DE19648632A1 - Windkraftanlage zur Umsetzung von Windenergie in elektrische Energie in horizontaler und vertikaler Ausführung - Google Patents

Description

Stand der Technik

Windkraftanlagen werden heute im wesentlichen als Mehrflügel, in der Haupt­ sache als 3 Flügel-Rotoren, welche auf hohen Masten gelagert sind, hergestellt und verwendet.

Dabei ist der Wirkungsgrad in Beziehung zu der vom Wind beaufschlagten Windflügelfläche sehr gering.

Die Luftströmung muß an den Windflügel abgleiten, und kann deshalb nur zum kleineren Teil für den Antrieb genutzt werden.

Durch die Größe und Fliehkraft der sich drehenden Windflügel ist eine sehr große Standfestigkeit des hohen Turmes, und deshalb ein entsprechend großes Fundament erforderlich. Bei mehreren beisammen stehenden Anlagen, wie z. B. an den Nord- und Ostseeküsten, wird das Landschaftsbild stark verändert.

Problem

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zu Grunde, eine Windkraftanlage mit größerem Wirkungsgrad und vielseitigen Verwendungs­ möglichkeiten zu schaffen.

Sie soll wirtschaftlicher, kleiner, landschaftfreundlicher und leiser sein.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1-4 aufgeführten Merkmale, (ggfs. wörtliche Zitierung der Merkmale) gelöst.

Darstellung der Erfindung

Mehrere Ausführungsbeispiele sind auf den Zeichnungen Blatt 1-8 dar­ gestellt, und werden im folgenden näher beschrieben.

Bl. 1 Windkraftanlage 3fach

Fig. 1 Schnitt A-A aus Fig. 2, Dach (1), Traggestell (2), Windrad (3), Wind­ fang (4), Windwannen (5), Schwenkvorrichtung (6), Anschlag (7), und Stützrollen (8).

Fig. 2 Draufsicht auf die WK-Anlage mit Dachausbruch, Ausleger (1), Winkel­ schienen (2), Auflager (3).

1.1 Windräder für Groß- und Mehrfachanlagen haben Radscheiben ∅ größer ∅ 2 Meter und verhältnismäßig kleine Radscheibenabstände, zirka 2 Meter. Sie werden im folgenden als Windräder bezeichnet.

1.2 Das Dach ist auf 16 Träger befestigt, die Träger sind in die Schwenk­ vorrichtung eingesetzt. Die Windräderwellen drehen in jeweils zwei Kugellager, die Lageraufnahmeplatten sind an den beiden mittleren Träger befestigt.

1.3 Die einzelnen Windfänge werden mit an ihnen befestigten Winkel­ schienen (4 Stück) über die horizontalen Ausleger am Traggestell geschoben, und an der entsprechenden Stelle verankert. Die Winkel­ schienen sind auf Bl. 2 Fig. 3 zu sehen.

Bl. 2 Seitenansicht der Wk.-Anlage 3fach

Fig. 3 Windradwelle (1), Doppelübersetzung (2), Winkelschiene (3) und Generator (4).

2.1 Die Windradwellen sind über Klauenkupplungen miteinander verbunden dies bedeutet, daß sich die 3 Windräder nur miteinander drehen können.

2.2 Die Doppelübersetzungen (2) bringen die Generatorenwelle auf die vorgesehenen Umdrehungszahlen.

Fig. 4 Das Bodenlager (2) ist auf einer Betonplatte verankert und nimmt die Stützrollenlaufbahn (1) sowie über entsprechende Lager, die die Schwenkvorrichtung auf.

2.3 Die Blattfeder (3) "in Verbindung mit dem Anschlag", begrenzt den Schwenkbereich der Wk.-Anlage auf 2 × 90°.

Darstellung der Erfindung Bl. 3 Gesamtdarstellung des Windfangs zu Wk.-Anlagen

Fig. 5 Montageleiste (1), Montagewinkel (2), Windleitbahn (3), Winkel­ schienen (4), und Seitenwand (5).

