DE102022002981A1

DE102022002981A1 - Wind turbine

Info

Publication number: DE102022002981A1
Application number: DE102022002981.2A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-08-16
Filing date: 2022-08-16
Publication date: 2024-02-22

Abstract

Die Erfindung löst die Aufgabe, Windenergie ohne die Verluste üblicher Vertikalwindräder in eine nutzbare Drehbewegung zu überführen.Ein horizontal auf die Konstruktion treffender Wind erzeugt auf in einem Halbkreis auf einem runden Trägergehäuse montierte vertikale Flügel einen Kraftvektor analog dem eines vor dem Wind segelnden Bootes, auf Flügel im gegenüberliegenden Halbkreis einen Kraftvektor wie bei einem Segelboot, das gegen den Wind segelt.Der Kraftvektor der Flügel wird durch deren mittige, vertikale Achsen und Lager auf das Trägergehäuse übertragen. Daraus resultiert eine Drehbewegung des Gehäuses, die einen Generator o.ä. antreiben kann. Die Orientierung beider Flügel zueinander ist stets um 90 Grad versetzt, da die Achsen der Flügel im Gehäuse fest mit Zahnrädern verbunden sind, die beide in ein zentral im Gehäuse platziertes, genau halb so großes Zahnrad eingreifen. Die Achse dieses Zahnrades wird aus dem Gehäuse ausgeführt, es dient der Ausrichtung zur gegebenen Windrichtung, so dass die Flügel jeweils in den Winkel zum Wind stehen, der einen maximaler Wirkungsgrad für die Rotation liefert. Die Effektivität kann weiter gesteigert werden, indem die fixen Flügel jeweils durch paarige Teilflügel ersetzt werden, die sich im stumpfen Winkel zueinander aufstellen und so dem sich blähenden Segel eines Bootes ähneln.Die Windkraftanlage ermöglicht es, mechanisch verbundene Einrichtungen effektiver als durch die bisherigen Vertikalwindräder anzutreiben.The invention solves the problem of converting wind energy into a usable rotational movement without the losses of conventional vertical wind turbines. A wind hitting the construction horizontally generates a force vector on vertical wings mounted in a semicircle on a round support housing, analogous to that of a boat sailing in front of the wind Wings in the opposite semicircle create a force vector like a sailboat sailing against the wind. The force vector of the wings is transmitted to the carrier housing through their central, vertical axes and bearings. This results in a rotational movement of the housing, which can drive a generator or similar. The orientation of both wings is always offset by 90 degrees to each other, as the axes of the wings in the housing are firmly connected to gears, which both mesh with a gear that is exactly half the size and is located centrally in the housing. The axis of this gear is carried out of the housing, it serves to align it with the given wind direction, so that the blades are at an angle to the wind, which provides maximum efficiency for the rotation. The effectiveness can be further increased by replacing the fixed wings with paired partial wings, which are set up at an obtuse angle to one another and thus resemble the inflating sail of a boat. The wind turbine makes it possible to drive mechanically connected devices more effectively than with previous vertical wind turbines .

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a wind turbine according to the preamble of claim 1.

Stand der TechnikState of the art

Windkraftanlagen werden in der Umgebung von Häusern und in der Landwirtschaft seit Jahrhunderten eingesetzt, um z.B. Wasser zu pumpen oder Getreide zu mahlen. In Wohnumgebungen werden diese heutzutage vorzugsweise als Kleinwindanlagen mit vertikaler Rotationsachse des Rotors ausgeführt, da diese für Standorte mit turbulenten Windverhältnissen besser geeignet sind. Zudem befinden sich die wartungsintensiven Komponenten wie der Stromgenerator in Bodennähe. Im Vergleich zu größeren Windrädern mit horizontaler Rotationsachse sind nur weniger aufwändig konstruierte, einfachere und niedrigere Masten mit weniger Schutzabstand notwendig. Weiterhin punkten Kleinwindanlagen durch eine meist geringere Schallemission und weniger visuelle Beeinträchtigungen. Gleichwohl sind sie bei privaten Nutzern zur nachhaltigen Energiegewinnung weit weniger verbreitet als Solaranlagen.Wind turbines have been used around houses and in agriculture for centuries, for example to pump water or grind grain. In residential environments, these are now preferably designed as small wind turbines with a vertical axis of rotation of the rotor, as these are better suited for locations with turbulent wind conditions. In addition, the maintenance-intensive components such as the power generator are located close to the ground. Compared to larger wind turbines with a horizontal axis of rotation, only less complex, simpler and lower masts with less protective distance are necessary. Small wind turbines also score points with their generally lower noise emissions and fewer visual impairments. Nevertheless, they are far less common among private users for sustainable energy production than solar systems.

Klassische vertikale Kleinwindanlagen arbeiten mit einer in der Regel senkrecht stehenden Drehachse, um die Rotorflächen als starre Elemente an einem drehbaren Trägerkörper angebracht sind. Im einfachsten Fall ist dieser Rotationskörper eine drehbare Stange. Es kommen verschiedene Methoden zum Einsatz, um den Widerstand der sich je im Halbkreis-Winkelbereich gegen die Windrichtung bewegenden Flächen zu reduzieren.Classic vertical small wind turbines work with a generally vertical axis of rotation around which the rotor surfaces are attached as rigid elements to a rotatable support body. In the simplest case, this body of revolution is a rotating rod. Various methods are used to reduce the resistance of surfaces moving against the wind direction in a semicircle angle range.

Bekanntere Ausführungen sind der Savonius-Rotor und der Darrieus-Rotor.Better known versions are the Savonius rotor and the Darrieus rotor.

