DE102017120908A1

DE102017120908A1 - Vertikalwindkraftanlage

Info

Publication number: DE102017120908A1
Application number: DE102017120908.5A
Authority: DE
Inventors: Dieter Kastel; Michael Kastel
Original assignee: Kastel Maschinenbau GmbH
Current assignee: Kastel Maschinenbau GmbH
Priority date: 2017-09-11
Filing date: 2017-09-11
Publication date: 2019-03-14

Abstract

Vertikalwindkraftanlage, bestehend aus seitlichen, oberen und unteren Gehäuseteilen, oberen und unteren Führungselementen, die mehrere auf Achsen gelagerte schwenkbare Rotorblätter zwischen sich aufnehmen, wobei die oberen und unteren Führungselemente relativ zu den oberen und unteren Gehäuseteilen drehbar gelagert sind, wobei ein jedes Rotorblatt einen vorderen verdickten und einen hinteren verjüngten Abschnitt aufweist und im Bereich des verdickten Abschnitts die Achsen positionierbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vertikalwindkraftanlage.
Zu den Vertikalwindkraftanlagen zählen u.a. solche, die mit Savonius-Rotoren, Darrieus-Rotoren sowie H-Rotoren ausgerüstet sind. Gegenüber Windkraftanlangen mit horizontaler Achse haben Vertikalwindkraftanlagen einen deutlich geringeren Wirkungsgrad. Ein entscheidender Nachteil vertikaler Windkraftanlagen - und daher auch Grund für geringe Marktanteile - sind die reduzierten Stromerträge, verglichen mit einer Horizontalwindkraftanlage.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vertikalwindkraftanlage dahingehend zu optimieren, dass durch Erhöhung des Wirkungsgrades auch eine höhere Stromausbeute realisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vertikalwindkraftanlage, bestehend aus seitlichen, oberen und unteren Gehäuseteilen, oberen und unteren Führungselementen, die mehrere auf Achsen gelagerte schwenkbare Rotorblätter zwischen sich aufnehmen, wobei die oberen und unteren Führungselemente relativ zu den oberen und unteren Gehäuseteilen drehbar gelagert sind, wobei ein jedes Rotorblatt einen vorderen verdickten und einen hinteren verjüngten Abschnitt aufweist und im Bereich des verdickten Abschnitts die Achsen positionierbar sind.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Schwenkbewegung der Rotorblätter relativ zu den sie aufnehmenden Führungselementen ist in Abhängigkeit von der Umfangsgeschwindigkeit der Führungselemente durch Gewichtsausgleich herbeiführbar.
Hier bieten sich mehrere Lösungsmöglichkeiten an, nämlich

- im oberen und/oder unteren Abschnitt eines jeden Rotorblatts ggf. lösbare Fliehkraftgewichte vorzusehen
- die Rotorblätter im Querschnitt nach Art eines hohlen Flügelprofils mit vorgebbarer Wandstärke auszubilden, dergestalt, dass bezogen auf das Querschnittsprofil eine Wandseite eine dickere Wandstärke als die andere aufweist.

