DE10310227A1

DE10310227A1 - Vertical axis wind turbine for power generation has blades formed of hinged foil sails behind flexible grid

Info

Publication number: DE10310227A1
Application number: DE2003110227
Authority: DE
Inventors: Alexander Prikot
Original assignee: Prikot Alexander Dipl-Ing
Current assignee: Prikot Alexander Dipl-Ing
Priority date: 2003-03-08
Filing date: 2003-03-08
Publication date: 2004-09-16

Abstract

The rotor blades (1) consist of thin foil sails (6,7,8) and a grid (3,4,5). The sails are connected to a crossbeam (10) of the grid by a hinge (9). As the wind acts on each sail in turn they are pressed against the grid to develop a rotational force whilst the second sail lifts to permit the blades to rotate. The grids are flexible to enable them to regain their shape.

Description

Die vorgeschlagene Erfindung bezieht sich auf die Nutzung der Windenergie und insbesondere auf die Vertikalachsen-Windkraftanlagen d.h. Windkraftanlagen mit vertikaler Rotorachse (e. vertical axis wind turbine).The proposed invention relates on the use of wind energy and in particular on the vertical axis wind turbines i.e. Wind turbines with a vertical rotor axis (e. Vertical axis wind turbine).

Innerhalb der Klasse von Vertikalachsen-Windkraftanlagen gibt es eine Art, welche die lokale horizontale Drehungs- oder Biegungsachsen aufweisenden Rotorblätter, die auf den von der zentralen vertikalen Achse radial auslaufenden Trägern befestigt sind, aufweist. Die Rotorblätter in diesen Anlagen drehen oder biegen sich um ihre lokalen horizontalen Drehungs- oder Biegungsachsen herum und die Drehungs- oder Bewegungsrichtung ist mit der Windrichtung und der laufenden Position der Rotorblättern verbunden. Die Erfindungen WO 96/34197 und WO 02/33253, US 5 823 749 und US 6 283 710 können entsprechende Beispiele darstellen. Obwohl die Wettbewerbfähigkeit der bekanten Windkraftanlagen dieser Art gegenüber den modernen Horizontalachsen-Windkraftanlagen einen Zweifel lässt, ist jedoch die Richtung, welche die entsprechenden Ideen vorgemerkt haben, sowohl für kleine Windkraftanlagen, als auch für große leistungsstarke Windkraftanlage vielversprechend. Und die erfindungsgemäße Vertikalachse-Windkraftanlage bestätigt gerade dies.Within the class of vertical axis wind turbines, there is a type which has the rotor blades having local horizontal axes of rotation or bending, which are mounted on the beams extending radially from the central vertical axis. The rotor blades in these systems rotate or bend around their local horizontal axes of rotation or bending and the direction of rotation or movement is related to the wind direction and the current position of the rotor blades. The inventions WO 96/34197 and WO 02/33253, US 5 823 749 and US 6,283,710 can represent corresponding examples. Although the competitiveness of the known wind turbines of this type compared to the modern horizontal-axis wind turbines leaves a doubt, the direction which the corresponding ideas have noted is promising both for small wind turbines and for large, powerful wind turbines. And the vertical axis wind turbine according to the invention confirms this.

Die bekanten Windkraftanlagen der erwähnten Art verfügen über Mitteln für die Einwirkung auf die Stellungen der Rotorblätter, was den materiellen Aufwand und einige Einschränkungen der Freiheit von Konstruktions-Lösungen zur Folge hat. Außerdem dämpfen sie die Wirkung von starken Windstößen nicht und zwischen den Windstößen verlieren sie schnell durch den Luftwiderstand die kinetische Energie. Die vorgeschlagene Windkraftanlage beseitigt diese Nachteile. Außerdem kann sie ziemlich flach und gleichzeitig leistungsstark sein. Nach dieser Erfindung kann man sowohl kleine, als auch große Windkraftanlage erzeugen und sowohl auf dem Lande, als auch in den Städten installieren. Z.B. kann man die flachen Varianten dieser Windkraftanlage praktisch ohne Verschlechterung des Aussehens von Städten auf Häusern stellen und unter Brücken hängen.The well-known wind turbines of the mentioned Art have means for the Influence on the positions of the rotor blades, which increases the material effort and some restrictions freedom from design solutions has the consequence. Moreover dampen they do not have the effect of strong gusts of wind and between the Lose gusts of wind they quickly kinetic energy through air resistance. The proposed wind turbine eliminates these disadvantages. Besides, can they are pretty flat and powerful at the same time. After this Invention can produce both small and large wind turbines and install both in the countryside and in the cities. For example, you can the flat versions of this wind turbine practically without deterioration the appearance of cities on houses put and under bridges hang.

