DE102021108648B3 - wind turbine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage (10) mit einem mehrere Rotorblätter (24) aufweisenden, um eine Drehachse (16) drehbar gelagerten Rotor (12), wobei die Rotorblätter (24) jeweils im Abstand zur Drehachse (16) angeordnet sind und eine axiale Erstreckung aufweisen und wobei eine axiale Erstreckung des Rotors (12) zwischen einer ersten Rotoranordnung mit maximaler axialer Erstreckung und einer zweiten Rotoranordnung mit minimaler axialer Erstreckung veränderbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass, eine erste Kraft den Rotor (12) in die erste Rotoranordnung drängt und/oder dass Mittel zur Ausübung einer zweiten Kraft vorgesehen sind, welche den Rotor (12) bei zunehmender Drehzahl in die zweite Rotoranordnung drängt.The invention relates to a wind power plant (10) with a rotor (12) having a plurality of rotor blades (24) and mounted so as to be rotatable about an axis of rotation (16), the rotor blades (24) each being arranged at a distance from the axis of rotation (16) and having an axial extension and wherein an axial extent of the rotor (12) can be changed between a first rotor arrangement with a maximum axial extent and a second rotor arrangement with a minimum axial extent. According to the invention, a first force forces the rotor (12) into the first rotor arrangement and/or means are provided for exerting a second force which forces the rotor (12) into the second rotor arrangement as the speed increases.
Description
Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem mehrere Rotorblätter aufweisenden, um eine Drehachse drehbar gelagerten Rotor gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a wind power plant with a rotor which has a plurality of rotor blades and is mounted such that it can rotate about an axis of rotation, according to the preamble of claim 1.
Solche Windkraftanlagen, deren Rotorblätter im Abstand zur Drehachse angeordnet sind, sind insbesondere in Form von Savonius-Rotoren oder Darrieus-Rotoren bekannt und dienen der Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie. Die Rotorblätter weisen dabei jeweils eine axiale Erstreckung auf, so dass sie sich in axialer Richtung über eine bestimmte Länge entlang der Drehachse erstrecken. Sie können dabei parallel zur Drehachse angeordnet sein oder schräg zu dieser geneigt. Bei solchen Windkraftanlagen besteht das Problem, dass ihr Rotor bei zunehmender Windstärke immer schneller dreht, bis eine Belastungsgrenze überschritten wird, oberhalb der der Rotor vom starken Wind beschädigt oder gar zerstört wird. Eine Windkraftanlage der eingangs genannten Art, bei der bei Ansteigen der Drehzahl durch Erhöhen der auf den Rotor wirkenden Zentrifugalkräfte die Höhe des Rotors verringert wird, um den Einfluss des Windes zu minimieren, ist aus der
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Windkraftanlage bereitzustellen, die besser an wechselnde Windstärken angepasst werden kann.It is the object of the invention to provide a wind power plant that can be better adapted to changing wind speeds.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Windkraftanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.According to the invention, this object is achieved by a wind power plant having the features of claim 1 . Advantageous developments of the invention are the subject matter of the dependent claims.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den Rotor zwischen einer ersten Rotoranordnung mit maximaler axialer Erstreckung und einer zweiten Rotoranordnung mit minimaler axialer Erstreckung beweglich zu gestalten, um ihn an wechselnde Windstärken anpassen zu können. Dabei wird er bei geringen Windstärken in der Regel in der ersten Rotoranordnung angeordnet sein, während er mit zunehmender Windstärke in axialer Richtung immer mehr verkürzt wird, bis er die zweite Rotoranordnung einnimmt. Diese Variabilität ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform möglich, indem die Rotorblätter nicht starr sind, sondern jeweils an mindestens einer Faltstelle faltbar, so dass die axiale Erstreckung des Rotors mittels Falten jedes Rotorblatts veränderbar ist. Dabei ist es möglich, dass die Rotorblätter jeweils aus flexiblem, faltbarem Material bestehen, wobei vorzugsweise Faltstellen vorbestimmt sind, an denen die Rotorblätter abknicken. Desweiteren ist es möglich, dass die Rotorblätter jeweils aus mindestens zwei starren Segmenten bestehen, welche an den Faltstellen gelenkig miteinander verbunden sind, insbesondere mittels Scharnieren. Solche Windkraftanlagen können zudem als Werbeträger zum Einsatz kommen, wenn die Rotorblätter mit Werbung bedruckt werden. Sie können zudem auf Gebäuden oder Fahrzeugen montiert werden.The invention is based on the idea of designing the rotor to be movable between a first rotor arrangement with a maximum axial extent and a second rotor arrangement with a minimal axial extent in order to be able to adapt it to changing wind speeds. At low wind speeds it will generally be arranged in the first rotor arrangement, while with increasing wind speed it is increasingly shortened in the axial direction until it occupies the second rotor arrangement. According to a preferred embodiment, this variability is possible in that the rotor blades are not rigid but can each be folded at at least one folding point, so that the axial extension of the rotor can be changed by folding each rotor blade. In this case, it is possible for the rotor blades to consist of flexible, foldable material, with folding points preferably being predetermined at which the rotor blades bend. Furthermore, it is possible for the rotor blades to each consist of at least two rigid segments which are connected to one another in an articulated manner at the fold points, in particular by means of hinges. Such wind turbines can also be used as an advertising medium if the rotor blades are printed with advertising. They can also be mounted on buildings or vehicles.