Die zweite Variante hat gegenüber der ersten den Vorteil, dass neben der Erzielung eines gleichartigen technischen Effekts gleichzeitig auch eine Gewichtsreduzierung der Vertikalwindkraftanlage herbeigeführt werden kann, wodurch der gesamte Wirkungsgrad erhöht wird.
Die Rotorblätter können einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß als Hohlprofile, beispielsweise in Form von Aluminiumstrangpressprofilen ausgebildet werden.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Führungselemente scheiben- oder ringförmig ausgebildet und die Rotorblätter, respektive deren Achsen, im relativ äußeren Umfangsbereich der Führungselemente angeordnet sind.
Zur Begrenzung der Schwenkbewegung der Rotorblätter werden im Bereich der oberen und unteren Führungselemente Kulissen vorgesehen, innerhalb derer an den Rotorblättern angebrachte Zapfen geführt werden. Bedarfsweise können kulissenseitig Einstellelemente zur Einstellung des Schwenkwinkels vorgesehen werden.
Alternativ besteht die Möglichkeit, den Gewichtsausgleich durch ein Hebel-Federsystem zu realisieren.
Infolge des Fliehkraftausgleichs kann die Schwenkbewegung der Rotorblätter wie folgt beeinflusst werden:
Bei geringen Windgeschwindigkeiten ist eine leichte Führung der Zapfen innerhalb der Kulissen gegeben. Bei höheren Windgeschwindigkeiten wird ein eher steifes System gebildet, das lediglich geringen Veränderungen des Schwenkwinkels unterliegt.
Der verdickte Wandabschnitt, respektive das Zusatzgewicht, liegen im direkten Anströmungsbereich, während bei der Rotation der Führungselemente auf der anderen Gehäuseseite die verjüngten Wandabschnitte durch die durchströmende Luft angeströmt werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass im unteren Bereich der unteren Führungselemente eine Einrichtung zur Stromerzeugung, insbesondere ein Generator, vorgesehen wird.
Einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß kann es sinnvoll sein, dass unterhalb des unteren Gehäuseteils ein Ständer positioniert ist, der einerseits den Generator trägt und andererseits als ein Auflager für ein Tragelement, wie einen Mast, ein Dach oder dergleichen, dient
Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen:

1 Prinzipskizze der neuerungsgemäßen Vertikalwindkraftanlage in verschiedenen Ansichten;
2 Querschnitt durch ein Rotorblatt gemäß 1;
3 Querschnitt durch ein alternativ ausgebildetes Rotorblatt;
4 Vertikalwindkraftanlage gemäß 1 mit alternativer Generatoranordnung.

