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Die
Erfindung betrifft einen durch Windkraft antreibbaren Rotor nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Es
sind bereits durch Windkraft antreibbare Rotoren unterschiedlichster
Ausführung
bekannt. Derartige Rotoren sind beispielsweise aus US-Patent 4,050,246,
DE 35 17 752 C2 ,
DE 35 29 474 A1 ,
DE 28 21 899 A1 ,
DE 33 00 083 A1 ,
DE 87 01 743 U1 ,
DE 33 00 049 A1 ,
DE 37 03 473 A1 ,
US-Patent 4,329,116, US-Patent 4,082,479,
DE 27 57 266 B1 ,
DE 28 04 919 A1 ,
US-Patent 4,504,192, US-Patent 3,930,750, US-Patent 4,264,279, US-Patent 4,115032,
US-Patent 4,500,257, US-Patent 3,918,839,
US-Patent 4,012,163,
DE
87 01 224 U1 , US-Patent 4,430,044, US-Patent 5,269,647,
WO 84/04362 A1, CD-ROM PAJ Patent Abstracts of Japan,
JP 06330843 A und US-Patent
4,525,124 bekannt.
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Aus
dem US-Patent 4,430,044 ist ein Rotor bzw. eine Vertikalwindturbine
bekannt, bei der waagerechte erste Rotorarmelemente und an deren
Enden senkrecht zu diesen zweite Rotorarmelemente vorgesehen sind.
Bei dieser bekannten Anordnung ist es zum Selbstanlaufen des Rotors
notwendig, die Ausrichtung der Rotorarmelemente (Rotorblätter) zum
Wind verstellbar auszugestalten. Hierzu ist eine aufwendige Steuervorrichtung
vorgesehen. Darüber hinaus
ist auch noch eine Vorrichtung zur Steuerung des Anstellwinkels
der Rotorblätter
erforderlich.
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Aus
DE 34 35 458 C2 ist
ein durch Windkraft antreibbarer Rotor nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 bekannt. Der bekannte Rotor weist Rotorarme (
8)
auf, die horizontal gegenüber
einer vertikalen Welle angeordnet sind (
11 und
12), wobei
die horizontal angeordneten Rotorarme strömungsorientierte Profile oder
strömungsneutrale Profile
aufweisen. Die Rotorarme können
gahetartig ausgebildet sein (
14).
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
einen gattungsgemäßen Rotor
zu schaffen, der bereits bei vergleichsweise geringen Windgeschwindigkeiten selbstanläuft.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem
Rotar gelöst,
der in den Ansprüchen
definiert ist.
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Die
Erfindung ist mit einer Mehrzahl von Vorteilen verbunden. Die abgeschrägte Anordnung
des ersten Armelements bildet eine Windangriffsfläche, die
das Selbstanlaufen des erfindungsgemäßen Rotors ermöglicht.
Der erfindungsgemäße Rotor
ist vergleichsweise einfach aufgebaut und benötigt weder eine Steuerungsvorrichtung,
mit der die Rotorarme zum Wind ausgerichtet werden müßten, noch
benötigt
der erfindungsgemäße Rotor
eine Vorrichtung zur Steuerung von Anstellwinkeln.
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Die
Rotorarme des erfindungsgemäßen Rotors
weisen ein in vergleichsweise einfacher Weise herstellbares Querschnittsprofil
auf. Vorzugsweise sind die Querschnittsprofile des ersten und des
zweiten Armelements gleichförmig
ausgestaltet.
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Der
erfindungsgemäße Rotor,
bei dem ein erstes Armelement um etwa 45° gegenüber der vertikalen Rotorwelle
abgeschrägt
ist, zeichnet sich durch einen besonders hohen Wirkungsgrad sowohl hinsichtlich
der Selbstanlaufcharakteristik als auch hinsichtlich der Leistungsaufnahme
aus.
