Getriebe-E-Motoren drehen den Gondel-Zahnkranz) Desweiteren müssen die Rotorblätter durch Verdrehen der Wirkflächen, dem Winddruck angepasst werden. Die Dreh-Mechanik und Kraft-Transformation befinden sich in großer Höhe und können nur mit kostenintensiver Spezialtechnik gewartet/repariert werden. Die bestehenden Windkraftanlagen haben gegenüber den Kostenaufwand einen zu niedrigen Wirkungsgrad, weil die Wind-Wirkflächen sich gegen die Winddruckrichtung bewegen, also diese schraubenförmig durchschneiden, was einen sehr hohen Achs-Druck gegen die Turmkonstruktion erzeugt. Dadurch sind riesige Fundamente erforderlich, denn eine Seilabstützung ist nicht möglich. Das treibt die Kosten in die Höhe (z.Zeit bis 6,2 Mill.€ pro Stück.). Weiterer Nachteil ist die progressiv steigende Umfangs-Geschwindigkeit an den Rotorblättern, aber die Windströmung auf dieser umstrichenen Fläche annähern gleich ist, während im Nabenbereich ein Null-Drehmoment und damit Null-Abschöpf-Ertrag besteht. Die Natur hat andere Gesetze.
Die Rotor-Umfangsgeschwindigkeit, welche extrem höher als der horizontale Luftstrom ist, welcher zum. Beispiel ab Windstärke 5 bis 11 m/sek. genutzt und mit (88 m/s) am Flügelendbereich bei 12 U/Min. durchschnitten wird, sind die Ursachen der ultra-Frequenzen (über 20td.Hz.) und infra-Frequenzen (unter 20 Hz), welche außerhalb der menschlichen Wahrnehmung liegen, aber schädlich sind. Dafür sind außerdem die wechselnden Höhenpassagen der Rotorblätter verantwortlich, weil die WindGeschwindigkeit in bis 220m Höhe anders ist, als in Bodennähe. In dieser Situation sind die Achsknickkräfte enorm, was konstruktiv bedacht werden muss. Die Rotor-Blattflächen müssen äußerst glatt gehalten werden, um Reibungsverluste zu minimieren. Im Winter gibt es Probleme durch abgelöste Eispartikel. Außerdem bedarf es luftfahrttechnische Sicherheitsvorkehrungen. Lebensbedrohlich für die Vogelwelt/Fledermäuse sind sie auch.
Die Wechsel-Schattenbildung bei Sonnenschein und nicht zuletzt die Landschafts-Verunstaltungen und den Wertverfall angrenzender Bausubstanz sind weitere, aus heutiger Sicht, unüberwindbare Erscheinungen. In wie weit Wetterbeeinflussung durch Abschöpfung von Windströmungs-Energie durch Großanlagen zu erwarten ist, wird sich noch zeigen. Diese Anlagen transformieren Windenergie in E-Strom.
Die Windausbeute ist nicht gleichmäßig, deshalb entstehen große Umspannverluste und die Speichermöglichkeiten sind noch unterentwickelt. Große Energieverluste verursachen die Hochstromleitungen und Steuerungen um E-Energie von den wechselnden Erzeugern zu den Verbrauchern zu leiten. Bei Windausfall müssen konventionelle Stromerzeuger diesen Energieausfall ersetzen. Also immer auf Abruf bereitstehen. Eine propagierte Energieausbeute von 40% erscheint unrealistisch. Die idealen Windverhältnisse bestehen nur ~26% des Messzeitraumes. Davon müssen E-Strom-Leistungen für die Rotorblatt-Verstellung und Windrichtungs-Anpassung abgezogen werden. Die bestehenden Anlagen sind nicht sturmfest und werden in dieser Situation abgeschaltet - jetzt wird kein E-Strom erzeugt, sondern E-Strom aus dem Netz zur ständigen Gegenstromausrichtung verbraucht, da die Rotorblätter unbedingt stirnseitig gegen diese Strömungsenergie stehen müssen.