Vorteilhaft drängt eine erste Kraft den Rotor in die erste Rotoranordnung. Dabei wird bevorzugt, dass die Drehachse eine vertikale Erstreckung aufweist und dass die erste Kraft die auf den Rotor wirkende Schwerkraft, die Kraft mindestens eines elastischen Rückstellelements, insbesondere einer Feder, oder eine Kombination beider Kräfte ist. Die Schwerkraft wirkt immer auf den Rotor, so dass die den Rotor in die erste Rotoranordnung drängende erste Kraft immer vorhanden ist. Dasselbe gilt für die Federkraft. Bei Fehlen weiterer Kräfte wird der Rotor daher stets in die erste Rotoranordnung gedrängt. Um die Schwerkraft zu verstärken, können die Rotorblätter zumindest teilweise an oder nahe ihren unteren Enden mit Gewichten beschwert sein. Um alle Rotorblätter stets in die gleiche axiale Erstreckung zu bringen beziehungsweise in dieser zu halten ist es vorteilhaft, wenn diese an ihren unteren Enden oder nahe ihrer unteren Enden miteinander verbunden sind. Dies kann mittels eines vorzugsweise scheibenförmigen Verbindungselements erzielt werden. Das Verbindungselement weist ebenfalls ein Gewicht auf, so dass die erste Kraft weiter verstärkt wird.Advantageously, a first force urges the rotor into the first rotor assembly. It is preferred that the axis of rotation has a vertical extent and that the first force is the force of gravity acting on the rotor, the force of at least one elastic restoring element, in particular a spring, or a combination of both forces. Gravity is always acting on the rotor, so the first force urging the rotor into the first rotor assembly is always there. The same applies to the spring force. In the absence of further forces, the rotor is therefore always pushed into the first rotor arrangement. To enhance gravity, the rotor blades may be weighted at least partially at or near their lower ends. In order to always bring all rotor blades into the same axial extension or to keep them in this, it is advantageous if they are connected to one another at their lower ends or close to their lower ends. This can be achieved by means of a preferably disc-shaped connecting element. The connecting element also has a weight so that the first force is further amplified.
