DE10301922B3

DE10301922B3 - Windkraftanlage mit vertikaler Rotorachse

Info

Publication number: DE10301922B3
Application number: DE10301922A
Authority: DE
Inventors: Michael Koelsch
Original assignee: Koelsch Michael Dipl-Ing Arch
Current assignee: Koelsch Michael Dipl-Ing Arch
Priority date: 2003-01-17
Filing date: 2003-01-17
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2023-01-18
Also published as: WO2004065787A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit vertikaler Rotorachse senkrecht zur Windrichtung mit Rotorflügeln mit klappenartigen, in Abhängigkeit von der Windrichtung sich öffnenden oder schließenden Flügellamellen zum Antrieb eines Generators für ein Kleinkraftwerk. Durch Leichtbau und Verringerung des Materialaufwands ist die Erhöhung der Betriebssicherheit erforderlich, was die Anpassung der Windkraftanlage an die jeweilige Windgeschwindigkeit und ein windstärkenabhängiges Bremsen der Rotorflügel zur Starkwindsicherung erforderlich macht. Die Windkraftanlage ist gekennzeichnet durch einen zweiteiligen Rotorflügel (2), der einen starr mit der Rotorachse (1) verbundenen Stützrahmen (8) mit einer winddurchlässigen Gitterkonstruktion (9) als Stützfläche zum Abstützen der Flügellamellen (3) in Windrichtung aufweist. Parallel zu dem Stützrahmen (8) ist ein kongruenter Flügelrahmen (11) vorgesehen, der mit einer Vielzahl von in Windrichtung frei beweglichen Flügellamellen (3) versehen und in seiner Relativlage gegenüber dem Stützrahmen (8) beweglich gelagert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit vertikaler Rotorachse senkrecht zur Windrichtung mit Rotorflügeln mit klappenartigen, in Abhängigkeit von der Windrichtung sich öffnenden oder schließenden Flügellamellen zum Antrieb eines Generators für ein Kleinkraftwerk.
Kleinkraftwerke erfordern für den wirtschaftlichen Betrieb besonders im privaten Bereich primär einen geringen Investitionsaufwand und an zweiter Stelle eine kostengünstige Nutzung bei geringen Unterhaltungskosten und Aufwendungen für die Wartung. Dadurch steigen bei Leichtbau und durch Verringerung des Materialaufwands die Anforderungen an die Betriebssicherheit, was die Anpassung der Windkraftanlage an die jeweilige Windgeschwindigkeit und ein windstärkenabhängiges Bremsen der Rotorflügel zur Starkwindsicherung erforderlich macht.

Bekannt sind aus der DE 36 02 414 A1 , DE 43 22 592 A1 und der CH 683 550 A5 windgetriebene Anordnungen mit vertikaler Drehachse nach dem Prinzip des Savoniusrotors, die Durchströmrotoren mit Klappenflügeln aufweisen, bei denen an einer zentralen Drehachse zwei oder mehrere radial nach außen stehende rechteckförmige Rotorflügel angeordnet sind. Die rechteckigen Flügelflächen sind in mehrere übereinander angeordnete, einzeln schwenkbare Lamellen unterteilt, wobei jede Lamelle die unter ihr liegende Lamelle überlappt. Die Lamellen lassen sich nur auf einer Seite der Rotorflügelfläche ausschwenken. Ein Schwenken auf die andere Seite der Fläche ist nicht möglich, da die Lamellen an der Schwenkachse der unter ihnen liegenden Lamelle anstehen und so in der vertikalen Stellung blockiert werden. Damit ist eine Starkwindsicherung und ein windstärkenabhängiges Bremsen der Windkraftanlage nicht durchführbar.

