DE19847469A1

DE19847469A1 - Windrad

Info

Publication number: DE19847469A1
Application number: DE19847469A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Loeffler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-10-15
Filing date: 1998-10-15
Publication date: 2000-04-20

Abstract

Bei einem Windrad mit um vertikale Achsen drehbar gelagerten, mit einem aerodynamischen Profil versehenen Flügeleinheiten, die mit einem Abstand an einem Mast angeordnet sind, sind die Flügeleinheiten an starr mit dem Mast verbundenen Armen gehaltert und der Mast ist seinerseits drehbar gelagert. Die Flügeleinheiten sind mit einer windrichtungsabhängigen Einstellvorrichtung verbunden, über die das Profil der Flügeleinheiten in bezug auf die Windrichtung ausgerichtet wird. Dieses Profil ist veränderbar ausgebildet und wird von wenigstens zwei gegeneinander beweglich gehalterten Segmenten gebildet, wobei die Relativposition der Segmente zueinander über die Einstellvorrichtung, die aus einer Windfahnenanlenkung besteht, beaufschlagbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Windrad mit um vertikale Achsen drehbar gelagerten, mit einem aerodynamischen Profil ver sehenen Flügeleinheiten, die mit einem Abstand an einem Mast angeordnet sind.

Die Windkraft zählt zu denjenigen erneuerbaren Energie quellen, deren Nutzung noch in weit größerem Umfang möglich erscheint als dies heute der Fall ist. Allerdings stehen einer effizienten Nutzung dieser Energieform derzeit eine Reihe von Problemen entgegen. So erfordern die heute üblichen Windkraftanlagen neben ihren Basiskomponenten Flügel, Generator und Gehäuse eine Reihe zusätzlicher In vestitionen für Baugrund, Fundament, Turm, Getriebe, Regelung, Netzanschluß und ähnliches. Damit aber erreichen die Kosten für diese Energieart die Höhe fossiler, nicht erneuerbarer Energieträger. Hinzu kommt, daß bei fehlendem oder zu geringem Wind eine geeignete Substitutionsenergie vorgehalten werden muß. Ein weiterer Nachteil ist, daß die Geschwindigkeit herkömmlicher Windkraftanlagen und damit ihre Energieausbeute bei zu starkem Wind gedrosselt werden muß. Außerdem stoßen diese Anlagen mit den derzeit erreich baren Leistungen in der Größenordnung von etwa 1,5 MW an ihre durch die auftretenden Zentrifugalkräfte gesetzten Grenzen. Weitere Leistungssteigerungen sind praktisch nur noch durch eine Vervielfältigung derartiger Anlagen möglich. Dies wiederum erfordert einen enormen Platzbedarf und bringt zugleich erhebliche akustische und optische Umweltbelastungen mit sich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Windrad der eingangs genannten Art zu verbessern, das einerseits eine effizien tere Nutzung der vorhandenen Windenergie ermöglicht und das andererseits möglichst geringe Anforderungen an die bereit zuhaltende Infrastruktur stellt.

Die Erfindung löst diese Aufgabe, indem sie vorsieht, daß die Flügeleinheiten an starr mit dem Mast verbundenen Armen gehaltert sind, wobei der Mast seinerseits drehbar gelagert ist und die Flügeleinheiten mit einer windrichtungsab hängigen Einstellvorrichtung zur Ausrichtung und Ver stellung des Profils der Flügeleinheiten in bezug auf die Windrichtung verbunden sind, daß die aus wenigstens zwei gegeneinander beweglich gehalterten Segmenten gebildeten Flügeleinheiten zur Bildung von positionsabhängigen, aero dynamisch auftriebsnutzenden Krümmungen in der Art eines Kreisabschnittes von einer Extremstellung über eine Neu tralstellung in eine andere Extremstellung während eines Umlaufzyklusses zur Profiländerung relativ zueinander ein stellbar sind und/oder eine widerstandsnutzende Einstellung der Segmente durchführbar ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden durch die kenn zeichnenden Merkmale der Unteransprüche vorgeschlagen.

