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Die Erfindung betrifft eine Vertikalwindkraftanlage.
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Zu den Vertikalwindkraftanlagen zählen u.a. solche, die mit Savonius-Rotoren, Darrieus-Rotoren sowie H-Rotoren ausgerüstet sind. Gegenüber Windkraftanlagen 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.
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Der Erfindung liegt einerseits die Aufgabe zugrunde, eine Vertikalwindkraftanlage dahingehend zu optimieren, dass durch Erhöhung des Wirkungsgrades auch eine höhere Stromausbeute realisiert werden kann.
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Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung eine Einrichtung zu konzipieren, mit deren Hilfe es möglich ist, das Gehäuse der Vertikalwindkraftanlage automatisch der jeweiligen Windrichtung nachführen zu können.
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Die 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 und wobei im Bereich des oberen Gehäuseteils eine aus einem Steuerkeil und einem Windrad bestehende Lenkeinrichtung für das Gehäuse der Vertikalwindkraftanlage angeordnet ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Derzeit werden im Markt z.B. Elektroantriebe eingesetzt, welche mittels Windrichtungsanzeiger und gegebener Datenauswertung die genaue Windrichtung ermitteln und den Motor mittels elektronischer Steuerung ansteuern. Der große Nachteil dieser Art der Ausrichtung ist zum einen ein sehr hoher steuerungstechnischer Aufwand, verbunden mit hohen Kosten sowie dem zwangsläufig anfallenden Stromverbrauch. Bei geringer Windlage wird so Strom aus dem Netz verbraucht, nur um das Gehäuse zu bewegen. Das bedeutet, dass der geringe Energieertrag ebenfalls komplett aufgebraucht wird.
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Hier setzt der Erfindungsgegenstand an. Um keine Stromenergie verbrauchen zu müssen, nutzt die Erfindung die im Wind enthaltene Energie, um das Gehäuse automatisch in den Wind zu drehen.
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Vom konstruktiven Aufbau her ist die Einrichtung so ausgelegt, dass der Steuerkeil - aus der Windrichtung gesehen - dem Windrad vorgelagert ist.
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Der Steuerkeil weist vorteilhafterweise einen etwa dreieckigen Querschnitt auf, wobei eine der Spitzen des Dreiecks im austarierten Zustand der Lenkeinrichtung dem Wind zugewandt ist.
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Einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß ist die dem Windrad zugewandte Fläche des Steuerkeils gerundet, insbesondere konkav ausgebildet, wobei das Windrad nach Art eines Schaufelrades, beinhaltend einen Grundkörper sowie eine Vielzahl radial davon abstehender Schaufelräder, ausgebildet ist.
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Damit das Gehäuse bei sich drehendem Wind automatisch nachgeführt werden kann, ist das Windrad, einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß, über ein hochuntersetzendes Getriebe mit der drehbar gelagerten Hauptwindradeinhausung verbunden. Neben Niedrigwinddruck, wechselnden Windrichtungen ist auch Sturm gegeben. Hier werden die Anlagen üblicherweise abgeschaltet, um Beschädigungen zu vermeiden.
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Marktüblich ist die elektrische Messung der Windgeschwindigkeit mittels externer Einheiten und die Abbremsung des Windrades über den Generator oder über eine Bremse. In beiden Fällen kommt das Windrad zum Stillstand. Die starke Energie des vorhandenen Windes wird wegen der Komplettabschaltung nicht mehr genutzt, was erneut Geld und technischen Aufwand kostet.
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Einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß ist der Steuerkeil hierbei innerhalb einer Kulisse in seiner Lage veränderbar und kann winddruckabhängig unter Einwirkung einer Federkraft innerhalb der Kulisse bewegt werden. Die Kulisse ist hierbei vorteilhafterweise bogenförmig ausgebildet, wobei bei Überschreitung eines eingestellten Winddrucks der Steuerkeil gegen die Federkraft innerhalb der Kulisse verschoben wird.