Bekannt ist außerdem aus der DE 33 39 979 A1 eine Windkraftmaschine mit einem Flügelrahmen, in dem die Flügel in eine Gitterkonstruktion eingespannt sind. Die Gitterkonstruktion ist ein Stahlgitter oder ein im Flügelrahmen gehaltenes Netz, an dem mehrere radial von innen nach außen verlaufende Lamellen übereinander befestigt sind. Diese Lamellen bestehen beispielsweise aus einem äußerst leichten, elastischen, zumindest aber teilelastischen Material wie Segeltuch, Fallschirmseide oder einem entsprechenden Kunststoffmaterial. Die Lamellen werden in Windrichtung geschlossen gehalten und in entgegengesetzter Stellung geöffnet, so dass die volle Windkraft auf den Flügel drückt und diesen antreibt. Quer zur Windrichtung bietet der Flügel im Wesentlichen keinen Luftwiderstand, weil der Wind durch die Gitterkonstruktion hindurch bläst. Die Lamellen können sich nicht an das Gitter anlegen, sondern werden vom Wind frei weggeblasen. In dieser Stellung weisen die Flügel praktisch keinen Luftwiderstand auf, so dass unabhängig von der Windrichtung eine hohe Kraftausnützung möglich ist. Nachteilig ist die fehlende Starkwindsicherung.

In der DE 198 40 066 A1 wird zur Anpassung an die jeweilige Windgeschwindigkeit und zur Starkwindsicherung einer Windkraftanlage eine Einrichtung zum selbsttätigen Verstellen der Segelflügel beschrieben, die mit auf Rahmen gespannten Flügeln aus Segeltuch ausgerüstet sind. Um bei Starkwind die Zerstörung der Segel zu verhindern, wird die Anstellung der Segelrahmen durch einen Drehfederhebel gesteuert, so dass der ablaufende Flügel mit größtmöglicher Fläche vom Wind erfasst wird. Bei zunehmender Drehzahl sind alle Flügel eines Rotors über einen gemeinsamen Hebelmechanismus verbunden, damit sich die resultierenden Fliehkräfte aller Flügel arithmetisch addieren, während sich die aerodynamischen Kräfte der Flügel, einschließlich der gegen die Drehrichtung des Rotors gerichteten, geometrisch addieren. Hierdurch werden ab einer bestimmten Drehzahl die Flügel durch die Fliehkräfte entgegen den Feder – und aerodynamischen Kräften so in den Wind gedreht, dass sie einen immer kleineren Widerstand bieten. Diese Lösung erfordert einen nicht unwesentlichen mechanischen Aufwand, der nur bei einer Windkraftanlage mit wenigen vergleichsweise großen Flügeln möglich ist. Bei einer Vielzahl von klappenähnlichen Flügeln ist der mechanische Aufwand nicht vertretbar.

Bekannt ist schließlich aus der DE 35 29 883 A1 eine Windkraftanlage mit einer mit Lamellenflügeln bestückten Windfangfläche, die mit einer Anschlagnockenwelle versehen sind. Die Anschlagnockenwelle ist mittels Drehlager im oberen und unteren Rahmenstück der Windfangfläche verankert und mit einem elektromagnetischen Schalter in einer vorgesehenen Winkelstellung in einer Anschlagstellung sowie einer Durchlaufstellung arretierbar. In der Durchlaufstellung der Anschlagnockenwelle kann sich der Lamellenflügel frei um die Anschlagnockenwelle drehen, wobei der Lamellenflügel immer mit dem Wind steht und keine Angriffsfläche für den Wind bildet. Nachteilig ist bei dieser Bremseinrichtung, dass für den Antrieb des Elektromagnetschalters und zum Verriegeln und Entriegeln der Anschlagnockenwelle eine eigene Stromanlage für die Bereitstellung der elektrischen Energie erforderlich ist.