Indem erfindungsgemäß mehrere um eine vertikale Achse dreh bar gehalterte aerodynamische Flügel mit einem Mast ver bunden sind, der seinerseits um eine vertikale Achse dreh bar gelagert ist, wird eine ebenerdige Kraftabgabe ermög licht. Der sich unter der Einwirkung der vertikal und parallel zueinander angeordneten Flügel drehende Mast ist normalerweise mit einem Generator gekoppelt, über den die gewünschte elektrische Energie erzeugt wird. Die Windkraft wird dabei sowohl in Form von Widerstandskräften als auch von Auftrieb durch die aerodynamisch ausgebildeten Flügel genutzt, die sich vergleichsweise langsam laufend in einer horizontalen Ebene drehen. Eine Windfahne hält die Flügel mit ihrer jeweils wirksamsten Angriffsfläche im Wind. Bei dieser Flügelanordnung ergibt sich eine zwangsläufige nega tive Auftriebsnutzung während der windabgewandten Fahrt, die durch eine Umsteuerung nutzbar gemacht wird.

Da das auf diese Weise erzeugte Antriebsmoment abhängig von der Windgeschwindigkeit ist, kann bei einer Anwendung einer Lastregelung von einer Umfangsgeschwindigkeit der Flügel ausgegangen werden, die unterhalb der angreifenden Wind geschwindigkeit liegt. Insgesamt erlaubt diese Anordnung eine windkraftschlüssige Fahrt über etwa 300 Winkelgrade bei jeder Umdrehung der Flügeleinheit.

Gegenüber herkömmlichen Windkraftanlagen besitzt die An ordnung den Vorteil einer erheblichen Leistungssteigerung. Durch eine beidendige Flügelaufhängung und die außerdem gegebene Möglichkeit einer ein- oder mehrmaligen Unter teilung und damit Zwischenlagerung der vertikal angeord neten Flügel lassen sich wesentlich größere Flügeldimen sionen realisieren. Da zudem der gesamte Drehimpuls der Flügel am Außenradius der vom zentralen Mast gebildeten Hauptachse wirkt, ergibt sich zugleich eine erhebliche Steigerung des insgesamt wirksamen Drehmoments. Der lang same Lauf des Windrades erlaubt ferner eine Betriebsweise, bei der ständig der Idealwinkel zum Wind eingehalten werden kann. Da die vom Wind erzeugte Antriebskraft nach unten abgegeben wird, kann das Maschinenhaus ebenerdig angeordnet sein. Schließlich ermöglichen die vergleichsweise geringen Ansprüche an die Festigkeit von Fundament und Mast auch eine Montage auf einem schwimmenden Ponton.

Aufgrund dieses technischen Konzeptes, einer langsam laufenden Anordnung, bei der die aus der Drehbewegung resultierende Energie in vertikaler Richtung nach unten abgegeben wird, ermöglicht es, Windkraftanlagen an Auf stellorten vorzusehen, an denen zwar sowohl Platz als auch Wind in ausreichender Menge zur Verfügung stehen, die aber für herkömmliche Windkraftanlagen nicht geeignet sind. Ins besondere wird dadurch eine Anlagenkonzeption ermöglicht, bei der eine schwimmende Ausführung einer Windkraftanlage auf dem Meer, beispielsweise in der Deutschen Bucht, aufge stellt und an diesem Standort ökonomisch betrieben werden kann.

Nachfolgend soll die schematisch dargestellte Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Teils eines Wind rades,

Fig. 2 eine Darstellung des Bewegungsablaufes der An ordnung gemäß Fig. 1,

Fig. 3a und 3b eine aerodynamische Ausbildung der Flügel in drei- und zweiflügeliger Ausbildung,

Fig. 4 Darstellungen eines Flügels in beiden Extrem stellungen und der Neutralstellung,

Fig. 5 und 6 Einzelheiten der Ansteuerung der Flügel über Steuerplatten,

Fig. 7 eine Prinzipdarstellung einer Windkraftanlage,

Fig. 8 und 9 Einzelheiten der in Fig. 7 gezeigten Anordnung zur Ansteuerung und

Fig. 10 eine Prinzipdarstellung eines Flügels eines Wind rades mit seinen Einstellungen während eines Um laufzyklusses bei vorgegebener Windrichtung.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung ist ein Flügel 1 um eine vertikale Achse drehbar an zwei Armen 2, 3 gelagert, die starr mit einem Mast 4 verbunden sind. Der Mast 4 ist seinerseits um eine vertikale Achse drehbar gelagert und trägt an seiner Spitze eine Windfahne 5. Der Arm dieser Windfahne 5 weist eine Kurbelanlenkung 6 auf. Ein Gestänge 7 zwischen dieser Kurbel 6 und einer mit dem gleichen Hub ausgelegten Anlenkung des Flügels 1 hält diesen, wie nach folgend beschrieben, stets mit der optimalen Ausrichtung zum Wind.

