DE19841517A1

DE19841517A1 - Windenergie-Gewinnungs-Anlage

Info

Publication number: DE19841517A1
Application number: DE1998141517
Authority: DE
Inventors: Nikolaus Wendel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-09-10
Filing date: 1998-09-10
Publication date: 2000-03-30

Description

Die Erfindung betrifft eine Windenergie-Gewinnungs-Anlage. Solche Anlagen sind seit Langem bekannt, insbesondere das Propeller oder Windmühlen-Prinzip.

Diese bekannten Anlagen haben folgende Nachteile:

a) Die Flügel sind nur an einem Ende gehalten. Dies bewirkt sehr hohe Biegebelastungen und schränkt die mögliche, sichere Größe solcher Anlagen stark ein. Außerdem verteuert es die Anlage.
b) Die Flügel haben über ihre gesamte Länge unterschiedliche Geschwindigkeiten. Dies erfordert komplizierte, teuere Profile. Die Geschwindigkeit außen wird so groß, daß die Nahe der Schallgeschwindigkeit, die wegen Turbulenzen und extremen Belastungen nicht erreicht werden darf, ebenfalls Beschränkungen in Größe und Drehzahl solcher Anlagen bewirkt. Außerdem regt sich Widerstand von Anwohnern durch tieffrequente Schall-Belästigung.
c) Die Flügel durchlaufen bei jeder Umdrehung den Mast-Wind-Schatten. Dies regt Biegeschwingungen an und verringert den Wirkungsgrad durch Strömungsunterbrechungen.
d) Der innere Kreis bis zum Beginn der Flügelprofile ist für die Energiegewinnung nicht genutzt.
e) Der Mast kann in Windrichtung nicht abgestützt werden. Dies erfordert stabile, teuere Bauweise.
f) Alle nennenswerten und schweren Teile der Anlage einschließlich Flügeln, Lagern, Verstellvorrichtungen, Getrieben liegen oben auf der Spitze des Mastes. Dies erfordert ebenfalls stabile, relativ teuere Masten und erschwert Aufstellung und Wartung.
g) Auch kann man die Anlage nicht aus dem Wind nehmen und nimmt in Kauf, daß ab einer bestimmten, sogenannten Bruch-Windgeschwindigkeit die Flügel (auch im Stillstand) abbrechen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, obige Nachteile zu vermeiden, insbesondere auch sehr große, sichere, preiswerte und wirtschaftliche Anlagen zu ermöglichen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mehrere Flügel an einem Gerüst geführt fließbandartig an einer Seite hoch und an der anderen Seite wieder hinunter laufen.

Gegenüber bisher bekannten Lösungen hat dies folgernde Vorteile:

Zu a) die Flügel werden an beiden Enden abgestützt, zusätzlich an beiden Eden noch jeweils vorne und hinten. Gleichzeitig ist die relative Windgeschwindigkeit über die gesamte, horizontal liegende Flügel-Länge konstant. Beides zusammen sowie die möglichen, kleinen Flügel-Vorschub-Geschwindigkeiten 2 ermöglichen sehr preiswerte einfacher, trotzdem sehr stabile Flügelkonstruktionen.

Zu b) Hohe Spitzengeschwindigkeiten kommen hier nicht mehr vor. Die Anlage läuft geräuscharm.

Zu c) Biegeempfindlichkeit hegt bei der neuen Lösung erst gar nicht vor. Auf Grund der relativ kleinen Umlaufgeschwindigkeit wirkt sich die Umlenkung der Flügel im oberen und unteren Umkehrpunkt nicht schädlich aus.

Zu e) zusammen mit Punkt a) und f) begrenzt dieser Punkt die sinnvoll mögliche Größe der Propeller-Anlagen. Die neue Lösung besitzt alle drei Beschränkungen nicht mehr trotz einfacherer, preiswerterer Bauweise. Es lassen sich erheblich größere und höhere Anlagen bauen. Dies ist auch deshalb wertvoll da die durchschnittliche Windgeschwindigkeit und damit Energie mit größerer Höhe deutlich zunimmt.