Die technischen Wartungsintervalle und Beseitigung der Schlagkerben (Vogelkollisionen) der Propeller sind erheblich. Das diese GfK-Rotoren nach max.20 Jahren entsorgt werden müssen, wird der ungelösten Problematik wohlwollend verschwiegen.
Desweiteren sind vertikale Windkraftanlagen nach dem Savonius.-oder Darrieus-Prinzip bekannt welche deswegen unrentabel arbeiten, weil diese strömungsdurchleitend sind und die Strömungsenergie des Windes den Rotor allseitig beeinflusst. Lediglich aerodynamisch geformte Windfänger erbringen einen bescheidenen Überschussertrag von max. 20%. Die Drehmoment-neutrale Zone um den Achsbereich wirkt strömungshemmend. Die Laufeigenschaften sind nicht kontinuierlich. Bei Starkwind muss abgeschaltet werden.
Zu der in AZ DE 3315439 A1 F03D3/04 geschilderte Anlage zur Umformung der Strömungsenergie (Wind), kann analysiert werden, dass der Rotor (2) dem Savonius-Rotor nachgebildet und strömungs-durchleitend ist. Die komprimierte Windströmung bewirkt, dass ein höherer Druck im gesamten Drehbereich des Rotors und damit Drehmoment-neutrale Räume entstehen. Die Drehlagerung der Strömungsleitflächen (28+30) sind ungeklärt, da die Rotorflächen im Wege stehen.
Die Energietransformation erscheint ungeklärt. Die Herstellkosten übersteigen weit die Amortisation. Die Windausrichtung ist problematisch, der Winterbetrieb ist kritisch.
Zu der US 2009/0072544 A1 kann berichtet werden, dass es sich um Standbefestigungen und Sturmsicherungen von schwimmenden Windkraftanlagen im Offshore-bereich handelt, was nicht mit der Wartungs,-und Konstruktionsvereinfachung von vertikal gelagerten linear wirkenden Abschöpfungs-Vorrichtungen von Strömungsenergie zweckgleich ist.
Zielstellung
Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde all die konstruktiv und wirkseitig negativen Erscheinungen zu eliminieren.
Beschreibung
Vorrichtung zur linearen Abschöpfung der Strömungs-Energie des Windes und Transformation in speicherbare Energieformen.
Diese erfindungsgemäße Vorrichtung dient der effektiveren Abschöpfung der Strömungsenergie des Windes mittels eines vertikal, drehbar gelagerten, zylindrisch, speziell ausgebildeten Rotor (A), welcher mittels windgeführter oder motorisch gesteuerter Auffangvorrichtung (B) welche auf dem gleichem Rotor-Achssystem (3+1.1) drehbar gelagert ist und rundum der Windströmung folgt, diese trichterförmig aufängt, verdichtet und beschleunigt, nur achseinseitig den Windwirkflächen (4.1) des Rotors (A) zuführt und konstruktiv die kombinierte Rotor.-und Abtriebsachse (2) im Mastende (1; 1.1), radial gelagert ist und dieses Drehmoment der abgeschöpften Strömungsenergie bis in den Sockelbereich des Mastes (C) transportiert, um mittels wartungsfreundlicher Umformtechnik (E) das erzeugte Drehmoment in speicherbare Energie zu transformieren.
