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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung der Energie des natürlichen Windes in nutzbare mechanische und/oder elektrische Energie, wobei sich die vom Wind beaufschlagten Teile hin und her bewegen.
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Windkraftanlagen bzw. Windkraftmaschinen sind in verschiedensten Ausgestaltungen bekannt. Für eine kommerzielle Nutzung werden überwiegend Windkraftmaschinen in Form von Windrädern, aufweisend einen Rotor mit Drehachse im Wesentlichen in Windrichtung, genutzt. Bauartbedingt können derartige Windkraftanlagen maximal 16/27 (knapp 60 Prozent) jener mechanischen Leistung, die der Wind ohne den bremsenden Rotor durch dessen Projektionsfläche transportieren würde, in Nutzleistung umwandeln (Betzsches Gesetz). Im Durchschnitt erreichen Rotoren mit horizontaler Drehachse lediglich einen Leistungsbeiwert cP (Quotienten aus genutzter zu ankommender Windleistung) von 0,4 bis 0,5. Ein weiteres Problem bei derartigen Anlagen ist das Auftreten von kritischen Blattspitzen-Geschwindigkeiten, was höchste Anforderungen an Material und Konstruktion stellt.
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Aus dem Stand der Technik sind Windkraftmaschinen bekannt, die aus der Windkraft ohne einen Rotor nutzbare Energie erzeugen. Hier werden Flügel oder Segel eingesetzt, die eine Auf- und Abwärtsbewegung bzw. eine translatorische oder rotatorische Hin- und Her-Bewegung ausführen, wobei z. B. über ein Pleuelrohr und ein Schwungrad ein Generator angetrieben werden kann.
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US 2008/0036214 A1 offenbart eine derartige Windkraftmaschine, die einen um eine horizontale Achse schwingbaren Mast mit einem starren Segel aufweist. Diese Anlage ist jedoch auf ungleichmäßig einwirkende Windböen angewiesen.
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Ein entlang einer Kreisbahn geführtes aerodynamisches Profil ist in
DE 199 37 965 A1 dargelegt.
US 2014/0097621 A1 beschreibt eine Windkraftmaschine, die eine zwischen zwei senkrechten Masten aufgespannte Folie umfasst, die um den luvseitigen Mast schwingen kann.
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Eine weitere Windkraftanlage ist in
DE 10 2014 118 656 B3 gezeigt. Diese Anlage umfasst einen an einem lotrechten Mast befestigten, vertikal angeordneten Flügel, wobei der Mast Schwingbewegungen um eine horizontale Achse ausführen kann. Durch auf den Flügel einwirkende Windkraft wird der Mast gekippt. Ein Stangensystem, das Schotgestänge, dreht daraufhin den Flügel derart in den Wind, dass die auf den Flügel einwirkende Windkraft stark abfällt. Dadurch kann der Mast wieder in die lotrechte Position gebracht werden. Sobald der Mast lotrecht steht, wird der Flügel wieder von dem Schotgestänge unter einem Anstellwinkel aus dem Wind gedreht. Ein mit dem Mastfuß verbundenes Mastfußgestänge transformiert in Verbindung mit einer Kurbelwelle oder einem Pleuel die Schwingbewegung des Mastes in eine Rotationsbewegung einer Übertragungswelle, welche einen Generator antreiben kann. Auch das Schotgestänge ist über eine Kurbelwelle oder ein Pleuel mit der Übertragungswelle verbunden, sodass die Regelung des Anstellwinkels mit der Schwingbewegung des Mastes synchronisiert ist.