Savonius-Rotoren sind sogenannte Widerstandsläufer. Bei ihnen wird eine Flügelhälfte vom Wind weggedrückt, während die andere Flügelhälfte dem Wind Widerstand leistet. Damit trotzdem eine rotierende Bewegung entsteht, sind die Flügelhälften so geformt, das in der einen Richtung der Wind den Flügel etwas leichter umströmen kann und dadurch der Flügel dem Wind einen kleineren Widerstand bietet als in der anderen Richtung. In dieser hemmt die Form des Flügels noch immer das Umströmen, die Rotorfläche setzt dem Wind also einen Widerstand entgegen, der entgegen der erwünschten Drehrichtung wirkt. In der Folge kann nur ein Teil der Windkraft ausgenutzt werden, da beim Wegdrücken auf der einen Seite auf der anderen Seite immer eine Gegenkraft ausgeübt wird. Weiterhin kommt es auf der schwerer zu umströmenden Seite durch die Flügelform zwangsläufig zu einem Windstau im Flügelbereich, der wiederum das Umströmen des Flügels beeinträchtigt und den Wirkungsgrad weiter herabsetzt.Savonius rotors are so-called resistance rotors. With them, one half of the wing is pushed away by the wind, while the other half of the wing resists the wind. In order to still create a rotating movement, the wing halves are shaped in such a way that the wind can flow around the wing a little more easily in one direction and the wing therefore offers less resistance to the wind than in the other direction. In this case, the shape of the wing still inhibits the flow around it, so the rotor surface provides resistance to the wind, which acts against the desired direction of rotation. As a result, only part of the wind power can be utilized because when one side is pushed away, a counterforce is always exerted on the other side. Furthermore, due to the shape of the wing, there is inevitably a build-up of wind in the wing area on the side that is more difficult to flow around, which in turn impairs the flow around the wing and further reduces the efficiency.

Darrieus-Rotoren sind sogenannte Auftriebsläufer, bei denen die Angriffsfläche nicht komplett senkrecht zum Wind steht. Der Wind drückt also nicht den Flügel weg, wie beim Savonius-Rotor, sondern der über das Rotorblatt strömende Wind erzeugt eine Auftriebskraft wie bei einem Flugzeug-Tragflügel. Daher kann die Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors schneller als die Windgeschwindigkeit sein. Es gibt drei Nachteile: Es wird jeweils nur ein kleiner Teil der Rotorfläche für die Energiegewinnung effektiv genutzt, die hohe Rotationszahl fördert Schallabstrahlung und Vibrationen, und sehr schnell drehend konzipierte Rotoren liefern nur ein geringes Anlaufdrehmoment aus dem Stillstand und benötigen oftmals einen Hilfsmotor zum Starten.Darrieus rotors are so-called buoyancy rotors in which the attack surface is not completely perpendicular to the wind. The wind does not push the wing away, as with the Savonius rotor, but rather the wind flowing over the rotor blade creates a lifting force like an aircraft wing. Therefore, the rotation speed of the rotor can be faster than the wind speed. There are three disadvantages: Only a small part of the rotor surface is effectively used to generate energy, the high number of rotations promotes sound radiation and vibrations, and rotors designed to rotate very quickly only provide a low starting torque from a standstill and often require an auxiliary motor to start.

Vertikalwindräder sind dem Fachmann hinlänglich bekannt, so dass hier nicht näher auf die Beschreibung der üblichen Ausführungen eingegangen wird. Die vorliegende Erfindung baut hingegen auf etablierten Praktiken aus der Segel-Schifffahrt auf, bei denen die Windenergie für eine lineare, nicht rotierende Bewegung ausgenutzt wird.Vertical wind turbines are well known to those skilled in the art, so the description of the usual designs will not be discussed in more detail here. The present invention, on the other hand, builds on established practices from sailing shipping, in which wind energy is used for linear, non-rotating movement.

1 illustriert die physikalischen Grundprinzipien beim Kreuzen, die beim Segeln umgesetzt werden. In den 1a bis 1c ist die Richtung 1.1 des anströmenden Windes in drei Varianten mit von 1a bis 1c zunehmender Stetigkeit, Geschwindigkeit - schräg entgegen der erwünschten Fahrtrichtung 1.2 (durchbrochener Pfeil) des Bootes 1.3 (grau unterlegt) illustriert. Bei dem Boot 1.3 trägt der Mast 1.4 das Segel 1.5 (schraffiert), das vom Baum 1.6 (schwarz) gehalten wird. Dieser wiederum ist am Mast 1.4 zentral so befestigt, dass seine Richtung im Verhältnis zur Längsachse des Bootes und damit des Windes gedreht werden kann. 1 illustrates the basic physical principles of cruising that are implemented in sailing. In the 1a to 1c is the direction 1.1 of the oncoming wind in three variants with from 1a until 1c increasing steadiness, speed - diagonally opposite to the desired direction of travel 1.2 (broken arrow) of the boat 1.3 (gray background) illustrated. On the boat 1.3, the mast 1.4 carries the sail 1.5 (hatched), which is held by the boom 1.6 (black). This in turn is attached centrally to the mast 1.4 so that its direction can be rotated in relation to the longitudinal axis of the boat and thus the wind.

Ein kompetent gesteuertes, optimal zum Wind ausgerichtetes, kreuzendes Segelboot ist bekanntermaßen potentiell gegen den Wind schneller als vor dem Wind. Von 1a über 1b bis zu 1c nimmt das Tempo des Bootes 1.3 zu, wobei nur in 1c der kontinuierlich zunehmende Effekt der Segel-Blähung durch den Wind dargestellt ist. Durch die Blähung entsteht beim Segel ein Tragflächenprofil. Der Winddruck erzeugt auf Luv-Seite 1.7 einen Staudruck mit einem resultierenden Kraftvektor des Bootes in Vorwärtsrichtung. Auf Lee-Seite 1.8 entsteht zusätzlich ein Unterdruck, da der Wind die Segelfläche über eine längere Strecke umströmen muss. Auch durch den Unterdruck entsteht ein Kraftvektor in Fahrtrichtung, der das Boot voran zieht. Aus den Effekten resultiert die vergleichsweise höhere Endgeschwindigkeit.A competently steered, optimally oriented, cruising sailboat is known to be potentially faster upwind than downwind. From 1a above 1b up to 1c the speed of the boat 1.3 increases, with only in 1c the continuously increasing effect of sail inflation is represented by the wind. The inflation creates an airfoil profile in the sail. The wind pressure creates a dynamic pressure on windward side 1.7 with a resulting force vector of the boat in the forward direction. On the leeward side 1.8 there is additional negative pressure because the wind has to flow around the sail area over a longer distance. The negative pressure also creates a force vector in the direction of travel that pulls the boat forward. The effects result in the comparatively higher top speed.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Ausgehend von dem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Windenergie vollumfänglich, d.h. ohne die bauarttypischen Verluste der üblichen Vertikalwindräder zu nutzen und in eine Drehbewegung zu überführen, mit der sich mechanisch verbundene Einrichtungen effektiver als bislang antreiben lassen.Based on the prior art, the invention is based on the object of using the wind energy fully, i.e. without the typical losses of the usual vertical wind turbines, and converting it into a rotary movement with which mechanically connected devices can be driven more effectively than before.

