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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein effizientes Windrad zu entwickeln, das geräuscharm läuft, einfach aufgebaut, einfach zu steuern und überlastsicher ist.
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Die bekannteste Form eines Windrades ist ein Windrad mit nahezu waagerechter Achse nach dem Windmühlenprinzip und meistens drei Flügeln. Dies Bauform ist durch die lange Optimierung der Flügel sehr effizient. Aber durch die hohe Geschwindigkeit der Flügelspitzen auch sehr laut. Daher gibt es Akzeptanzprobleme in Wohngebieten. Das Windrad muss auch durch geeignete Vorrichtungen und Steuerungen zum Wind ausgerichtet werden. Damit sich der Rotor bei Starkwind nicht zu schnell dreht ist eine Flügelverstellung oder/und eine Bremse erforderlich. Diese Bauform ist daher für große Windkraftanlagen abseits von Wohngebieten die am besten geeignete.
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Eine weitere bekannte Bauform ist das Windrad nach dem Savonius Prinzip. Es hat eine senkrechte Achse und meist 2 oder 3 Flügel, die an der Achse angeordnet sind. Diese Flügel haben eine gebogene Bauform, so dass sie auf der einen Seite des Rotors dem Wind weniger Widerstand bieten als auf der anderen Seite und der Wind versetzt den Rotor in Drehung. Auf der Seite vom Rotor, wo sich die Flügel entgegen dem Wind bewegen haben sie aber die gleiche zum Wind projizierte Fläche wie auf der anderen Seite. Das Windrad ist darum nicht sehr effektiv. Der Wind übt auch einen sehr hohen Druck auf das Windrad aus, dadurch ist das Prinzip nur für kleine Anlagen geeignet und bei starkem Wind besteht die Gefahr der Überlastung, wenn keine zusätzliche Bremse eingebaut ist.
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Eine weitere bekannte Bauform ist das Windrad nach dem Archimedes Prinzip. Es hat eine waagerechte Achse und besitzt einen spiralförmigen Rotor, der auf einer mathematischen Form basiert, die der griechische Wissenschaftler und Mathematiker Archimedes im dritten Jahrhundert v. Chr. gefunden hat. Das Windrad arbeitet leise und effizient. Es besitzt meistens eine senkrechte Ausrichtachse, die vor dem Windangriffspunkt angesetzt ist. Dadurch richtet es sich selbstständig zum Wind aus. Das Windrad besitzt auch vollflächige Flügel, wodurch es einem starken Winddruck ausgesetzt ist und nur für kleinere Anlagen geeignet ist und auch nicht überlastsicher ist.
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Die vorliegende Idee betrifft ein Windrad mit ein bis drei spiralförmigen Rotorflügeln. Die Achse des Spiralrotors ist in einem Winkel von ca. 45° zum Horizont angeordnet. Der Spiralwinkel der Rotorflügel beträgt auch ca. 45°. Durch eine zweite Achse, die senkrecht am Haltegestell des Rotors angeordnet ist, kann sich das Windrad zum Wind ausrichten oder es wird durch eine weitere Vorrichtung zum Wind ausgerichtet. Der Spiralrotor ist dann richtig ausgerichtet, wenn die Rotorachse in ihrer Schrägstellung parallel zur Windrichtung ausgerichtet ist. Wenn man in diesem Fall aus der Windrichtung auf den Spiralrotor blickt, sind die Spiralflügel des Rotors auf der einen Seite nahezu senkrecht angeordnet und bieten dem Wind eine große projizierte Fläche und einen hohen Widerstand. Auf der anderen Seite sind sie nahezu waagerecht angeordnet und bieten dem Wind wenig projizierte Fläche und darum einen sehr geringen Widerstand. Dadurch wird der Spiralrotor in Drehung versetzt und es kann auf sehr effiziente Weise durch einen Generator Strom erzeugt werden.
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Die Umfangsgeschwindigkeit des Spiralrotors beträgt bei einem Winkel der Spiralflügel von 45° maximal der Windgeschwindigkeit. Dadurch ergibt sich eine geringere Drehgeschwindigkeit als bei Windrädern nach dem Windmühlenprinzip und darum läuft es geräuscharmer als diese. Er macht auch keine flatternden Geräusche wie Windräder nach dem Savonius Prinzip, da die Spiralflügel sich gleichmäßig durch den Wind wälzen und der Luftstrom nicht immer wieder an den Flügeln abreißt.
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Die Ausrichtung des Windrades zum Wind erfolgt durch den Wind selbstständig. Dies geschieht indem die senkrechte Ausrichtachse aus der Windrichtung gesehen vor dem mittleren Windangriffspunkt angeordnet ist. Wenn die Ausrichtachse durch den Windangriffspunkt ginge, könnte sich der Spiralrotor undefiniert ausrichten und ineffizient sein. Je weiter die senkrechte Ausrichtachse vor dem Windangriffspunkt liegt, umso besser richtet sich die Rotorachse in ihrer Schrägstellung idealerweise parallel zum Wind aus.