Erfindungsgemäß sind Mittel zur Ausübung einer zweiten Kraft vorgesehen, welche den Rotor bei zunehmender Drehzahl in die zweite Rotoranordnung drängt. Dabei ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die Mittel zur Ausübung der zweiten Kraft so ausgebildet sind, dass die zweite Kraft mit Zunahme der Drehzahl kontinuierlich ansteigt. Die zweite Kraft ist dabei vorzugsweise die auf den Rotor oder Teile des Rotors wie insbesondere Scharniere oder die Rotorblätter wirkende Fliehkraft. Diese vergrößert sich stets bei zunehmender Drehzahl, so dass der Rotor in die zweite Rotoranordnung gedrängt wird, sobald die Drehzahl zunimmt. Dieser Effekt kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass die Rotorblätter zumindest teilweise und vorzugsweise in jedem Fall an den Faltstellen eine höhere spezifische Masse aufweisen als an den übrigen Stellen. Die spezifische Masse ist dabei auf die Länge in axialer Richtung bezogen (Masse pro Längeneinheit). Sie kann dadurch erhöht sein, dass in den Faltstellen jeweils ein zusätzliches Gewicht angebracht ist. Insbesondere dann, wenn die Rotorblätter mittels Scharnieren faltbar sind, können die zusätzlichen Gewichte durch die Scharniere realisiert werden. Es ist jedoch auch möglich, dass die Faltstellen in der ersten Rotoranordnung zumindest teilweise weiter von der Drehachse entfernt angeordnet sind als sich von den Faltstellen aus erstreckende Abschnitte der Rotorblätter. Die auf die Faltstellen wirkende Fliehkraft ist dann größer als die auf die übrigen Abschnitte der Rotorblätter wirkende Fliehkraft, so dass die Faltstellen bei zunehmender Drehzahl noch weiter nach außen gedrängt werden. Auch auf andere Rotorteile wie Gelenke oder Scharniere kann dieses Prinzip Anwendung finden, insbesondere auf mit den Rotorblättern verbundene Scherengelenke.According to the invention, means are provided for exerting a second force, which urges the rotor into the second rotor arrangement as the rotational speed increases. According to a preferred embodiment, it is provided that the means for exerting the second force are designed in such a way that the second force increases continuously as the speed increases. The second force is preferably the centrifugal force acting on the rotor or parts of the rotor, such as in particular hinges or the rotor blades. This always increases with increasing speed, so that the rotor is pushed into the second rotor arrangement as soon as the speed increases. This effect can be achieved, for example, in that the rotor blades have a higher specific mass at least in part and preferably in every case at the folding points than at the other points. The specific mass is related to the length in the axial direction (mass per unit length). It can be increased by adding an additional weight to each of the folds. In particular when the rotor blades can be folded by means of hinges, the additional weights can be realized by the hinges. However, it is also It is possible that the folds in the first rotor arrangement are at least partially arranged further away from the axis of rotation than sections of the rotor blades extending from the folds. The centrifugal force acting on the folds is then greater than the centrifugal force acting on the other sections of the rotor blades, so that the folds are pushed even further outwards as the rotational speed increases. This principle can also be applied to other rotor parts such as joints or hinges, in particular to scissor joints connected to the rotor blades.
Die Mittel zur Ausübung der zweiten Kraft weisen einen vorzugsweise durch einen Drehzahlmesser aktivierbaren Mechanismus zum Bewegen des Rotors in die zweite Rotoranordnung auf. Der Mechanismus kann dabei gemäß einer Variante der Erfindung einen durch den Drehzahlmesser ansteuerbaren Motor zum Bewegen des Rotors in die zweite Rotoranordnung aufweisen. Der Motor wird aktiviert, wenn der Drehzahlmesser ein Ansteigen der Drehzahl misst, insbesondere wenn die vom Drehzahlmesser gemessene Drehzahl einen vorbestimmten Wert überschreitet.The means for exerting the second force have a mechanism, which can preferably be activated by a tachometer, for moving the rotor into the second rotor arrangement. According to one variant of the invention, the mechanism can have a motor, which can be controlled by the tachometer, for moving the rotor into the second rotor arrangement. The engine is activated when the tachometer senses an increase in engine speed, particularly when the engine speed measured by the tachometer exceeds a predetermined value.
Der Rotor weist eine Welle auf, durch die die Drehachse verläuft, und die in einem ortsfesten Drehlager drehbar gelagert ist. Die Welle erstreckt sich vorzugsweise in axialer Richtung nicht über die gesamte axiale Erstreckung des Rotors in der ersten Rotoranordnung und zweckmäßig maximal über die axiale Erstreckung des Rotors in der zweiten Rotoranordnung, so dass sie in der zweiten Rotoranordnung nicht oder nur wenig über die Rotorblätter hinaussteht. Desweiteren sind die Rotorblätter bezüglich der Welle um die Drehachse drehbar angeordnet, während die Welle in einem ortsfesten Drehlager um die Drehachse drehbar gelagert ist. Des weiteren kann vorgesehen sein, dass eine bei der Drehung der Welle im Drehlager auftretende Gegenkraft, welche überwiegend durch die im mit dem Rotor verbundenen Stromgenerator aufgebracht wird, unterhalb einer vorbestimmten Drehzahl kleiner ist als die bei der Drehung des Rotors bezüglich der Welle auftretende Gegenkraft, insbesondere Reibungskraft, und mit zunehmender Drehzahl vorzugsweise kontinuierlich ansteigt. In diesem Fall kann bei einer