Diese Aufgabe wird durch eine Windkraftanlage mit den Merkmalen der Ansprüche 1-9 gelöst.This task is solved by a wind turbine with the features of claims 1-9.

Ein horizontal auf die Konstruktion treffender Wind erzeugt auf einen oder mehrere in einem Halbkreis auf einem runden Trägergehäuse montierte vertikale Flügel einen Kraftvektor vergleichbar dem eines auf das Segel eines vor dem Wind segelnden Bootes, auf Flügel im gegenüberliegenden Halbkreis des Trägergehäuses einen Kraftvektor wie bei einem kreuzenden Segelboot, das also gegen den Wind segelt. A wind hitting the structure horizontally produces a force vector on one or more vertical wings mounted in a semicircle on a round support housing, comparable to that of a sail on a boat sailing downwind, and on wings in the opposite semicircle of the support housing, a force vector similar to that of a cruising one Sailing boat, which sails against the wind.

Die Kraft beider (oder von mehreren) Flügel(n) wird durch deren vertikale Achsen (analog den Masten eines Bootes) und deren Lager auf das zylindrische Gehäuse übertragen. Daraus resultiert eine Drehbewegung des zylindrischen Gehäuses, die als Antrieb für einen Generator, Pumpen o.ä. genutzt werden kann. Die Flügel werden dabei über Zahnräder, Riemen, Ketten o.ä. jeweils in den Winkel zum Wind gestellt, der einen maximaler Wirkungsgrad im Sinne der Rotationsrichtung liefert.The force of both (or several) wings is transmitted to the cylindrical housing through their vertical axes (analogous to the masts of a boat) and their bearings. This results in a rotational movement of the cylindrical housing, which can be used as a drive for a generator, pumps or similar. The blades are set at an angle to the wind using gears, belts, chains, etc., which provides maximum efficiency in terms of the direction of rotation.

Der unterste Teil der erfindungsgemäßen, neuen vertikalen Windkraftanlage ist ein Fundament im Untergrund, in dem eine belastbare, lotrecht vertikal aufstrebende Konstruktion verankert ist. Direkt darauf wird ein Generator (o.ä.) fest mit seinem Gehäuse so montiert, dass dessen Antriebsachse senkrecht himmelwärts zeigt.The lowest part of the new vertical wind turbine according to the invention is a foundation in the ground in which a resilient, vertically rising structure is anchored. Immediately afterwards, a generator (or similar) is firmly mounted with its housing so that its drive axis points vertically towards the sky.

Die Antriebsachse des Generators ist fest mit der Mitte einer der beiden kreisrunden Seiten eines flachen zylindrischen Gehäuses verbunden;, die andere Seite zeigt nach oben. Dreht sich dies Gehäuse um seine Mittelachse, dreht sich die Generatorachse. In dem Gehäuse befinden sich zwei (bis vier) um die Mittelachse des Zylinders auf etwa halben Radius symmetrisch positionierte, für Querkräfte belastbare Lager, aus denen jeweils Achsen vertikal nach oben ausgeführt werden.The drive axle of the generator is firmly connected to the center of one of the two circular sides of a flat cylindrical housing, the other side facing upwards. If the housing rotates about its central axis, the generator axis rotates. In the housing there are two (up to four) bearings that are symmetrically positioned around the central axis of the cylinder at approximately half the radius and can withstand transverse forces, from each of which axes are carried out vertically upwards.

Diese Achsen sind jeweils mittig mit rechteckigen und lotrecht vertikal hochstehenden Flügeln aus einem dünnen steifen Material fest in der Weise verbunden, dass sich die Flügel mittig um ihre Längsachse drehen können, ohne sich gegenseitig zu berühren. Die Orientierung beider Flügel zueinander ist um 90 Grad versetzt (je 45 Grad bei vier Flügeln), so dass ihre Position von oben gesehen einem unterbrochenen ,T' auf einem Kreis ähnelt, von der Seite sieht man je eine Fläche und eine Kante.These axes are each firmly connected in the middle with rectangular and vertically raised wings made of a thin, rigid material in such a way that the wings can rotate centrally around their longitudinal axis without touching each other. The orientation of both wings is offset by 90 degrees to each other (45 degrees each for four wings), so that when viewed from above their position resembles an interrupted 'T' on a circle; from the side you can see a surface and an edge.

Die Achsen beider (oder aller vier) Flügel sind im zylindrischen Gehäuse fest mit Zahnrädern verbunden. Diese greifen in ein zentral im Gehäuse platziertes, genau halb so großes Zahnrad ein. Die Achse dieses Zahnrades ist ebenfalls nach oben aus dem Gehäuse ausgeführt, aber nicht fest mit dem Gehäuse verbunden, sondern dagegen frei drehbar. Sie trägt oberhalb des Gehäuses und der Flügel ein horizontal - also im rechten Winkel zur vertikalen Hauptachse - abstehendes, großes Leitblech. The axes of both (or all four) wings are firmly connected to gears in the cylindrical housing. These engage with a gear wheel located centrally in the housing that is exactly half the size. The axis of this gear also extends upwards from the housing, but is not firmly connected to the housing, but is freely rotatable. Above the housing and the wings, it carries a large baffle that projects horizontally - i.e. at right angles to the main vertical axis.