Lösungsweg zur effektiveren Abschöpfung der Strömungsenergie des Windes und die Transformation in speicherbare Energieformen, ist der sogenannten Schiffsmühlen-Technik nachempfunden, da hier ebenfalls die Strömungsenergie des Wassers nur axial-einseitig wirkt; lediglich das walzenförmige „Mühlrad“ wurde vertikal gelagert, weil es nur zur Abschöpfung der Strömungsenergie des Windes verwendet wird, dieses zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung, welche sich auf einem Mast (1;1.1) optimaler Höhe befindet und vorteilhafter Weise mittels Seilabstützung in vertikaler Position gehalten wird, um die linear bewegte Strömungsenergie des Windes mittels der bogenförmigen Leitflächen (5.1+5.2) der trichterförmigen Auffangvorrichtung (B) Querschnitt-geweitet einfängt, komprimiert und wirkseitig, dass heißt axial-einseitig einem walzenförmigen, mit Windwirkflächen (4.1) umbauten Rotor (A) zuführt. Die Windströmungsleitflächen (5.1+5.2+5.3) bilden mit den stirnseitigen Formplatten (5+6) ein Gehäuse in welchen sich der Rotor (A) mit den Windwirkflächen (4.1) dreht. Um eine optimale Energiabschöpfung zu gewährleisten, dreht sich dieses axial gelagerte Auffang-Gehäuse (B) immer entgegen der Windrichtung. Diesen Windfahneneffekt erzeugt die an der Auslassöffnung befindliche Windfahne (5.11). Der Energieabgeschöpfte Wind zieht die Windfahne (5.11) zuverlässig in die Leeseite. Für drehzahlgesteuerte Vorrichtungen ist eine motorische Fremdsteuerung über ein Zahnkranzsystem (D+E) vorgesehen. Die Rotor-Abtriebsachse (2) führt verlängert durch den Mast (1;1.1) bis in die Fußkonstruktion (C), welche als Technikraum ausgebildet ist, in welcher die Krafttransformation in andere speicherbare Energieformen (F) stattfindet. Der Mast (1;1.1) welcher kraftschlüssig mit der Fußkonstruktion (C2;C) verbunden ist, wird mit mindestens 3 Spannseile (3) in vertikaler Position gehalten. Durch Nachlassen mindestens eines Seiles (3) kann die Vorrichtung (A) zwecks Wartung oder Reparatur nach unten geschwenkt und auf die Haltestange (1.1) abgesetzt werden. Die Seile (3) sind unter dieser Vorrichtung direkt am Mast (1) angebracht, deswegen beeinflussen diese in keiner Weise die lineare Wind-Strömung. Die Seilverankerung erfolgt vorteilhafterweise an 2-3m über den Boden herausragende Erdanker.
Figur 3;4;5;
Konstruktive Lösung des vertikal, axial gelagerten Rotors (4) mit umliegenden Windwirkflächen (4.1):
1+2: Die zylindrische, rohrförmige Rotornabe (4) sollte vorteilhafterweise die Hälfte des Rotor Gesamtdurchmesser (A) haben. Auf der Rotornabe (4) sind in Achslänge umliegend, wahlweise verstellbare Windfangflächen (4.1) angebracht, welche mit der konkaven Seite gegen die Windströmung zeigen. Der Rotor (A) ist über den Mitnehmerflansch (5.4) an der oberen Seitenronde (4a) befindlich, kraftschlüssig mit der Abtriebswelle (2) verbunden, welche im Mastende (1;1.1) mittels eines Radiallagers (11) gelagert ist. Unten wird der Rotor (A) über den Radiallager-Flansch (4.4) welcher sich an der unteren Seitenronde (4b) befindet, am Mast (1; 1.1) axial geführt.
1+2: Die Wind-Auffangvorrichtung (B) bestehend aus der spiegelbildlich deckungsgleichen Ober,-und Unterschale (5+6) sowie den Windleitflächen (5.1+5.6+5.2), welche formschlüssig mit der Ober.-und Unterschale (5+6) sind. Auf der Oberschale (5) befindet sich der Radiallager-Flansch (5a) welcher den Achsdurchmesser der Abtriebswelle (2) aufweist, während an der Unterschale (6) der Radiallager-Flansch (6a) angebracht ist, welcher den Achsdurchmesser des Mastes (1; 1.1) hat. Die Windleitfläche (5.1) hat schwenkbar eine Sturmbremse (5.5) im Bogenraum angeordnet, während die Leitfläche (5.2) mit dem verstellbaren, Querschnittverändernden Schieber (5.3) mit der Rotorumgrenzung (5.6) eine konstruktive Einheit bildet, welche mittels Meßsonden automatisch gesteuert werden. Die sektionale Rotorumgrenzung (5.6) hat einen Funktionsspalt zum Rotor (A).