weiteren Variante der Erfindung vorgesehen sein, dass mindestens ein Zugseil so am Rotor befestigt ist, dass es bei Aktivierung des Mechanismus durch Rotation der Rotorblätter bezüglich der Welle auf der Welle aufgewickelt wird und den Rotor in die zweite Rotoranordnung bewegt. Durch Aktivierung des Mechanismus kann dabei die drehbare Lagerung der Welle im Drehlager gehemmt oder gesperrt werden, so dass das Zugseil aufgewickelt wird und der Rotor in die zweite Rotoranordnung gebracht wird.The rotor has a shaft, through which the axis of rotation runs, and which is rotatably mounted in a stationary pivot bearing. The shaft preferably does not extend in the axial direction over the entire axial extent of the rotor in the first rotor arrangement and expediently at most over the axial extent of the rotor in the second rotor arrangement, so that it does not or only slightly protrude beyond the rotor blades in the second rotor arrangement. Furthermore, the rotor blades are arranged to be rotatable about the axis of rotation with respect to the shaft, while the shaft is mounted in a stationary pivot bearing so as to be rotatable about the axis of rotation. Furthermore, it can be provided that a counter-force occurring in the rotary bearing during rotation of the shaft, which is predominantly applied by the current generator connected to the rotor, is smaller below a predetermined speed than the counter-force occurring during rotation of the rotor with respect to the shaft, in particular frictional force, and preferably increases continuously with increasing speed. In this case, in a further variant of the invention, it can be provided that at least one traction cable is attached to the rotor in such a way that when the mechanism is activated by rotation of the rotor blades relative to the shaft, it is wound up on the shaft and moves the rotor into the second rotor arrangement. By activating the mechanism, the rotatable mounting of the shaft in the pivot bearing can be inhibited or blocked, so that the traction cable is wound up and the rotor is brought into the second rotor arrangement.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Rotor mindestens ein mit der zweiten Kraft beaufschlagbares Scherengelenk auf, das mit den Rotorblättern gekoppelt ist und seine axiale Erstreckung bei einer Bewegung des Rotors in die zweite Rotoranordnung verkürzt. Jedes Scherengelenk weist mindestens zwei erste Gelenkteile auf, von denen jedes verschwenkbar mit einem zweiten Gelenkteil gekoppelt ist. Scherengelenke sind einfache und mechanisch zuverlässige Bauteile, mit denen die axiale Erstreckung des Rotors zuverlässig variiert werden kann. Dabei wird bevorzugt, dass der Rotor mehrere miteinander gekoppelte Scherengelenke aufweist, insbesondere wenn er in axialer Richtung lang baut. Zum Bewegen des Rotors zwischen der ersten und der zweiten Rotoranordnung weist das mindestens eine Scherengelenk zweckmäßig ein in axialer Richtung beispielsweise auf der Welle bewegliches bzw. verschiebliches Betätigungselement auf. Um ein schnelles Verschieben zu ermöglichen, können die ersten Gelenkteile und die zweiten Gelenkteile des mindestens einen Scherengelenks unterschiedlich lang sein, wobei die kürzeren Gelenkteile mit dem Betätigungselement verbunden sind.According to a preferred embodiment, the rotor has at least one scissors joint that can be acted upon by the second force, which is coupled to the rotor blades and shortens its axial extent when the rotor moves into the second rotor arrangement. Each scissor link has at least two first link parts, each of which is pivotally coupled to a second link part. Scissor joints are simple and mechanically reliable components with which the axial extent of the rotor can be reliably varied. It is preferred that the rotor has a plurality of scissor joints coupled to one another, particularly if it is long in the axial direction. In order to move the rotor between the first and the second rotor arrangement, the at least one scissors joint expediently has an actuating element that can be moved or shifted in the axial direction, for example on the shaft. In order to enable rapid displacement, the first joint parts and the second joint parts of the at least one scissors joint can be of different lengths, with the shorter joint parts being connected to the actuating element.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von sechs in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
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1a, b ,c eine Windkraftanlage gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in der ersten Rotoranordnung und der zweiten Rotoranordnung, jeweils in Seitenansicht, sowie in der zweiten Rotoranordnung in Draufsicht; -
2a, b eine Windkraftanlage gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in der ersten und der zweiten Rotoranordnung, jeweils in Seitenansicht; -
3a, b ,c eine Windkraftanlage gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel in der ersten Rotoranordnung und der zweiten Rotoranordnung, jeweils in Seitenansicht, sowie in der zweiten Rotoranordnung in Draufsicht; -
4a, b eine Windkraftanlage gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel in der ersten Rotoranordnung sowie in einer Anordnung zwischen der ersten und der zweiten Rotoranordnung, jeweils in Seitenansicht; -
5 eine Windkraftanlage gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel in der ersten Rotoranordnung in Seitenansicht und -
6a, b eine Windkraftanlage gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel in der ersten Rotoranordnung und der zweiten Rotoranordnung, jeweils in Seitenansicht.