Das Leitblech dreht sich mit der Hauptwindrichtung, so dass es dem Wind den kleinstmöglichen Widerstand entgegengesetzt. Da das Leitblech bei steter Windrichtung stabil bleibt, steht das zentrale, kleinere Zahnrad bei konstanter Windrichtung ebenfalls still. Da die 2-4 exakt doppelt so großen peripheren Zahnräder in das zentrale, kleinere eingreifen, drehen sich die peripheren Zahnräder stets um 180 Grad, während sie das zentrale, kleinere mitsamt dem zylindrischen Gehäuse einmal um 360 Grad umlaufen. Dreht sich das Leitblech mit der Windrichtung, ändert sich die Orientierung der Flügel entsprechend; sie verstellen sich so kontinuierlich in die beste Postion zum Wind. Der dem Wind von einem nicht längs, sondern quer oder diagonal zum Wind stehenden Leitblech entgegengesetzte Widerstand muss größer sein als der der zwei (oder mehr) Flügel mit dem daran hängenden Drehwiderstand des Verbrauchers. An Standorten mit konstanter Windrichtung könnte das zentrale, kleine Zahnrad in der optimalen Postion zur Flügelstellung mechanisch oder elektrisch fixiert oder das Leitblech durch einen über eine kleine Windfahne angesteuerten Stellmotor ersetzt werden (Vgl. große Horizontal-Achsen Windräder, die elektrisch auf eine optimale Postion zum Wind gedreht werden).The baffle rotates with the main wind direction so that it offers the least possible resistance to the wind. Since the baffle remains stable in a constant wind direction, the central, smaller gear also stands still in a constant wind direction. Since the 2-4 peripheral gears, which are exactly twice as large, mesh with the central, smaller one, the peripheral gears always rotate through 180 degrees, while they rotate around the central, smaller one, including the cylindrical housing, through 360 degrees. If the baffle rotates with the wind direction, the orientation of the blades changes accordingly; They continually adjust themselves to the best position in relation to the wind. The resistance to the wind from a baffle that is not longitudinal but transverse or diagonal to the wind must be greater than that of the two (or more) blades with the rotational resistance of the consumer hanging on them. At locations with a constant wind direction, the central, small gear could be fixed mechanically or electrically in the optimal position for the wing position, or the baffle could be controlled by a small wind vane Servomotor must be replaced (compare large horizontal-axis wind turbines that are electrically rotated to an optimal position in relation to the wind).

Vorteil der Erfindung ist es, das zu keinem Zeitpunkt ein Flügel mit seiner Fläche im rechten Winkel gegen die Windrichtung bewegt wird; der anströmende Wind wird mit allen Flügelflächen kontinuierlich zum Erzeugen einer Drehbewegung genutzt, ein Hilfsmotor entfällt. Auf dem ,Hinweg' (relativ mit der Windrichtung gesehen) wird der Flügel wie ein Segelboot vom Wind geschoben, auf dem „Rückweg” unterstützen diagonale Kraftvektoren der schräg zum Wind stehenden Flügel analog dem Segel des kreuzenden Segelboots die Drehbewegung des zentralen Gehäuses. Nur wenn ein Flügel längs in Windrichtung steht, trägt er momentan nicht zur Kraftübertragung bei.The advantage of the invention is that at no time is a wing moved with its surface at a right angle against the wind direction; The incoming wind is continuously used with all wing surfaces to generate a rotational movement, there is no need for an auxiliary motor. On the 'outward journey' (seen relative to the wind direction), the wing is pushed by the wind like a sailing boat; on the 'return journey', diagonal force vectors from the wings, which are at an angle to the wind, support the rotational movement of the central housing, analogous to the sail of the cruising sailboat. Only when a wing is positioned lengthwise in the direction of the wind does it not currently contribute to power transmission.

Die Effektivität kann dadurch weiter gesteigert werden, dass die fixen Flügel durch eine dem sich blähenden Segel eines Bootes vergleichbare Lösung ersetzt werden. Eine höhere Umströmungsgeschwindigkeit des anblasenden Windes auf der Vorderseite gegenüber der Rückseite einer gewölbten Fläche generiert so einen zusätzlichen Kraftvektor in Rotationsrichtung. Dafür werden z.B. jeweils.zwei bewegliche, vertikale Halbflügel in der Weise jeweils seitlich auf eine runde, scheibenförmige Basis befestigt, dass sie sich mit dem Wind (von oben gesehen) in eine <, | oder > Stellung ausrichten können. Die Basis selbst ist fest mit den vertikalen Achsen und allen anderen vorab beschriebenen Elementen verbunden, dreht sich um das zentrale kleine Zahnrad und überträgt das Drehmoment wie vor auf das zylinderförmige Gehäuse.The effectiveness can be further increased by replacing the fixed wings with a solution comparable to the inflating sail of a boat. A higher flow speed of the blowing wind on the front compared to the back of a curved surface generates an additional force vector in the direction of rotation. For this purpose, for example, two movable, vertical half-wings are each attached laterally to a round, disc-shaped base in such a way that they move with the wind (seen from above) into a <, | or > can align position. The base itself is firmly connected to the vertical axes and all other previously described elements, rotates around the central small gear and transmits the torque to the cylindrical housing as before.

Potentielle Einsatzgebiete des Windrades sind alle Lokationen, in denen der Wind möglichst wenig turbulent, horizontal strömt: Felder, Ebenen, Bergkämme, ankernde Boote / Flöße / Bohrinseln, Camping (geparkte Wohnwagen/-mobile, vor Zelten) und die wachsende Zahl von Mobilfunk-Sendemasten und E-Auto-Ladestationen.Potential areas of application for the wind turbine are all locations in which the wind flows as horizontally and as turbulently as possible: fields, plains, mountain ridges, anchored boats/rafts/oil rigs, camping (parked caravans/mobiles, in front of tents) and the growing number of mobile phone systems. Transmission towers and electric car charging stations.

Der Generator kann durch eine der Drehzahl angepasste Pumpe o.ä. ersetzt werden.The generator can be replaced by a pump or similar that is adapted to the speed.