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Nachteil dieser Windkraftanlage ist, dass nur während der Hin-Bewegungsphase der Hin- und Her-Bewegung des Mastes die Windkraft nutzbar ist, wobei für die Rückstellung des Mastes in die Lotrechte Energie aufzubringen ist. D. h., die Dauer der Antriebsphase beträgt weniger als 50% einer Hin- und Her-Bewegung des Mastes. Durch den speziellen Steuerungsmechanismus zur Ausrichtung des Flügels mittels des Schotgestänges ist außerdem die bestmögliche Ausrichtung des Flügels zum Wind nicht während der gesamten Antriebsphase möglich, sodass der Anstellwinkel des Flügels zum Wind für eine gute Ausnutzung der Windkraft zumeist unzureichend ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die o. g. Nachteile zu überwinden, indem ein Verfahren zur Wandlung von Windkraft und eine kosteneffektive Windkraftanlage, aufweisend wenigstens einen Windkraftwandler auf Basis eines schwingfähig gelagerten Mastes mit drehbar daran befestigtem Flügel, wobei eine schwingende Drehbewegung des Flügels mit der Schwingbewegung des Mastes synchronisiert ist, bereitgestellt werden, deren Windkraftwandler die Windenergie während sowohl Hin- als auch Her-Bewegungsphase umsetzen, die eine rein mechanische und unkompliziert aufgebaute Regelung zur Synchronisierung der Schwingbewegungen von Mast und Flügel unter Beibehaltung des bestmöglichen Anstellwinkels des Flügels während der gesamten Bewegungsphase für eine optimale Ausnutzung der Windkraft aufweist.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren zur Wandlung von Windkraft mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1 und eine Windkraftanlage mit den Merkmalen nach Patentanspruch 3; zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den jeweiligen Unteransprüchen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Wandlung von Windkraft in nutzbare mechanische und/oder elektrische Energie wird unter Verwendung wenigstens eines Windkraftwandlers durchgeführt, wobei jeder Windkraftwandler einen lotrechten, um eine horizontale Drehachse schwingfähigen Mast mit einem daran befestigten, flächig ausgebildeten, senkrecht stehenden (aeroelastischen) Flügel, z. B. ein Segel oder eine Tragfläche, aufweist. Der Flügel ist hierbei um eine Drehachse, bevorzugt die Längsachse des Mastes, drehbar. Bei lotrecht stehendem Mast ist der Flügel somit um eine lotrechte Drehachse drehbar.
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Unter einem Flügel wird hierin jede Art von flächig ausgebildetem Gebilde mit aerodynamischen Eigenschaften verstanden. Solch ein Flügel ist z. B. eine Art Segel, d. h. ein z. B. von einem Tragrahmen gehaltenes, beispielsweise elastisch verformbares Segeltuch, oder eine Art Tragfläche, d. h. ein im Wesentlichen starres Flächengebilde, das auch ein über eine starre Tragkonstruktion gespanntes Segeltuch sein kann. Das Segeltuch kann in Form eines gewebten, gewirkten oder nonwoven Textilgebildes vorliegen; der Flügel kann auch aus einem Metall, einem Kunststoff, einem Verbundwerkstoff oder einer Kombination dieser Werkstoffe bestehen.
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Gemäß der Erfindung wird ein - vorzugsweise weitestgehend starrer - Flügel mit einem doppelseitig auftriebswirksamen Profil verwendet. Das heißt, die Saug- und Druckseite, bzw. Luv- und Leeseite, des Flügels weisen ein weitestgehend identisches Profil auf. Somit ist im Querschnitt die Oberflächengestaltung des Flügels symmetrisch.
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Der Flügel wird mit einem spitzen Winkel - dem sog. „Anstellwinkel“, der zwischen 5° und 30° beträgt, vorzugsweise 16°, zum Wind ausgerichtet, sodass der Wind - nach den gleichen Prinzipien wie bei einer Tragfläche eines Flugzeugs - eine Kraft, die im Wesentlichen senkrecht zu der flächig ausgebildeten Deckfläche des Flügels gerichtet ist, auf den Flügel ausüben kann. Die horizontale Drehachse des Mastes, im Folgenden Mastkippachse genannt, wird in Windrichtung, d. h. parallel zum einfallenden Wind, ausgerichtet. Aufgrund der um die Mastkippachse drehbaren Lagerung des Mastes und der starren Ausrichtung des Flügels zum Wind wird von der auf den Flügel einwirkenden Windkraft ein Drehmoment auf den Mast ausgeübt, sodass der Mast um die Mastkippachse kippt. Dadurch wird auch der Flügel gekippt, wobei jedoch die vom Wind verursachte Auftriebskraft unverändert auf den Flügel wirkt. Bei Erreichen eines vorgegebenen Kippwinkels wird der Flügel in den Wind gedreht, d. h. der Anstellwinkel wird Null, und gleich weiter - um nunmehr den negativen Anstellwinkel - aus dem Wind gedreht. Hierdurch wirkt die Windkraft auf den vor der Drehung des Flügels als Saugseite verwendeten Oberflächenbereich, d. h., der zuvor als Saugseite verwendete Oberflächenbereich des Flügels wird nun zur Druckseite.