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Der
erfindungsgemäße Rotor
beginnt bereits bei vergleichsweise geringen Windgeschwindigkeiten
von wenigen Metern/Sekunde selbstanzulaufen.
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Bei
vergleichsweise hohen Windgeschwindigkeiten ist der erfindungsgemäße Rotor
nicht abzuschalten, weil er sich in seinem Drehmoment selbst stabilisiert.
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Bei
der einstückigen
Ausbildung von erstem und zweitem Armelement sind keine besonderen Verbindungselemente
vorzusehen, so daß auch
insoweit der Rotor in einfacher Weise herstellbar ist und ohne Gefahr
mechanischer Probleme entsprechender Verbindungselemente arbeitet.
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Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Rotors besteht darin, daß dieser
nahezu geräuschlos arbeitet.
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Der
Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Rotors
wird noch weiter verbessert, wenn das erste Armelement und/oder
das zweite Armelement eine Oberfläche mit aus der Grundfläche vorstehenden Erhebungen
aufweist. Diese Erhebungen sind in Draufsicht auf die Oberfläche jeweils
von zwei Begrenzungslinien umrandet, von denen die eine Begrenzungslinie
länger
ist und eine größere Krümmung aufweist
als die andere Begrenzungslinie.
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Die
Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beschrieben.
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Es
zeigt
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1 Seitenansichten eines
Rotorarmsystemelements einer bevorzugten ersten und zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Rotors;
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2 eine Frontansicht des
Rotorarmsystemelements nach 1;
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3 eine Rückansicht des Rotorarmsystemelements
nach 1;
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4 eine Draufsicht eines
Rotorarmsystemelements nach 1;
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5 Querschnittprofile ausgewählter Bereiche
des Rotorarmsystemelements nach 1;
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6 und 7 eine Draufsicht und eine Frontansicht
eines erfindungsgemäßen Rotors
mit zwei Rotorarmsystemelementen;
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8 und 9 eine Draufsicht und eine Frontansicht
eines erfindungsgemäßen Rotors
mit drei Rotorarmsystemelementen;
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10 eine Seitenansicht eines
Rotorarmsystemelements einer bevorzugten dritten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Rotors;
und
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11 bis 13 Ausführungsbeispiele einer Oberflächengestaltung
eines Rotorarmsystemelements.
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Der
erfindungsgemäße Rotor
weist eine vertikale Welle 2 auf, an der ein Rotorarmsystem 3 angeordnet
ist. Das Rotorarmsystem 3 kann unterschiedliche Rotorarmsystemelemente
aufweisen. 1a zeigt
eine Seitenansicht eines Rotorarmsystemelements 31 einer
bevorzugten ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Rotors.
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An
der vertikalen Welle 2 ist über eine Nabe radial das Rotorarmsystem 3 befestigt.
Wie noch beschrieben wird, weist das Rotorarmsystem 3 mehr
als ein Rotorarmsystemelement auf, wie dies beispielhaft in den 6, 7, 8 und 9 dargestellt ist. Mit der
Nabe und der vertikalen Welle 2 kann in üblicher Weise
ein in der 1 nicht dargestellter
Generator zur Stromerzeugung und/oder ein Windmeßgerät verbunden sein.
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In 1a ist lediglich ein Rotorarmsystemelement 31 dargestellt.
Dieses Rotorarmsystemelement 31 besteht aus einem ersten
Armelement 311 und aus einem zweiten Armelement 312.
Das zweite Armelement 312, das wie das erste Armelement 311 eine
langgestreckte Form hat, ist vorzugsweise in seinem Mittelbereich
an dem ersten Armelement 311 in der Weise angeordnet, daß sich das
zweite Armelement 312 beidseitig des ersten Armelements 311 erstreckt
und somit zwei freie Enden aufweist. Die Länge des zweiten Armelements 312 unterhalb
des ersten Armelements 311 kann auch ungleich der Länge des
zweiten Armelements 312 oberhalb des ersten Armelements 311 sein.