Entsprechend dem bereits genannten Stand der Technik ist der schaltungstechnische Aufwand zur Starkwindsicherung, für die nur in zwei Schaltstellungen wirksame Bremseinrichtung, nur bei einer geringen Anzahl von vergleichsweise großen Lamellenflügeln realisierbar, so daß sich bei einem großen Lamellenflügel ein weiterer Nachteil ergibt. Bei Starkwind neigt der große Flügel zum Flattern, was durch ein Dämpfungselement zu verhindern ist. Nach der DE 35 29 883 A1 wird gegen das Flattern ein Doppelhubzylinder mit einem nach zwei Seiten arbeitenden Kolben vorgesehen, der mit einem Hubgestänge mit einem Drehgelenk mit dem Lamellenflügel stabilisierend verbunden ist. Zur Anpassung an die jeweilige Windgeschwindigkeit ist die Bremseinrichtung nicht geeignet.

Um den gezeigten hohen Aufwand und die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, bezweckt die Erfindung eine Windkraftanlage mit vertikaler Rotorachse senkrecht zur Windrichtung mit einer Vielzahl von vergleichsweise kleinen klappenartigen, in Abhängigkeit von der Windrichtung sich öffnenden oder schließenden Flügellamellen, die zur Anpassung an die jeweilige Windgeschwindigkeit und zur Starkwindsicherung mit einer Bremseinrichtung versehen sind.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Windkraftanlage gelöst, die einen zweiteiligen Rotorflügel aufweist, der mit einem starr mit der Rotorachse verbundenen Stützrahmen mit einer winddurchlässigen Stützfläche zum Abstützen der Flügellamellen in Windrichtung versehen ist und einen zu dem Stützrahmen kongruenten Flügelrahmen aufweist, der mit einer Vielzahl von in Windrichtung frei beweglichen Flügellamellen versehen und in seiner Relativlage gegenüber dem Stützrahmen beweglich gelagert ist. Die Windkraftanlage wird hierdurch mit einem Doppelflügel ausgestattet, der es auf eine einfache Weise gestattet, die Windkraftanlage in Abhängigkeit von der Windstärke zu bremsen oder zur Starkwindsicherung vollständig außer Betrieb zu nehmen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Im einzelnen zeigt
1 eine Windkraftanlage mit einer zweifachen versetzten Rotoreinrichtung,
2 die Rotoreinrichtung der Windkraftanlage mit einem schwenkbaren Flügelrahmen in Bremsstellung,
3 die Rotoreinrichtung der Windkraftanlage mit einem parallel zum Stützrahmen verstellbaren Flügelrahmen in Bremsstellung,
4 die Rotoreinrichtung der Windkraftanlage in Betriebsstellung und
5 eine Folie aus Kunststoff mit einstöckig ausgeformten Flügellamellen in schematischer Darstellung.
Die in 1 stark schematisiert dargestellte kleine Windkraftanlage weist eine vertikale Rotorachse 1 und nach der Form eines Savoniusrotors senkrecht zur Windrichtung Rotorflügel 2 auf, die mit klappenartigen, in Abhängigkeit von der Windrichtung sich öffnenden oder schließenden Flügellamellen 3 zum Antrieb eines nicht weiter dargestellten Generators versehen sind. Die Vorteile des Vertikalläuferkonzeptes bestehen in der Möglichkeit einer bodennahen Anordnung der Rotorflügel 2 und der Steuerkomponenten sowie in der Einsparung von Vorrichtungen zur Windrichtungsnachführung. Die Rotorachse 1 ist mit mindestens zwei bis vier einen Windwiderstand bildenden Rotorflügeln 2 pro Ebene ausgestattet, die abwechselnd in die Anströmrichtung des Windes gestellt werden.