Der Flügel 1 weist ein aerodynamisches Profil auf, das ent sprechend einem Tragflügelprofil ausgebildet ist und das bei seitlicher Anströmung durch den Wind eine Auftriebskraft erzeugt, die in diesem Fall den Vortrieb des Flügels 1 gewährleistet. Auf die Ausbildung und technische Reali sierung dieses Profils des Flügels 1 wird in Zusammenhang mit den Fig. 3 und 4 noch näher eingegangen werden.

Die Darstellung in Fig. 2 zeigt zunächst anhand einer Uhr darstellung eine Kreisfahrt des Flügels 1, wobei sich der Mast 4 im Uhrzeigersinn dreht und wobei der Wind, wie in der Figur durch einen Doppelpfeil angedeutet, als aus Richtung "6 Uhr" kommend angenommen wird. Zum besseren Ver ständnis sind die Positionsangaben entsprechend den Stundenangaben eines Zifferblattes gewählt. Es setzt sich eine 360°-Drehung des Flügels 1, bei der dieser den starr mit den Armen 3, 4 verbundenen Mast 4 mitnimmt, aus vier ineinander übergreifenden Fahrtabschnitten zusammen: Einer infolge seitlicher Anströmung durch den Wind auftriebs wirksamen Linksfahrt zwischen etwa 4⁰⁰ und 7⁰⁰, einer den Luftwiderstand des Flügels 1 nutzenden Direktfahrt vor dem Wind von etwa 7⁰⁰ bis 11⁰⁰, einer sich daran anschließenden erneuten auftriebswirksamen Rechtsfahrt zwischen etwa 11⁰⁰ und 2⁰⁰ sowie einer Leerfahrt von etwa 2⁰⁰ bis 4⁰⁰, bei der eine Umsteuerung des Flügels 1 erfolgt. Die jeweilige Ein stellung des Flügels 1 zum Wind wird dabei über das Gestänge 7 durch die Windfahne 5 vorgenommen.

Insgesamt ergibt sich bei dieser Anordnung eine kraft schlüssige Fahrt über einen Bereich von etwa 300 Winkel graden, wobei gegen etwa 7⁰⁰ und 11⁰⁰ eine Überlappung von auftriebs- und widerstandsnutzender Fahrt stattfindet. Da das vom Wind auf der Flügeloberfläche erzeugte Auftriebs moment nicht drehzahlabhängig ist, kann bei einer Last regelung von einer Umfangsgeschwindigkeit des Flügels 1 ausgegangen werden, die unterhalb der Windgeschwindigkeit liegt.