Zusammenfassung der prinzipiellen FunktionalitätSummary of the basic functionality

2 illustriert die Funktionalität der Erfindung schematisch aus Sicht von oben. In 2a (erste Variante) bläst der Wind das Windrad horizontal an. Dort trifft er auf senkrecht angebrachte Flügelflächen 2.5 und versetzt dadurch mittelbar ein zentrales Gehäuse 2.12 in eine Drehung um dessen Achse 2.2. Die Flügel sitzen jeweils nicht direkt auf dem Gehäuse, sondern auf eigenen Achsen auf einer runden Basis 2.8. Diese Basis wiederum wird mit der Rotation um ihre Hochachse 2.4 in den jeweils effektivsten Winkel gedreht. Die Drehung wird per Getriebe so synchronisiert, dass sich die Basis 2.8 exakt halb so schnell wie das zylindrische Gehäuse 2.12 in Richtung 2.11 dreht. Die Windenergie 2.1 wird so kontinuierlich in eine Rotation in Richtung 2.9 überführt und über die vertikale Befestigung des Gehäuses nutzbar. 2 illustrates the functionality of the invention schematically from above. In 2a (first variant) the wind blows horizontally at the wind turbine. There it hits vertically mounted wing surfaces 2.5 and thereby indirectly causes a central housing 2.12 to rotate about its axis 2.2. The wings do not sit directly on the housing, but rather on their own axes on a round base 2.8. This base in turn is rotated around its vertical axis 2.4 to the most effective angle. The rotation is synchronized by a gear so that the base 2.8 rotates exactly half as fast as the cylindrical housing 2.12 in the direction 2.11. The wind energy 2.1 is thus continuously converted into a rotation in the direction 2.9 and can be used via the vertical fastening of the housing.

In 2b (zweite Variante) ist die Grundkonstruktion gleich, jedoch verstellen sich vertikale, paarig angebrachte, sich selbst mit dem Winddruck verstellende Teilflügel 2.9a, 2.9b um ihre Drehpunkte 2.10 bis zu den jeweiligen magnetisch abstoßenden Anschlagspunkten 2.3 rechts und links. Dies erfolgt analog der Wölbung eines Segels im Wind. Zwei Teilflügel bilden so jeweils annäherungsweise ein Tragflächenprofil aus, wodurch über den einseitig entstehenden Unterdruck eine zusätzliche Zugkraft für die Rotation genutzt wird.In 2 B (second variant), the basic construction is the same, but vertical partial wings 2.9a, 2.9b, which are attached in pairs and adjust themselves with the wind pressure, adjust around their pivot points 2.10 up to the respective magnetically repelling stop points 2.3 on the right and left. This is analogous to the curvature of a sail in the wind. Two partial wings each approximately form an airfoil profile, whereby additional tractive force is used for rotation via the negative pressure created on one side.

AusführungsbeispieleExamples of embodiments

Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird ist darauf hinzuweisen, dass sie nicht auf die jeweiligen Bauteile sowie die jeweiligen Verfahrensschritte beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, mögliche Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn zudem in der Beschreibung oder in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, bezieht sich dies auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig anderes deutlich macht.Before the invention is described in detail, it should be noted that it is not limited to the respective components and the respective process steps, since these components and processes can vary. The terms used herein are intended solely to describe possible embodiments and are not used in a limiting sense. Furthermore, if the singular or indefinite articles are used in the description or in the claims, this also refers to the plurality of these elements, unless the overall context clearly states otherwise.

3 zeigt eine Schnittzeichnung der Konstruktion von der Seite. Analog der Eingangsbeschreibung von unten nach oben sind dargestellt:

(1) Untergrund
(2) Fundament Trägerkonstruktion
(3) Trägerkonstruktion, fest mit Generator-Gehäuse (Stator) verbunden
(4) Optionaler Stellmotor für kleines Zahnrad als Alternative zu großem Leitblech. Darüber Kugel-Lager vertikale Achse für Leitblech
(5) Generator mit Kabelabführung von Stator und Rotor im Schnitt Rotor über Hohlachse (7) verbunden, aber nicht mit Achse des Leitblechs (6)
(6) Durchgängige vertikale Achse verbindet Leitblech, kleines Zahnrad
(7) Hohlachse verbindet zylindrisches Gehäuse (9) mit Rotor des Generators
(8) Kleines zentrales Zahnrad mit halb so vielen Zähnen wie größere (10). Achse des kleinen Zahnrads mit Gehäuse unverbunden gelagert, nach oben ausgeführt
(9) Zylindrisches Gehäuse zur geschützten Aufnahme der Zahnräder und Kugellager. Ausgeführt mit möglichst geringer Masse und Trägheit für leichteren Anlauf
(10) Größeres Zahnrad mit doppelt so vielen Zähnen wie (8), fest verbunden mit Flügel (11) durch vertikale Achse. Jeweils leichtgängig und stabil durch Kugellager geführt. Doppelt bis vierfach vorhanden je nach Zahl der Flügel (12) Stabil ausgeführtes Leitblech
(16) Optionale, stabilisierende, gelagerte Durchführung der Achse für Leitblech

3 shows a sectional drawing of the construction from the side. Analogous to the initial description from bottom to top, the following are shown:

(1) Underground
(2) Foundation support structure
(3) Support structure, firmly connected to the generator housing (stator).
(4) Optional actuator for small gear as an alternative to large baffle. Above this, ball bearing vertical axis for baffle
(5) Generator with cable outlet from stator and rotor in section Rotor connected via hollow axle (7), but not to the axis of the guide plate (6)
(6) Continuous vertical axis connects guide plate, small gear
(7) Hollow axle connects cylindrical housing (9) to generator rotor
(8) Small central gear with half as many teeth as larger ones (10). Axis of the small gear wheel mounted unconnected to the housing, pointing upwards
(9) Cylindrical housing to protect gears and ball bearings. Designed with the lowest possible mass and inertia for easier starting
(10) Larger gear with twice as many teeth as (8), firmly connected to wing (11) by vertical axis. Each is guided smoothly and stably by ball bearings. Double to four times available depending on the number of blades (12). Sturdy baffle
(16) Optional, stabilizing, supported bushing of the axis for the guide plate

