DE102020000809A1

DE102020000809A1 - Windkraftanlage mit vertikaler Rotorwelle und beweglichen Horizontalachsen

Info

Publication number: DE102020000809A1
Application number: DE102020000809.7A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-02-07
Filing date: 2020-02-07
Publication date: 2021-08-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einer vertikalen Antriebswelle 1, an der horizontal ausgerichtete Hohlachsen (2, 11) angeordnet sind, wobei durch diese beiden Achsen auch eine Trägerwelle (6) steckt, die die statische Verbindung zum Turm, Gebäude oder ähnliches übernimmt. Zur Verbesserung der Eigenschaften ist die Vertikalachse ein geschlossener Hohlraum, der als Schmiermitteltank fungiert und die Lager innen aufnimmt. Die Drehung der Horizontalachsen in seiner Längsachse zur Vertikalachse wird erst durch ein Öffnen einer Verdrehungsblockade möglich, diese Blockade wird erst ab einer gewissen geringen Windgeschwindigkeit geöffnet und schließt sich ab einer gewissen hohen Windgeschwindigkeit. Zwischen den Einzelwellen der Horizontalachsen (10,11) sitzt ein gespanntes Gelenk (9) und erlaubt im Blockadezustand bei Orkanen ein Verbiegen der Rotorflächen. Bei Entfall der hohen Windkräfte geht die Rotorfläche in die alte Stellung wieder zurück aufgrund der Spannkraft im Gelenk (9).

Description

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einer vertikalen Achse, an der horizontal ausgerichtete Achsen radial abstehend angeordnet sind und um ihre Längsachse drehbar gelagert sind. An den Horizontalachsen sind Windangriffsflächen, die an diesen Achsen jeweils um 90° versetzt sind. Die Technik dient der Energieerzeugung aus Luftbewegung der Atmosphäre.
Der Erfinder arbeitet und entwickelt an diesen gattungsbildenden Windkraftanlagen mit vertikaler Achse und horizontalen Rotorflächen seit 2001. Ausgangstechnik war ähnlich der Offenlegungsschriften des Deutschen Patentamts P 20 04 687.1; DE19620958A ; DE 3107486 ; DE 27 18 884 oder dem Gebrauchsmuster G 87 01 224.03.
Der Erfinder selbst erhob Patentansprüche mit den Aktenzeichen 102 12 827.8-15; 103 18 231.4 und 10 2008 025 513.0 , weil er mittels Modellversuchen im eigenen Windkanal feststellte, dass die Ausgangstechnik zur Serienreife vor Kunde aus unterschiedlichen Gründen nicht geeignet war. Jeder einzelne der darin eingereichten Patentansprüche des Erfinders führte 2015 zu der Erkenntnis, dass noch entscheidende Bauelemente für den Einsatz in einer Serienfertigung und einem professionellem Markteintritt fehlten.
Die Patentansprüche mit dieser Anmeldung sind ausschlaggebend dafür, dass nun mit einem wirtschaftlichen Ausblick mit einem Produkt in den Markt gegangen werden kann.
Erst die Patentansprüche 1 und 2 erlauben eine kompakte Windkraftanlage dieser Windanlagengattung, die erst durch die dreifache Funktion der Vertikalachse, a/ Hohlraum als Schmierölspeicher b/ Aufnahme der Horizontal-Achsen und c/ Integration der Trägerwelle in die Vertikalachse und durch die Horizontalachsen möglich wird. Mittels außermittige Anordnung der Horizontalachsen (1, 2) wird die Durchdringung der Trägerwelle (6) in die Mitte der Vertikalachse erst möglich und erlaubt eine statisch und dynamisch kompakte Einheit zu. Durch diese Konstruktion konzentrieren sich die gesamten statischen und dynamischen Kräfte dann auf die Befestigungsfläche (8) der Trägerwelle unten, damit die Windanlage auf Gebäuden oder Türmen montiert werden kann.
Patentanspruch 3 erhöht fundamental die Sicherheit der Windanlage bei extremen Windverhältnissen und Patentanspruch 4 mit den integrierten Gelenken (9) ergibt das Potential, die Herstellkosten der Rotorflächen (7) und der Horizontalachsen (2) bedeutend zu senken, damit eine Wirtschaftlichkeit der Windanlage fundamentiert werden kann.