Bei der bevorzugten Ausführungsform weist das aerody namische, auftriebserzeugende Profil des Flügels 1 nur während eines Teilabschnittes der Umlaufbewegung eine gleichförmige Krümmung auf, die als ein Kreisabschnitt angesehen werden kann, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Dieser Kreisabschnitt wird von vorzugsweise zwei oder drei gleich großen Flügelsegmenten 8, 9 bzw. 10, 11 und 12 gebildet, die jeweils zwei in bezug auf eine durch die Drehachse verlaufende Ebene symmetrisch ausgebildete konvexe Außenflächen aufweisen. Die Segmente 8, 9 bzw. 10 bis 12 sind an ihren sich gegenseitig berührenden Außen kanten miteinander verbunden; ihre Längsachsen sind jeweils zwischen einer oberen und einer unteren Steuerplatte gelagert. Die spezielle Ausbildung dieser Steuerplatten ermöglicht es, die Kontur des Flügels 1 in Abhängigkeit von der jeweiligen Fahrtrichtung in bezug auf die Windrichtung zu verändern und dadurch zu optimieren. Dies ist im Detail in den Fig. 4 bis 6 an einem Ausführungsbeispiel eines aus drei Segmenten zusammengesetzten Flügels 1 dargestellt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Achslagerbohrungen 13, 14 in den beiden äußeren Flügelsegmenten 10 und 12 jeweils als Langloch ausgeführt. Sie ermöglichen dadurch eine radiale Verschiebung des mittleren Flügelsegmentes 11 von einer ersten, im Bild nach links gewölbten Krümmungs position durch einem Mittellage in die gegenüberliegende, nach rechts gewölbte Krümmungsposition. Bei der in Fig. 3 alternativ dargestellten aus lediglich zwei Flügelsegmenten 8, 9 bestehenden Anordnung sind derartige Langlochbohrungen nicht vorgesehen. Statt dessen verschiebt sich in diesem Fall dies zwischen den beiden Segmenten liegende Scharnier achse. Der Vorteil der aus drei Flügelsegmenten gebildeten Anordnung besteht darin, daß ihr Verschiebeweg um mehr als 50% kürzer ist.

Die Verschiebung der Flügelelemente 10 bis 12 wurde durch zwei am Arm 3 fixierte Kurvenanschläge 15, 16, die auf einer Ebene durch die Windradmitte liegen, ermöglicht. Zu diesem Zweck ist an der Kopffläche des mittleren Flügelsegmentes 11 über eine Halteplatte 11,1 zwei gegenüberliegende Lager 18, 19 quer zur Flügelebene vorgesehen, die bedingt durch diese Positionen immer gegen 3⁰⁰ bzw. 9⁰⁰ an den Kurven anschlägen 15, 16 abrollen. Die Achsen dieser Lager 18, 19 werden in der mit Langlochaufnahme 20, 21 versehenen Steuer platte 17 geführt und werden während jeder gekrümmten Flügelposition am jeweils achsnah als Anschlag dienenden Ende der entsprechenden Langlochausnehmungen 20, 21 gehalten.

Bei der Verstellung wird zuerst das laufende Lager 19 vom Kurvenanschlag 16 bis zur gestreckten Flügelstellung Fig. 6 von innen nach außen geschoben, danach rollt das gegenüber liegende Lager 18 an dem geraden Teil des Kurvenanschlages 15 von außen nach innen in die gegenüberliegende Krümmungs position. Die Position der Flügelachsen ist dabei so gewählt, daß in gestreckter Flügelstellung die Flächen zwischen den Achsen und die beiden Flächen außerhalb dieser Achsen gleich groß sind. Durch die Verschiebung der Achsen in den als Langloch ausgebildeten Achslagerbohrungen 13, 14 in die Auftriebsstellung wird die Fläche zwischen den beiden Achsen geringfügig größer und stabilisiert auf diese Weise die Krümmung, wobei sie dennoch einen leichten Schaltvorgang erlaubt.

Bei der in Fig. 7 dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind jeweils drei Flügel 31 in mehreren Ebenen überein anderliegend an einem Mast 34 gehaltert. In diesem Fall ist die Windfahne 35 mit einer im Mast angeordneten zentralen Achse verbunden, über die mittels Winkeltrieben die in den einzelnen Ebenen angeordneten Flügel beidendig angesteuert werden.

Der Ablauf dieser Bewegungen wird von einer Getriebean ordnung sichergestellt, die im Detail in den Fig. 8 und 9 dargestellt ist und die aus den folgenden Komponenten be steht: einem Tellerrad 40, einem Planetenrad 41, einem Arm 42, einem Gegenrad 43, einem Achsstummel 44, einer Flügel achse 45, einem Mitnehmer 46, einem Anschlag 47 sowie einer Klinke 48. Diese Komponenten wirken auf die folgende Weise zusammen: Am Ende jeder Linksfahrt bis zum Anfang der nach folgenden Rechtsfahrt, wenn der auftriebsnutzende Winkel keinen Wirkungsgrad mehr erlaubt, geht die jeweilige Flügeleinheit in die den Luftwiderstand nutzende Direkt fahrt vor dem Wind über. Hier wird die Flügeleinheit nicht direkt vom Tellerrad 40 dieses Winkeltriebes gedreht, sondern über die Achse 44 des Planetenrades 41, die sich über ein Zwischenrad 49 an einem im Verhältnis von 1 : 1 am Arm 42 fixierten Gegenrad 43 einmal pro Umdrehung zurück dreht. Der nur mit dem halben Durchmesser versehener Achsstummel 44 läuft um 12⁰⁰ gegen den doppelseitigen, mit der Flügelachse 45 verbundenen Mitnehmer 46, den er um 6⁰⁰ wieder losläßt. Gleichzeitig arretiert der Anschlag 47 die Anordnung gegen weiteres Verdrehen. Dieser Anschlag 47 wird mit dem Wiedereingreifen des Achsstummels 44, also wieder um 12⁰⁰, aufgeschoben. Während dieser halben Transportfahrt sichert die Klinke 48 den Flügel gegen ein Vordrehen.