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Das
erste Armelement 311 ist bei der in 1a dargestellten Ausführungsform nach oben gegenüber der
vertikalen Welle 2 bzw. der Drehachse des Rotors abgeschrägt ausgebildet.
Das abgeschrägte
erste Armelement 311, das wie noch beschrieben wird, ein
Tragflächenprofil
aufweist, bietet eine Windangriffsfläche und ermöglicht das Selbstanlaufen des
Rotors. Diese Windangriffsfläche
ist gegenüber
Rotoren nach dem Stand der Technik größer, bei denen anstelle des
ersten aerodynamisch wirksamen Armelements 311 lediglich
aerodynamisch praktisch nicht wirksame Streben oder Stützen für ein senkrecht
angeordnetes Rotorblatt vorgesehen sind.
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Der
Bereich des Winkels α zwischen
vertikaler Welle 2 und erstem Armelement 311 wird
in Abhängigkeit
einer vorgebbaren Selbstanlaufcharakteristik des Rotors etwa 110° bis 170° gewählt; vorzugsweise
ist α gleich
135°.
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Das
erste Armelement 311 kann jedoch auch nach unten abgeschrägt gegenüber der
vertikalen Welle 2 bzw. der Drehachse des Rotors ausgebildet sein.
In diesem Fall beträgt
vier Bereich des Winkels α zwischen
vertikaler Welle 2 und erstem Armelement 311 etwa
20° bis
80°; vorzugsweise
ist in diesem Fall α gleich
45°. Auch
in diesem Fall bietet das abgeschrägte erste Armelement 311 eine
Windangriffsfläche
und ermöglicht
das Selbstanlaufen des Rotors.
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Das
zweite Armelement 312 ist um einen Winkel β ungleich
90° gegen
das erste Armelement 311 abgeschrägt. Für den Fall, daß das erste
Armelement gegenüber
der vertikalen Welle nach oben abgeschrägt ist, beträgt der Bereich
des Winkels β zwischen
erstem Armelement 311 und zweiten Armelement 312 vorzugsweise
gleich 135°,
so daß das zweite
Armelement 312 in etwa parallel zu der vertikalen Welle 2 angeordnet
ist. Für
den Fall, daß das erste
Armelement gegenüber
der vertikalen Welle nach unten abgeschrägt ist, beträgt der Bereich
des Winkels β zwischen
erstem Armelement 311 und zweiten Armelement 312 vorzugsweise
gleich 45°,
so daß das
zweite Armelement 312 auch in diesem Fall in etwa parallel
zu der vertikalen Welle 2 angeordnet ist.
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Das
zweite Armelement 312 kann aber auch nicht parallel zu
der vertikalen Welle 2 angeordnet sein. Diese Anordnung
ist in 1b beispielhaft
dargestellt. Dabei besteht das zweite Armelement 312 aus
zwei Winkelschenkeln 3121, 3122, die an ihrem Verbindungspunkt
an dem ersten Armelement 311 angeordnet sind, und zwar
an dem der vertikalen Welle 2 abgewandten Ende. Die Winkelschenkel 3121, 3122 haben
einen Öffnungswinkel γ, der kleiner
als 180° ist.
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Bei
dem in 1a dargestellten
Ausführungsbeispiel
sind das erste Armelement 311 und das zweite Armelement 312 einstückig ausgebildet. Weiterhin
sind auch die vertikale Welle 2 bzw. die Nahe und das erste
Armelement 311 einstückig
ausgebildet, so daß im
vorliegenden Fall die Welle 2 bzw. die Nabe, erstes Armelement 311 und
zweites Armelement 312 einstückig ausgebildet sind. Die
einstückige
Ausbildung von vertikaler Welle 2 und erstem Armelement 311 bzw.
von erstem und zweiten Armelement zeichnet sich durch eine vergleichsweise hohe
mechanische Stabilität
der Rotoranordnung aus.