3.1 Auf die Montageleisten (1) werden Hartschaumplatten montiert, dies ergibt mit den Winkelschienen (4) eine stabile Seitenwand (5), zwischen die Seitenwände werden mit den Montagewinkel (2) die Wind­ leitbahnen montiert.

Fig. 6 Ansicht X Kippvorrichtung für Windleitbahn Scharnier (1), Windleitbahn (2) kippbar, Torsionsfeder (3) und Gummipuffer (4).

3.2 Zum Schutz der Wk.-Anlage vor Zerstörung bzw. Überlastung durch Sturmwind, soll etwa 80% der stark gekrümmten Windleitbahn gekippt (geöffnet) werden. Dieses Stück ist an Scharnieren aufgehängt und wird von 2 Torsionsfedern auf die Gummipuffer gedrückt.

3.3 Bei Windstärke über 25 m/sec wird die Federkraft überwunden, die Windleitbahn öffnet sich, das Windrad wird abgebremst, die Luft kann am gegenseitigen Windfang vorbeiströmen.

Bl. 4 Windturbine: geeignet zum Einbau in El.-Fahrzeuge

Fig. 6a Lagerwinkel (1), Kugellager (2), axial und horizontal wirkend, Windfangboden (3) und Radscheibe (4).

4.1 Im Lagerwinkel ist das zweiseitig wirkende Windturbinenlager ein­ gepreßt. Dieses Lager nimmt auch den Seitendruck welcher bei Kurven­ fahrt entsteht auf.

4.2 In den Aufnahmeschlitze im Außenbereich der Radscheiben (4) sind die Windwannen eingesteckt und bilden nach dem verankern der Rad­ scheiben auf der Welle eine stabile Windturbine.

Fig. 7 Radscheibe zu Segmentbauweise Schnitt G-H zeigt den Querschnitt der Radscheibe. Dieses Teil in Verbindung mit dem Segment siehe Blatt 5 Fig. 10, eignet sich besonders für Radscheiben ∅ 50 cm-100 cm, und kann im Druckguß­ wie auch im Kunststoff-Spritzverfahren gefertigt werden.

Fig. 8 Windwanne: die Größe und Anzahl ist abhängig vom ∅ der Radscheibe. Die Länge ist abhängig vom Abstand der auf der Turbinenwelle verankerten Radscheiben.

Darstellung der Erfindung Bl. 5 Radscheibe in Segment-Bauweise

Fig. 9 Schnitt A-A Segment (1) mit Radscheibe (2), "siehe Blatt 4 Fig. 7" verschraubt. Schnitt C-D Aufnahmeschlitz im Radscheibensegment mit eingesteckter Windwanne.

Fig. 10 Einzelsegment Schnitt E-F zeigt den Querschnitt mit eingesteckter Windwanne (1). Die Anzahl der einzelnen Segmente ist abhängig vom ∅der Radscheibe, und von der Einteilung auf der Radscheibe.

Bl. 6 Darstellung einer Verwendung der Wk.- Anlage horizontal

Fig. 11 elektrisch angetriebenes Fahrzeug. Die Windkanäle leiten die Luft­ strömung auf einen Teil des Windrades.

6.1 Beim Einbau der Wk.-Anlage ins Fahrzeug werden Radscheiben ∅ kleiner als ∅ 50 cm verwendet. Die Radscheiben-Abstände sind ver­ hältnismäßig groß, die Umdrehungszahlen "zwischen 100-2000/min" ebenso, deshalb wird im folgenden, "bei Verwendung im KFZ", das Windrad als Windturbine bezeichnet.

6.2 Die unter dem Fahrzeugdach eingebaute etwas kleinere Windturbine, hat durch die große Windleitbahn (Windschutzscheibe) den größten Wirkungsgrad.

