DE19826475A1

DE19826475A1 - Windkraftwerk-Vorrichtung

Info

Publication number: DE19826475A1
Application number: DE19826475A
Authority: DE
Inventors: Karl Merk
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-06-13
Filing date: 1998-06-13
Publication date: 1999-12-23
Also published as: WO1999066201A1

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

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.