DE19517856A1 - Windrad - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Windrad zur Gewinnung von mechanischer Energie an einer vom Windrad angetriebenen Hauptwelle.

Derartige Windräder sind allgemein bekannt. Sie werden zur Erzeugung von elektrischer Energie aus dem Wind eingesetzt, um den Strombedarf teilweise abzudecken. Die üblichen Windräder weisen aerodynamisch gestaltete Flügel auf, die eine horizontale Welle antreiben. In Gebieten mit stark wechselnden Windrichtungen lassen sie sich durch besondere Maßnahmen in die Windrichtung ausrichten. Dies ist jedoch aufwendig. Im übrigen ist der Raum, den die bekannten Windräder beanspruchen, groß im Vergleich zur gewinnbaren Energie.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Windrad vorzuschlagen, das bei unterschiedlichen Windrichtungen in gleicher Weise arbeitet, ohne daß ein besonderer Verstellmechanismus notwendig ist.

Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Dadurch ist erreicht, daß das Windrad, ganz unabhängig aus welcher Richtung der Wind jeweils kommt, in gleicher Weise arbeitet. Die Windflügel stellen sich jeweils von selbst so ein, daß die Windflügel des einen Trägerarms ein Drehmoment erzeugen, wobei die Windflügel des anderen Trägerarmes dieses höchstens wenig behindern. Dies gilt auch bei schnellen Windrichtungswechseln. Durch die Erfindung ist auch ein räumlich kompakter Aufbau erreicht, weil wenigstens die Hälfte der dem Wind ausgesetzten Summenfläche der Windflügel die Windkraft zur Energiegewinnung ausnützt. Günstig ist auch, daß das Anlaufen des Rotors unabhängig von der Windrichtung immer in der gleichen Drehrichtung bezogen auf die Hauptwelle erfolgt. Insgesamt ergibt sich ein gegenüber dem Stand der Technik verbesserter Wirkungsgrad.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung weisen die Windflügel ein aerodynamisches Profil auf. Dieses unterstützt den Antrieb des Rotors durch "Auftriebswirkung". Außerdem ist durch das aerodynamisch gewölbte Profil erreicht, daß der bzw. die an den Anschlägen anliegenden Windflügel sackähnliche Höhlungen bilden, in welche der Wind trifft. Dadurch ist der Wirkungsgrad bezogen auf die Baugröße weiter verbessert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht des Windrads schematisch in Richtung der Pfeile I-I in Fig. 2, wobei die Trägerarme in verschiedenen Winkelstellungen dargestellt sind,

Fig. 2 eine Seitenansicht des Windrads schematisch, wobei zwei Rotore vertikal übereinander angeordnet sind,

Fig. 3 eine gegenüber Fig. 2 verkleinerte Ansicht eines Turmgerüsts mit einem Windrad,

Fig. 4 eine Alternative zu Fig. 3, wobei das Windrad auf einem Gebäudedach installiert ist,

Fig. 5 ein Windrad mit Sturmsicherung in Seitenansicht schematisch und

Fig. 6 eine Aufsicht zu Fig. 5 schematisch.

An einer vertikalen Hauptwelle (1) ist wenigstens ein Rotor (2) angeordnet. Bei dem Beispiel nach Fig. 2 sind zwei Rotoren (2, 2′) an der Hauptwelle (1) vertikal übereinander vorgesehen. Es können auch mehrere solche Rotoren an der Hauptwelle (1) installiert sein.

Jeder Rotor (2) weist wenigstens zwei radiale Trägerarme (3, 4) auf. An jedem der Trägerarme (3, 4) sind im Beispielsfalle fünf Windflügel (5 bis 9) um zur Hauptwelle (1) parallele Achsen (10) klappbar gelagert. Jedem Windflügel (5 bis 9) ist ein Anschlag (11) zugeordnet, wobei die Anschläge (11) an den Trägerarmen (3, 4) ausgebildet sind. Beim Ausführungsbeispiel sind die Anschläge (11) von den Achsen (10) bzw. den an diesen gelagerten Rändern (12) der Windflügel (5 bis 9) gebildet. Die Anschläge (11) sind jeweils den Rändern (13) der Windflügel (5 bis 9) zugeordnet, die ihren Rändern (12) gegenüberliegen.

Die Windflügel (5 bis 9) weisen beim Ausführungsbeispiel ein aerodynamisches Strömungsprofil auf. Dieses unterstützt in einem Winkelbereich (A) den Antrieb des Rotors (2). Das aerodynamische Strömungsprofil bildet sackähnliche Höhlungen (20). Diese verbessern die Windausnutzung in Windrichtung (W) links (l) der Hauptwelle (1). Es ist jedoch auch möglich, die Windflügel (5 bis 9) plan auszubilden.