Bislang war konstruiert worden, den Durchdringungspunkt der Horizontalachse (2) in die Vertikalachse (1) mit hohem Aufwand so zu gestalten, dass mittels Sondermaterial leicht und stabil in diesem Bereich und für die Rotorfläche sehr hohe Herstell-Kosten anfielen. Mit den Patentansprüchen 3, 4, 5 und 6 werden die Rotorflächenkosten (7 a, b) bedeutend gesenkt. Erweitert wird diese erarbeitete Kostensenkung mit Patentanspruch 10, womit die große Rotorfläche in kleine Bauteile zerteilt werden kann, um eine vollautomatische und kostengünstige Großserienfertigung zu ermöglichen.
Die Patentansprüche mit dieser Anmeldung sind das Ergebnis aus Ideen, die in langjähriger konstruktiver Arbeit und anschließenden praktischen Versuchen zu machbaren Lösungen für die Probleme dieser Technik vom Erfinder konstruiert, gebaut, erprobt und nun beschrieben sind. Diese gesamten Projekte erfolgten auf Kosten des Erfinders seit 2001 mittels diversen Modellen im eigenen kleinen Windkanal, mit der Prototypen-Maschine KB1 Testende 2008 und der weiteren Maschine KH1 Testende 2015. Laufend entwickelten sich technische Lösungen mit anschließend aber auch sich ergebenden weiteren Problemen wie Orkansicherheit, Rundlauf und den viel zu hohen Herstellkosten.
Mit der Maschine KB2, gestartet Juni 2015, sind für diese Probleme nun die technischen Lösungen konstruiert, gebaut und erfolgreich erprobt. Mit dieser Anmeldung und den Patentansprüchen soll ein Produkt in Zeiten der globalen Klimakrise weltweit finanziert und vermarktet werden, gleichzeitig soll mit der Anmeldung verhindert werden, dass diese Technik einfach kopiert wird und somit vom Erfinder teuer entwickelte Erkenntnisse als geistiges Eigentum gestohlen wird. Die Patentansprüche sind auf keinem Fall in dieser Gattung der Windkraftmaschinen Stand der Technik. Deswegen nicht, weil aus Sicht des Erfinders er der einzige ist, der sich mit 1:1 Prototypen an die Probleme dieser vertikalen Windkraftmaschine mit horizontalen Rotorachsen ausgiebig beschäftigt hat. Seine bisherigen Recherchen belegen diese Annahme.
Die heutige beschriebene Maschine ist das technische Ergebnis aus vielen erprobten Einzelschritten, teilweise auch mit kostenintensiven Rückschlägen belegt, weil in Modellen nicht die konstruktiven Herausforderungen von heutigen Windgeschwindigkeiten und deren Orkankräften sichtbar wurden.
Dieser beschriebene Windkraftantrieb hat zwei grundsätzliche Funktionen: entweder ist a/ die Technik in der Arbeitsfunktion der Vertikalwelle mit den Horizontalachsen (2) oder b/ in der Blockadefunktion der Horizontalachsen zur Vertikalachse (2 oder 3 je nach Konstruktion), wobei sich dann automatisch die Vertikalachse nicht im Wind dreht und Energie erzeugen kann. In der Arbeitsfunktion (2) sind die Horizontalachsen mit den Rotorflächen frei drehend und die Vertikalachse wird vom Wind gedreht, in der Nicht-Arbeitsfunktion sind die Horizontalachsen mit den Rotorflächen in der Drehung blockiert (2 oder 3).
In der Nicht-Arbeitsfunktion ab einer gewissen Windstärke stehen die Rotorflächen in einer bestimmten Stellung, dass eine zu hohe Windkraft die Rotorflächen aufgrund der Federkraft in den Gelenken (9) aus dem Einfluss des Windes biegt. Damit werden Beschädigungen der Maschine bei hohen Windstärken eines Orkanes verhindert. In der gesamten Entwicklungszeit bis 2015 ohne diese Gelenke sind diverse Konstruktionen der Horizontalachsen bei Orkan zu Bruch gegangen incl. kostenintensiver Rotoren aus dem Werkstoff Carbon.
In Kombination mit dieser sogenannten Ausstellung der Rotorflächen bzw. Nicht-Arbeitsfunktion zur Vertikalachse ab einer gewissen Windstärke entsteht die Möglichkeit, dass die Windkraft die Rotorflächen aufgrund der Federkraft in den Gelenken aus dem Einfluss des Windes biegt, um Orkan-Beschädigungen der Maschine auszuschließen.
Die Maschine in der Nicht-Arbeitsfunktion wird erst durch Öffnen der Blockadefunktion der Horizontalachsen in die Arbeitsfunktion der Vertikalachse gelassen. Diese Verdrehungsblockade kann erfolgen durch elektrische Bremsen oder Stellmotor, durch Luftdruckkolben, durch Gewicht und Schwerkraft, durch gespannte Federn oder ähnliches. Bei Störungen, wie Schwingungen oder anderes, ermittelt durch mechanische oder elektronische Sensoren, geht die Maschine in Blockade der erwähnten Technik wieder in die Nichtarbeitsfunktion des Windkraftantriebes. In der Nicht-Arbeitsfunktion der Rotorflächen, in welcher Stellung auch immer, ist die Drehung als Arbeitsfunktion der Vertikalachse definitiv nicht möglich, weil beiderseitig der Vertikalachse der gleiche Luftwiderstand durch die Rotorflächen gegeben ist. Diese Stellung der Vertikalachse passt sich dann nur noch den Windrichtungsänderungen an.
Eine Blockadebremse, wie bei anderen Windkraftantrieben üblich, wäre bei dieser Technik kontraproduktiv, weil dadurch die Maschine bei hohen Orkankräften zerstört werden kann.
Die Positionsstellung der Rotorflächen in der Nicht-Arbeitsfunktion ist dann optimal, wenn eine Rotorgruppe (3) vertikal steht und die gegenüberliegende Rotorgruppe aufgrund der 90°-Versetzung horizontal steht. Die Stellung der Rotorflächen ist auf der einen Seite der Horizontalachsen vertikal ausgerichtet und somit auf der anderen Seite zwingend horizontal. Damit ergibt sich in der Draufsicht von oben eine erprobte Pfeilung, womit sich die Windmaschine nach der Windrichtung ausrichtet und damit einen geringen Luftwiderstand bei Unwetter darstellt. Aufgrund der Rotorflächen verbiegt der Wind bei Orkanstärken die Horizontalachsen, weil die Federkraft in den Gelenken überwunden wird, diese gehen aber wieder zurück aufgrund der Federkräfte, wenn die Windkräfte nachlassen. Die Stellung der Rotorflächen in der Nicht-Arbeitsfunktion kann auch in der jeweiligen 45°-Stellung der Rotorflächen zur Horizontalen sein. Patentansprüche 3 und 4 werden diesbezüglich gestellt.
Die Horizontalachsen durchdringen die Vertikalachse dahingehend, dass der Kern als Rohr oder Welle jeweils immer aus mindestens drei Teilen besteht (Patentanspruch 5). Das mittlere Teil als horizontale Tragachse sitzt mit den Lagern in der Vertikalachse drehbar gelagert, die beiden äußeren Rohre tragen die 90° versetzten Rotorflächen. Zwischen der Tragachse und den äußeren Horizontalachsen sitzt jeweils ein Gelenk mit integrierter Spannkraft, um den sich die äußeren Horizontalachsen mit den Rotorflächen sich drehen können. Sollte der Windkraftantrieb in der Blockadefunktion dermaßen von Windkräften belastet werden, dass diese brechen könnten, dann wird die Rotorfläche um den Drehpunkt im Gelenk (9) gedreht, wobei eine Kraft überwunden werden muss. Lässt diese hohe Windkraft nach, bringt diese Kraft die Rotorflächen wieder in die alte Stellung im Gelenk zurück. Mehrere kostenintensive Versuche im Windkanal und an einer Versuchsmaschine bewiesen, dass damit eine Zerstörung durch Extremwetter verhindert wird und die Herstell-Kosten für die Horizontalachsen mit den Rotorflächen um das Vielfache gesenkt werden kann. Durch die globale Klimakrise sind örtlich und zeitlich mit Windgeschwindigkeiten um 400 km/h zu rechnen. Mit dieser und den dazugehörigen Patentansprüchen wird diese Art des vertikalen Windkraftantriebes überhaupt erst für den Kundenbetrieb möglich. Nach zwanzig Jahren Entwicklung wird erst mit diesem Gelenk (9) das Konzept wirtschaftlich. In Japan ist es üblich, bei den hohen Windgeschwindigkeiten von Hurrikans Windmaschinen aus dem Wind zu nehmen und zu demontieren, diese kostenintensive Arbeit kann nun entfallen.
Die vertikale Aufnahmewelle oder Trägerwelle (6) ist mit der Bodenplatte (8) das Verbindungsteil des Windkraftantriebes zum Erdboden in Form eines Turmes, zu einem Gebäude oder eines vergleichbaren Objektes. Die Vertikalachse (1) als Rohr sitzt mittels Lager auf der vertikalen Aufnahmewelle (6) und bildet mit Verschlüssen oben und unten einen Hohlraum, der auch die Funktion einer Ölwanne (3) für den Schmierölkreislauf bildet. Die Vertikalachse kann auch mit Verkleidungsplatten bestückt sein, um unter anderem den Wetterschutz darzustellen oder die Fläche für Werbung zu nutzen. Diese Platten können aus Kunststoff, Naturfasern oder ähnliches bestehen.