Abschließend ist in Fig. 10 noch einmal der Ablauf einer vollständigen Umdrehung einer Flügeleinheit 1 dargestellt, die mit einer derartigen Ansteuerung ausgestattet ist und die sich zusammen mit einem starr mit dieser Einheit ver bundenen Mast 4 unter der Einwirkung des Windes bewegt, der wiederum aus der durch einen Doppelpfeil gekennzeichneten Richtung ("6 Uhr") kommt. Durch die an die jeweiligen Anströmbedingungen optimal angepaßte Kontur der Flügel einheit 1 wird die Energie des Windes weitestmöglich genutzt. Die Regelung dieser Anordnung wird auf die beschriebene Weise lastabhängig durchgeführt. Durch die den Luftwiderstand nutzende Fahrt ist eine Selbstregelung gegeben, da die Antriebswirkung der Flügel 1 mit dem Erreichen der Windgeschwindigkeit stagniert. Eine Über lastsicherung wird durch ein fliehkraftgesteuertes Weg klappen des geraden Teiles des Kurvenanschlages 15 bewerkstelligt, die damit eine Auftriebsnutzung durch Neutralstellung des Flügels 1 ausschaltet. Die im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels rein mechanisch gesteuerten Vorgänge bei Windnachführung, der Umsteuerung und der Widerstandsfahrt können selbstverständlich auch fremdgesteuert ablaufen.

Claims

1. Windrad mit um vertikale Achsen drehbar gelagerten, mit einem aerodynamischen Profil versehenen Flügelein heiten, die mit einem Abstand an einem Mast angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügeleinheiten (1, 31) an starr mit dem Mast (4, 34) verbundenen Armen (2, 3) gehaltert sind, wobei der Mast (4, 34) seinerseits drehbar gelagert ist und die Flügeleinheiten (1, 31) mit einer windrichtungsabhängigen Einstellvorrichtung (5, 35) zur Ausrichtung und Verstellung des Profils der Flügeleinheiten (1, 31) in bezug auf die Windrichtung verbunden sind, daß die aus wenigstens zwei gegeneinan der beweglich gehalterten Segmenten (8-12) gebildeten Flügeleinheiten (1, 31) zur Bildung von positionsab hängigen, aerodynamisch auftriebsnutzenden Krümmungen in der Art eines Kreisabschnittes von einer Extrem stellung über eine Neutralstellung in eine andere Extremstellung während eines Umlaufzyklusses zur Profiländerung relativ zueinander einstellbar sind und/oder eine widerstandsnutzende Einstellung der Segmente durchführbar ist.

2. Windrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügeleinheiten (1, 31) durch drei beweglich gehalterte Segmente (8, 12) gebildet und im Bereich ihrer Berührungspunkte scharnierartig verbunden sind sowie die Segmente (8, 12) mit je einer Achse in den beiden äußeren Segmenten, zwischen einer oberen und unteren Steuerplatte (17) verbunden sind.

3. Windrad nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Einstellvorrichtung (5, 35) aus einer Windfahnenanlenkung besteht.

4. Windrad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen den Flügeleinheiten (1, 31) und der Einstellvorrichtung (5, 35) auskuppelbar ausgebildet ist.

5. Windrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß mehrere Flügeleinheiten (1-31) parallel übereinander angeordnet sind.