Fig. 12 Windturbine kpl. sie wird über Klauenkupplungen direkt mit einem oder 2 Generatoren (7) verbunden,

6.3 Die W-Turbine (1) liegt zwischen zwei Winkeln (6). In den selben sind die zweiseitig wirkenden Kugellager eingebaut. Die beiden Winkel, der Windfang mit den Windleitbahnen (3) und (8), und den Windfang­ seitenwänden (4), sind auf der Bodenplatte (2) befestigt.

6.4 Bei Radscheibenabstand über 60 cm ist eine Stützscheibe (5) erfor­ derlich. Sie verhindert das Durchbiegen der Windwannen bei starken Luftströmungen.

Bl. 7 Windkraftanlage in vertikaler Ausführung

Fig. 13 (1a) isometrische Ansicht auf Windfang kpl. (1b) Draufsicht auf Windfang kpl.

7.1 Drahtseil-Verspannung (1), Doppellager (2), Lagerplatte (3), Wind­ fang (4), Windfahnen (5), Bodenplatte (6), Windrad (7), und Gene­ rator (8), Doppelübersetzung (9), Lagerbock (10), Tragpfeiler (11).

Darstellung der Erfindung Bl. 7 Wk.-Anlage vertikal Fig. 13

7.2 Vorderansicht (6a) zeigt die auf den Tragpfeiler befestigte Boden­ platte (6) mit Lagerbock (10), darunter die Draufsicht.

7.3 Windrad kpl. (7a) mit Draufsicht. Das Windrad entspricht "im Aufbau" dem Windrad der horizontalen Ausführung aus Patentanspruch 1, die verstärkte Radwelle ist doppelt gelagert, und nimmt im oberen Teil den ebenfalls doppelt gelagerten Windfang auf.

7.4 Auf dem Windfang ist die Draht-Verspannung mit 4 Stützen befestigt, sie verhindert das abbiegen der großflächigen Lagerplatte (3).
Zwei zusammenwirkende Windfahnen (5) sind auf der Lagerplatte ver­ schraubt. Sie richten und stabilisieren den Windfang gegen die Wind­ richtung aus.

7.5 Montage der Wk.-Anlage vertikal

• 1. Die Tragpfeiler sind auf einer Betonplatte verankert. Auf die Trag­ pfeiler wird die Bodenplatte (6) mit dem aufgesetzten Lagerbock (10) geschraubt.
• 2. Das Windrad kpl. (7a) wird in das Wellenlager im Lagerbock (10) eingefügt.
• 3. Das Treibrad der Doppelübersetzung wird auf die Windradwelle gepreßt. Die Doppelübersetzung verbindet das Windrad mit dem Generator.
• 4. Auf das obere Windradwellenende wird der Windfang kpl. (1a) mit Doppellager (2) aufgesetzt. Nun kann sich der Windfang mit Hilfe der Windfahnen auf dem sich drehenden Windrad gegen die Wind­ richtung einrichten. Der Schwenkbereich des Windfangs ist 360°.

Bl. 8 Draufsicht auf die Windkraftanlage vertikal

Fig. 14 Der Ausbruch zeigt die auf der Radscheibe befestigten Windwannen­ halter (c). Diese Halter werden bei Radscheiben ab ∅ 1 Meter verwendet.

Erreichte Vorteile

1.1 Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch den Windfang mehr Wind auf das Windrad bzw. auf die Wind­ turbine gebracht wird. Die Größe des Windfangs, (größer als das Wind­ rad) verhindert die Gegenströmung, welche "ohne Windfang" auf einer Hälfte des Windrads auftritt. Die bei der horizontalen Ausführung gegen­ seitig angebrachten Windfänge, nutzen sämtliche Windrichtungen und benötigen dabei einen Schwenkbereich von 2 × 90° (problemlose Strom­ ableitung).

1.2 Die Stellung und Anordnung der Windwannen verhindert das Abgleiten der Luftströmung und garantiert die 100% Nutzung des eingefangenen Windes.

1.3 Die Windleitbahnen im Windfang lenken den eingefangenen Luftstrom in komprimiertem Zustand und im günstigsten Winkel auf die Windwannen. Dabei entstehen strömungsfreie Zonen, dadurch wird der Luftwiderstand des sich drehenden Windrades vermindert.

1.4 Durch die beschriebenen Vorteile erhöht sich der Wirkungsgrad gegenüber den bestehenden Wk.-Anlagen um ein Vielfaches.

2.1 Wk.-Anlage in vertikaler Ausführung

Diese Anlage kann auf Flachdächer kostengünstig montiert werden. Der hohe Wirkungsgrad, und die geringen Herstellungs-, Montage- und Wartungs­ kosten, garantieren ein gutes Preis-/Leistungsverhältnis, und hohe Wirtschaftlichkeit. Dabei ist an Anlagen in Windradgrößen von ∅ 3-∅ 8 Meter gedacht.

3.1 Wk.-Anlage in horizontaler Ausführung (mehrfach)

Die horizontale Mehrfach-Anlage kann z. B. mit 3 Windrädern ∅ 8 Meter bestückt werden und hat eine Windfangfläche von 72 m². Diese Luftmenge wird ohne Verlust auf die Windräder gebracht. Damit könnte etwa die 1 1/2fache Leistung einer Wk.-Anlage mit Rotor ∅ 30 Meter erreicht werden.

3.2 Eine größere Mehrfach-Anlage wäre mit kostengünstigem Aufwand auch für doppelte Leistung zu erstellen. Dies würde bedeuten, daß eine Anlage mit 6 Windrädern etwa die 3fache Leistung der auf Blatt 9 gez. Rotor­ getriebenen Anlage erbringen könnte.

Damit wäre der Bau von Riesen-Rotor-Anlagen, mit Höhen von über 100 m, "wie sie zur Zeit im Hochschwarzwald geplant sind", überflüssig.

4.1 Wk.-Anlage für PKW

Einen weiteren Vorteil besteht in der Verwendungsmöglichkeit zur Energierückgewinnung im Fahrzeug, besonders im elektrisch angetriebenen Fahrzeug, durch Nutzung des Gegenwindes, welcher beim Fahren, an der Frontseite des Fahrzeugs auftritt.

4.2 Auf Blatt 6 Fig. 11 wird dargestellt, wie durch Einleiten der ent­ stehenden Luftströme, über Windkanäle auf die im Fahrzeug angebrachten Windräder, etwa 60% der zu verdrängenden Luft für die Rückgewinnung der aufgewendeten Energie genutzt werden kann.

4.3 Technische Daten zum Vergleich der Windkraftanlagen, Rotorantrieb gegenüber Windradantrieb

Der Wirkungsgrad einer Rotor-Anlage wird dadurch gemindert, daß der Luftstrom am Rotorblatt abgleitet (50%), und dem Luftwiderstand, welcher bei der Umdrehung an den Rotorblättern entsteht (17%). Rest= 33%.

5.1 Rotor-Anlage Standort: bei Furtwangen

6.1 Windrad-Anlage horizontal 3fach

Der Wirkungsgrad einer Windrad-Anlage wird erhöht durch die in kompri­ miertem Zustand auf die Windwannen auftreffende Luft (110%) und gemin­ dert durch den Luftwiderstand (10%), welcher an den Windwannen des sich drehenden Windrades entsteht. Rest=100%

Gesamthöhe	16 Meter
Gesamtbreite	12 Meter
Windfanghöhe	12 Meter
	Windaufnahmefläche 2×12 = 24 m²
Windfangbreite	2 Meter
Windrad ∅	8 Meter
mittlere Hebellänge = 3,5 m
Drehmoment bei Windstärke 6 m/sec	etwa 15 kg/m²
Drehmoment M = F×L = 360×3,5 = 1260	1260×3 = 3780 kg

Leistung
Windrad-Anlage = 3780 kg
Rotor-Anlage = 2520 kg.

Claims (4)

1. Windkraftanlage: zur Umsetzung von Windenergie in elektrische Energie, in horizontaler und vertikaler Ausführung.
Die horizontale Ausführung eignet sich besonders für Großanlagen und zur Stromerzeugung bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen durch Nutzung des Gegenwindes, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) das Windrad ist aus einer Welle mit zwei darauf verankerten Radscheiben und mehreren zwischen den Radscheiben befindlichen Windwannen zusammen­ gesetzt,
• b) die Anzahl und Größe der Windwannen ist vom Durchmesser der Radscheiben abhängig, die Länge der Windwannen vom Radscheibenabstand auf der Welle,
• c) die nicht durchgängigen Einführungsschlitze " zur Aufnahme der Wind­ wannen" im Außendurchmesserbereich der Radscheiben justieren und halten die Windwannen in der um 20°-40° schräg zur Radscheibenachse versetzten Stellung,
• d) die Radscheiben sind bis zu einer bestimmten Größe, aus einem Stück gefertigt, ab einem Größeren Durchmesser mehrteilig als Segmente.

2. Windkraftanlage: in vertikaler Ausführung, insbesondere geeignet zur Montage auf Flachdächer, gekennzeichnet durch folgende Merkmale,

• f) die Anlage besteht hauptsächlich aus Bodenplatte, Windrad und Windfang,
  • f1) das Windrad aus Patentanspruch 1 ist mit einer verstärkten und ver­ längerten Welle ausgerüstet, wobei das untere Wellenende 2fach gelagert
  • f2) ist, das obere Wellenende nimmt über das Doppellager den Windfang auf,
  • f3) der Windfang mit den Doppelwindfahnen ist an der Lagerplatte befestigt und wird mit der Drahtverspannung abgestützt,
• g) die Bodenplatte mit Lagerbock ist auf im Boden verankerte Tragpfeiler befestigt und nimmt das Windrad, den Generator und die erforderlichen Übersetzungen auf.

3. Windfang für WK-Anlagen horizontal und vertikal zu Anspruch 1 und 2, gekenn­ zeichnet durch folgende Merkmale:

• i) die horizontale WK-Anlage ist mit zwei gegenseitig angeordneten Wind­ fängen, die vertikale WK- Anlage mit nur einem Windfang ausgerüstet, der entgegengesetzte Windfang wirkt unter anderem als Windfahne zur Ausrichtung der WK-Anlage in die Windrichtung,
• k) der Windfang kann aus mehreren Platten und Montageleisten zusammen­ gesetzt sein. Die Seitenwände sind in der zum Windrad führenden Richtung der Form des Windrades angepaßt und auf der Windeintrittseite größer als das Windrad,
• l) zwischen den Seitenwänden, sind mehrere Windleitbahnen mit jeweils verschiedenen Neigungen zur Windströmung so angebracht, daß strömungs­ freie Zonen entstehen, und die entsprechenden Windwannen des Windrades im günstigsten Winkel vom Wind beaufschlagt werden,
• m) etwa 80% der Hauptwindleitbahn ist an Scharnieren aufgehängt, und dadurch kippbar, Gewichte oder Federn drücken die Windleitbahn auf die Gummi­ puffer und ermöglichen bei Sturmwind das Öffnen der Windleitbahn,
• n) zwischen Windfangboden- bzw. Decke ist der durch den Abstand der Wind­ wannen entstehende Zwischenraum "am Außendurchmesser des Windrades" durch eine Windleitbahn abgedeckt.

4. Windkraftanlage, besonders geeignet zum Einbau in elektrisch angetriebene Fahrzeuge, dadurch gekennzeichnet,

• p) daß die an der Frontseite des Fahrzeuges entstehenden Luftströmungen über Windleitkanäle auf die im KFZ angebrachten Windturbinen geleitet werden,
• q) die Windkanäle so gestaltet sind, wie in Anspruch 3 beschrieben,
• r) die Windturbine unterscheidet sich vom Windrad durch den verhältnis­ mäßig großen Abstand zwischen den Radscheiben, und dem kleinen ∅ der­ selben.