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Die
Länge des
ersten Armelements 311 und die Länge des zweiten Armelements 312 werden
in Abhängigkeit
der am Einsatzort des Rotors herrschenden Windverhältnisse
und der gewünschten Leistungsaufnahme
des Rotors gewählt.
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Das
erste Armelement 311 und/oder das zweite Armelement 312 können einen
hohlen Innenraum aufweisen. Die Armelemente 311, 312 können auch
nur zum Teil hohl ausgestaltet sein und mehrere Hohlräume aufweisen.
Damit wird ein vergleichsweise geringes Gesamtgewicht der Rotoranordnung
erzielt.
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2 zeigt eine Frontansicht
(vgl. den in 1 von rechts
nach links weisenden Pfeil I) des in 1 dargestellten
Rotorarmsystemelements 31 mit dem ersten Armelement 311,
dem zweiten Armelement 312 und der vertikalen Welle 2.
Das erste Armelement 311 verjüngt sich zu seiner der Drehachse
abgewandten Seite, also zu dem Bereich, an dem das zweite Armelement 312 angeordnet
ist. Das zweite Armelement 312 hat in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
eine langgestreckte, im wesentlichen rechteckige Form; alternativ
hierzu kann sich das zweite Armelement 312 zu seinen zwei äußeren Bereichen
(in 1: oben und unten)
verjüngen.
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3 zeigt eine Rückansicht
(vgl. den in 1 von links
nach rechts weisenden Pfeil II) des in 1 dargestellten Rotorarmsystemelements 31 mit dem
ersten Armelement 311, dem zweiten Armelement 312 und
der vertikalen Welle 2.
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Die
sich verjüngende
Ausformung des ersten Armelements 311 ist auch in der Draufsicht
des Rotorarmsystemelements in 4 dargestellt. 4 zeigt oben rechts das
Querschnittsprofil des zweiten Armelements 312 in vergrößerter Darstellung.
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5a zeigt ein Beispiel eines
Querschnittsprofils des zweiten Armelements 312 und 5b zeigt ein Beispiel eines
Querschnittsprofils des ersten Armelements 311. Das Querschnittsprofil
Q311 des ersten Armelements 311 (Schnitt B-B in 3) und das Querschnittsprofil
Q312 des zweiten Armelements 312 (Schnitt A -A in 3) haben eine (bezüglich jeweils
einer in 5a und 5b eingezeichneten horizontalen
Mittellinie) symmetrische Querschnittsprofilfläche QF311, QF312. Die Querschnittsprofile
Q311, Q312 sind Tragflächenprofile.
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Das
Querschnittsprofil Q311 des ersten Armelements 311 und
das Querschnittsprofil Q312 des zweiten Armelements 312 sind
insbesondere gleichförmig,
wie dies beispielhaft anhand von 5a und 5b gezeigt ist. Die Querschnittsprofilfläche QF311 des
ersten Armelements 311 ist größer als die Querschnittsprofilfläche QF312
des zweiten Armelements 312.
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6 und 7 zeigen in Drauf- und Frontansicht einen
Rotor 1 mit einem Rotorarmsystem 3, das aus zwei
Rotorarmsystemelementen 31, 32 besteht, die in
gleichen Winkelabständen
(180°) zueinander angeordnet
sind, und 8 und 9 zeigen in Drauf- und Frontansicht
einen Rotor 1 mit einem Rotorarmsystem 3, das
aus drei Rotorarmsystemelementen 31, 32, 33 besteht,
die in gleichen Winkelabständen (120°) zueinander
angeordnet sind.
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Die
Rotorarmsystemelemente 31, 32 und 33 weisen
jeweils ein erstes Armelement 311, 321, 331 und
ein zweites Armelement 312, 322, 332 auf,
die vorzugsweise in gleicher Weise ausgestaltet sind.