Zur Befestigung der Rotorachse 1 kann ein Turm oder Mast 4 eingesetzt werden. Der Turm oder Mast 4 besteht aus Stahl, Beton oder Holz und wird entweder in Gitterbauweise oder als freistehender Rohrturm in geschlossener konischer Bauweise errichtet. Für die Standsicherheit der Windkraftanlage kann ein Mastfuß 5 vorgesehen werden, der die Verankerung der Windkraftanlage im Erdreich bereits ohne Fundament gewährleistet. Zur Verringerung des Investitionsaufwands kann auf die Herstellung eines mit einem Eisengeflecht armierten Fundaments verzichtet werden. Aus diesem Grund ist die Windkraftanlage auch und besonders für den nichtstationären Einsatz geeignet. Der Mastfuß 5 kann mit Hilfe von Erdankern oder Erdhaken 6 auf dem Boden fixiert und der Mast 4 mit Stahlseilen oder Stahlstreben verspannt werden. Weiterhin können zur Befestigung der Rotorachse 1 bereits vorhandene Masten, Stämme von Bäumen, Schornsteine und sonstige Bauwerke genutzt werden, wenn zur Befestigung der Rotorachse 1 ein geteiltes Lager 7 verwendet wird. Die Lagerhalteringe sind am Mast 4 angebracht, um die Lager 7 aufzunehmen. Die Lager 7 müssen einen runden und leichten Lauf der Rotorachse 1 mit den Rotorflügeln 2 gewährleisten. Hierfür sind Drucklager besonders geeignet.
Der gemäß 2 mit der Rotorachse 1 in einem parallelen Abstand verbundene Rotorflügel 2 ist zweiteilig und weist einen starr mit der Rotorachse 1 verbundenen Stützrahmen 8 auf, der mit einer winddurchlässigen Stützfläche zum Abstützen der Flügellamellen 3 in Windrichtung versehen ist. Die Stützfläche des Stützrahmens 8 ist beispielsweise eine Gitterkonstruktion 9 mit einem Drahtgitter. Der Stützrahmen 8 kann auch mit einem gespannten Netz versehen werden. Vorzugsweise ist der Stützrahmen 8 rechteckig, wodurch sich eine ebenfalls rechteckige Ausbildung der Flügellamellen 3 ergibt, die an der Gitterkonstruktion 9 des Stützrahmens 8 in Windrichtung flächendeckend anliegen und die gesamte Fläche des Stützrahmens 8 windundurchlässig bedecken. Um den sich vor dem Rotorflügel 2 einstellenden Staudruck möglichst gering zu halten, können die Flügellamellen 3 ventilierend ausgebildet werden. Vorzugsweise sind die Flügellamellen 3 mit gerade einem so großen Abstand voneinander und gegeneinander beabstandet auf Lücke angeordnet, dass sich in der Stellung gegen den Wind ein nur geringes Überdruckpolster bilden kann. Dadurch wird der nachfließende Wind weniger stark abgelenkt und der Vortrieb der Rotorflügel 2 kann auf diese Weise verbessert werden.
Eine weitere Verbesserung des Vortriebs der Rotorflügel 2 kann erreicht werden, wenn der Stützrahmen 8 anstelle der Gitterkonstruktion 9 ein gespanntes Netz mit einer elastischen Schnur aufweist. Die Stützfläche weist in diesem Fall bei der Stellung gegen den Wind infolge der Durchbiegung durch den anstehenden Staudruck eine konkave Form entsprechend dem Savoniusprinzip auf, wodurch sich ein höherer Vortrieb einstellen kann.
Ein in 2 verdeutlichter Flügelrahmen 11 ist übereinander mit mehreren horizontal verlaufenden Lamellenstäben 12 versehen, die einfache speichenförmige Drähte oder Stäbe mit vergleichsweise geringem Durchmesser besitzen. Die Lamellenstäbe 12 sind in dem Flügelrahmen 11 fest verankert. An den Lamellenstäben 12 sind senkrecht einzelne Flügellamellen 3 pendelnd aufgehängt, die sich in Windrichtung und entgegen der Windrichtung frei bewegen können. Zwischen den Flügellamellen 3 können Abstandhalter vorgesehen werden, wenn die Flügellamellen 3 auf Lücke und mit einem gegenseitigen Abstand zueinander angeordnet sind. Die Flügellamellen 3 sind aus einem leichten, elastischen, zumindest aber teilelastischen Material wie Segeltuch, Fallschirmseide oder einem entsprechenden Kunststoffmaterial hergestellt und an dem oberen Ende mit einer Aufhängung zum Durchstecken oder Umschlingen des Lamellenstabes 12 versehen.