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Der Steuerkeil bildet durch seine Stirnfläche ein natürliches Hindernis im Windstrom. Hierdurch wirkt eine Kraft, die den Steuerkeil nach hinten schieben möchte. Bis zu einem frei definierbaren Winddruck hält der in einer Kulisse gelagerte Steuerkeil federbelastet seine Position. Übersteigt der eingestellte Winddruck die Federkraft, gleitet der Steuerkeil in einer bogenförmigen Kulisse zur Seite. Seine veränderte Lage versucht das Anlaufen des Steuerwindrades, wobei das Hauptwindradgehäuse trotz idealer Position aus dem Wind gedreht und der Windeinlass reduziert wird. Durch seine Keilform bleibt der Steuerkeil durch seitlichen Winddruck in seiner Position. Erst nachdem die Federkraft wieder größer wird als der Winddruck, gleitet der Steuerkeil wieder in die Betriebsposition und der Herausdrehvorgang der Einhausung wird gestoppt.
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Somit kann die Vertikalwindkraftanlage auch bei Sturm in Betrieb bleiben und wird nicht abgeschaltet, wodurch auch bei Sturm ein erheblicher Energiegewinn realisiert werden kann.
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Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen
- 1 Eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Vertikalwindkraftanlage;
- 2 Vertikalwindkraftanlage gemäß 1 mit alternativer Generatoranordnung;
- 3 - 5 Prinzipskizze der in 1 nur angedeuteten Gehäusenachführeinrichtung in verschiedenen Positionen.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Vertikalwindkraftanlage 1 in verschiedenen Ansichten. Erkennbar sind seitliche Gehäuseteile 2, 3, obere und untere Gehäuseteile 4, 5, obere und untere Führungselemente 6, 7, die schwenkbar gelagerte Rotorblätter 8 zwischen sich aufnehmen. Die scheibenförmig ausgebildeten Führungselemente 6, 7 sind über eine zentrale Welle 9 miteinander verbunden. Zur Realisierung der Drehbewegung der Führungselemente 6, 7, relativ zu den oberen und unteren Gehäuseteilen 4, 5 sind zugehörige Lagerstellen 10, 11 vorgesehen. Die zentrale Welle 9 wird durch die untere Lagerstelle 11 hindurchgeführt und in Richtung eines Generators G verlängert.
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Am äußeren Gehäuseteil 2 befindet sich ein nach außen weisendes, sich im Querschnitt verjüngendes Luftleitelement 12. Durch dieses Luftleitelement 12 kann die Anströmung der Rotorblätter 8 positiv beeinflusst werden. Zu diesem Zweck ist das Luftleitelement 12 mit einer konkav ausgebildeten Luftleitfläche 12' versehen.
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Bedarfsweise können zwischen den seitlichen Gehäuseteilen 2, 3 weitere, etwa horizontal verlaufende zusätzliche Luftleitelemente 13 vorgesehen werden, die sich zwischen dem inneren Bereich des Gehäuseteils 2 und den Rotorblättern 8 erstrecken.
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Ebenfalls erkennbar sind die Achsen 14, 15, um welche die Rotorblätter 8 schwenkbar sind. Infolge der gewölbt ausgebildeten Luftleitelemente 12 wird innerhalb des, durch die Gehäuseteile 2 - 5 gebildeten Gehäuses, ein Bereich B gebildet, der von der Luftströmung nicht erfasst wird, da selbige unmittelbar auf die Rotorblätter 8 geführt wird.
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Unterhalb des unteren Gehäuseteils 5 befindet sich ein Ständer 16, der einerseits den Generator G trägt und andererseits ein Auflager für einen Mast, ein Dach oder dergleichen bildet.
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2 zeigt die Vertikalwindkraftanlage 1 gemäß 1. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Abweichend zu 1 ist der Generator G unterhalb des unteren Gehäuseteils 5 dergestalt positioniert, dass er in unmittelbarer Wirkverbindung mit der zentralen Welle 9, respektive deren Abtriebsbereich 17, steht. Gegenüber der Darstellung gemäß 1 ist der Vorteil gegeben, dass keine mechanischen Abtriebsverluste gegeben sind.
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In 2 ist die erfindungsgemäße aus einem Windrad 18 und einem Steuerkeil 19 bestehende Lenkeinrichtung 20 angedeutet, die in den folgenden Figuren näher beschrieben wird. Über die Lagerstellen 10, 11 ist das Gehäuse 21 der Vertikalwindkraftanlage 1 frei drehbar, so dass es der jeweiligen Windrichtung automatisch nachgeführt werden kann. Das Windrad 18 ist hierbei über ein hochuntersetzendes Getriebe 22 mit der zentralen Welle 9 verbunden. Das Getriebe 22 bewirkt, dass das gesamte Gehäuse 21 der Vertikalwindkraftanlage 1 bei Änderung der Windrichtung dieser Änderung durch die Windenergie selbsttätig nachgeführt werden kann.