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Bei
dem in den 6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispiel
sind das erste Armelement 311 und das zweite Armelement 312 so
angeordnet, daß die
spitz zulaufende Querschnittsprofilfläche (rechts in den 5a und 5b) in 6 nach
oben weisen (siehe die separate Darstellung der Querschnittsprofilfläche des
zweiten Armelements 312 rechts in 6), während
das erste Armelement 321 und das zweite Armelement 322 so
angeordnet sind, daß die spitz
zulaufende Querschnittsprofilfläche
(rechts in den 5a und 5b) in 6 nach unten weisen. (siehe die separate
Darstellung der Querschnittsprofilfläche des zweiten Armelements 322 links
in 6).
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Bei
dem in den 8 und 9 dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die ersten Armelemente 311, 321, 331 und
die zweiten Armelemente 312, 322, 332 in
entsprechender Weise ausgebildet. Die Ausgestaltung der Querschnittsprofilfläche der
zweiten Armelemente 312, 322 und 332 ist
in 8 separat in vergrößertem Maßstab dargestellt.
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10 zeigt eine Seitenansicht
eines Rotorarmsystemelements 31 einer bevorzugten dritten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Rotors. An
der vertikalen Welle 2 ist über eine Nabe radial das Rotorarmsystem 3 befestigt.
Das Rotorarmsystemelement 31 besteht aus einem ersten Armelement 311 und
aus einem zweiten Armelement 312. Das zweite Armelement 312,
das wie das erste Armelement 311 eine langgestreckte Form
hat, ist an einem seiner Enden an dem ersten Armelement 311 angeordnet.
Das zweite Armelement 312 ist also an einem seiner Enden
mit dem ersten Armelement 311 so verbunden, daß das zweite
Armelement 312 ein freies Ende (oben in 10) aufweist.
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Das
erste Armelement 311 ist bei der in 10 dargestellten Ausführungsform ebenfalls nach oben
gegenüber
der vertikalen Welle 2 bzw. der Drehachse des Rotors abgeschrägt ausgebildet.
Die Dimensionierung der Winkel α und β (1a) sowie die weitere Ausgestaltung
des Rotorarmsystemelements 31, insbesondere die Querschnittsprofile
können
der Ausgestaltung des Rotorarmsystemelements entsprechen, das in
den 1a und 1b dargestellt ist.
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Während das
Rotorarmsystemelement 31, das in 1 dargestellt ist, aufgrund der vergleichsweisen
großen
Fläche
des zweiten Armelements 312 eine vergleichsweise große Rotorfläche aufweist, zeichnet
sich das in 10 dargestellte
Rotorarmsystemelement mit seiner vergleichsweise kleinen Fläche des
zweiten Armelements 312 durch geringeren Materialverbrauch,
geringeres Gewicht auch dadurch aus, daß die gesamte Fläche des
zweiten Armelements 312 praktisch unbeeinflußt durch
das erste Armelement 311 zu der Drehbewegung des Rotors beiträgt. Demgegenüber verdeckt
bei der in 1 dargestellten
Ausführungsform
des Rotorarmsystemelements 31 das erste Armelement 311 einen
Teil des zweiten Armelements 312 (unterer Teil des zweiten
Armelements 312), so daß dieser Teil des zweiten Armelements
nur eingeschränkt
zu der Drehbewegung des Rotors beiträgt. Andererseits verdeckt dieser
(untere) Teil des zweiten Armelements das erste Armelement, so daß insoweit
die Selbstanlaufwirkung geringfügig
reduziert wird. Andererseits ermöglicht
die vergleichsweise große
Rotorfläche
des Rotors nach 1 eine
vergleichsweise große
Leistungsaufnahme im eingeschwungenen Betrieb.
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11 zeigt in Draufsicht (11a) und Querschnitt (11b) eine Ausgestaltung
der Oberfläche 12 des
ersten Armelements 311 und/oder des zweiten Armelements 312,
wobei das erste bzw. das zweite Armelement 311, 312 eine
andere als die in 11a dargestellte
Form haben kann.