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Da der Winddruck auf der Rotorseite, die sich mit dem Wind bewegt, stärker ist als auf der gegenüberliegenden Rotorseite, dreht sich das Spiralwindrad bei stärkerem Wind über die senkrechte Ausrichtachse aus der idealen Stellung parallel zum Wind heraus. Dieser Effekt wird als Überlastschutz genutzt. Durch den Abstand der senkrechten Ausrichtachse vom Windangriffspunkt kann definiert werden bei welche Windgeschwindigkeit der Spiralrotor sich um einen bestimmten Winkel aus der Idealstellung herausdreht. Hier gilt es den optimalen Abstand in Abhängigkeit der Größe und Stabilität des Spiralrotors zu ermitteln. Als optimal hat sich ein Abstand von 20% des Rotordurchmessers herausgestellt. Er sollte aber mindestens 5% des Rotordurchmessers sein. Es ist dann keine weitere Ausrichtungssteuerung des Windrades erforderlich und man erhält eine sehr einfaches, kostengünstig zu produzierendes und betriebssicheres Windrad.
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Zur besseren Ausrichtung des Windrades kann es sinnvoll sein einen Leitflügel einzusetzen. Die Ausrichtung wird erreicht, indem der Leitflügel parallel zur Drehachse des Rotors am Haltegestell des Rotors angebracht wird. Dadurch kann das Windrad bei einer mittleren Windstärke effizienter eingesetzt werden. Bei hohen Windstärken muss dieser Leitflügel aber weg klappen können um den Überlastschutz nicht zu gefährden. Der Leitflügel hat zum Haltegestell des Rotors daher eine senkrechte Drehachse und wird durch eine Feder in seiner Position gehalten. Die Feder kann eine Zugfeder, die seitlich am Haltegestell des Rotors und am Leitflügel angebracht ist oder eine Drehfeder, die sich in der Drehachse des Leitflügels befindet, sein. Die Federkraft ist so eingestellt, dass sich der Leitflügel bei stärkerem Wind, der das Windrad beschädigen könnte, nachgibt, so dass sich der Spiralrotor aus der Idealstellung herausdrehen kann und der Überlastschutz weiter gegeben ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Spiralflügel des Windrades in einzelne Segmente zerhackt. Diese einzelnen Segmente sind kreisförmig an einer Rotorflügelhalterung angebracht. Bei dieser Ausführungsform werden mindestens vier einzelne Segmente benötigt. Wenn die einzelnen Segmente sehr klein sind, benötigen sie bei dieser Ausführungsform keine Spiralform, sie können auch eben sein. Die Spirale ergibt sich erst durch die Gesamtheit der einzelnen Segmente, wenn diese virtuell aneinander gesetzt würden. Da bei dieser Ausführungsform die Fläche der einzelnen Segmente maximal der Fläche eines Spiralflügels mit einer Umdrehung sein kann, ist sie eher für Windräder mit geringer Leistung eingesetzt, lässt sich dafür aber noch einfacher und kostengünstiger produzieren.
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Im Folgenden sind die Details des neuen Windrades anhand der Bilder dargestellt:
- 1: Eine perspektivische Darstellung der Grundform eines erfindungsgemäßen Windrades.
- 2: Eine Ansicht der Grundform eines erfindungsgemäßen Windrades von der Seite, 90° zur Windrichtung mit Darstellung der erfindungsgemäßen Winkel und Abstände.
- 3: Eine Ansicht der Grundform eines erfindungsgemäßen Windrades aus Windrichtungssicht. Es sind die projizierten Flächen der Rotorflügel mit Bewegung mit und entgegen der Windrichtung dargestellt.
- 4: Eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Windrades mit Leitflügel zur besseren Ausrichtung des Windrades.
- 5: Eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Windrades mit segmentiertem Spiralflügel.
- 6: Eine Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Windrades mit segmentiertem Spiralflügel von der Seite, 90° zur Windrichtung mit Darstellung der erfindungsgemäßen Winkel und Abstände .
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Windrad
- 2
- Spiralrotor
- 3
- Spiralflügel
- 4
- Rotordrehachse
- 5
- Senkrechte Ausrichtachse
- 6
- Haltegestell des Rotors
- 7
- Rotorflügelhalterung
- 8
- Generator
- 9
- Spiralwinkel α der Rotorflügel
- 10
- Winkel β des Rotorflügels
- 11
- Abstand δ der Ausrichtachse vom Zentrum des Windangriffes
- 12
- Mittlerer Windangriffspunkt
- 13
- Projizierte Fläche A der Rotorseite die sich mit dem Wind bewegt
- 14
- Projizierte Fläche B der Rotorseite die sich entgegen dem Wind bewegt
- 15
- Leitflügel
- 16
- Drehachse des Leitflügels
- 17
- Feder zum Halten des Leitflügels