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Aufgrund des doppelseitig auftriebswirksamen Profils des Flügels wirkt nunmehr eine zu der zuvor durchgeführten Drehbewegung des Mastes identische Windkraft auf den Flügel. Hierdurch wechselt das auf den Mast einwirkende Drehmoment sein Vorzeichen, d. h. Drehrichtung, wodurch der Mast nunmehr wieder aus der Kipplage aufgerichtet und weiter in die entgegengesetzte Richtung gekippt wird. Auch hier wird bei Erreichen eines vorgegebenen Kippwinkels des Mastes der Flügel erneut in den Wind und weiter um den Anstellwinkel aus dem Wind gedreht, sodass das auf den Mast einwirkende Drehmoment erneut sein Vorzeichen wechselt. Somit ist ein Zyklus der periodischen Hin- und Her-Bewegung des Mastes abgeschlossen - der Zyklus beginnt von neuem.
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Auf diese Art wird eine periodische Hin- und Her-Bewegung, d. h. Schwingbewegung, des Mastes erzeugt, die mittels geeigneter Mittel, z. B. eines Pleuels, in eine Drehbewegung einer Übertragungswelle transformierbar ist.
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Gemäß der Erfindung wird ebenfalls eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Windkraftanlage, umfassend wenigstens einen Windkraftwandler zum Erzeugen nutzbarer mechanischer und/oder elektrischer Energie, bereitgestellt, wobei jeder Windkraftwandler einen lotrechten Mast und einen flächig ausgebildeten, senkrecht stehenden (aeroelastischen) Flügel aufweist, der um eine lotrechte Drehachse, bevorzugt die Längsachse des Mastes, drehbar ist.
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Die Längenausdehnung des Mastes ist größer als die Längenausdehnung des Flügels, wobei der Mast zumindest im unteren Bereich über den Flügel hinausragt. Der Mast ist an einer Position in der Nähe - bevorzugt unterhalb - des unteren Bereiches des Flügels zusätzlich um eine waagrechte Drehachse, die Mastkippachse, drehbar gelagert, sodass der Mast mit dem Flügel um diese Mastkippachse kippbar ist.
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Der Windkraftwandler weist zudem ein hebelartiges Element, im Folgenden als „Schotgestänge“ bezeichnet, zur Steuerung der Drehbewegung des Flügels um den Mast auf, das drehsteif mit dem Flügel bzw. dessen Tragrahmen verbunden ist. Bevorzugt ist das Schotgestänge in Form zweier starr miteinander verbundener Hebel ausgebildet, die bezüglich des Mastes gegenüberliegend an demselben angeordnet sind, wobei die Hebel vorzugsweise im rechten Winkel vom Mast abstehen.
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Indem das Schotgestänge drehsteif mit dem Flügel verbunden ist, ist durch eine Drehbewegung des Schotgestänges um die Längsachse des Mastes eine identische Drehbewegung der Tragfläche bewirkbar.
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Der Windkraftwandler umfasst weiterhin eine bogenförmige, schienenartige Lauffläche, die im Folgenden „Mastfußschiene“ genannt wird. Diese Mastfußschiene ist nach Art eines Kreisbogensegmentes in einer lotrechten Ebene gebogen, wobei die Lauffläche nach oben weist. Der Radius des Kreisbogensegmentes entspricht dem Abstand zwischen Lauffläche und Mastkippachse, wobei die Mastkippachse im Zentrum des (gedachten) Kreises des Kreisbogensegmentes liegt und senkrecht zu der Mastfußschiene angeordnet ist.
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An seinem unteren Endbereich ist der Mast, d. h. der Mastfuß, mit einem Mastfußwagen verbunden. Dieser Mastfußwagen ist bewegbar auf der Mastfußschiene gelagert, sodass er entlang derselben, z. B. rollend oder gleitend, verfahrbar ist, d. h., der Mastfußwagen fährt oder gleitet auf der Lauffläche der Mastfußschiene bzw. - im Falle die Mastfußschiene eine Profilschiene ist - auf den Laufflächen.
