DE10327718A1

DE10327718A1 - Energieumwandlungseinrichtung

Info

Publication number: DE10327718A1
Application number: DE10327718A
Authority: DE
Inventors: Stefan Kumschier
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-06-14
Filing date: 2003-06-14
Publication date: 2004-02-05

Abstract

Energieumwandlungseinrichtung (1) zum Umwandeln von Windenergie in elektrische Leistung mit wenigstens einer vom Wind gedrehten Windschaufel (12) und wenigstens einem Piezoelement (14).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Energieumwandlungseinrichtung zum Umwandeln von Windenergie in elektrische Leistung.
Bekannte Energieumwandlungseinrichtungen dieser Art sind als Windräder überall zu sehen und bestehen aus einem Schaufelrad, das eine Achse bei Windbeaufschlagung in Drehung versetzt, die ihrerseits einen Dynamo antreibt. Hierbei ist zur Erzielung brauchbarer Wirkungsgrade eine relativ genaue Ausrichtung der Schaufelradachse auf die Windrichtung notwendig, die bei Richtungswechseln auch noch permanent nachzujustieren ist. Reibungsverluste der Schaufelradachse und der Wirkungsgrad des Dynamo führen weiter zu Abschlägen bei der zu erzielenden Leistung.
Es besteht daher die Aufgabe, eine Lösung für eine Energieumwandlungseinrichtung zum Umwandeln von Windenergie in elektrische Leistung vorzuschlagen, die einfacher bei wechselnden Windrichtungen zu handhaben ist und trotzdem höhere Wirkungsgrade zu liefern imstande ist.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches. Hieraus resultiert der unschätzbare Vorteil, dass die Ausbildung der erfindungsgemässen Energieumwandlungseinrichtung nahezu unabhängig von der herrschenden Windrichtung ist. Jegliche Nachführung entfällt daher zusammen mit Stellmotoren und deren Steuerung.
Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der 1 bis 6 der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform der Erfindung im Schnitt,
2 eine Draufsicht hierzu mit einer Abänderung,
3 eine Variante hierzu in Draufsicht,
4 eine weitere Variante hierzu im Schnitt,
5 eine Draufsicht hierzu und
6 einen Ausschnitt aus 1.
In allen sechs Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen jeweils die gleichen Einzelheiten.
Eine Energieumwandlungseinrichtung 1 zum Umwandeln von Strömungsenergie eines fluiden Mediums, wie einer Flüssigkeit, eines Gases oder Gasgemisches oder eines Gases mit schwebenden Feststoffen, insbesondere Wind, in elektrische Leistung nach 1 weist eine Form eines Zylinders 2 auf, dessen Achse 3 nahezu senkrecht vom Erdboden 4 oder einer anderen Plattform aufragt. Der Zylinder 2 besitzt einen Boden 5, einen Mantel 6 und einen Deckel 7. Der Boden 5 und der Deckel 7 sind mittels je eines Kugel- oder Rollenlagers 8 an einem zylindrischen Mast 9 drehbeweglich gelagert, der mittels einer Unterlage 10 auf dem Erdboden 4 aufsteht.
An einer Oberseite 11 des Deckels 7 sind drei im Winkel von 120° zueinander stehende Windschaufeln 12 befestigt, mit denen eine Drehbewegung der Energieumwandlungseinrichtung 1 in Richtung eines Pfeiles 13 bei Windeinfall erzeugt wird.
Der Mantel 6 ist zeilenweise mit Piezoelementen 14 besetzt, deren elektrische Ableitungen 15 zu einem in einen Innenraum 16 des mithin einen Hohlzylinder bildenden Zylinders 2 angeordneten Schleifring 27 – vgl. 6 – geführt sind und dort ggf. nach Gleichrichtung mit einer Diodenbrücke 28 zur Erzeugung einer Gleichspannung oder nach Umrichtung zur Erzeugung einer Spannung mit geeigneter Höhe und Frequenz einem Netz oder sonstigem Verbraucher zugeführt werden.
Die Wirkung der Erfindung ergibt sich wie folgt:
Durch Eingriff in die Windschaufeln dreht sich die Energieumwandlungseinrichtung 1 in Richtung des Pfeiles 13 bei Windeinfall um den Mast 9. Hierbei werden die einzelnen Piezoelemente 14 durch den Druck des Windes – wenn sie sich luvseitig befinden – belastet und – wenn sie sich leeseitig befinden – entlastet. Stellungen dazwischen sind lastfrei. Dieses Wechselspiel zwischen Be- und Entlastung führt aufgrund der Ladungstrennung im gerade luvseitig befindlichen Piezoelement zu einem Stromfluss in den Ableitungen 15, den man als elektrische Energie nutzen kann. Die maximal erzeugbare elektrische Leistung hängt im Wesentlichen von der Zeilenzahl der Piezoelemente, also von der genutzten Höhe des Zylinders 2, von der projizierten Fläche der Windbeaufschlagung sowie deren Stärke ab.
Wie 2 zeigt, kann man auch statt eines Zylinders 2 einen Polygonkörper 17 – hier einen Achtkantquader – verwenden, dessen einzelne Seiten 18 mit den Piezoelementen 14 zeilenweise bestückt sind.
Beim Ausführungsbeispiel nach 3 besteht die Abwandlung darin, dass die Energieumwandlungseinrichtung 1 aus zwei in einem Höhenabstand angeordneten Scheiben 20 und 21 besteht, wobei die Scheibe 20 starr angeordnet ist und die einzelnen, als Ring in einer Zeile angeordnet, zeilenweise Piezoelemente 14 trägt, während die Scheibe 21 drehbar gelagert ist und die Windschaufeln 12 aufweist, die diese Scheibe bei Windeinfall um den Mast 9 dreht. Die rotierende Scheibe 21 weist im Abstand voneinander stehende Schirme 22 auf, die abwechselnd vor jeweils ein Piezoelement jeder Zeile kommen und diese wieder anschliessend freigeben. Diese Schirme 22 können durch Abkantungen von Teilen der Peripherie der rotierende Scheibe 21 gebildet sein. Auch so findet eine Druckbe- und -entlastung der einzelnen Piezoelemente statt, was zu einer Ladungstrennung und mithin zu einem Stromfluss führt.
Bei dieser Ausführung ergibt sich der Vorteil, dass die Piezoelemente 14 ortsfest angeordnet sind, womit der Schleifring für die Elektrizitätsableitung entfallen kann, dafür können nicht so viele Piezoelemente 14 in einer Zeile angeordnet werden. Die alternierende Druckbe- und -entlastung der einzelnen Piezoelemente 14 in einer Zeile nacheinander folgend ist aber die Gleiche.
Das Ausführungsbeispiel nach den 4 und 5 ähnelt in der Art der Ausführungen dem der 1 und 2; an einem Mantel 25 des Mastes 9 greift ein Kugellager 8 an, das einen Haltekörper 26 für die Windschaufel(n) 12 lagert. An dem Haltekörper 26 sind die einzelnen Piezoelemente ring- und/oder zeilenförmig angeordnet, an der Peripherie jedes Piezoelementes 14 ist ein trichterförmiger Windkonzentra tor 24 angeordnet, der den Druck des Windes aus seiner Richtung 23 gemäss dem Pfeil verstärkt auf die periphere Oberseite des Piezoelementes 14 lenkt.
Auch hier ergibt sich eine alternierende Druckbeaufschlagung und Druckentlastung der einzelnen Piezoelemente 14 und damit eine mit der Ladungstrennung einhergehende Stromerzeugung.
Die Form und Art der Piezoelemente 14 kann beliebig gewählt werden, ebenso ihre Art der Anbringung am Mantel 6, am Haltekörper 26 oder an der starrstehenden Scheibe 20.
Die erfindungsgemässe Energieumwandlungseinrichtung funktioniert prinzipiell nicht nur mit Wind als Energiequelle sondern auch mit anderen flüssigen oder gasförmigen also fluiden Medien.

Claims

Energieumwandlungseinrichtung (1) zum Umwandeln von Strömungsenergie eines fluiden Mediums, vorzugsweise Windenergie in elektrische Leistung mit wenigstens einer vom fluiden Medium gedrehten Mediumschaufel (12) und wenigstens einem Piezoelement (14).
Energieumwandlungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, bei der das Piezoelement (14 ) auf einem von der Mediumschaufel (12) gedrehten Zylinder (2 ) angeordnet ist.
Energieumwandlungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, bei der das Piezoelement (14) auf einem von der Mediumschaufel (12) gedrehten Polygonkörper (17) angeordnet ist.
Energieumwandlungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, bei der das Piezoelement (14) auf einer starren Scheibe (20 ) angeordnet ist, das von einem auf einer von der Mediumschaufel (12) gedrehten Scheibe (21) angeordneten Schirm (22) alternierend abgedeckt ist.
Energieumwandlungseinrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, bei der das Piezoelement (14) auf einem Mantel (6) des Zylinders (2) angeordnet ist.
Energieumwandlungseinrichtung (1) nach Anspruch 4, bei der der Schirm (22) durch Abkantungen von Teilen der Peripherie der von der Mediumschaufel (12) gedrehten Scheibe (21) gebildet ist.
Energieumwandlungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, bei der auf der peripheren Seite der Piezoelemente (14) ein Windkonzentrator (24) vorgesehen ist.
Energieumwandlungseinrichtung (1) nach Anspruch 7, bei der der Windkonzentrator (24) als Trichter gestaltet ist.
Energieumwandlungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 5 bis 7, bei der die Ableitung der gewonnenen elektrischen Energie über einen Schleifring (27) erfolgt.
Energieumwandlungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der ein Gleich- oder Umrichter für die Ableitung der gewonnenen elektrischen Energie vorgesehen ist.