DE19856914A1

DE19856914A1 - Vertikaler Hochleistungswindrotor

Info

Publication number: DE19856914A1
Application number: DE19856914A
Authority: DE
Inventors: Frank Katlewski
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-12-10
Filing date: 1998-12-10
Publication date: 2000-06-15

Abstract

Hauptproblem von Windkraftanlagen ist, daß diese aufgrund von komplizierter Technik sehr teuer sind und im Verhältnis dazu eine zu geringe Leistung haben. Ziel der Erfindung ist, eine effektive und kostengünstige Windkraftnutzung zu ermöglichen. Die erfindungsgemäße Windkraftmaschine ist ein Widerstandsläufer mit drei oder vier Flügeln, welche mit leichter Wölbung dicht an der Achse dem Wind eine optimale Angriffsfläche bieten Fig. 1 (1). Kennzeichnender Teil ist eine schmale senkrecht stehende Fläche auf der Windschattenseite des Rotors Fig. 1 (2). Mit zwei Drittel der Breite eines Rotorflügels deckt diese im rechten Winkel zur Windrichtung die Mitte dieser Rotorseite ab. Diese Fläche erzeugt beim Umströmen des Windes einen starken Ansaugeffekt, was für zusätzlichen Antrieb sorgt. Eine kleine Windfahne ist ausreichend, um diese schmale Fläche stets gegen den Wind zu halten Fig. 1 (3). DOLLAR A Aufgrund verhältnismäßig hoher Drehzahlen der Achse ist diese Windkraftmaschine als Groß- und Kleinanlage hervorragend zum Antrieb von Stromgeneratoren geeignet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftmaschine zur grundlegenden Verbesserung der Windkraft technologie.

Die Windkraft ist eine der hervorragendsten Energielieferanten die uns zur Verfügung steht. Sie ist sauber, unerschöpflich und wäre völlig ausreichend, um den gesamten Energiebedarf der Erde zu decken. Die Energieversorgung durch konventionelle Mittel stellt wegen seiner hohen Um weltbelastung kein geringes Problem dar und bei ständig steigendem Energiebedarf ist die Windkraft eine gute Alternative. Außerdem werden aufgrund seiner Erschöpflichkeit in der Zu kunft nicht mehr genügend Rohrstoffe zur Deckung des Energiebedarfs zur Verfügung stehen. Es ist daher gewiß, daß die Windkraft an Bedeutung zunehmen wird. Hierbei sind aber gewisse Hindernisse zu überwinden.

Ein hauptsächlicher Faktor der der Energiegewinnung durch Wind im Wege steht ist die verbes serungswürdige Windkrafttechnik. Am bekanntesten sind die horizontalachsigen zwei- oder drei flügeligen Windräder. Diese sind aber nicht sehr effektiv und haben erhebliche Probleme. Mit ihren langen von der Achse wegstrebenden Propellerflügeln sind sie einer starken Hebelwirkung ausgesetzt, weswegen die Achsen sehr schwer und stabil sein müssen. Um die Belastung der Achsen so gering wie möglich zu halten, müssen die Propeller aus sehr leichtem und hochwerti gem Material gefertigt sein, was ein großer Kostenfaktor ist. Außerdem sind zur Umlenkung der Drehbewegung von der horizontalen auf die vertikale, Winkelachsen mit aufwendiger Lagerung notwendig. Wenn dies eingespart werden soll, so ist es notwendig, den Generator oben auf dem Mast direkt hinter dem Windrad zu installieren, wozu wegen der geringen Drehzahl der Achse auch noch ein umfangreiches Getriebe gehört, was ebenfalls aufwendig ist. Dann müssen die Windräder durch einen zusätzlichen Mechanismus ständig in die richtige Position zur Wind richtung gebracht werden, was bei großen Anlagen keinen geringen Eigenbedarf an Energie be deutet. Ein weiteres Problem ist die Empfindlichkeit dieser Windräder. Damit bei zu hohen Windgeschwindigkeiten die Flügel des Windrades keinen Schaden nehmen, werden sie recht früh abgeregelt, was eine erhebliche Verringerung der Durchschnittsleistung bedeutet. Diese Faktoren machen solche Windkraftanlagen teuer und unrentabel, denn erst nach vielen Jahren Betriebszeit bringen solche Anlagen Gewinn, was dazu führt, daß der durch Windkraft erzeugte Strom teurer ist als der durch konventionelle Mittel erzeugte Strom. Ein weiterer Nachteil der großen Windräder, deren Flügelspitzen oft über 100 m hoch sind und deren Licht und Schat teneffekte störend wirken, sind, daß sie als Verschandelung der Landschaft betrachtet werden und daher nicht selten auf deren Einsatz verzichtet wird. Auch die Vertikalachsrotoren, die we gen ihrer konstruktiven Einfachheit besser sind, sind nicht zufriedenstellend, da sie wie der Dar rieus und der Savoniusrotor neben den Anlaufschwierigkeiten auch noch eine zu geringe Lei stung haben. Weitere Varianten der Vertikalachser sind die nach dem Vorbild der alten persi schen Windmühlen gebauten Windkraftmaschinen wie der DE 26 35 909 A1 und der DE 195 14 499 A1. Diese Modelle sind mit einem umfangreichen Gehäuse und einem großen trichterförmi gen Vorbau versehen, was äußerst material- und platzaufwendig ist. Im Verhältnis zur Ge samtgröße haben solche Windkraftmaschinen eine geringe Leistung, denn es darf nicht nur die Leistung des Rotors gesehen werden, sondern auch der Aufwand der dazu führt. Außerdem sorgt der große Vorbau, der zur Umlenkung des Windes dient, für eine starke Seitendrehung, so daß sich das gesamte Gefüge ständig aus dem Wind dreht. Um dies zu verhindern sind sehr große Windfahnen erforderlich oder es werden zu diesem Zweck mechanische Apparaturen notwendig. Es ergibt sich bei den Windkraftmaschinen immer das gleiche Problem: die Materialkosten und der technische Aufwand sind im Verhältnis zur Leistung viel zu hoch.