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Am Mast, vorzugsweise am unteren Endbereich des Mastes (d. h. dem Mastfuß) oder am Mastfußwagen ist ein im Wesentlichen horizontal verlaufendes Mastfußgestänge drehbar, beispielsweise mittels eines Kugelgelenks, befestigt, wobei mindestens der Rotationsfreiheitsgrad parallel zur Mastkippachse freigegeben ist.
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Das Mastfußgestänge ist z. B. ein Seil, ein gummi-elastisches Band, ein Riemen, eine Kette, ein Draht oder eine starre Stange.
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Indem das Mastfußgestänge unterhalb der Position der waagrechten Mastkippachse mit dem Mast verbunden ist, ist eine Kippbewegung des Mastes um die Mastkippachse in eine translatorische Bewegung des Mastfußgestänges (d. h. entlang seiner Längsachse) in horizontaler Richtung transformierbar.
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Das Mastfußgestänge ist an seinem zweiten Endbereich, welcher dem mit dem Mast verbundenen Endbereich gegenüberliegt, in der Art mit der rotierbar angeordneten Übertragungswelle verbunden, dass eine horizontal hin- und hergehende Bewegung des Mastfußgestänges in eine rotierende Bewegung der Übertragungswelle umgesetzt wird.
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Zum Beispiel kann das Mastfußgestänge nach Art einer Pleuelstange drehbar mit einem auf der Übertragungswelle (fest) in deren Endbereich angeordnetem Rad bzw. Schwungrad verbunden sein. Vorzugsweise ist die Übertragungswelle jedoch in Form einer Kurbelwelle ausgebildet.
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Weiterhin besitzt der Windkraftwandler eine Steuervorrichtung, die mit dem Schotgestänge wirkverbunden ist, d. h. die Steuervorrichtung steuert über eine Bewegung des mit ihr verbundenen Schotgestänges die Ausrichtung des Flügels bezüglich des Windes.
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Hierbei ist die Steuervorrichtung derart gestaltet und eingerichtet, den Flügel um einen vorgegebenen Winkel, nämlich den doppelten Anstellwinkel, um die Längsachse des Mastes zu drehen, sobald die Kippbewegung des Mastes um die Mastkippachse die Scheitelpunkte erreicht hat.
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Vorzugsweise ist die Steuervorrichtung rein mechanisch arbeitend aufgebaut, d. h. es wird auf elektrisch angetriebene Elemente verzichtet. Durch diesen vergleichsweise einfachen, da rein mechanischen, Aufbau der Steuervorrichtung zur Flügelausrichtung ist eine unkomplizierte Wartung bzw. Reparatur - auch mit improvisierten Mitteln - ermöglicht.
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Gegenüber Windrädern besitzt eine solche Windkraftanlage die Vorteile, dass keine kritischen Blattspitzen-Geschwindigkeiten auftreten, und dass alle Wartungsarbeiten in Bodennähe durchgeführt werden können. Ein weiterer Vorteil ist die reduzierte Gefährdung von Vögeln, die regelmäßig mit schnell rotierenden Rotorblättern kollidieren.
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Gegenüber Windkraftanlagen mit einer Hin und Her-Bewegung der vom Wind beaufschlagten Teile besitzt die Erfindung den Vorteil, dass während der Hin- und Her-Bewegung des Flügels der Anstellwinkel stets konstant ist, sodass eine optimale Windkraftnutzung über den gesamten Schwingungszyklus möglich ist. Zudem wird die Windkraft sowohl während der Hin- als auch der Rück-Bewegung des Mastes ausgenutzt, sodass lediglich in den Scheitelpunkten der Schwingungsbewegung die Windkraftnutzung kurzzeitig unterbrochen ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Windkraftanlage können der Flügel und das Schotgestänge starr mit dem Mast verbunden sein, wobei der Mast selbst drehbar auf dem Mastfußwagen gelagert ist. Somit sind Mast, Flügel und Schotgestänge ein starres Bauteil, das um die Mastlängsachse drehbar gelagert ist.