Die Erfinderaufgabe ist folgendermaßen gelöst. Jedes Rotorblatt ist in den Skelettsteil, der hier Gitter genannt ist, und den Bezugsteil, der hier Segel genannt ist, geteilt. Das Segel ist direkt oder normalerweise mit einem Scharnier auf einem Querbalken der Gitter oder auf dem Träger der Gitter neben der Gitter-Wurzel befestigt. Dabei befindet sich keinen Balken auf der gegenseitigen Leiste des Segels und das Segel ist leicht genug, um unter dem Druck des Winds leicht aufzusteigen. Während jeder zweiten Halbperiode der Rotation druckt der Wind das Segel an die Gitter und erzeugt den Zug. Um die Wirkung von Windstößen zu dämpfen und ihre Form wiederherzustellen, muss die Gitter federnd sein. Die eigene Federung kann durch ein Scharnier in der Gitter-Wurzel und äußeren Federn funktional ersetz werden. So ist die Grundlösung.The inventor's task is solved as follows. each Rotor blade is in the skeletal part, which is called lattice here, and divided the reference part, which is called the sail here. The sail is directly or normally with a hinge on a crossbar Grid or on the support the grid next to the grid root attached. There is no bar on the other Groin of the sail and the sail is light enough to be under pressure of the wind to rise easily. While Every second half of the rotation, the wind prints on the sail the grid and creates the train. To dampen the effects of gusts of wind and to restore their shape, the grille must be resilient. The own suspension can be through a hinge in the lattice root and outer springs be replaced functionally. This is the basic solution.

Damit alles dies wirklich gut funktionieren könnte, muss man jedoch wichtige und auch einfach nützliche Detaillierungen, die auch Neuheiten aufweisen, machen:

1. Das Segel besteht im Wesentlichen aus einer dünnen Folie, die transparent sein kann, und einer dünnen äußeren Leiste, die eine Bogenform aufweist und das Flattern verhindert. In der Mittel des Segels befindet sich mindestens eine dünne innere Leiste, welche die äußere Leiste schützt. Die Leisten können dicke Folie mit eingefügten dünnen Drähten aufweisen. Das Segel ist so befestigt, dass es leicht installiert und ersetzt werden kann.
2. Die Gitter weist vertikal stehende oder hängende dünne federnde Stäbe in weichen elastischen Mäntel mit guten aerodynamischen Eigenschaften auf. Die Mäntel verringern den Widerstand dem Wind und machen die Zusammenstöße mit dem Segel leise. Um Forderungen zum Segel zu vermindern, kann die Gitter zwischen den Stäben dünne Seile oder Drähte aufweisen und in diesem Fall ist ein Bogen am unteren Rand der Stäbe um alle Stäbe herum erforderlich. Der Bogen ist ebenso ein dünner federnder Stäbe, der alle Seile oder Drähte in Spannung hält und macht die Konstruktion der Gitter stabil.
3. Die vorgeschlagene Windkraftanlage ferfügt über mindestens einen normalerweise großen Diskus, mit dem die Träger von den Gittern teilweise oder vollständig integriert sind und dessen Zentrum auf der zentralen vertikalen Achse der Windkraftanlage liegt. Dieser Diskus ist hier Träger-Diskus genannt und stellt mit seinen Trägern eine Träger-Schicht zusammen. Die Windkraftanlage kann eine, zwei oder mehr Träger-Schichten aufweisen.
4. Die Gitter sind an einer Träger-Schicht von oben heraus oder von unten heraus befestigt. Im ersten Fall ist jedes Segel auf einem Querbalken befestigt und dieser Querbalken ist seinerseits auf dem äußeren Rand der Gitter befestigt . Dabei sieht der Bogen nach unten. Im zweiten Fall ist jedes Segel an einem Querbalken neben der Gitter-Wurzel oder an der Träger-Schicht befestigt. Dabei sieht der Bogen ebenso nach unten.
5. Falls der Träger-Diskus groß ist, können von 3 bis 8 Getriebe in seiner Höhle auf einer inneren stationären Fläche in regelmäßigen Abständen der inneren Kreislinie des Träger-Diskus entlang installiert sein. Dabei ist die innere stationäre Fläche direkt oder indirekt mit einer äußeren stationären Flache, z.B. mit dem Boden, hart verbunden. Die Getriebe enden mit lokalen Elektrogeneratoren oder sind mittels einer zentralen vertikalen Welle und eines optionales gemeinsames Getriebes mit mindestens einem gemeinsamen Elektrogenerator verbunden. Dabei rollen die äußeren Räder von den Getriebe an der inneren Kreislinie des Träger-Diskus. Um Geräusch zu vermindern, können die Räder elastische Reifen aufweisen.
6. Auf der äußeren Kreislinie des Träger-Diskus können Räder, die den drehenden Träger-Diskus unterstützen, befestigt sein. Diese Räder rollen auf einer inneren stationären Fläche, die direkt oder indirekt mit einer äußeren stationären Flache, z.B. mit dem Boden, hart verbunden ist. In diesem Fall ist ein zentrales Kugel- oder Rollenlager unnötig. Das Ziel ist jedoch nicht die Beseitigung des zentralen Kugel- oder Rollenlagers, sonder die Erleichterung der Träger-Schichts-Konstruktion oder im Gegenteil ein massiver Träger-Diskus, der die kinetische Energie akkumulieren kann, möglich zu machen.
7. Außerhalb der äußeren Kreislinie des Träger-Diskus und neben seinen Räder, kann ein großer Trägheits-Ring mit eigenen Rädern aufgestellt sein. Wenn der Wind stark ist, koppelt sich dieser Trägheits-Ring mit dem Träger-Diskus automatisch zusammen, dämpft die Wirkung von Windstößen und akkumuliert die kinetische Energie. Zwischen den Windstößen gibt er die kinetische Energie zurück, dabei entsteht fast kein Widerstand der Luft, was für die ganze Erfindung kennzeichnend ist.
8. Außerhalb des Träger-Diskus und Trägheits-Ring kann ein stationärer Barriere-Ring aufgestellt sein, um ihre Rotation vor den starken Windstößen zu schützen. Wenn dieser Barriere-Ring äußerlich die Form des abgestumpften Kegels aufweist, verringert er den Widerstand dem Wind und richtet gleichzeitig den Luftstrom an die Segeln.

In order for all of this to work really well, however, you have to make important and simply useful details that also have innovations:

1. The sail essentially consists of a thin film, which can be transparent, and a thin outer bar, which has an arc shape and prevents fluttering. In the middle of the sail there is at least one thin inner bar that protects the outer bar. The strips can have a thick film with inserted thin wires. The sail is attached so that it can be easily installed and replaced.
2. The grid has vertically standing or hanging thin resilient rods in soft elastic jackets with good aerodynamic properties. The coats reduce the resistance to the wind and make the collisions with the sail quiet. In order to reduce demands on the sail, the grid between the rods can have thin ropes or wires and in this case an arc is required at the lower edge of the rods around all rods. The arch is also a thin springy rod that keeps all ropes or wires in tension and makes the construction of the grids stable.
3. The proposed wind power plant has at least one normally large disc, with which the supports of the grids are partially or fully integrated and the center of which lies on the central vertical axis of the wind power plant. This discus is called the carrier disc here and composes a carrier layer with its carriers. The wind turbine can have one, two or more support layers.
4. The grids are attached to a support layer from above or from below. In the first case, each sail is attached to a crossbar and this crossbar is in turn attached to the outer edge of the grid. The bow looks down. In the second case, each sail is attached to a crossbeam next to the lattice root or to the support layer. The bow also looks down.
5. If the carrier disc is large, 3 to 8 gears can be installed in its cavity on an inner stationary surface at regular intervals along the inner circular line of the carrier disc. The inner stationary surface is directly or indirectly connected to an outer stationary surface, for example to the floor. The gearboxes end with local electrical generators or are by means of a central vertical shaft and an optional common gearbox bes connected to at least one common electric generator. The outer wheels of the gears roll on the inner circular line of the carrier disc. In order to reduce noise, the wheels can have elastic tires.
6. Wheels that support the rotating carrier disc can be attached to the outer circular line of the carrier disc. These wheels roll on an inner stationary surface that is directly or indirectly connected to an outer stationary surface, for example the floor. In this case, a central ball or roller bearing is unnecessary. However, the goal is not to remove the central ball or roller bearing, but to facilitate the support-layer construction or, on the contrary, a solid support disc that can accumulate the kinetic energy.
7. Outside the outer circle of the carrier disc and next to its wheels, a large inertia ring with its own wheels can be set up. When the wind is strong, this inertia ring automatically couples with the carrier disc, dampens the effects of gusts of wind and accumulates the kinetic energy. Between the gusts of wind, it returns the kinetic energy, with almost no resistance to air, which is characteristic of the whole invention.
8. Outside the carrier disc and inertia ring, a stationary barrier ring can be set up to protect its rotation from the strong gusts of wind. If this barrier ring has the shape of the truncated cone on the outside, it reduces the resistance to the wind and at the same time directs the air flow to the sails.

Fig. 1 – Liegende Variante der Windkraftanlage. Querschnitt.Fig. 1 - lying variant of the wind turbine. Cross-section.

Fig. 2 – Hängende Variante der Windkraftanlage. Querschnitt.Fig. 2 - Hanging variant of the wind turbine. Cross-section.

Fig. 3 – Stehende Variante der Windkraftanlage. Abschnitt.

1: Rotorblatt
2: Zentrale Vertikale Achse
3: Dünner Federnder Stab der Gitter
4: Bogen der Gitter
5: Dünnes Seil der Gitter oder Dünner Draht der Gitter
6: Dünne Folie des Segels
7: Dünne Äußere Leiste des Segels
8: Dünne Innere Leiste des Segels
9: Scharnier des Segels
10: Querbalken der Gitter
11: Träger für die Gitter
12: Träger-Diskus
13: Getriebe
14: Letzten Räder des Getriebes(13)
15: Kugel- oder Rollenlager für die Zentrale Vertikale Welle(17)
16: Innere Stationäre Fläche
17: Zentrale Vertikale Welle
18: Rotor des Elektrogenerators
19: Stator des Elektrogenerators
20: Äußere Stationäre Flache
21: Ersten Räder des Getriebes(13)
22: Rad des Träger-Diskus(12)
23: Rad des Trägheits-Rings(24)
24: Trägheits-Ring
25: Stationärer Barriere-Ring
26: Inneren Kreislinie des Träger-Diskus(12)
27: Gondel
28: Turm

Fig. 3 - Standing variant of the wind turbine. Section.

1: rotor blade
2: Central vertical axis
3: Thin bouncing bar of grids
4: Arch of the grids
5: Thin rope of grids or thin wire of grids
6: Thin film of the sail
7: Thin outer bar of the sail
8th: Thin inner bar of the sail
9: Hinge of the sail
10: Crossbar of the grid
11: Support for the grids
12: Carrier Diskus
13: transmission
14: Last wheels of the transmission ( 13 )
15: Ball or roller bearings for the central vertical shaft ( 17 )
16: Inner stationary area
17: Central vertical wave
18: Rotor of the electric generator
19: Stator of the electrical generator
20: Outer stationary area
21: First gear wheels ( 13 )
22: Wheel of the carrier disc ( 12 )
23: Inertial Ring Wheel ( 24 )
24: Inertia ring
25: Stationary barrier ring
26: Inner circular line of the carrier disc ( 12 )
27: gondola
28: tower

Claims

Vertical-axis wind power plant which has rotor blades with the local horizontal axes of rotation or bending ( 1 ) on the around the central vertical axis ( 2 ) arranged around the carriers, characterized in that each rotor blade in the skeletal part, the grating here ( 3 . 4 . 5 ) and the reference part that sails here ( 6 . 7 . 8th ) is divided and the sail is directly or normally with a hinge ( 9 ) on a crossbeam ( 10 ) the grid or on the support ( 11 ) the grille is attached next to the grate root, there is no beam on the opposite edge of the sail and the sail is light enough to rise easily under the pressure of the wind; the grid being resilient to dampen the effects of gusts of wind and restore its shape manufacture, or the own suspension of the grille is replaced by a hinge in the grille root and outer springs.