1 zeigt als Prinzipskizze die erfindungsgemäße Vertikalwindkraftanlage 1 in verschiedenen Ansichten. Erkennbar sind seitliche Gehäuseteile 2, 3, obere und untere Gehäuseteile 4, 5, obere und untere Führungselemente 6, 7 sowie zwischen den Führungselementen 6, 7 geführte Rotorblätter 8, die über Achsen 9, 10 in den äußeren Umfangsbereichen der scheibenförmig ausgebildeten Führungselemente 6, 7 schwenkbar gelagert sind.
Die Führungselemente 6, 7 sind über eine zentrale Welle 11 miteinander verbunden, wobei Lagerstellen 12, 13 vorgesehen sind, die eine Drehbewegung der Führungselemente 6, 7 relativ zu den oberen und unteren Gehäuseteilen 4, 5 ermöglicht. Der untere Abschnitt der zentralen Welle 11 ist verlängert und wirkt mit einem Generator G zusammen. Ebenfalls nur angedeutet ist eine Windleiteinrichtung 14, die mit einer gewölbt, insbesondere konkav, ausgebildeten Luftleitfläche 14' versehen ist.
Durch die gezielte Luftumlenkung werden die Rotorblätter 8 unmittelbar angeströmt, wodurch der Wirkungsgrad der Vertikalwindkraftanlage 1 erhöht wird. Infolge der gezielten Führung der Luft wird innerhalb des durch die Gehäuseteile 2 bis 5 gebildeten Gehäuses ein nicht der Luftströmung unterworfener Abschnitt A gebildet, der bewirkt, dass die in Abhängigkeit der Umfangsgeschwindigkeit der Führungselemente 6,7 jeweils eingenommenen Schwenkwinkel der Rotorblätter 8 in diesen Abschnitt A nicht verändert werden.
Unterhalb des unteren Gehäuseteils 5 befindet sich eine Stütze S, die einerseits den Generator G trägt und andererseits ein Auflager für einen Mast, ein Dach oder dergleichen bildet.
2 zeigt als Prinzipskizze einen Querschnitt durch ein Rotorblatt 8. Das Rotorblatt 8 ist in diesem Beispiel als Aluminiumstrangpressprofil hergestellt und mit einem Hohlraum 15 versehen. Das Rotorblatt 8 weist einen vorderen verdickten Abschnitt 16 vorgebbarer Breite B und einen hinteren verjüngten Abschnitt 17 vorgebbarer Breite B' auf. Zwischen dem verdickten Abschnitt 16 und dem verjüngten Abschnitt 17 erstreckt sich hohlraumseitig ein Steg 18, der (in diesem Beispiel) in seinem unteren Bereich mit einer durchgehenden Ausnehmung 19 versehen, die zur Aufnahme der in 1 angedeuteten Achse 10 dient. Die durch Windeinwirkung bedingte Rotation der Führungselemente 6, 7 bewirkt, dass die Rotorblätter 8 einer Schwenkbewegung um die Achsen 9, 10 unterworfen werden, wobei die Schwenkbewegung der Rotorblätter 8 in Abhängigkeit von der Umfangsgeschwindigkeit der Führungselemente 6, 7 einem Gewichtsausgleich unterworfen ist. In der Darstellung gemäß 2 ist erkennbar, dass das Rotorblatt 8 mit einem verdickten Wandabschnitt a und einer verjüngten Wandabschnitt b ausgebildet ist. Der verdickte Wandabschnitt a soll hierbei an der radial äußeren Fläche der Führungselemente 6, 7 vorgesehen sein.
In 2 sind zwei Achsen dargestellt, einerseits die Längsachse 23 und andererseits die 90° dazu verlaufende Querachse 23'. Der Gewichtsanteil des linken Teils des Rotorblatts 8 - bezogen auf die Querachse 23' - entspricht hierbei demjenigen des rechten Teils, so dass ein Gewichtsausgleich - bezogen auf die Achse 10 - gegeben ist. Dies gilt nicht für die Gewichtsanteile des Rotorblatts 8, bezogen auf die Längsachse 23, da der verdickte Wandabschnitt a schwerer ist als der verjüngte Wandabschnitt b.
Zur Begrenzung der Schwenkbewegung des Rotorblatts 8 um die Achsen 9,10 ist im Bereich der in 1 dargestellten oberen und unteren Gehäuseteile 4,5 jeweils eine Kulisse 20 vorgesehen, innerhalb welcher jeweils ein am Rotorblatt 8 angebrachter Zapfen 21 bewegbar ist. Der Schwenkwinkel α soll in diesem Beispiel 30° betragen. Eine Modifikation des Schwenkwinkels α kann durch ein Einstellelement 22 herbeigeführt werden.
3 zeigt ein alternatives Rotorblatt 8. Selbiges ist ebenfalls als Hohlprofil ausgebildet, wobei der Grundaufbau - bezogen auf die Achse 23 - klappsymmetrisch ausgebildet sind, d.h. es sind stets gleiche Wandstärken gegeben. Abweichend zu 2 ist ein zusätzliches Gewicht 24 vorgesehen, das über nur angedeutete Verbindungselemente 25,26 mit dem Rotorblatt 8 verbunden ist. Die Schwenkbewegung des Rotorblatts 8 wird durch ein nur angedeutetes aus Hebelelementen 27,28 und Federelementen 29,30 gebildetes System begrenzt.
4 zeigt die Vertikalwindkraftanlage 1 gemäß 1. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Generator G ist analog zu 1 unterhalb des unteren Gehäuseteils 5 positioniert. Abweichend zu 1 wird der Generator G unmittelbar vom Abtriebsbereich 31 der zentralen Welle 11 angetrieben. Durch diesen Direktantrieb entfallen Abtriebselemente, so dass keine mechanischen Abtriebsverluste gegeben sind.
Bezugszeichenliste

1: Vertikalwindkraftanlage
2: seitliches Gehäuseteil
3: seitliches Gehäuseteil
4: oberes Gehäuseteil
5: unteres Gehäuseteil
6: oberes Führungselement
7: unteres Führungselement
8: Rotorblätter
9: Achse
10: Achse
11: zentrale Welle
12: Lagerstelle
13: Lagerstelle
14: Windleiteinrichtung
15: Hohlraum
16: verdickter Abschnitt
17: verjüngter Abschnitt
18: Steg
19: Ausnehmung
20: Kulisse
21: Zapfen
22: Einstellelement
23: Achse (Längsachse)
23': Achse (Querachse)
24: zusätzliches Gewicht
25: Verbindungselement
26: Verbindungselement
27: Hebelelement
28: Hebelselement
29: Federelement
30: Federelement
31: Abtriebsbereich
A: Abschnitt
B: Breite verdickter Abschnitt
B': Breiter verjüngter Abschnitt
G: Generator
a: verdickter Wandabschnitt
b: verjüngter Wandabschnitt
S: Ständer