Zu f) Getriebe, Kupplungen und Generatoren können am Boden installiert werden. Hier können also stabile, schwere, robuste, preiswerte Standardlösungen gewählt werden. Es lassen sich Anlauf-Kupplungen installieren die Getriebe- und Generatoren erst zuschalten wenn die Antage angelaufen ist. Auch Schaltgetriebe mit verschiedenen Gängen sind machbar. Auch hierdurch lassen sich relativ kleine Vorschub-Geschwindigkeiten 2 verwirklichen mit preiswerten, einfachen Flügeln z. B. auch aus Segeltuch.

Diese Bauweise mit den großen Massen am Boden und den stabilen, seilgestützten Masten und den großen Leistungen eignet sich auch erheblich besser für schwimmende Installationen auf dem Meer. Die Schwimmstabilität ist größer und die größere Leistung der Anlage erlaubt wirtschaftliche Anlagen auch weiter draußen auf See.

Zu g) Wenn solche 'Jahrhundert-Stürme' drohen, daß die Bruchgrenze von Propelleranlagen überschritten wird, braucht die Bruchgrenze von Anlagen dieser neuen Lösung zwar noch nicht erreicht zu werden. Vor drohenden Orkanen läßt sich die Anlage allerdings leicht in die Horizontale absenken (Winkel 11 = 0). Dies ist ebenfalls bei Montage-, Reparatur- und Wartungs-Arbeiten wertvoll. Reparaturen an den Flügeln sowie an Generator und Getrieben können allerdings sogar ohne Absenkung des Gerüstes 25 durchgeführt werden. Der zu reparierende oder zu wartende Flügel wird dazu einfach in eine untere Position gefahren.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsbeispiele mit den dazu notwendigen Einzelheiten und Einzelteilen dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 das Funktions-Prinzip schematisch dargestellt. Eine Seitenansicht senkrecht zum Wind.

Fig. 2 Eine Seitenansicht senkrecht zum Wind-, nur den oberen Bereich mit Umklappen der Flügel bei der Umlenkung.

Fig. 3 Wie Fig. 2 mit Klappstreben für die Verbindung (22) der Flügelhinterkanten.

Fig. 4 Nachfolgend auf Fig. 3 die untere Umlenkung.

Fig. 5 Nachfolgend auf Fig. 4 die obere Umlenkung.

Fig. 6 Nachfolgend auf Fig. 5 die untere Umlenkung.

Fig. 7 Ansicht der Flügel mit rechter Aufhängung aus der Windrichtung.

Fig. 8 Querschnitt durch einen Flügel gestaltet gemäß Anspruch 14.

Fig. 9 Eine Seitenansicht senkrecht zum Wind der gesamten Anlage.

Fig. 10 Ansicht der gesamten Anlage von vorn aus der Windrichtung, Umlenkrollen (13) und Führung (12) sind nicht dargestellt.

In Fig. 1 sind die prinzipiellen Verläufe der Windgeschwindigkeiten dargestellt. Die Proportionen stimmen nicht ganz. Es können nach 'Betz' theoretisch kontinuierlich nur maximal 60% der Windenergie gewonnen werden. (gezeichnet sind etwa 70%). Der anströmende Wind 1 ergibt zusammen mit der Vorschubgeschwindigkeit 2 der Flügel die relative Windgeschwindigkeit 3 zu den Flügeln. Die Luft verläßt die vorderen Flügel etwa mit Geschwindigkeitsvektor 4. Berücksichtigt man die Aufwärts- Geschwindigkeit 2 des vorderen Flügels, so ergibt sich die absolute Austrittsgeschwindigkeit 5. Zusammen mit der Abwärts-Geschwindigkeit 2 der hinteren Flügel ergibt sich der relative Geschwindigkeitsvektor 6 für die hinteren Flügel. Hier tritt die Luft etwa mit Relativgeschwindigkeit 7 aus. Mit Berücksichtigung der Abwärtsgeschwindigkeit 2 ergibt sich dann eine absolute Austrittsgeschwindigkeit 8 der Luft aus der Anlage. Die Luft kommt etwa in gleicher Strömungsrichtung aus der Anlage wie der anströmende Wind bedingt durch die doppelte Umlenkung. Dies ermöglicht sehr gute Wirkungsgrade. Bei Propelleranlagen wird die Luft schräg abgelenkt und in einen Wirbel versetzt. Die dadurch bedingten Verluste werden in dieser neuen Anlage vermieden. Durch Neigung der Flügelführung um den Winkel 11 kann der Wirkungsgrad optimiert werden.