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1a, b ,c a wind turbine according to a first embodiment in the first rotor assembly and the second rotor assembly, each in side view, and in the second rotor assembly in plan view; -
2a, b a wind turbine according to a second embodiment in the first and the second rotor arrangement, each in side view; -
3a, b ,c a wind turbine according to a third embodiment in the first rotor assembly and the second rotor assembly, each in side view, and in the second rotor assembly in plan view; -
4a, b a wind turbine according to a fourth exemplary embodiment in the first rotor arrangement and in an arrangement between the first and the second rotor arrangement, each in a side view; -
5 a wind turbine according to a fifth embodiment in the first rotor arrangement in side view and -
6a, b a wind turbine according to a sixth embodiment in the first rotor assembly and the second rotor assembly, each in side view.
Die in der Zeichnung dargestellte Windkraftanlage wird im Folgenden in allen Ausführungsbeispielen mit den Bezugszeichen 10 bezeichnet. Gleiche oder gleichwirkende Merkmale werden zudem in allen Ausführungsbeispielen mit demselben Bezugszeichen versehen.The wind turbine shown in the drawing is denoted by the
Die Windkraftanlage 10 gemäß
Der Rotor 12 kann zwischen einer in
Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Zugseil 30 an der oberen Endscheibe 20 befestigt und hält diese in der in
In einer Umkehrung des Prinzips des ersten Ausführungsbeispiels kann der Rotor 12 auch durch die Schwerkraft in der ersten Rotoranordnung gehalten werden, wenn beispielsweise die obere Endscheibe 20 fest auf der Welle 14 montiert ist, während die untere Endscheibe 22 bezüglich der Welle 14 längs verschieblich ist. Insbesondere das Gewicht der unteren Endscheibe 22 zieht diese und damit die unteren Enden der Rotorblätter 24 nach unten. Zudem können zusätzliche Gewichte an den unteren Enden der Rotorblätter angeordnet sein. Mit zunehmender Drehzahl und zunehmender auf die Faltstellen 28 wirkender Fliehkraft wird die untere Endscheibe 22 dann in Richtung zur oberen Endscheibe 20 angehoben, bis sich der Rotor 12 in der zweiten Rotoranordnung befindet. Hier wie auch bei den weiteren Ausführungsbeispielen können die Faltstellen 28 mit zusätzlichen Gewichten versehen sein, um die Fliehkraft zu erhöhen.In a reversal of the principle of the first embodiment, the
Die Windkraftanlage 10 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel (
Die Windkraftanlage 10 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel (
Die Windkraftanlage 10 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel (
Die Windkraftanlagen 10 gemäß dem fünften und dem sechsten Ausführungsbeispiel (
Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten: Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage 10 mit einem mehrere Rotorblätter 24 aufweisenden, um eine Drehachse 16 drehbar gelagerten Rotor 12, wobei die Rotorblätter 24 jeweils im Abstand zur Drehachse 16 angeordnet sind und eine axiale Erstreckung aufweisen und wobei eine axiale Erstreckung des Rotors 12 zwischen einer ersten Rotoranordnung mit maximaler axialer Erstreckung und einer zweiten Rotoranordnung mit minimaler axialer Erstreckung veränderbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine erste Kraft den Rotor 12 in die erste Rotoranordnung drängt und/oder dass Mittel zur Ausübung einer zweiten Kraft vorgesehen sind, welche den Rotor 12 bei zunehmender Drehzahl in die zweite Rotoranordnung drängt.In summary, the following can be stated: The invention relates to a
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DE3529474A1 (en) | 1985-03-19 | 1986-10-02 | Yum Nak Ginowan Okinawa In | Collapsible vertical windmill |
DE102011012910A1 (en) | 2010-09-17 | 2012-03-22 | Jörg Beckmann | Darrieus-H-rotor wind turbine for use in wind power plant for producing power, has scissors system pulling and pushing rotor blade from and to rotor shaft, where horizontal movement of blade is triggered by vertical motion of receiving disk |
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- 2021-04-07 DE DE102021108648.5A patent/DE102021108648B3/en active Active
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |