DE19826475A1 - Windkraftwerk-Vorrichtung - Google Patents
Windkraftwerk-VorrichtungInfo
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Abstract
Bei einer Vorrichtung zum Umwandeln von in Wind enthaltener mechanischer Energie in elektrische Energie, mit einer Einrichtung zum Umwandeln der Windenergie in eine Rotationsbewegung und einer Dynamoeinrichtung mit einem Rotor und einem Stator zum Umwandeln der Rotationsbewegung in elektrische Energie, wird eine Herstellbarkeit auch in sehr großen Abmessungen und ein Vermeiden einer durch statische Probleme verursachten Leistungsbegrenzung dadurch erreicht, daß die Einrichtung zum Wandeln der Windenergie in eine Rotationsbewegung eine Mehrzahl von Windfangflächen enthält, die äquidistant von einer den Rotor treibenden, senkrecht zur Windrichtung vorgesehenen Achse angeordnet sind, wobei ein Teil der Windfangfläche in eine Richtung mit dem Wind bewegbar ist und ein anderer teil der Windfangfläche in eine Richtung gegen den Wind bewegbar ist, und eine Einrichtung vorgesehen ist, die bewirkt, daß der effektive Windwiderstand derjenigen Windfangflächen, die in eine Richtung gegen den Wind bewegt sind, reduziert ist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandeln von
in Wind enthaltener mechanischer Energie in elektrische
Energie, mit einer Einrichtung zum Wandeln der Windenergie
in eine Rotationsbewegung und einer Dynamoeinrichtung mit
einem Rotor und einem Stator zum Wandeln der
Rotationsbewegung in elektrische Energie.
Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind im Stand der
Technik als sogenannte Windräder bekannt. Bei Windrädern
ist eine Mehrzahl von Windfangflächen um eine in
Windrichtung angeordnete, drehbar gelagerte Welle
angeordnet, die eine Dynamoeinrichtung treibt. Die Welle
ist dabei in einer Lagerung verankert, die das gesamte
Gewicht der Windfangflächen sowie der Welle trägt. Aufgrund
damit verbundener statischer Probleme ist das Gewicht und
damit die Größe der Windfangflächen von Windrädern und
damit deren Leistungsabgabe auf natürliche Weise begrenzt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum
Umwandeln von in Wind enthaltener mechanischer Energie in
elektrische Energie zu schaffen, die auch in sehr großen
Abmessungen herstellbar ist und deren Leistung durch
statische Probleme nicht auf natürliche Weise begrenzt ist.
Für eine Vorrichtung der eingangs genannten Art wird diese
Aufgabe dadurch gelöst, daß die Einrichtung zum Wandeln der
Windenergie in eine Rotationsbewegung eine Mehrzahl von
Windfangflächen enthält, die äquidistant von einer den
Rotor treibenden, senkrecht zur Windrichtung vorgesehenen
Achse vorgesehen sind, wobei ein Teil der Windfangflächen
in eine Richtung mit dem Wind bewegbar ist und ein anderer
Teil der Windfangflächen in eine Richtung gegen den Wind
bewegbar ist, und eine Einrichtung vorgesehen ist, die
bewirkt, daß der effektive Windwiderstand derjenigen
Windfangflächen, die in eine Richtung gegen den Wind bewegt
sind, reduziert ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
Bei der erfindungsgemäßen Windkraftwerk-Vorrichtung wird
durch das Merkmal, daß die Einrichtung zum Wandeln der
Windenergie in eine Rotationsbewegung eine Mehrzahl von
Windfangflächen enthält, die äquidistant von einer den
Rotor treibenden, senkrecht zur Windrichtung vorgesehenen
Achse angeordnet sind, wobei ein Teil der Windfangflächen
in eine Richtung mit dem Wind bewegbar ist und ein anderer
Teil der Windfangflächen in eine Richtung gegen den Wind
bewegbar ist, in Verbindung mit einer Einrichtung, die
bewirkt, daß der effektive Windwiderstand derjenigen
Windfangflächen, die in eine Richtung gegen den Wind bewegt
sind, reduziert ist, erreicht, daß eine horizontale
Lagerung sowohl der Windfangflächen als auch der den Rotor
treibenden Achse ermöglicht ist. Dadurch wird erreicht, daß
die Windfangflächen nicht von der den Rotor treibenden
Achse getragen zu werden brauchen, sondern beispielsweise
über Rollen oder andere Gleiteinrichtungen auf einer ebenen
Oberfläche bzw. auf der Erdoberfläche abstützbar sind.
Dadurch wird die den Rotor treibende Achse entlastet,
wodurch die erfindungsgemäße Vorrichtung auch mit sehr
großen Abmessungen herstellbar ist. Die Fläche einer
einzelnen Windfangfläche der erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann beispielsweise 10 oder mehr Quadratmeter betragen, und
es kann eine den Abmessungen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung angepaßte Anzahl von Windfangflächen,
beispielsweise 20 oder mehr Windfangflächen vorgesehen
sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Windfangflächen als
feststehende, starre konkav/konvexe Schalen ausgebildet,
und die den effektiven Windwiderstand der in eine Richtung
gegen den Wind bewegten Windfangflächen reduzierende
Einrichtung ist als Windschutzelement für diese
Windfangflächen ausgebildet. Dadurch wird erreicht, daß
eine Vorrichtung geschaffen ist, bei der die
Windfangflächen insgesamt sowohl in ihrer Formgebung als
auch in ihrer Ausrichtung unveränderlich beschaffen sind.
Das Windschutzelement kann dabei beispielsweise als eine
winddichte Ummantelung der betreffenden Windfangflächen
ausgebildet sein.
Für den Fall, daß bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die
den effektiven Windwiderstand der in Richtung gegen den
Wind bewegten Windfangflächen reduzierende Einrichtung als
Windschutzelement vorgesehen ist, ist vorzugsweise ein
Windleitelement vorgesehen, das ein Ausrichten der
vorzugsweise drehbar gelagerten Windschutzelemente bewirkt.
Dadurch ist sichergestellt, daß diese erfindungsgemäße
Vorrichtung auch bei unterschiedlichen Windrichtungen
betreibbar ist.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Windfangflächen als
in sich starre, um eine Längsachse drehbar gelagerte
Segmente ausgebildet, und die den effektiven Windwiderstand
der in eine Richtung gegen den Wind bewegten
Windfangflächen reduzierende Einrichtung bewirkt, daß
diejenigen Segmente, die in eine Richtung gegen den Wind
bewegt sind, in Windrichtung ausgerichtet sind und
diejenigen Segmente, die in eine Richtung mit dem Wind
bewegt sind, in einem rechten Winkel zu den gegen den Wind
bewegten Segmenten ausgerichtet sind. Dadurch ist eine
erfindungsgemäße Vorrichtung geschaffen, bei der
Windschutzelemente entbehrlich sind und im Gegenzug dazu
die starr ausgebildeten Windfangflächen drehbar gelagert
sind. Die Segmente sind dabei vorzugsweise ebenflächig bzw.
plan ausgebildet und weisen vorzugsweise ein rechteckiges
Format auf.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Windfangflächen als
flexible, um einen Dorn wickelbare Folie oder Tuche
ausgebildet, und die den effektiven Windwiderstand der in
Richtung gegen den Wind bewegten Windfangflächen
reduzierende Einrichtung bewirkt, daß diejenigen Segmente,
die in eine Richtung gegen den Wind bewegt sind, um den Dorn
gewickelt sind, und diejenigen Segmente, die in eine
Richtung mit dem Wind bewegt sind, gegenüber dem Wind als
ebene oder konkave Flächen entfaltet sind. Dadurch wird
eine erfindungsgemäße Vorrichtung geschaffen, die ebenfalls
ohne Windschutzelemente auskommt, und bei der im Gegenzug
dazu die effektive, gegenüber dem Wind wirksame Fläche der
Segmente änderbar ist, in dem die insgesamte Fläche eines
Segments variabel ist und zeitlich steuerbar ist.
Die den effektiven Windwiderstand der in Richtung gegen den
Wind bewegten Windfangflächen reduzierende Einrichtung ist
in den Fällen, in denen die Windfangflächen drehbar
gelagert sind oder einen variablen Flächeninhalt aufweisen
vorzugsweise elektrisch betrieben und über Sensoren, die
die jeweilige Position eines Segments sensieren, mittels
elektronischer Einrichtungen gesteuert.
Die Windfangflächen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind
vorzugsweise auf einer drehbar gelagerten Scheibe
vorgesehen. Die Scheibe ist dabei vorzugsweise auf Rollen
gelagert, wobei die Rollen auf einer planen Oberfläche,
beispielsweise aus Beton, abgestützt sind. Dadurch wird auf
einfache Weise eine sichere und effektive Lagerung der
Windfangflächen erreicht.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im folgenden anhand
bevorzugter Ausführungsformen erläutert, die in den Figuren
der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungs
gemäßen Vorrichtung in einer Ansicht von schräg oben;
Fig. 2 eine zweite bevorzugte Ausführungsform der erfin
dungsgemäßen Vorrichtung in einer Ansicht von schräg
oben;
Fig. 3 eine dritte bevorzugte Ausführungsform der erfin
dungsgemäßen Vorrichtung in einer Ansicht von schräg
oben.
Bei der in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen
Vorrichtungen 10 zum Umwandeln von in Wind enthaltener
mechanischer Energie in elektrische Energie ist eine
Mehrzahl von Windfangflächen 12 im Bereich der Peripherie
einer auf nicht dargestellten Rollen drehbar gelagerten
Scheibe 11 angeordnet. Die Scheibe 11 weist eine Achse 15
auf, die den Rotor einer nicht dargestellten
Dynamoeinrichtung zum Wandeln mechanischer Energie in
elektrische Energie treibt. Die Windfangflächen 12 sind
jeweils konkav/konvex in sich starr ausgebildet und in
vorgegebener Position fest mit der Scheibe 11 verbunden.
Eine momentane Windrichtung ist in Fig. 1 durch eine
Mehrzahl von Pfeilen 20 dargestellt. Die Achse 15 der
Scheibe 11 ist so orientiert, daß sie rechtwinklig zur
Zeichnungsebene angeordnet ist und somit in einem rechten
Winkel zur Windrichtung 20 steht. Die Vorrichtung 10 weist
eine als gebogenen Tunnel 13 ausgebildete Einrichtung auf,
die den effektiven Widerstand der sich in Richtung gegen
den Wind bewegenden Windfangflächen 12 reduziert. Der
Tunnel 13 ist ebenfalls auf nicht dargestellten Rollen
gelagert und um die Achse 15 bewegbar gelagert. Im Bereich
seines einen Endes weist der Tunnel 13 ein Windleitelement
14 auf, durch das sichergestellt ist, daß der Tunnel 13 bei
jeder Windrichtung so orientiert ist, daß er bewirkt, daß
der effektive Windwiderstand derjenigen Windfangflächen 12,
die sich in einer Richtung gegen den Wind bewegen,
reduziert ist.
Bei der in Fig. 2 dargestellten alternativen
erfindungsgemäßen Vorrichtung 10' sind gleiche Bauteile mit
gleichen Bezugszahlen wie bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1
bezeichnet und weisen eine identische Funktion auf. Im
Gegensatz zu der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung 10
sind die Windfangflächen 12 gemäß der in Fig. 2
dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung 10' um ihre
jeweilige Längsachse, die in der Figur senkrecht zur
Zeichnungsebene angeordnet ist, drehbar gelagert, wobei
ihre relative Position gemäß eines vorgegebenen Programms
einer nicht dargestellten Mikroprozessoreinheit über nicht
dargestellte, von der Mikroprozessoreinheit gesteuerte
Elektromotoren vorgebbar ist.
Die Windrichtung 20, die dem Programm der die
Windfangflächen 12 ausrichtenden Elektromotoren steuernden
Mikroprozessoreinheit als Parameter eingegeben wird, wird
bei dieser Vorrichtung von einer Mehrzahl von
Luftdrucksensoren 16, die entlang der Peripherie der
Scheibe 11 angeordnet sind, im Zusammenhang mit einer
weiteren, nicht dargestellten Mikroprozessoreinheit, in der
die gemessenen Druckwerte der Sensoren 16 verglichen werden
und ein Peripheriebereich der Scheibe 11 mit maximalem
Luftdruckwert und ein Peripheriebereich der Scheibe 11 mit
minimalem Luftdruckbereich bestimmt wird, ermittelt. Nach
Ermittlung der Windrichtung 20 seitens dieser
Mikroprozessoreinheit werden die Windfangflächen 12, 12' so
ausgerichtet, daß eine Hälfte 12 der Windfangflächen so
orientiert ist, daß ihre konkav ausgebildeten Oberflächen
in Richtung gegen den Wind orientiert sind, und die andere
Hälfte 12' der Windfangflächen zu jedem Zeitpunkt so
orientiert ist, daß ihre konkaven Oberflächen in einer
Richtung senkrecht zur Windrichtung 20 orientiert ist. Auf
Grund des somit erreichten höheren Windwiderstandes der
Windfangflächen 12 gegenüber den Windfangflächen 12', deren
Längsachsen jeweils fest mit der Scheibe 11 verbunden sind,
wird eine Rotation der Scheibe 11 in Pfeilrichtung
erreicht, wobei die Rotationsenergie an die den Stator
einer nicht dargestellten Dynamoeinrichtung treibenden
Achse 15 übertragen wird.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform 10" der
erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Windfangflächen als
flexible, um einen Dorn 17 gewickelte Folien 18
ausgebildet, die über einen weiteren, beweglich
angeordneten und über einen nicht dargestellten
Elektromotor steuerbaren Dorn 19 aus einer um den Dorn 17
gewickelten Endposition in eine zweite Endposition
überführbar sind, in der die jeweiligen Dorne 17 und 19 so
zueinander orientiert sind, daß die Folie 17 zwischen ihnen
entfaltet ist und dem Wind gegenüber eine große Fläche
einnimmt. Wie schon die Vorrichtung 10' weist die
Vorrichtung 10" Sensoren 16 zum Feststellen der
Windrichtung 20 auf.
Entsprechend der jeweiligen Windrichtung 20 werden die
Dorne 19 von einer programmgesteuerten, nicht dargestellten
Mikroprozessoreinheit, die die Elektromotoren der einer
nicht dargestellten, die Dorne 19 treibenden Einheit
steuert, so bewegt, daß eine Hälfte 18 der Folien entfaltet
ist und somit dem Wind einen großen Widerstand
entgegensetzt und eine andere Hälfte 18' der Folien um
ihren jeweiligen Dorn 17 gewickelt ist und somit dem Wind
einen geringen Widerstand entgegensetzt, wodurch bewirkt
wird, daß sich die Vorrichtung 10" in der Richtung des
dargestellten Pfeiles dreht. Im übrigen sind in Fig. 3
gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszahlen wie bei der in
Fig. 2 dargestellten Vorrichtung 10' versehen.
Claims (10)
1. Vorrichtung zu Umwandeln von in Wind enthaltener
mechanischer Energie in elektrische Energie, mit einer
Einrichtung zum Wandeln der Windenergie in eine
Rotationsbewegung und einer Dynamoeinrichtung mit einem
Rotor und einem Stator zum Wandeln der Rotationsbewegung in
elektrische Energie, dadurch gekennzeichnet, daß die
Einrichtung zum Wandeln der Windenergie in eine
Rotationsbewegung eine Mehrzahl von Windfangflächen
enthält, die äquidistant von einer den Rotor treibenden,
senkrecht zur Windrichtung vorgesehenen Achse angeordnet
sind, wobei ein Teil der Windfangflächen in eine Richtung
mit dem Wind bewegbar ist und ein anderer Teil der
Windfangflächen in eine Richtung gegen den Wind bewegbar
ist, und eine Einrichtung vorgesehen ist, die bewirkt, daß
der effektive Windwiderstand derjenigen Windfangflächen,
die in eine Richtung gegen den Wind bewegt sind, reduziert
ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Windfangflächen als feststehende, starre konkav/konvexe
Schalen ausgebildet sind, und die den effektiven Widerstand
der in eine Richtung gegen den Wind bewegten
Windfangflächen reduzierende Einrichtung als
Windschutzelement für diese Windfangflächen ausgebildet
ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Windleitelement zum Ausrichten des
drehbar gelagerten Windschutzelementes vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Windfangflächen als in sich starre, um eine Längsachse
drehbar gelagerte Segmente ausgebildet sind und die den
effektiven Windwiderstand der in eine Richtung gegen den
Wind bewegten Windfangflächen reduzierende Einrichtung
bewirkt, daß diejenigen Segmente, die in eine Richtung
gegen den Wind bewegt sind, in Windrichtung ausgerichtet
sind, und diejenigen Segmente, die in eine Richtung mit dem
Wind bewegt sind, in einem rechten Winkel zu denjenigen
Segmente angeordnet sind, die in eine Richtung gegen den
Wind bewegt sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Segmente eben ausgebildet sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Windfangflächen bzw. Segmente
rechteckig ausgebildet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Windfangflächen als flexible, um einen Dorn wickelbare
Folie oder Tuche ausgebildet sind, und die den effektiven
Windwiderstand der in eine Richtung gegen den Wind bewegten
Windfangflächen reduzierende Einrichtung bewirkt, daß
diejenigen Segmente, die in eine Richtung gegen den Wind
bewegt sind, um den Dorn gewickelt sind, und diejenigen
Segmente, die in eine Richtung mit dem Wind bewegt sind,
gegenüber dem Wind als ebene oder konkave Flächen entfaltet
sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die den effektiven Windwiderstand der
in eine Richtung gegen den Wind bewegten Windfangflächen
reduzierende Einrichtung elektrisch betrieben ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Windfangflächen auf einer
drehbar gelagerten Scheibe vorgesehen sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Scheibe auf Rollen gelagert ist.
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