Fig. 2 zeigt eine Flügelumlenkung an der oberen Umlenkrolle 13 insbesondere gemäß Anspruch 8, 11, 16, 21 und 22.

Fig. 3 zeigt die gleiche Situation, nur ist die Verbindung 22 gemäß Anspruch 18 und 19 gestaltet und wird dabei gebildet von den beiden in der Mitte gelenkig über eine Drehfeder 20 verbundenen Hälften 19 und 24. Die Drehfeder 20 wird dabei gemäß Anspruch 19 nur auf dem letzten Stück der maximalen Ausdehnung der Verbindung 22 wirksam. Dies bewirkt, daß bei schwachem Wind die Teile 19 und 24 nicht bis zu ihrem Anschlag (entsprechend maximaler Länge der Verbindung 22) auseinander gedreht werden. Dadurch erhöht sich der Anstellwinkel des Flügels zum Wind und die Anlage kann sich bei gut bleibendem Wirkungsgrad besser an unterschiedliche Windstärken anpassen. Dies ist insbesondere auch deshalb wertvoll, da der Wind sich nicht nur zeitlich ändert, sondern auch mit der Höhe und da für Änderungen mit der Höhe eine Anpassung über die Vorschubgeschwindigkeit 2 nicht möglich ist.

Fig. 4, 5 und 6 sind die Folge Positionen zu Fig. 3. Hier ist zu erkennen, daß sich die Position des Knickes zwischen den Teilen 19 und 24 mit jedem Umlauf umkehrt, ein einwandfreier Umlauf aber trotzdem möglich ist.

Fig. 7 zeigt eine mögliche, prinzipielle, konstruktive Gestaltung der Führungselemente der Flügel in einer Ansicht aus der Windrichtung. Die zur jeweiligen Mittellinie symmetrischen Kreuze sollen jeweils ein Wälzlager symbolisieren, Gleitlager sind ebenfalls denkbar.

Fig. 8 zeigt einen Flügel gemäß Anspruch 14. Die Endplatte 17 ist hier auf der einen Seite fest mit dem Profil 16 verbunden und schließt dieses an beiden Enden ab. Auf der anderen, äußeren Seite trägt die Platte 17 die Achse für die Führungsrolle 18 sowie für die starre Verbindung 10 von Vorder- und Hinter-Kante der Flügel als auch für das Teil 24 bzw. 22, siehe auch Fig. 7.

Das Segeltuch 9 wird vom Wind jeweils auf die richtige Seite gedrückt und bildet so zusammen mit dem Rohrprofil 15 als vordere Flügelkante und dem Profil 16 als hintere Flügelkante ein günstiges, stromlinienförmiges Tragflügel-Profil.

Claims

1. Windenergie-Gewinnungs-Anlage, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Flügel an einem Gerüst geführt, fließbandartig an einer Seite hoch und an der anderen Seite wieder hinunter laufen.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel horizontal und parallel zueinander verlaufen und an ihren beiden stirnseitigen Enden geführt werden.

3. Anlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungen aus Band-, Seil-, oder Ketten-Elementen gebildet werden, die jeweils oben und unten über Rollen umgelenkt werden.

4. Anlage nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen und unteren Umlenkrollen gleichen Durchmesser haben.

5. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel an der dem Wind zugewandten Seite hoch und an der dem Wind abgewandten Seite hinunter laufen.

6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel im vorderen, dem Wind zugewandten, hochlaufenden Teil mehr als 60% der dem Wind insgesamt entzogenen Energie aufnehmen.

7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel sowohl beim Hoch- als auch beim Abwärts-Lauf solche Anstellwinkel haben, daß sich insgesamt optimale Strömungsverhältnisse und Leistungsausbeute ergeben.

8. Anlage nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel in ihren beiden Umkehrpunkten umklappen und jeweils auf der dem Wind abgewandten Seite ihrer Aufhängung an der Führung (12) liegen.