4 zeigt eine Variante mit dezentralem Generator

(5) Generator, verbunden über Zähnung auf Gehäuse für höhere Drehzahl
(13) Optionale horizontale Stabilisierung der Flügelachsen mit Kugellagern. Auch denkbar für Variante nach 3, dort weggelassen der Übersichtlichkeit halber
(14) Lager für zylindrisches Gehäuse; Achse Leitblech wiederum durchgeführt

4 shows a variant with a decentralized generator

(5) Generator, connected via teeth on housing for higher speed
(13) Optional horizontal stabilization of the wing axes with ball bearings. Also conceivable for variant 3 , omitted there for the sake of clarity
(14) Bearing for cylindrical housing; Axis guide plate is carried out in turn

5 zeigt die Anordnung der Zahnräder im zylindrischen Gehäuse von oben (Darstellung einzelner Zähne weggelassen, Größe der Räder maßstabsgetreu für Verhältnis 2:1 dezentral zu zentral). Es wird deutlich, dass mit der gewählten, einfachsten Zahnrad-Konfiguration zwei bis vier Flügel montiert werden können. Mit zusätzlichen Getriebeelementen (Ketten, o.ä.) und kleineren Zahnrädern könnten mehr Flügel untergebracht werden, parallel stiegen die mechanischen Reibungsverluste.

(8) Kleines zentrales Zahnrad mit halb so vielen Zähnen wie größere (10)
(9) Zylindrisches Gehäuse
(10) Größere Zahnräder mit doppelt so vielen Zähnen wie (8), jeweils fest verbunden mit Flügeln durch hier in Aufsicht gezeigte vertikale Achse (11)

5 shows the arrangement of the gears in the cylindrical housing from above (individual teeth shown omitted, size of the wheels to scale for a ratio of 2:1 decentralized to central). It becomes clear that with the chosen, simplest gear configuration, two to four blades can be mounted. With additional gear elements (chains, etc.) and smaller gears, more wings could be accommodated, and mechanical friction losses increased at the same time.

(8) Small central gear with half as many teeth as larger ones (10)
(9) Cylindrical housing
(10) Larger gear wheels with twice as many teeth as (8), each firmly connected to wings by the vertical axis (11) shown here in plan.

6 zeigt eine Draufsicht von oberhalb der Anlage.

(11) Vertikale Achse mit Flügeln von oben - links/rechts um 90° zueinander versetzt
(14) Andeutung der optionalen, stabilisierenden Konstruktion mit
(15) Querträger, durchbrochen für Achse (6) des Leitblechs

6 shows a top view from above the system.

(11) Vertical axis with wings from above - left/right offset by 90° to each other
(14) Indication of the optional, stabilizing construction with
(15) Cross member, perforated for axis (6) of the baffle

7 zeigt schematisch die Positionen eines Flügels von oben im Kreisdurchgang bei einer vollen Gehäuse-Rotation. Eine Seitenkante ist mit Pfeilspitze markiert.

(17) Drehrichtung des Gehäuses im Uhrzeigersinn bei Wind
(18) Angenommene Windrichtung von unten
(19) Angedeuteter Flügel mit einer Kante in Pfeilrichtung am Anfang einer 180 Grad Drehung der Basis (Vgl. 2, Basis 2.8, Flügel 2.9)
(20) Angedeuteter Flügel mit einer Kante in Pfeilrichtung kurz vor Ende einer 180 Grad Drehung der Basis

7 shows schematically the positions of a wing from above in a circular passage with a full housing rotation. One side edge is marked with an arrowhead.

(17) Clockwise direction of rotation of the housing in windy conditions
(18) Assumed wind direction from below
(19) Indicated wing with an edge in the direction of the arrow at the beginning of a 180 degree rotation of the base (cf. 2 , base 2.8, wing 2.9)
(20) Indicated wing with an edge in the direction of the arrow just before the end of a 180 degree rotation of the base

Gezeigt werden exemplarisch die Stellungen eines Flügels von Position ,A' bis ,O'). Es wird deutlich, dass eine komplette Drehung des zylindrischen Gehäuses (9) zur Folge hat, dass der Flügel nur eine Umdrehung um 180 Grad ausführt. Die eingezeichneten Postionen entsprechen jeweils der optimalen Stellung zum Wind (18):

- A: Kein Widerstand
- E: 45 Grad, Teilkraft-Vektor auf Flügel dreht Gehäuse im Uhrzeigersinn
- I: Flügel steht voll vor Wind, maximales Drehmoment für Rotation
- M: Position analog ,E', allerdings um 90 Grad versetzt

The positions of a wing from position 'A' to 'O' are shown as an example. It becomes clear that a complete rotation of the cylindrical housing (9) results in the wing only making one revolution of 180 degrees. The positions shown correspond to the optimal position in relation to the wind (18):

- A: No resistance
- E: 45 degrees, partial force vector on wing rotates housing clockwise
- I: Wing is fully in front of the wind, maximum torque for rotation
- M: Position analogous to 'E', but offset by 90 degrees

8 greift exemplarisch die Position ,C' heraus. Der Winkel α des Flügels wird automatisch durch die größeren, am kleineren Zahnrad abrollenden Zahnräder (siehe oben) eingenommen. Gleiches gilt für alle Zwischenstufen von ,A' bis ,P': Position A B C D E F G H I Winkel α (Grad) 0 11,25 22,5 33,75 45 56,2 67,5 78,75 90 Position J K L M N O P A' Winkel α (Grad) 101,5 112,5 123,75 135 146,25 157,5 168,75 180 8th takes position 'C' as an example. The angle α of the wing is automatically assumed by the larger gears rolling on the smaller gear (see above). The same applies to all intermediate stages from 'A' to 'P': position A b C D E F G H I Angle α (degrees) 0 11.25 22.5 33.75 45 56.2 67.5 78.75 90 position J K L M N O P A' Angle α (degrees) 101.5 112.5 123.75 135 146.25 157.5 168.75 180

9 überträgt die in 7/8 abgetragenen Winkelmaße auf die Situation bei einem geblähten Segel in Analogie zum Boot, gemäß Patentanspruch 2.