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Diese
Ausgestaltung der Oberfläche
ist aus der Internationalen Patentanmeldung WO 95/11388 A1 des Erfinders
der vorliegenden Anmeldung an sich bekannt. Die Oberfläche 12 weist
aus der Rotorarmgrundfläche 16 vorstehende
Erhebungen 14 auf. Die Erhebungen sind in Draufsicht auf
die Oberfläche
jeweils von zwei Begrenzungslinien 18 und 20 umrandet,
von denen die eine, nach außen
gekrümmte
Begrenzungslinie 18 länger
ist und eine größere Krümmung aufweist
als die andere, gerade verlaufende Begrenzungslinie 20,
so daß sich
die Querschnittsfläche
eines Tragflügels
ergibt. Die Begrenzungslinien 20 sind zum Beispiel senkrecht
zu einem vorderen Begrenzungsrand 22 des ersten bzw. zweiten
Armelements 311, 312 ausgerichtet.
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Wie 12a zeigt, sind die Erhebungen 14 beispielsweise
derart nebeneinander angeordnet, daß jeweils neben einer Begrenzungslinie 18 mit
größerer Krümmung einer
Erhebung eine Begrenzungslinie mit kleinerer Krümmung einer folgenden Erhebung
liegt. Mehrere Erhebungen können
hintereinander in Reihe angeordnet sein, wobei mehrere Reihen 24, 26 von
Erhebungen nebeneinander liegen können. Dabei können in
den durch die Erhebungen gebildeten Reihen die jeweilige Begrenzungslinie
mit größerer Krümmung der
hintereinander liegenden Erhebungen in einer Richtung gerichtet
sein. Die Begrenzungslinie mit größerer Krümmung der hintereinander liegenden
Erhebungen kann auch jeweils abwechselnd in entgegengesetzte Richtungen
weisen.
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Wie 12b zeigt, kann die Höhe der Erhebungen
bei nebeneinander angeordneten Reihen von Erhebungen unterschiedlich
sein, ebenso kann die Höhe
der Erhebungen von hintereinander angeordneten Erhebungen unterschiedlich
sein.
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Die
Erhebungen können
zu ihrem von der Grundfläche
wegweisenden Ende hin gekrümmt sein.
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Die
Oberfläche
der Erhebungen, welche der Grundfläche gegenüberliegt, verläuft parallel
zur Grundfläche
oder ist schräg
zur Grundfläche
angestellt, während
die seitlichen Begrenzungsflächen der
Erhebungen jeweils senkrecht zur Grundfläche ausgerichtet sind. Weiterhin
kann, wie in den 13a und 13b dargestellt, die Oberfläche vergleichsweise
hohe Erhebungen 14' aufweisen,
die eine Grobstruktur bilden, wobei auf dieser Grobstruktur vergleichsweise
niedrige Erhebungen 14'' ausgebildet
sein können,
die eine Feinstruktur bilden.
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Bei
den dargestellten Ausführungsformen, bei
denen die vertikale Welle 2 einstückig mit dem Rotorarmsystem 3 ausgebildet
ist, kann ein Drehlager im Boden gekapselt sein. Dadurch ist es
in vorteilhafter Weise vor Witterungseinflüssen geschützt.
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Der
Rotor kann beispielsweise auf einem Gebäude, auf einem Mast, der gegebenenfalls
durch Halteseile abgespannt ist, und/oder auf einem Schwimmkörper angeordnet
sein.
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Die
vertikale Weile 2, das erste Armelement 311 und/oder
das zweite Armelement 312 bestehen aus Kunststoff, insbesondere
Verbundwerkstoff Eine bevorzugte Ausführungsform des Rotors besteht
aus glasfaserverstärktem
Verbundwerkstoff GFK oder aus karbonfaserverstärktem Verbundwerkstoff CFK. Weiterhin
kann der Rotor aus Holz und/oder aus Metall bestehen.
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Der
Rotor kann aus vorgefertigten Teilen bestehen, die am Einsatzort
in einer vergleichsweise kurzen Zeit zusammengefügt werden.