Bei den in Fig. 1 dargestellten Stellungen der Windflügel (5 bis 9) ist davon ausgegangen, daß der Wind aus der Richtung (W) kommt. In Fig. 1 sind außer der momentanen, zur Windrichtung (W) senkrechten Stellung der Trägerarme (3, 4) auch Zwischenstellungen (a bis g) zur Verdeutlichung der jeweils dortigen Flügelstellungen angedeutet.

Die Funktionsweise ist im wesentlichen folgende:
Der horizontal einfallende Wind treibt den Rotor (2) rechtsdrehend (Pfeil R) an. Er drückt dabei die bezogen auf die Windrichtung (W) links (l) der Hauptwelle (1) befindlichen Windflügel (5 bis 9) mit ihren Rändern (13) gegen die Anschläge (11) und wirkt dabei so auf diese Windflügel (5 bis 9), die ihm eine geschlossene Fläche und die Höhlungen (20) gegenüberstellen, daß auf den Trägerarm (3) in der Stellung nach Fig. 1 ein Drehmoment wirkt. Dies ist im wesentlichen im Winkelbereich zwischen den Stellungen (b, d) der Fall. Im Bereich rechts (r) der Hauptwelle (1) wirkt der Wind (W) so auf die Windflügel (5 bis 9), daß sich diese von den Anschlägen gelöst, frei in den Wind stellen und damit die Drehung des Rotors (2) kaum bremsen. Dies ist im wesentlichen im Winkelbereich zwischen den Stellungen (f, b) im Uhrzeigersinn (R) gesehen der Fall.

Zwischen den Stellungen (d und f), insbesondere in der Stellung (e) klappen die Windflügel (5 bis 9) um ihre Achsen (10) um, wobei sie sich von den Anschlägen (11) lösen und freipendelnd sind. Dieses Umklappen wird durch den Wind (W) unterstützt. Insgesamt rotiert der Rotor (2) mit hohem Wirkungsgrad. Die beschriebene Funktionsweise ist ersichtlich unabhängig von der jeweiligen Windrichtung (W). Die Windflügel (5 bis 9) der Trägerarme (3, 4) stellen sich immer von selbst ein. Bei jeder Windrichtung ist der Rotor (2) in der beschriebenen Ausführung rechtsdrehend (R).

Die neutrale Stellung (b) durchläuft das Windrad im Betrieb aufgrund seiner Trägheit. Außerdem wirkt in der neutralen Stellung (b) infolge der aerodynamischen Gestaltung der Windflügel (5 bis 9) eine Auftriebskraft, die den Rotor (2) in Richtung (R) antreibt, so daß bei dieser Stellung auch aus dem Stillstand ein Anlaufen des Rotors (2) erfolgt.

Um den Antrieb zu vergleichmäßigen, können auch mehr als zwei Trägerarme, beispielsweise drei um jeweils 120° am Umfang der Hauptwelle (1) versetzte Trägerarme vorgesehen sein. Es ist auch möglich, noch mehr Trägerarme vorzusehen. Insbesondere können entsprechend den in Fig. 1 dargestellten Stellungen (a, d, b, f, c, g) zusätzliche Trägerarmpaare, also 8 Trägerarme, am Rotor (2) radial gleichverteilt vorgesehen sein, was die linksseitige (l) Windausnutzung optimiert.

Um die Lagerung der Windflügel (5 bis 9) und der Achsen (10) oben und unten zu ermöglichen, können die Trägerarme (3, 4) rahmenartig mit oberen Streben (14, 15) verbunden sein. Zwischen den Trägerarmen (3, 4) und ihren oberen Streben (14 bzw. 15) erstrecken sich dann die Windflügel (5 bis 9) und sind dort jeweils oben und unten an den Achsen (10) gelagert (vgl. Fig. 2). Dies verbessert die Stabilität des Rotors (2).

In dem Ausführungsbeispiel sind an jedem Trägerarm (3, 4) fünf Windflügel (5 bis 9) angeordnet. Es ist auch möglich, mehr oder weniger Windflügel an jedem Trägerarm (3, 4) vorzusehen. Im Grenzfall genügt ein Windflügel je Trägerarm.

Beim Ausführungsbeispiel liegen die Achsen (10) jedes Windflügels (5 bis 9) weiter von der Hauptwelle (1) radial beabstandet als der dem jeweiligen Windflügel zugeordnete Anschlag (11). Diese Anordnung ist günstig, weil dabei der Wind das Umklappen der Windflügel in der Stellung (e) unterstützt und dieses Umklappen im windabgewandten Bereich erfolgt. Es wäre jedoch auch möglich, eine umgekehrte Anordnung vorzusehen, bei der die Achse (10) jedes Windflügels (5) der Hauptwelle (1) näher liegt als der ihr zugeordnete Anschlag (11).

Nach Fig. 2 ist außer dem Rotor (2) ein gleichaufgebauter weiterer Rotor (2′) an der Hauptwelle (1) angeordnet. Die Trägerarme (3′, 4′) des Rotors (2′) sind bezogen auf die Hauptwelle (1) gegenüber den Trägerarmen (3, 4) des Rotors (2) versetzt. Dadurch ist eine gleichmäßige Rotation der Hauptwelle (1) gewährleistet. Fig. 2 zeigt auch Lager (16, 17), mit denen die vertikale Hauptwelle (1) an einem Turmgerüst (18) gelagert ist. Die Hauptwelle (1) treibt einen elektrischen Generator (19) an.

Der Durchmesser (D) der Rotoren (2, 2′) liegt beispielsweise bei ca. 0,5 m bis 25 m. Die Höhe (h) jedes Rotors (2, 2′) beträgt beispielsweise ca. 0,5 m bis 10 m. Dadurch, daß zwei oder mehrere Rotoren als selbständige Baugruppen übereinander angeordnet sind, ist es möglich, eine große, dem Wind ausgesetzte Gesamthöhe zu erreichen, ohne daß sich die Windflügel (5 bis 9) jeweils über die gesamte Höhe erstrecken müssen. Jeder Rotor (2, 2′) kann für sich stabil aufgebaut werden, wobei sich dann mehrere Rotoren modulartig zu einem Gesamtaggregat zusammensetzen lassen. Es ist dabei nicht erforderlich, daß die Hauptwelle (1) durchgehend gestaltet ist. Die Rotoren (2, 2′) können auch auf andere Weise drehfest miteinander verbunden sein, so daß nur der dem Generator (19) nächste Rotor auf diesen wirkt.

Fig. 3 zeigt das Turmgerüst (18), das beispielsweise eine Höhe von 10 m bis 40 m haben kann. In dessen Höhe sind die Rotoren (2, 2′) eingeschlossen. Ein solcher Aufbau ist vergleichsweise kompakt, weil nicht Windflügel das Turmgerüst (18) horizontal nach außen weit überragen.

Die Fig. 4 zeigt die Installation des beschriebenen Windrades an einem Giebeldach (21); und zwar auf dessen First. Um das Windrad nach oben abzudecken, ist eine Haube (22) vorgesehen. An dem Dach (21) können auch mehrere Windräder nebeneinander angeordnet sein. Es ist auch möglich, das Windrad an anderen Dachformen, beispielsweise Pultdach eines Wohnhauses oder anderen Gebäudes anzuordnen. Da mit dem beschriebenen Windrad eine bezogen auf dessen Bauvolumen große Leistung erreichbar ist, kann das Windrad in das Dach integriert werden und einen wesentlichen Anteil des Energiebedarfes des Gebäudes decken.

In Fig. 5 und 6 ist eine Sturmsicherung für das beschriebene Windrad dargestellt. Dem Rotor (2) ist ein Zylinder (23) zugeordnet, der parallel zur Hauptwelle (1) an einer Längslagerung (24) axial verschieblich ist. Über Rollen (25) ist mittels Gegengewichten (26) der Zylinder (23) austariert, so daß er in seiner Ruhestellung den Rotor (2) und damit dessen Windflügel radial freiläßt.

An der Hauptwelle (1) ist ein Fliehkraftregler (27) angeordnet, der mit den Rollen (25) gekoppelt ist.