(20) Basis (Vgl. (2.8) in 2) mit schematischer Aufsicht des geblähten Segels
(21) Schematisch schlackerndes Segel im Moment der ,Wende'. Vergleich 8, beim Übergang Position ,P' zu ,A". Das ,Segel' steht momentan längs zum Wind und schlackert.

9 transmits the in 7 /8 taken angle dimensions to the situation with an inflated sail in analogy to the boat, according to claim 2.

(20) Base (Compare (2.8) in 2 ) with a schematic view of the inflated sail
(21) Schematic flapping sail at the moment of 'tack'. Comparison 8th , at the transition from position 'P' to 'A'. The 'sail' is currently positioned alongside the wind and flaps.

Aus der Darstellung ergeben sich die Erfordernisse für eine erfinderische Umsetzung im vorgeschlagenen Vertikalachswindrad. Da Flügelflächen aus Gewebe nicht dauerbeanspruchbar sind, sondern vorzugsweise aus einem leichtem und dünnem, aber dauerfesten Material hergestellt werden, z.B. Kunststoff oder Aluminiumblech, kann die Segel-typische ,Blähung' nicht stattfinden. Ein ,Segel' aus vertikalen, gelenkig verbunden Elementen, ähnlich einem Paravent, scheidet aus ebenso aus wie ein Metallgewebe, da entweder zu schwer oder zu anfällig und laut im Betrieb.The illustration shows the requirements for an inventive implementation in the proposed vertical axis wind turbine. Since wing surfaces made of fabric cannot be subjected to long-term stress, but are preferably made from a light and thin but durable material, e.g. plastic or aluminum sheet, the 'flatulence' typical of sails cannot occur. A 'sail' made of vertical, articulated elements, similar to a screen, is out of the question, as is a metal mesh, as it is either too heavy or too fragile and noisy in operation.

Die erfinderische Lösung zeigt 10 mit den Formen a und b in Aufsicht:

(2.12) Basis (Vgl. 2), drehbar um (2.4)
(2.9) Aufsicht auf beide vertikale Flügel (2.9a und 2.9 b)
(2.4) Zentraler Drehpunkt der Basis (analog Achse bei Patentanspruch 1); wie in, 5 zwei- bis vierfach leicht drehbar auf zylindrischem Gehäuse montiert
(2.10) Drehpunkte der (Teil-)Flügel 2.9a und 2.9b - deren jeweilige Achsen z.B. über zeichnerisch nicht dargestellte Kugellager geführt werden (alternativ starre, aufragende Achsen, um die der Flügel drehen kann)
(2.3) Neodynmagnete als Anschlagspunkte
(2.13) Bewegungsrichtung der Flügel von oben gesehen

The inventive solution shows 10 with forms a and b in supervision:

(2.12) Basis (cf. 2 ), rotatable by (2.4)
(2.9) View of both vertical wings (2.9a and 2.9 b)
(2.4) Central pivot point of the base (analogous to the axis in claim 1); as in, 5 Mounted on a cylindrical housing that can be easily rotated two to four times
(2.10) Pivot points of the (partial) wings 2.9a and 2.9b - whose respective axes are guided, for example, via ball bearings not shown in the drawing (alternatively rigid, projecting axes around which the wing can rotate)
(2.3) Neodynium magnets as attachment points
(2.13) Direction of movement of the wings seen from above

10b zeigt die (Teil-) Flügel und Magneten schematisch, stark vergrößert (2.9) Flügel (a/b) jeweils von oben gesehen, nicht maßstabsgerecht (2.14) In die Flügel sind jeweils starke Magnete fest eingelassen, deren Orientierung von Nord- und Südpol durch Schraffur / Abdunklung markiert ist (2.3) Ein Magnet der Basis, als Begrenzer des seitlichen Ausschlags wirkend, ist beispielhaft eingezeichnet. Die Menge und Stärke der Magneten ist abhängig von den jeweiligen Flügelflächen so zu bestimmen, dass eine Berührung zwischen den Flügeln und zwischen Flügeln und Anschlag ausgeschlossen wird (2.15) Gestrichelt, leicht übertrieben dargestellte Tragflächenkontur, die durch die beiden Teilflügel gebildet wird. Die Strecke für eine Umströmung wird länger als bei 2.16 (2.16) Gestrichelt angedeutete kürzere Strecke für eine direkte, kürzere Strömung ohne Umweg. Aus der Wegdifferenz resultieren Druckunterschiede - es entsteht ein Kraftvektor in Richtung der erwünschten Drehung. 10b shows the (partial) wings and magnets schematically, greatly enlarged (2.9) Wings (a/b) each seen from above, not to scale (2.14) Strong magnets are firmly embedded in the wings, the orientation of which is determined by the north and south poles Hatching / darkening is marked (2.3) A magnet on the base, which acts as a limiter of the lateral deflection, is shown as an example. The quantity and strength of the magnets must be determined depending on the respective wing surfaces in such a way that contact between the wings and between the wings and the stop is excluded (2.15) Dashed, slightly exaggerated wing contour, which is formed by the two partial wings. The route for a flow around is longer than in 2.16 (2.16) Shorter route indicated by dashed lines for a direct, shorter flow without a detour. The path difference results in pressure differences - a force vector is created in the direction of the desired rotation.

Durch die Bewegung um die Gelenke (2.10) können verschiedene, jeweils maximal effektive Positionen erreicht werden. Durch Fliehkraft bei Drehung der Basis um Punkt (2.4) und durch den Winddruck stellen sich die Teilflügel jeweils optimal auf. By moving around the joints (2.10), different, maximally effective positions can be achieved. The partial wings position themselves optimally due to centrifugal force when the base rotates around point (2.4) and the wind pressure.