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Die Erfindung kann weiter derart ausgebildet sein, dass die auf das Schotgestänge einwirkende Steuervorrichtung zur Regelung der Drehbewegung des Flügels jeweils einen, an parallel zur Erstreckungsrichtung der Mastfußschiene angeordneten Seitenwänden des Mastfußwagens starr mit dem Mastfußwagen verbundenen Hebel aufweist, an dessen dem Mastfußwagen gegenüberliegenden Endbereich jeweils ein Mitnehmerelement befestigt ist, das um eine parallel zur Hebellängsachse angeordnete Drehachse drehbar ist. Hierbei kann vorgesehen sein, dass beide Mitnehmerelemente um dieselbe Drehachse, z. B. die Hebellängsachse, oder jedes Mitnehmerelement um eine eigene Drehachse drehbar an jeweils „seinem“ Hebel befestigt ist
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Die Mitnehmerelemente sind derart gestaltet, dass sie in das Schotgestänge einklinkbar sind, d. h., sie sind mittels Einrastverbindung lösbar mit dem Schotgestänge verbindbar.
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Außerdem umfasst die Steuervorrichtung zwei Stopperelemente und zwei Ausklinkelemente, die beispielsweise an den beiden Endbereichen der Mastfußschiene angeordnet sind. Die Stopperelemente und die Ausklinkelemente sind derart gestaltet und angeordnet, dass bei Kontakt des Schotgestänges mit jeweils einem der Stopperelemente ein Ausrasten des jeweils durch Einrastverbindung mit dem Schotgestänge verbundenen Mitnehmerelementes durch das jeweils zugeordnete Ausklinkelement auslösbar ist, sodass aufgrund der Weiterbewegung des Mastes entlang der Mastfußschiene durch das auf das Schotgestänge einwirkende Stopperelement der Flügel um die Mastlängsachse gedreht wird - nämlich um den doppelten Anstellwinkel. Nach Beenden dieser Drehbewegung des Flügels um die Mastlängsachse wird eine Einrastverbindung des jeweils anderen Mitnehmerelementes mit dem Schotgestänge herbeigeführt. Stopperelement und Ausklinkelement bewirken somit ein Ausklinken des einen Mitnehmerelementes aus dem Schotgestänge, ein Drehen des Flügels und ein Einklinken des anderen Mitnehmerelementes.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der auf das Schotgestänge einwirkenden Steuervorrichtung zur Regelung der Drehbewegung des Flügels umfasst diese einen parallel zur Erstreckungsrichtung der Mastfußschiene verlaufenden Kanal mit einem knochenförmigen Grundriss. Die beiden Kanalwände sind zu beiden Seiten der Mastfußschiene angeordnet, wobei ihre Höhe derart ist, dass sich das Schotgestänge stets innerhalb des Kanals, d. h. zwischen den beiden Kanalwänden, bewegt. Aufgrund des knochenförmigen Kanalgrundrisses weisen die Kanalwände in den Endbereichen des Kanals jeweils Rundungen auf, d. h., der Kanal besitzt in seinen beiden Endbereichen jeweils eine Ausbuchtung der Kanalwände. Die maximale Kanalbreite in den Ausbuchtungen, d. h. Rundungen der Kanalwände, entspricht der gesamten Längenausdehnung des Schotgestänges, während die Kanalbreite im mittleren Bereich geringer als die Längenausdehnung des Schotgestänges. Somit kann das Schotgestänge nicht senkrecht zur Kanallängsachse, die der Projektion der Erstreckungsrichtung der Mastfußschiene innerhalb des Kanals entspricht, durch den Kanal bewegt werden, sondern ist im Kanalbereich zwischen den beiden Ausbuchtungen stets in einem Winkel zu der Kanallängsachse ausgerichtet. Die Kanalbreite in diesem Bereich ist hierbei derart gewählt, dass der Flügel mit dem vorgegebenen Anstellwinkel zu der Mastkippachse ausgerichtet ist.