Vertical-axis wind turbine according to claim 1, characterized in that the sail is a thin film ( 6 ), which can be transparent, and a thin outer bar ( 7 ), which has an arch shape and prevents flutter, and has at least one thin inner bar in the center of the sail ( 8th ), which the outer arch bar ( 7 ) protects, located; the strips can have thick film with inserted thin wires; with the sail attached so that it can be easily installed and replaced.

Vertical-axis wind turbine according to claims 1 or 2, characterized in that the grids are vertical standing or hanging thin resilient rods ( 3 ) in soft elastic coats with good aerodynamic properties; the grid between the bars being thin ropes or wires ( 5 ) and at the bottom of the bars ( 3 ) an arch around all rods ( 4 ), which is also a thin spring rod and all ropes or wires ( 5 ) keeps tension, may have.

Vertical-axis wind turbine according to one of claims 1 to 3, characterized in that at least one normally large disc ( 12 ) with which the carrier ( 11 ) are partially or fully integrated in the grids and their center on the central vertical axis ( 2 ) of the wind turbine, has this disc, the carrier disc here ( 12 ) is mentioned, compiles a carrier layer with its carriers and the wind turbine can have one, two or more carrier layers.

Vertical-axis wind power plant according to one of claims 1 to 4, characterized in that if the grille is attached to a support layer from above, the sail on a crossbar ( 10 ) is attached and this crossbar is in turn attached to the outer edge of the grille, the arch looking down; if the grid is attached to a support layer from below, the sail on a crossbeam ( 10 ) is attached next to the grid root or on the support layer, the arch also looking down.

Vertical-axis wind turbine according to one of claims 1 to 5, characterized in that if the carrier disc is large, from 3 to 8 gears ( 13 ) in its cave on an inner stationary surface ( 16 ) at regular intervals of the inner circular line of the carrier disc ( 12 ) are installed along and these gears end with local electrical generators or by means of a central vertical shaft ( 17 ) and an optional common gearbox with at least one common electric generator ( 18 . 19 ) are connected, the inner stationary surface ( 16 ) directly or indirectly with an outer stationary surface ( 20 ), e.g. with the floor, is hard connected, whereby the outer wheels ( 21 ) of the gears, which may have elastic tires, on the inner circular line ( 26 ) of the carrier discus.

Vertical-axis wind turbine according to one of claims 1 to 6, characterized in that on the outer circular line of the carrier discus wheels ( 22 ), the rotating disc carrier ( 12 ) are attached, these wheels on an inner stationary surface ( 16 ) directly or indirectly with an outer stationary surface ( 20 ), e.g. with the floor, is hard connected, roll.

Vertical-axis wind power plant according to one of claims 1 to 7, characterized in that outside the outer circular line of the carrier disc ( 12 ) and next to his wheels ( 22 ), a large own wheels ( 23 ) inertia ring ( 24 ), which automatically couples with this carrier disc in the event of strong wind, dampens the effects of gusts of wind and accumulates the kinetic energy, with the wheels ( 23 ) of the inertia ring ( 24 ) on an inner stationary surface ( 16 ) directly or indirectly with an outer stationary surface ( 20 ), e.g. with the floor, is hard connected, roll.

Vertical-axis wind power plant according to one of claims 1 to 8, characterized in that outside the carrier disc and inertial ring a stationary barrier ring ( 25 ), the rotation of the carrier disc ( 12 ) and inertia ring ( 24 ) protects from the strong gusts of wind, is set up, this barrier ring can have the shape of the truncated cone on the outside.