Bei der Situation analog der ,Wende' beim Segeln springen sie um (die Darstellung in 10b wäre dann spiegelbildlich).In the situation analogous to the 'turn' when sailing, they jump over (the illustration in 10b would then be a mirror image).

Die abstoßende Wirkung der Magneten bei der Bewegungsbegrenzung der Rotorflächen um ihre Achsen und gegeneinander hat folgende Vorteile:

- verminderte Geräuschentwicklung, da keine mechanischem Anschläge
- „weiche“ Begrenzung der Bewegungen der Flächen: sie werden nicht abrupt und hart gestoppt, stattdessen wird ein Effekt ähnlich einer mechanischen Feder erreicht. Bedarfsweise können die Magnete an den Endpositionen auch stärker als die der Flügel-Flächen sein, um die bewegte Masse zu reduzieren.

The repelling effect of the magnets in limiting the movement of the rotor surfaces around their axes and against each other has the following advantages:

- Reduced noise development because there are no mechanical stops
- “soft” limitation of the movements of the surfaces: they are not stopped abruptly and hard, but instead an effect similar to a mechanical spring is achieved. If necessary, the magnets at the end positions can also be stronger than those on the wing surfaces in order to reduce the moving mass.

11 illustriert den Positionswechsel der paarigen Teilflügel in einem kompletten Umlauf. 11b und 11c zeigen jeweils die maximal erreichbaren Positionen, bei Stellung ,A' des Umlaufs kommt es zum Umschlag. Die Teilflügel nehmen dabei momentan eine Position wie in 11a ein, ein nennenswerter Widerstand entgegen dem anströmenden Wind entsteht nicht. 11 illustrates the change of position of the paired partial wings in a complete revolution. 11b and 11c show the maximum achievable positions; at position 'A' of the circuit, a reversal occurs. The partial wings currently take a position like in 11a a, there is no significant resistance to the oncoming wind.

12 zeigt wiederum eine Schnittzeichnung der Konstruktion von der Seite, in einer Ausführung mit zwei über einander angeordneten Flügelebenen. Alle Elemente sind analog 3 und 4 beschriftet: Angedeutet ist ein Versatz der Flügelwinkel von 45 Grad zwischen beiden Ebenen. Analog könnten weitere Ebnen zugefügt werden. 12 again shows a sectional drawing of the construction from the side, in a version with two wing levels arranged one above the other. All elements are analog 3 and 4 labeled: An offset of the wing angles of 45 degrees between the two levels is indicated. Additional levels could be added in the same way.

Die beschriebene Funktion wird mit Konstruktionen gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und durch Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.The function described is achieved with constructions according to the features of the patent claim. Advantageous further training is the subject of the dependent patent claims. The features listed individually in the patent claims can be combined with one another in a technologically sensible manner and can be supplemented by explanatory facts from the description and by details from the figures, with further embodiment variants of the invention being shown.

Anlage: Auflistung der FigurenAppendix: List of figures

1 Illustration of the force vectors in a cruising sailboat (1a-c)
2 . Schematic representation of the wind turbine functionality from above, based on the principle of cruising on a sailboat. Without (2a) and with (2b) airfoil effect
3 Side view of the entire wind turbine construction, generator axially central
4 Side view of the entire wind turbine construction, decentralized generator
5 Position of the gears in the housing (symbolic - circumference instead of teeth!)
6 View of the construction from above
7 Systematic representation of the wing positions from above in a circle
8th Example position C enlarged
9 Analogy sail position when the sailboat turns - wind turbine blades
10a View of round base area from above with positions of brake magnets
10b Enlarged view of paired partial wings on a round base with position of the wing magnets
11 Systematic representation of the wing positions from above in a circle
11a -c View of the partial wings in three elevated positions from above
12 Example sectional view of a two-story synchronized wind turbine with a servomotor. Upper floor offset 45 degrees. More floors can also be implemented.

Claims

Wind turbine, with vertical blades rotating about a central axis with adjusting means that are set up to adjust the blades to the wind, characterized in that the adjusting means are set up to adjust the blades to the wind so that the wind is uninterrupted, without Resistance phase, as can be used in a combination of sailing simultaneously before the wind and when cruising against the wind.

Wind turbine Claim 1 , characterized in that the wing surfaces, mechanically realized in two or more partial surfaces, line up analogous to an inflating sail in such a way that a windward and a leeward side are created with a pressure difference and a resulting force vector in the direction of rotation.

Wind turbine.according to Claim 1 or 2 , with a horizontally lying rotor with several blades, which is rotatably mounted about a vertical axis of rotation and is operatively connected to a generator or other consumer in such a way that the rotor blades constantly change their position in relation to the horizontally flowing wind during rotation for an optimal force vector in the direction of rotation .

Wind turbine according to one of the preceding claims, characterized in that the horizontally located, cylindrical rotor accommodates 2-4 peripheral gears with twice the number of teeth as a central, smaller gear, the larger gears engaging with the smaller gear in such a way that the rotor blades are always aligned synchronously at the angle to the main wind direction that causes an optimal force vector in the direction of rotation.

Wind turbine according to one of the preceding claims, characterized in that the adjustment mechanism via gears Claim 4 is replaced by another mechanical transmission (chains, belts, magnetic coupling, servomotors, etc.).

Wind turbine Claim 1 and 2 , characterized in that the partial surfaces consist of an inherently rigid or a flexible material, preferably a fabric made of metal or carbon mesh or an elastic plastic.

Wind turbine according to one of the preceding claims, characterized in that the central gear, on which the gears twice as large roll, is not adjustable directly by the wind through a guide plate or a wind vane, but can be fixed mechanically, electrically or by a servomotor.

Wind turbine Claim 1 and 2 , characterized in that the alignment of the partial wings is limited softly by magnets, without a hard stop in the alignment at the end positions and to one another.

Wind turbine according to one of the preceding claims, characterized in that several units consisting of blades, rotatable blade supports ('base') and cylindrical housings, connected via a continuous hollow axle, are comparable 12 are located one above the other, with all 2 to n blades moving synchronously at the same time to drive a generator or a pump.