Die Horizontalachsen (2) vertikal jeweils übereinander durchdringen die Vertikalachse außermittig versetzt (1), damit die vertikale Aufnahmewelle oder Trägerwelle (6) mittig in der Vertikalachse stecken kann und ausreichend Freiraum hat. Die übereinander liegenden Horizontalachsen sind mittels Bauteil so miteinander verbunden, dass diese sich immer parallel drehen. Dies kann mittels Koppelstange, Kettentrieb oder anderen Verbindungen erfolgen.
Die Horizontalachsen sind mittels Lager mit der Vertikalachse verbunden, bestehen aus einem Rohr oder Welle, dessen Material Stahl, Kunststoff oder ein anderes Material sein kann und wird mit Platten als Rotorflächen bestückt, die aus Kunststoff, Naturfasern oder ähnliches bestehen können.
Die Rotorflächen (7a bzw. 7b) auf den Horizontalachsen sind um 90° versetzt, haben in der Arbeitsfunktion keinen Anschlag und können somit frei drehen.
Die Vertikalachse (1) ist als Trägerwelle ein Hohlraum und integriert die Lager (5) für die Horizontalachsen, die Steuerungsketten bzw. Koppelstangen und die Lager (4) für die Aufnahmewelle (6). Diese Lager und eventuell Steuerungsketten müssen mit einem Ölkreislauf geschmiert werden. Dieser Ölkreislauf hat unten in der Trägerwelle eine Ölwanne (3) und zwischen Trägerwelle und Aufnahmewelle eine Nockenpumpe oder eine andere Technik als Ölpumpe für den Öltransport zwischen Ölwanne und zu schmierenden Teilen im Hohlraum des Windkraftantriebes.
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 19620958 A [0002]
DE 3107486 [0002]
DE 2718884 [0002]
WO 10212827815 [0003]
WO 10318231 [0003]
WO 102008025513 [0003]

Claims

Die Vertikalachse (1, 1) der Windanlage als Aufnahme der Horizontalachsen (2) dadurch gekennzeichnet, dass diese als geschlossenem Hohlraum fungiert, damit das Schmieröl (3) für die inneren Lager und andere bewegliche Teile nicht entweichen kann und gleichzeitig die Aufnahmestatik stellt für die Lager (4) der Aufnahmewelle und der Lager (5) für Horizontalachsen darstellt. Dies kann durch ein Rund-, Vierkantrohr oder ähnliches gebaut werden, das oben und unten mit planen oder verformten Platten geschlossen wird. Dadurch ergibt sich der Hohlraum, der Schmieröl (3) für die Lagerung und Steuerungstechnik nicht entweichen lässt und deren Verschmutzung verhindert. Durchbrüche für die Horizontalachsen können auch als Labyrinth-Technik oder ähnliches gestaltet werden, damit kein Schmieröl entweichen kann bzw. Staub eindringen kann.
Die Vertikalachse (1) der Windanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass die Horizontalachsen (2) in der Seitenansicht der Vertikalachse so außermittig gestaltet, dass eine innere vertikale Aufnahmewelle bzw. Trägerwelle (6) mit zwei Lagern (4) oben und unten aufgenommen werden kann und die Rotation um die Hochachse zulässt. Die außermittigen Horizontalachsen (2) untereinander sind miteinander in der Drehung in der Längsachse miteinander gekoppelt. Dies kann durch Ketten, Koppelstangen oder ähnliches erfolgen.
Die Vertikalachse (1) der Windanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine eine technische Verdrehungsblockade zu den Horizontalachsen hat. Die Vertikalachse kann nur arbeiten und Energie erzeugen, wenn diese sich in einem bestimmten Fenster der Windgeschwindigkeiten der Umgebung befindet. Diese Arbeitsfunktion der Maschine kann nur erfolgen, wenn die Verdrehungsblockade zwischen der Vertikalachse (1) und den Längsachsen der Horizontalachsen (2) gelöst wird. Die Verdrehungsblockade kann durch Gewichte und Schwerkraft, durch Luftdruck, durch Bremsen, durch Stellmotor, durch Federn oder ähnliches erfolgen. Ab einer gewissen geringen Windstärke (z.B. 3 m/s), wird die Verdrehungsblockade entfernt, damit die Horizontalachsen (2,11) in der Längsachse ohne Anschlag frei drehen können und ab einer gewissen hohen Windstärke (z.B. 20 m/s) wird die Verdrehungsblockade wieder initiiert und eine Verdrehung der Horizontalachsen ausgeschlossen. Die Verdrehungsblockade kann auch einsetzen, wenn Schwingungen die Maschine in der Arbeitsfunktion belasten. Schlussfolgernd wird auch die Verdrehung der Vertikalachse durch den gleichen Luftwiderstand der Rotorflächen (7a und 7b) links und rechts der Vertikalachse blockiert. Bewegungen der Vertikalachse erfolgen dann nur durch Windrichtungsänderungen.