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Zwei Stopperelemente, je eines in einer Ausbuchtung des Kanals, bewirken über das Schotgestänge ein Drehmoment auf den Mast, sobald das Schotgestänge im Laufe der schwingenden Hin- und Her-Bewegung des Mastes eines der Stopperelemente kontaktiert. Aufgrund der Form der Ausbuchtung kann das Schotgestänge in diesem Bereich des Kanals um die Mastlängsachse gedreht werden, sodass der Flügel an den Scheitelpunkten der Schwingbewegung des Mastes um den doppelten Anstellwinkel um die Mastlängsachse gedreht wird.
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Um die Reibung zwischen Schotgestänge und Kanalwand zu minimieren, können Gleit- oder Wälzlager, insbesondere auch Räder bzw. Rollen, an den mit der Kanalwand in Kontakt tretenden Endbereichen des Schotgestänges vorgesehen sein.
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Weiterhin kann, vorzugsweise mittels eines Getriebes, die Übertragungswelle mit einer Stromerzeugungseinheit, beispielsweise einem grundsätzlich bekannten Stromgenerator, verbunden sein.
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Auch kann vorgesehen sein, dass die Lager der beweglichen Bauteile als Gleitlager und/oder Festkörperlager ausgeführt sind. Beispielsweise weist der Mastfußwagen wenigstens ein Gleitlager auf, das in gleitender Verbindung zu der Mastfußschiene steht. Der Mast selbst kann mittels Festkörpergelenk, das eine Drehung um den positiven bzw. den negativen Anstellwinkel zulässt, an dem Mastfußwagen angelenkt sein.
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Gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Windkraftanlage kann ein Schwungrad in der Art mit der Übertragungswelle verbunden sein, dass eine einmal angestoßene Rotation der Übertragungswelle vermittels des Schwungrades zumindest für die Dauer einer vollständigen Umdrehung (d. h. Rotation um 360°) der Übertragungswelle aufrecht erhalten wird. Das Schwungrad kann als separates, mit der Übertragungswelle verbundenes Bauteil oder als verbindendes Bauteil von Mastfußgestänge zu der Übertragungswelle ausgeführt sein.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Windkraftanlage auf einer um eine lotrechte Achse drehbaren Plattform aufgestellt ist, wobei diese Plattform entsprechend der Windrichtung derart ausrichtbar ist, das immer ein spitzer Anstellwinkel des Flügels gewährleistet ist.
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Die Plattform kann mit einer Ausrichtungsvorrichtung verbunden sein, die die Plattform bzw. die darauf positionierte Windkraftanlage automatisch in optimaler Weise zur Windrichtung ausrichtet.
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Die Erfindung kann weiter derart ausgebildet sein, dass die Windkraftanlage eine Mehrzahl von Windkraftwandlern, aufweisend jeweils einen Mast mit einem daran angeordneten Flügel, in einer Reihe nebeneinander aufgestellt sind, wobei die Übertragungswellen der einzelnen Windkraftwandler drehfest miteinander gekoppelt sind, bzw. nur eine Übertragungswelle vorgesehen ist, an der die jeweiligen Mastfußgestänge angreifen. Hierbei sind in vorteilhafter Weise die Schwingbewegungen der einzelnen Masten bzw. Flügel zueinander phasenversetzt, wobei der Phasenwinkel der Schwingungen jeweils benachbarter Masten bzw. Flügel hierbei z. B. zu 90° festgelegt wird.
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In vorteilhafter Weise sind die Masten mit den daran angeordneten Flügeln entlang einer geraden oder leicht gebogenen Linie in einem Abstand und einem Winkel der Flügel zu der Linie in der Art angeordnet, dass eine laminare Windströmung zwischen benachbarten Flügeln ermöglicht ist, wobei zusätzlich ein durch die Anordnung der Flügel auftretender Venturi-Effekt ausnutzbar ist.
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Bevorzugt ist die Windkraftanlage aus zwei, auf einer drehbaren Plattform aufgestellten Windkraftwandlern aufgebaut, die mit einem Phasenwinkel von 90° für die periodische Schwingbewegung des Mastes zueinander eingestellt sind. Auf diese Art sind die beiden einem Windkraftwandler während des Betriebes systemimmanenten Totpunkte in der Drehbewegung der Übertragungswelle an den beiden Scheitelpunkten der Schwingbewegung des Mastes wirkungsvoll überwindbar. Die Drehachse der drehbaren Plattform ist hierbei vorzugsweise im Bereich zwischen den beiden Windkraftwandlern angeordnet, sodass während des Betriebes eine zwangsgesteuerte Ausrichtung der Windkraftanlage zum Wind, d. h. unter Verzicht auf eine dedizierte Windausrichtvorrichtung, erfolgt.