Alternativ kann der Flügelrahmen 11 nach 5 mit einer verstärkten Folie 13 vorzugsweise aus Kunststoff versehen werden, bei der die Flügellamellen 3 einstückig ausgeformt sind. Durch eine U-förmig ausgebildete Ausstanzung 14 sind die Flügellamellen 3 mit der Folie 13 gelenkig verbunden. Zusätzlich kann die Flügellamelle 3 mit einem Filmscharnier 15 versehen werden. An den Rändern kann die mit Befestigungsösen 16 versehene Folie 13 mit dem Flügelrahmen 11 verbunden werden.
Mit der in 2 geneigt gezeichneten Darstellung des Flügelrahmens 11 soll durch den gekrümmten Doppelpfeil 16 verdeutlicht werden, daß die pendelnd aufgehängten Flügellamellen 3 bei Windangriff keinerlei Windwiderstand bieten, so daß die Rotorachse 1 nicht in Bewegung ist. Um die Rotorachse 1 in Bewegung zu setzen, ist der Flügelrahmen 11 in seiner Relativlage gegenüber dem Stützrahmen 8 beweglich gelagert, was in dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch ein am unteren Teil des Flügelrahmens 11 befestigtes Scharniergelenk 17 gewährleistet ist. Mit dem Scharniergelenk 17 ist der Flügelrahmen 11 in unterschiedlichen Winkelstellungen schwenkbar an dem Stützrahmen 8 angelenkt und mit einer Antriebsvorrichtung 18 aus einer Verschlußstellung über eine Schwenkbewegung in eine Offenstellung bewegbar mit dem Stützrahmen 8 verbunden. Die Inbetriebnahme der Windkraftanlage erfolgt somit durch Verschwenken des Flügelrahmens 11 mit den Flügellamellen 3 in die Verschlußstellung, die in 4 angedeutet ist. In dieser Stellung erfolgt die vollständige Windausnutzung.
Demgegenüber kann die Drehzahl der Windkraftanlage an die jeweilige Windstärke und Windgeschwindigkeit angepaßt werden, wenn der Flügelrahmen 11 gegenüber dem Stützrahmen 8 sukzessive parallel beabstandet bewegt wird, was in 3 verdeutlicht ist. Bei hohen Windgeschwindigkeiten und wenn windstärkenabhängig das Bremsen der Rotorflügel 2 zur Starkwindsicherung erforderlich ist, kann die Windkraftanlage durch vollständiges Öffnen des Flügelrahmens 11 außer Betrieb genommen werden. Die Windkraftanlage arbeitet damit störungsfrei.
Um eine weitere Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Windkraftanlage zu erreichen, können die Flügellamellen 3 aus Solarzellen bestehen. Hierfür geeignet sind fotovoltaische Zellen mit einer flexiblen Fläche oder Solarmodule, die üblicherweise als Foliensolarmodule ausgebildet sind. Foliensolarmodule weisen jeweils von einer flexiblen Folienstruktur gebildete Abdecklagen auf, zwischen denen die Solarzellen eingebettet sind. Die Solarmodule werden mit elektrischen Anschlüssen mit einem elastischen Kabel mit einer festen Länge hergestellt. Das Verschalten mehrerer Module ist daher problemlos möglich. Die Abdeckfolien sind als witterungsbeständige und UV – lichtbeständige Schutzfolien ausgebildet, die eine lange Lebensdauer aufweisen.
Darüber hinaus kann die Windkraftanlage in einer waagerechten Ebene oberhalb des Stützrahmens 8 mit einer Abschirmung oder eine Schutzeinrichtung als Wetterschutz versehen werden. Diese Abschirmung kann desgleichen mit Solarmodulen bestückt werden. Der Wetterschutz kann aus einem Schutzsegel oder einer Plane in Form eines Zuschnittes aus einem geeigneten Flachmaterial, beispielsweise aus einem Gewebe wie Leinwand oder Baumwollgewebe, aus einer Kunststoff – Folie, vorzugsweise einer mit Gewebe verstärkten Kunststoff – Folie oder dergleichen Flachmaterial bestehen. Der Wetterschutz kann am Rand eingefaßt oder eingesäumt und mit Halteelementen versehen werden, die an dem Stützrahmen 8 befestigt sind. Schließlich kann die Windkraftanlage mit einer netzförmigen Umhüllung zum Schutz und zur Abschreckung gegen Vogelflug sowie zur Verhinderung der Verschmutzung mit Laub versehen werden.