Unterhalb der Unterschale (6) kann bei Bedarf ein Zahnkranz (D) befestigt werden. Mittels welchen die Wind-Auffangvorrichtung (B) über einen am Mast (1) befindlichen E-Motor (E) der Windströmungsrichtung folgt, aber auch gegen Extrem-Wetterlagen reagieren kann und die Wind-Auffangvorrichtung (B) so weit abdreht, dass noch einen verminderten Teil der Strömungsenergie die erforderliche Leistung abgeschöpft werden kann. Ein Sturmstillegen der Vorrichtung braucht daher nicht zu erfolgen.
Weitere umweltfreundliche Vorteile
Der Herstellaufwand dieser Vorrichtungen zur linearen Abschöpfung der Strömungsenergie des Windes beträgt 10% der verbreiteten Horizontal-Anlagen. Diese erzeugen keine störenden Schallfrequenzen, keinen Schattenschlag bei Sonnenschein, keine Landschafts-Verunstaltungen, keine Vögel und Fledermäuse tötenden Rotorblätter; 100%- tige Funktionssicherheit, über 20 Jahre, Rotorschutz vor Witterungsextreme durch das Gehäuse (B). Sturmsicher - keine Abschaltung, sondern erhöhte Energie-ausbeute. - Ein äußerst wichtiges Argument ist die weitere Verwendungsmöglichkeit der bisherigen Türme problematischer horizontalen Windkraftkraftanlagen, durch Austausch der Gondeln gegen diese Anlagen, mit linear abgeschöpfter Windströmungsenergie. Durch geringere Herstellkosten 10% und und bis 3x höherer Wirkungsgrad kommt noch der minimalste Wartungsaufwand durch die bodennahe Technik hinzu, so das die Hochbautechnik nicht n'mehr erforderlich ist, was eine bessere Akzeptanz von Windanlagen bei den Anwohnern zur Folge hat.
3 Blatt
1 +2zeigt konstruktiv den Aufbau der Vorrichtung oberhalb des Mastes (1)
3+4 zeigt die Wind-Auffangvorrichtung (B) komplett mit motorischer Steuerung
5 zeigt die Wind-Auffangvorrichtung (B) mit der Abschwenktechnik.
Bezugszeichenliste

A	kompletter Rotor
B	Auffangvorrichtung der Wind-Strömungs-Energie
C	Technikraum-Mastsockel
D	Zahnkranz -Alternativlösung zur Steuerung der Auffangvorrichtung (B)
E	E-Motor mit Zahnritzel -passend zum Zahnkranz (D)
F	E-Generator
C1	Schwenklager für Mast (1) und Technikraum (C)
E1	E-Kabel für Stellmotor (E)
1	Mast
1.1	Mastverlängerung
11	Abtriebswellenlager am Mastende (1;1.1)
2	Abtriebswelle
3	Spannseile mind. 3
3.2	Spannseilhalterfosten
4	rohrförmige Rotor-Nabe