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Weiterhin kann die Windkraftanlage drei, auf einer drehbaren Plattform aufgestellte Windkraftwandler besitzen, die jeweils mit einem Phasenwinkel von 120° für die periodische Schwingbewegung des Mastes zueinander eingestellt sind. Die Drehachse der drehbaren Plattform ist hierbei vorzugsweise im Bereich des mittleren der drei Windkraftwandler angeordnet, sodass während des Betriebes eine zwangsgesteuerte Ausrichtung der Windkraftanlage zum Wind, d. h. unter Verzicht auf eine dedizierte Windausrichtvorrichtung, erfolgt. Bei dieser Ausgestaltung der Windkraftanlage ist außerdem die Summe aus den (vorzeichenbehafteten) Anstellwinkeln der drei Windkraftwandler stets Null.
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Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Schotgestänge eine Starkwindsicherung in Form z. B. gefederter Gelenke aufweist. Durch diese nicht-starre Anbindung des Schotgestänges an den Mast ist ein Ausweichen des Schotgestänges bei starkem Wind oder kurzzeitigen Windböen und damit eine vorübergehende Verkleinerung des Anstellwinkels ermöglicht, da die Windkraft in diesem Falle gegen die Federkraft der Starkwindsicherung arbeitet.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Mastfußgestänge mittels einem oder mehrerer Zahnräder (nach dem Prinzip eines Planetenrädergetriebes) mit der Übertragungswelle verbunden.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Windkraftanlage Windleiteinrichtungen, wie z. B. Windleitbleche, aufweist. Mittels dieser Windleiteinrichtungen ist es ermöglicht, laminare Strömungen zu erzeugen, den Venturi-Effekt auszunutzen und/oder den Wind in gewissen Grenzen umzulenken.
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Die Windkraftanlage kann derart ausgebildet sein (z. B. mittels entsprechender Steuerungs- und Bremsvorrichtungen), dass die Rotationsgeschwindigkeit der Übertragungswelle steuer- und/oder regelbar ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Figuren veranschaulicht, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind; hierbei zeigen schematisch:
- 1: einen Windkraftwandler während aufeinanderfolgender Phasen des Verfahrens zur Wandlung von Windkraft;
- 2: in Schrägdraufsicht und in Draufsicht eine Ausführungsform eines Windkraftwandlers der Windkraftanlage; und
- 3: in Schrägdraufsicht und in Draufsicht eine weitere Ausführungsform eines Windkraftwandlers der Windkraftanlage.
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Die Pfeile in 1 veranschaulichen Bewegungen der einzelnen Bauteile bzw. die Windrichtung. Gemäß 1 bläst der Wind in die Zeichnungsebene hinein.
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1a zeigt die Windkraftanlage mit lotrecht stehendem Mast 1 und Flügel 2, der vereinfachend nur als plane Ebene gezeichnet ist. Der auf den Flügel 2 einwirkende Wind ist mittels eines Pfeils dargestellt. Der Flügel ist um den Anstellwinkel α zur Windrichtung gedreht, sodass die Windkraft eine Drehung des Mastes 1 um die horizontal ausgerichtete Drehachse 6 bewirkt. Während der Drehung des Mastes 1 um die horizontale Drehachse 6 läuft der Mastfußwagen 9 auf der Mastfußschiene 10 (durch die Pfeile verdeutlicht). Dadurch wird das Mastfußgestänge 3 gemäß der 1a nach rechts gedrückt. Das Mastfußgestänge 3 ist hier als Pleuelgestänge ausgeführt, das den Mastfußwagen 9 an die Übertragungswelle 4 angekoppelt. Die translatorische Bewegung des Mastfußgestänges 3 wird somit in eine Rotationsbewegung der Übertragungswelle 4 umgesetzt.