Claims

Windkraftanlage mit vertikaler Rotorachse senkrecht zur Windrichtung mit Rotorflügeln mit klappenartigen, in Abhängigkeit von der Windrichtung sich öffnenden oder schließenden Flügellamellen zum Antrieb eines Generators für ein Kleinkraftwerk, gekennzeichnet durch einen zweiteiligen Rotorflügel (2), der einen starr mit der Rotorachse (1) verbundenen Stützrahmen (8) mit einer winddurchlässigen Gitterkonstruktion (9) als Stützfläche zum Abstützen der Flügellamellen (3) in Windrichtung aufweist und mit einem zu dem Stützrahmen (8) kongruenten Flügelrahmen (11) versehen ist, der mit einer Vielzahl von in Windrichtung frei beweglichen Flügellamellen (3) versehen und in seiner Relativlage gegenüber dem Stützrahmen (8) beweglich gelagert ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützrahmen (8) mit einer Gitterkonstruktion (9) versehen ist, die ein Drahtgitter oder ein im Stützrahmen (8) gespanntes Netz mit einer elastischen Schnur aufweist.
Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügelrahmen (11) übereinander angeordnet mehrere horizontal verlaufende Lamellenstäbe (12) mit an den Lamellenstäben (12) pendelnd aufgehängten Flügellamellen (3) aufweist, wobei die Flügellamellen (3) in Windrichtung und entgegen der Windrichtung frei beweglich sind.
Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügelrahmen (11) eine verstärkte Folie (13) vorzugsweise aus Kunststoff aufweist, bei der die Flügellamellen (3) einstückig durch eine U-förmig ausgebildete Ausstanzung (14) ausgeformt und mit der Folie (13) gelenkig verbunden sind.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügellamellen (3) aus einem leichten, elastischen, zumindest aber teilelastischen Material wie Segeltuch, Fallschirmseide oder einem entsprechenden Kunststoffmaterial bestehen.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügellamellen (3) ventilierend ausgebildet und/oder zur Verringerung des Staudrucks gegeneinander beabstandet auf Lücke angeordnet sind.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügelrahmen (11) in unterschiedlichen Winkelstellungen über ein Scharniergelenk (17) schwenkbar an dem Stützrahmen (8) angelenkt und mit einer Antriebsvorrichtung (18) aus einer Verschlußstellung über eine Schwenkbewegung in eine Offenstellung bewegbar mit dem Stützrahmen (8) verbunden ist.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügelrahmen (11) parallel gegenüber dem Stützrahmen (8) sukzessive beweglich angeordnet ist.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügellamellen (3) aus Solarzellen bestehen.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Windkraftanlage in einer waagrechten Ebene oberhalb des Stützrahmens (8) mit einer Abschirmung oder einer Schutzeinrichtung als Wetterschutz versehen ist.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Windkraftanlage zum Schutz und zur Abschreckung gegen Vogelflug sowie zur Verhinderung der Verschmutzung mit einer netzförmigen Umhüllung versehen ist.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorachse (1) der Windkraftanlage zur bodennahen Befestigung an bereits vorhandenen Masten, Baumstümpfen, Schornsteinen und sonstigen Bauwerken mit einem geteilten Lager (7) versehen ist.