Die Horizontalachsen (2) der Windanlage sind dadurch gekennzeichnet, dass diese in der Nicht-Arbeitsfunktion und eingesetzter Verdrehungsblockade in einer ganz bestimmten Stellung stehen (2). In einer anderen bestimmten Stellung (3) steht z.B. die eine Rotorfläche (7a) der einen Horizontalachse vertikal und die gegenüberliegende Rotorfläche (7b) der gleichen Horizontalachse schlussfolgernd durch die 90°-Verdrehung horizontal.
Die Horizontalachsen der Windanlage sind dadurch gekennzeichnet, dass die den Hohlraum durchdringenden Horizontalachsen sich aus jeweils mehreren Einzelwellen bilden, die wiederum jeweils mit Gelenken (9) verbunden sind. Eine Horizontalachse ist eine den Hohlraum durchdringende Innenwelle (10) mittels Lagern (5) an dem Hohlraum arretiert. Außerhalb des Hohlraums tragen mindestens 2 Außenwellen (11) die um 90° verdrehten Rotorflächen (7a und 7b). Die Innen- (10) und Außenwellen (11) sind mittels Gelenken (9) verspannt, die sich aus Federkräften ergeben und damit mit den einzelnen Wellen eine gesamte Horizontalachse (2) bilden. Diese Außenwellen (11) können sich damit bei hoher Windstärke von den Innenwellen (10) wegbiegen und bei nachlassendem Wind wieder die konstruierte Stellung als Horizontalachse (2) einnehmen.
Die Gelenke (9) zwischen den Wellen (10 und 11) der Horizontalachse (2) sind dadurch gekennzeichnet, dass diese mit integrierter Feder- oder Klemmkraft ausgestattet sind. Die Spannkraft kann erfolgen durch Torsionsfedern, Spiralfedern oder anderen elastischen Materialien, sowie durch Luftdruck oder elektrischer Spannkraft.
Die hier beschriebene Windkraftanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Vertikalachse (1) und Trägerwelle (6) ein oder mehrere Schleifringe die elektrische Funktion ermöglichen, die z.B. die Verdrehungsblockade zwischen Vertikalachse (1) und den Horizontalachsen (2) möglich zu machen, sowie dies auch für weitere möglich elektrische Schaltungen innerhalb der Vertikalachse oder an den Horizontalachsen ermöglicht.
Die hier beschriebene Windkraftanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Vertikalachse (1) und Trägerwelle (6) ein Generator (12) aus der Verdrehung zueinander die Energie zur Energieerzeugung entnimmt.
Die hier beschriebene Windkraftanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Vertikalachse (1) und Trägerwelle (6) eine Ölpumpe (13) die Verdrehungsbewegung dahingehend nutzt, dass der Ölkreislauf im Hohlraum der Vertikalachse angetrieben wird, um aus der Ölwanne die Befeuchtung der inneren Lager und anderen Bauelementen möglich zu machen. Dies kann eine Zahnradpumpe, Nockenpumpe oder ähnliches sein.
Die Horizontalachsrotoren sind dadurch gekennzeichnet, dass diese aus einem Verbund von einem tragendenden Metallrohr oder Metallwelle (11) als Horizontalachse (2) bestehen, worauf einzelne Platten als Rotorfläche (7a bzw.7b) geschoben werden (1; Schnitt A-A). Auf diesen Metall-Träger als Horizontalachse (2,11) werden die Platten mit einem Durchbruch für die Arretierung auf den Träger geschoben und bilden damit eine größere Rotorfläche. Diese Einzelplatten sind für beide Seiten der Horizontalachse geeignet und bestehen aus nachhaltigen Rohstoffen wie z.B. Duroplaste oder nachwachsenden Materialien oder ähnliches, um die Fähigkeit zum Recyceln der gesamten Maschine sicherzustellen. Die Metallträger (2,11) können im Schnitt viereckig, mehreckig, rund, oval oder ähnliches sein (4, Schnitt A-A nur viereckig gezeichnet). Die Metallträger (11) können eine oder mehrere Platten (7a, b) aufnehmen und damit die Rotorfläche vergrößern.