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Die 3 - 5 zeigen die Lenkeinrichtung 20 in verschiedenen Positionen. Erkennbar ist das Windrad 18, das an seinem Außenumfang eine Vielzahl von Schaufelrädern 23 beinhaltet. Ferner erkennbar ist der Steuerkeil 19, der ein etwa dreieckförmiges Profil aufweist. Die den Schaufeln 23, respektive dem Windrad 18 zugewandte Fläche 24 des Steuerkeils 19 ist konkav ausgebildet.
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Um keine externe Stromenergie bei der Gehäusedrehung verbrauchen zu müssen, nutzt der Erfindungsgegenstand die im Wind enthaltene Energie, um das Gehäuse 21 (2) drehen zu können.
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3 zeigt den Normalbetrieb. Bei zu verwertenden Windgeschwindigkeiten steht der Steuerkeil 19 immer exakt ausgerichtet vertikal zur Windradachse. Der genau zentral im Wind stehende Steuerkeil 19 teilt den Wind gleichmäßig und leitet ihn auf die rechts und links identisch positionierten Windradschaufeln 23 (s. Pfeile). Da auf beiden Seiten des Windrades 18 der gleiche Winddruck auf die Windradschaufeln 23 wirkt, steht das Windrad 18 still, die richtige Gehäuseposition ist hergestellt.
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Sollte der Wind sich nun drehen und seitlich versetzt auf das Windrad 18 treffen (4), schirmt der Steuerkeil 19 das Windrad 18 einseitig ab und leitet den Wind auf der anderen Seite auf das Windrad 18, welches sich sofort mit dreht. Das Windrad 18 ist - wie bereits in 2 erwähnt - über ein hochuntersetzendes Getriebe 22 mit der drehbar gelagerten Hauptwindradeinhausung verbunden, welche jetzt durch das Windrad 18 wieder korrekt in den Wind gedreht wird. Sobald die ideale Position erreicht ist (3), herrscht wieder Kräftegleichgewicht am Windrad 18 und das Gehäuse 21 kommt in ausgerichteter Form zum Stehen.
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Ein weiteres Problem ist die Anlagenabschaltung bei Sturm. Dies ist in 5 dargestellt. Der Steuerkeil 19 bildet durch seine Stirnfläche ein natürliches Hindernis im Windstrom. Hierdurch wirkt eine Kraft, die den Steuerkeil 19 nach hinten schieben möchte. Bis zu einem frei definierbaren Winddruck hält der in einer Kulisse gelagerte Steuerkeil 19 federbelastet seine Position. Übersteigt der eingestellte Winddruck die Federkraft, gleitet der Steuerkeil 19 in einer bogenförmigen Kulisse zur Seite. Seine veränderte Lage verursacht das Anlaufen des Windrades 18, wobei das Gehäuse 21 trotzt idealer Position aus dem Wind gedreht wird, wodurch sich der Windeinlass reduziert. Durch seine Keilform bleibt der Steuerkeil 19 durch seitlichen Winddruck in seiner Position. Erst nachdem die Federkraft wieder größer wird als der Winddruck, gleitet der Steuerkeil 19 zurück in seine Betriebsposition und der Herausdrehvorgang des Gehäuses 21 wird gestoppt. Somit kann die Vertikalwindkraftanlage 1 im Betrieb verbleiben und wird nicht abgeschaltet, wodurch ein erheblicher Energiegewinn auch bei Sturm realisiert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vertikalwindkraftanlage
- 2
- seitliches Gehäuseteil
- 3
- seitliches Gehäuseteil
- 4
- oberes Gehäuseteil
- 5
- unteres Gehäuseteil
- 6
- oberes Führungselement
- 7
- unteres Führungselement
- 8
- Rotorblätter
- 9
- Welle
- 10
- Lagerstelle
- 11
- Lagerstelle
- 12
- Luftleitelement
- 12'
- Luftleitfläche
- 13
- Luftleitelement
- 14
- Achse
- 15
- Achse
- 16
-
- 17
- Antriebsbereich
- 18
- Windrad
- 19
- Steuerkeil
- 20
- Lenkeinrichtung
- 21
- Gehäuse
- 22
- Getriebe
- 23
- Schaufeln
- 24
- dem Windrad zugewandte Fläche des Steuerkeils
- G
- Generator
- B
- Bereich