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Im Scheitelpunkt der Schwingbewegung des Mastes 1 um die horizontale Drehachse 6, d. h., bei Erreichen des maximalen Kippwinkels, wird der Flügel 2 um die Längsachse des Mastes 1 gedreht, wie in 1b gezeigt. Während dieser Drehung steht der Mast 1 praktisch still.
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1c zeigt den Zeitpunkt nach der Drehung des Flügels um die Längsachse des Mastes. Der Flügel 2 ist mit negativem Anstellwinkel -α aus dem Wind gedreht, sodass ein rückstellendes Drehmoment auf den Mast 1 wirkt. Der Mastfußwagen fährt gemäß 1c nach links auf der Mastfußschiene 10, wobei das Mastfußgestänge 3 die Übertragungswelle 4 antreibt.
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Wie 1d zeigt, wird der Flügel 2 im zweiten Scheitelpunkt der Schwingungsbewegung des Mastes 1 wieder um den doppelten Anstellwinkel zurückgedreht, wodurch das auf den Mast 1 einwirkende Drehmoment wieder die Drehrichtung wechselt.
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Sobald der Mast 1 lotrecht steht, ist ein Zyklus beendet; es ist die Situation von 1a erreicht.
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Die Schrägdraufsicht in 2a zeigt den Mast 1, den Flügel 2, der aus einer über eine Tragstruktur gespannten Kunststofffolie besteht, das Mastfußgestänge 3, die Übertragungswelle 4 und das Schotgestänge 5. Der Mast 1 ist an der horizontal ausgerichteten Drehachse 6 drehbar gelagert.
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Das Mastfußgestänge 3 ist mit der Übertragungswelle 4 verbunden. Auf der Übertragungswelle 4 ist das Zahnrad 7, welches zur Auskopplung der vermittels des Windes erzeugten Rotation dient, angeordnet.
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Das Schotgestänge 5 ist in dem (in 2a) hinteren Mitnehmerelement 11 eingerastet. Das in 2a vordere Mitnehmerelement 11, das an dem Hebel 14 um die Längsachse des Hebels drehbar befestigt ist, ist aus dem Schotgestänge 5 ausgeklinkt.
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Die Mastfußschiene 10, auf welcher der Mastfußwagen 9 läuft, ist nur als Bogen dargestellt. Ebenso sind aus Gründen der Übersichtlichkeit die Stopperelemente 12 und die Ausklinkelemente 13 „im Raum frei schwebend“ dargestellt.
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2b zeigt denselben Windkraftwandler in Draufsicht. Hier ist zusätzlich die über die Zahnräder 7 an die Übertragungswelle 4 angekoppelte Rotationsregel- und Stromerzeugungseinheit 8 zu sehen.
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3 zeigt eine Ausführungsform des Windkraftwandlers, dessen Schotgestänge 5 zwischen den Kanalwänden 15.1 und 15.2 des Kanals 15 läuft. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die vordere Kanalwand 15.1 nur verkürzt dargestellt.
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Wie in der Draufsicht in 3b zu sehen, ist die Längenausdehnung des Schotgestänges 5 größer als die Kanalbreite bk im Bereich zwischen den Ausbuchtungen 15.3. Die Differenz ist hierbei derart, dass der Flügel 2 um den Anstellwinkel α zu der horizontalen Drehachse 6 gedreht ist.
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Im Bereich der Ausbuchtungen 15.3 nimmt die Kanalbreite bk zu, sodass das Schotgestänge 5 von den Stopperelementen 12 um die Längsachse des Mastes 1, und hiermit auch der Flügel 2, drehbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Mast
- 2
- Flügel
- 3
- Mastfußgestänge
- 4
- Übertragungswelle
- 5
- Schotgestänge
- 6
- horizontal ausgerichtete Drehachse
- 7
- Zahnrad
- 8
- Rotationsregel- und Stromerzeugungseinheit
- 9
- Mastfußwagen
- 10
- Mastfußschiene
- 11
- Mitnehmerelement
- 12
- Stopperelement
- 13
- Ausklinkelement
- 14
- Hebel
- 15
- Kanal
- 15.1
- erste Kanalwand
- 15.2
- zweite Kanalwand
- 15.3
- Rundung in der Kanalwand
- α
- Anstellwinkel
- bk
- Kanalbreite