Die Wirkungsweise dieser Sturmsicherung ist etwa folgende:
Bei in einem kritischen Bereich zunehmender Drehzahl des Rotors (2) wird über den Fliehkraftregler (27) der Zylinder (23) nach oben geschoben, so daß er den Rotor (2) radial teilweise gegen den Wind abschirmt. Die Anordnung kann so ausgelegt sein, daß der Zylinder (23) den Rotor (2) bei starkem Sturm vollständig abschirmt, so daß der Rotor (2) dann zum Stillstand kommt. Es kann jedoch auch der Hub des Zylinders (23) so begrenzt sein, daß auch bei stärkstem Wind noch ein Teil des Rotors (2) radial freibleibt und also ein Teil der Windenergie noch vom Rotor (2) ausgenutzt wird. Ein so begrenzter Hub ist in Fig. 5 mit H bezeichnet. Die Fig. 5 und 6 zeigen außerdem Ständer (28) für die Haube (22). Mit dem beschriebenen Zylinder (23), der den Rotor (2) radial in seiner Höhe ganz oder teilweise abdeckt, ist auch eine Drehzahlregelung in der Weise gestaltbar, daß der Rotor (2) eine voreingestellte Solldrehzahl nicht überschreitet. Mit dem Zylinder (23) ist es auch möglich, den Rotor (2) im Bedarfsfall so abzuschirmen, daß der Rotor (2) stillsteht und stillstehend bleibt.

Der Zylinder (23) muß kein starres Bauteil sein. Er kann auch von Jalousien gebildet sein, die sich öffnen und schließen lassen. Er kann auch von flexiblen schlauchartigen Folien gebildet sein, die sich gegebenenfalls auch von oben her über den Rotor (2) ziehen lassen.

Anstelle des Fliehkraftreglers für die Steuerung der Sturmsicherung kann auch eine elektromechanische, von einem Windgeschwindigkeitssensor gesteuerte Einrichtung vorgesehen sein, die verhindert, daß der Rotor (2) eine kritische Drehzahl erreicht.

Claims (14)

1. Windrad zur Gewinnung von mechanischer Energie an einer vom Windrad angetriebenen Hauptwelle, dadurch gekennzeichnet, daß an der vertikalen Hauptwelle (1) ein Rotor (2) mit wenigstens zwei zur Hauptwelle (1) radialen Trägerarmen (3, 4) angeordnet ist, daß an jedem Trägerarm (3, 4) wenigstens ein Windflügel (5 bis 9) um eine zur vertikalen Hauptwelle (1) parallele Achse (10) klappbar gelagert ist, und daß an jedem Trägerarm (3, 4) ein Anschlag (11) für seinen bzw. seine Windflügel (5 bis 9) vorgesehen ist, wobei der Wind (W) den bzw. die Windflügel (5 bis 9) des einen Trägerarms (3 bzw. 4) gegen den Anschlag (11) drückt, wodurch auf den Rotor (2) ein Drehmoment wirkt und der Wind (W) den bzw. die Windflügel (5 bis 9) des anderen Trägerarms (4 bzw. 3) vom Anschlag (11) löst, wodurch der bzw. die Windflügel (5 bis 9) dieses Trägerarms (4 bzw. 3) im Wind freistehen.

2. Windrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Windflügel (5 bis 9) ein aerodynamisches Profil aufweisen.

3. Windrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Windflügel (5 bis 9) mit seinem freien Rand (13), der dem an der Achse (10) angeordneten Rand (12) gegenüberliegt, dem Anschlag (11) zugeordnet ist.

4. Windrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (11) jeweils von dem klappbar gelagerten Rand (12) des benachbarten Windflügels des jeweiligen Trägers gebildet ist.

5. Windrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Anschlägen (11) anliegenden Windflügel (5 bis 9) eine durchgehende, dem Wind ausgesetzte Fläche bilden.

6. Windrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen (10) der Windflügel (5 bis 9) bezogen auf die Hauptwelle (1) radial weiter außen liegen als die ihnen zugeordneten Anschläge (11).

7. Windrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (2) den Trägerarm (3, 4) entsprechende Streben (14, 15) aufweist, um die Achsen (10) der Windflügel (5 bis 9) oben und unten zu lagern.

8. Windrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Rotor (2) drei oder mehrere am Umfang der Hauptwelle (1) gleich verteilte Trägerarme vorgesehen sind.

9. Windrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vertikal übereinander mehrere Rotore (2, 2′) vorgesehen sind, die auf die Hauptwelle (1) wirken.

10. Windrad nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotore (2, 2′) gleich ausgebildet sind.

11. Windrad nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerarme (3, 4 bzw. 3′, 4′) der Rotore (2, 2′) bezogen auf die Hauptwelle (1) winkelversetzt sind.

12. Windrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (2) zur Sturmsicherung radial ganz oder teilweise abdeckbar ist.

13. Windrad nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem Rotor (2) ein achsparallel zur Hauptwelle (1) verschieblicher Zylinder (23) zugeordnet ist.

14. Windrad nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (23), gesteuert von der Drehzahl des Rotors (2), den Rotor (2) radial abdeckt.