9. Anlage nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel sowohl beim Aufwärts- als auch beim Abwärts-Laufen den gleichen Anstellwinkel (14) relativ zu ihrer Laufrichtung haben.

10. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufrichtung der Flügel um einen Winkel (11) von der Senkrechten abweicht, vom Winde weggeneigt.

11. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel zwischen ihrem jeweils starren vorderen und hinteren Ende im Bereich (9) flexibel gestaltet sind und sich nach jeder Umkehrung der Laufrichtung auf die jeweils andere Seite auswölben können. Ein konstanter Abstand zwischen Vorderkante und Hinterkante der Flügel wird dabei durch je eine starre Verbindung (10) an den beiden Flügel-Stirnseiten sichergestellt.

12. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Flexible Teil aus Segeltuch gefertigt ist.

13. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorder- und die Hinter-Kante der Flügel aus festen Profilen (15 + 16) gefertigt sind.

14. Anlage nach Anspruch 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das vordere Profil (15) ein Rohrprofil ist und das Segeltuch (9) um das Rohr (15) herum verläuft.

15. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel an beider Stirnseiten sowohl an der vorderen (15) als auch an der hinteren (16) Längskante geführt werden.

16. Anlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden stirnseitigen, hinteren Flügelecken über eine Verbindung (22) mit der umlaufenden Führung (12) verbunden sind.

17. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die strömungsbeeinflussenden Parameter wie Winkel(11) und (14), Vorschubgeschwindigkeit (2) der Führung (12) als auch der Abstand der Flügel voneinander so gewählt werden, daß sich eine optimale Energie-Ausbeute ergibt.

18. Anlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung flexibel gestaltet ist, auf Zug belastet ihren maximal Wert (Anschlag) erreicht und bei Zugentlastung im Umlenkbereich der Flügel sich auf kürzere Längen zusammenzieht, bzw. zusammenschiebbarer oder zusammenklappbar ist.

19. Anlage nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Federkraft ab einem bestimmten Punkt vor Erreichender maximalen Länge die Verbindung (22) zusammenzieht, und zwar mit einer solchen Kraft, daß sich bei schwächerem Wind auch ohne starke Reduzierung der Vorschubgeschwindigkeit (2) wirkungsgradgünstige Strömungsverhältnisse ergeben.

20. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel an allen ihren Anlenk-Punkten drehbar verbunden sind.

21. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden hinteren Stirnseiten der Flügel Führungsrollen (18) liegen, die in den beiden Umlenkbereichen oben und unten durch Abrollen an inneren (21) oder äußeren (23) Führungselementen die Führung der Flugelhinterkante übernehmen.

22. Anlage nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Führung (21) Bestandteil des Umlenkrades (13) ist.

23. Anlage nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte Gerüst einschließlich Flügel, Umlenkrollen und Flügel-Führung drehbar gelagert ist in einem am Boden stehenden Gehäuse (27).

24. Anlage nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse des Gerüstes mit der Drehachse der unteren Umlenkrollen identisch ist.

25. Anlage nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Achse (26) der unteren Umlenkrollen Abtriebsräder (35) verbunden sind, die die von den Flügeln entnommene Wind-Leistung an einen Generator (31) abgeben, gegebenfalls über ein Getriebe (30), in welches auch Anlaufkupplungen integriert sein können.

26. Anlage nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (27) gegenüber dem Boden (28) drehbar gelagert ist und mittels Windfahne oder motorbetrieben die Flügel senkrecht zum Wind ausgerichtet werden.

27. Anlage nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerüst (25) mit Halteseilen (33) über einen Ausleger (34) am Gehäuse (27) gegen den Wind gehalten wird.

28. Anlage nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß im Ausleger (34) Gewichte (32) untergebracht sind. Dies können auch Getriebe und Generatoren sein.

29. Anlage nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerüst über Seilwinden im Gehäuse (27, 34 in eine etwa horizontale Lage abgelassen und wieder hochgezogen werden kann, so daß der Winkel (11) im Bereich von etwa 0 bis 90 Grad verstellt werden kann.