4.1	Windwirkflächen min. 8-Stck.
4a	Stirnseiten-Ronde - Rotor-oben
4b	Stirnseiten-Ronde - Rotor-unten
4.4	Radiallagerflansch -Rotor unten
5	Oberschale -Windauffangvorrichtung (B)
6	Unterschale -Windauffangvorrichtung (B)
5.a	Radiallagerflansch Windauffangvorrichtung oben
6.a	Radiallagerflansch Windauffangvorrichtung unten
5.1	Windleitfläche
5.2	Windleifläche
5.3	Windleitfläche verstellbar-querschnitterweiternd
5.4	Flansch mit axialer Bohrung für Abtriebswelle (3) - am Rotor oben
5.5	Sturm-Ablenkfläche
5.6	Rotorumgrenzung - Funktionsspalt
5.11	Windfahne für Windauffangvorrichtung - Kleinanlagen
		Blatt 1 -6 Schriftstücke
		Blatt 1 -Fig. 1 + 2
		Blatt 2 -Fig. 3 + 4
		Blatt 3 -Fig. 5

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 3315439 A1 [0007]
US 2009/0072544 A1 [0009]

Claims

Vorrichtung zur linearen Abschöpfung der Strömungs-Energie des Windes und Transformation in speicherbare Energieformen, welche mittels der Auffangvorrichtung (B) diese Energie aufnimmt, und einen vertikal drehbar gelagerten, speziell ausgebildeten Rotor (A) zuführt und über kraftschlüssige Verbindung die Rotations-Energie transformiert, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (A) aus einer rohrförmigen Nabe (4) besteht, welche vorteilhafterweise im Durchmesser halb so groß wie die Seitenronden (4a+4b) sind, welche beidseitig die Windwirkflächen (4.1) eingrenzen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sich an der oberen Stirnseiten-Ronde (4a) ein Flansch (5.4) mit axialer Bohrung, passend zur Abtriebswelle (2) und an der unteren Stirnseitenronde (4b) ein Flansch mit einem Radiallager (4.4) befindet und beide Ronden (4a+4b) mit der Nabe (4) und den aufgebrachten, konkav geformten Windwirkflächen (4.1) eine kompakte Einheit bilden, welche aus Metall und/oder Kunststoff gefertigt sind / ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1-2 dadurch gekennzeichnet, dass je nach Leistungsklasse und Rotor-Durchmesser mindestens 6 bis viele Windwirkflächen (4.1) an der Rotor-Nabe (4) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1-3 dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebswelle (2) im oberen Lager (11) im Mastende (1;1.1) drehbar gelagert ist, welche der oberen Rotorseite (A) mittels Flansch (5.4) und der Windauffangvorrichtung (B) mittels Radiallager (5.a) als Achse dient.
Vorrichtung nach Anspruch 1-4 dadurch gekennzeichnet, dass die Windauffangvorrichtung (B) aus den oberen und den unteren spiegelbildlich gleichen Stirnseitenteil (5+6) besteht und diese im Abstand gleich der Höhe des Rotors (A), zuzüglich des Funktionsspaltes (5.6) mit den Strömungsleitflächen (5.1;5.2) den Auffangquerschnitt der Gehäuseeinheit (B) bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 1-5 dadurch gekennzeichnet, dass jeweils an der oberen und unteren Stirnseite (5+6) ein Radiallagerflansch (5.a+6.a) befestigt ist, welche die radiale Lagerung der Windauffangvorrichtung (B) einmal oben an der Abtriebswelle (2) und unten am Mast (1) gewährleisten.
Vorrichtung nach Anspruch 1-6 dadurch gekennzeichnet, dass die vertikal drehbar gelagerte Wind-Auffangvorrichtung (B) eine gekrümmte Strömungsleitfläche (5.1) und eine Sturm-Ablenkfläche (5.6) aufweist, während die gegenüberliegende Leitfläche (5.2) mit der Querschnittvergrößernden Schiebefläche (5.3) den Rotordrehraum inklusiv einem Funktionsspalt (5.6) sektional umschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 1-7 dadurch gekennzeichnet, dass der Mast (1) kraftschlüssig (C2) mit dem Fußgestell (C) verbunden ist in welchen die Transformationstechnik (E-Generator, Luftkompressor) über die Abtriebswelle (2) aktiviert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1-8 dadurch gekennzeichnet, dass der Mast (1) in Verbindung mit dem Fußgestell (C) mit über mindestens 3 Seilabspannungen (3) gegen den Winddruck gehalten wird und zwecks Wartung mittels Seilnachlass umlegbar ist, wobei die Maststütze (1.1) als Hilfsmittel vorgesehen ist.