Claims

Vertikalwindkraftanlage, bestehend aus seitlichen (2, 3), oberen (4) und unteren Gehäuseteilen (5), oberen (6) und unteren Führungselementen (7), die mehrere auf Achsen (9, 10) gelagerte schwenkbare Rotorblätter (8) zwischen sich aufnehmen, wobei die oberen und unteren Führungselemente (6, 7) relativ zu den oberen und unteren Gehäuseteilen (4, 5) drehbar gelagert sind, wobei ein jedes Rotorblatt (8) einen vorderen verdickten (16) und einen hinteren verjüngten Abschnitt (17) aufweist und im Bereich des verdickten Abschnitts (16) die Achsen (9, 10) positionierbar sind.
Vertikalwindkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkbewegung der Rotorblätter (8) in Abhängigkeit von der Umfangsgeschwindigkeit der Führungselemente (6, 7) durch Gewichtsausgleich herbeiführbar ist.
Vertikalwindkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im oberen und/oder unteren Abschnitt eines jeden Rotorblatts (8), Fliehkraftgewichte vorgesehen sind.
Vertikalwindkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter (8) im Querschnitt nach Art eines hohlen Flügelprofils mit vorgebbarer Wandstärke (a, b) ausgebildet sind, wobei bezogen auf das Querschnittsprofil (B, B') eine Wandseite (a) eine dickere Wandstärke als die anderen (b) aufweist.
Vertikalwindkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter (8) im Querschnitt nach Art eines hohlen Flügelprofils mit vorgebbarer Wandstärke (a,b) ausgebildet sind, wobei die Wandstärke (a,b), bezogen auf die Achse (23) des jeweiligen Rotorblatts (8), im Wesentlichen gleich ausgebildet ist, wobei bedarfsweise ein zusätzliches Gewicht (24) mit den Rotorblättern (8) verbindbar ist.
Vertikalwindkraftanlage nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter (8) als Aluminiumstrangpressprofile ausgebildet sind.
Vertikalwindkraftanlage nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtsanteile der Rotorblätter (8) - bezogen auf eine Querachse (23') - dergestalt aufgeteilt sind, dass das Rotorblatt - bezogen auf die Achse (10) - ausgeglichen ist.
Vertikalwindkraftanlage nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungselemente (6, 7) scheiben- oder ringförmig ausgebildet und die Rotorblätter (8), respektive deren Achsen (9, 10) im relativ äußeren Umfangsbereich der Führungselemente (6, 7) angeordnet sind.
Vertikalwindkraftanlage nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Führungselemente (6,7) Kulissen (20) zur einstellbaren Begrenzung der Schwenkbewegung (a) der Rotorblätter (8) vorgesehen sind.
Vertikalwindkraftanlage nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich mindestens eines Gehäuseteils (2) eine Windleiteinrichtung (14) vorgesehen ist, die mit einer gewölbt, insbesondere konkav ausgebildeten Luftleitfläche (14') versehen ist.
Vertikalwindkraftanlage nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass im unteren Bereich des unteren Gehäuseteils (5) eine Einrichtung zur Stromerzeugung, insbesondere ein Generator (G), vorgesehen ist.
Vertikalwindkraftanlage nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb des unteren Gehäuseteils (5) ein Ständer (S) positioniert ist, der einerseits den Generator (G) trägt und andererseits als ein Auflager für ein Tragelement, wie einen Mast, ein Dach oder dergleichen, dient
Vertikalwindkraftanlage nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (G) unmittelbar vom Abtriebsbereich (31) der zentralen Welle (11) antreibbar ist.