Ziel der Erfindung ist es, eine Windkraftmaschine zu schaffen, bei der diese Probleme weitge hend entfallen. Sie muß konstruktiv einfach sein, muß sehr stabil sein, darf keine hohen Kosten verursachen und muß eine hohe Leistung haben. Dies wird durch folgende Merkmale erreicht:
Ein drei- oder vierflügeliger vertikaler Windrotor, dessen Flügel gleich der Achse senkrecht ste hen und eine auf der windoffenen Seite dem Rotorkreis entsprechende nach innen gehende Krümmung aufweisen, bilden größenmäßig den Hauptteil der Windkraftmaschine. Diese Form gebung hat den Vorteil, daß der Wind direkt und ohne Umwege auf die Flügel des Windrotors wirken kann und so eine optimale Windkraftnutzung gewährleistet ist. Hauptgegenstand der er findungsgemäßen Windkraftmaschine ist aber eine schmale senkrecht stehende und der Länge des Rotors entsprechende Fläche, die sich auf der Windschattenseite des Rotors befindet. Diese Fläche hat nur zweidrittel der Breite eines Rotorflügels, ist leicht nach außen gewölbt und steht im rechten Winkel zur Windrichtung. Sie deckt, leicht nach außen versetzt, ungefähr die Mitte der Windschattenseite des Rotors ab. Diese Fläche dient nicht der Abschattung, sondern sie er zeugt beim Anströmen des Windes auf der Rückseite einen starken Ansaugeffekt, wodurch der Rotor auf dieser Seite in die gewünschte Richtung getrieben wird und die Leistung erheblich gesteigert wird. Durch diese einfache Vorrichtung wird anders als bei einem normalen Wider standsläufer die Windkraft durch eine Umkehrwirkung auf der Windschattenseite zu einem gro ßen Teil genutzt. Gemäß Patentanspruch muß Größe und Position der Luftansaugfläche genau auf den Rotor abgestimmt sein, so daß beides ein einheitliches Ganzes ergibt. Eine Veränderung der angeführten Maßbestimmungen würde einen erheblichen Leistungsverlust bedeuten.

Die Luftansaugfläche ist in jede Richtung drehbar und wird von einer Windfahne immer gegen den Wind gehalten. Ein großer Vorteil ist es, daß die Luftansaugfläche verhältnismäßig schmal ist und sich direkt am Rotor befindet und deshalb keine große Kraft erforderlich ist, um diese zu steuern, weshalb eine kleine Windfahne ausreichend ist.

Länge und Durchmesser des Rotors können den an sie gestellte Aufgaben individuell angepaßt werden. Es empfiehlt sich zur Stromerzeugung eine lange schmale Form zu wählen, wodurch der Rotor relativ hochtourig wird und Getriebe weitgehend entfallen, was eine weitere vorteilhafte Vereinfachung ist. Außerdem ist der Rotor mit seinen dicht an der Achse befindlichen Flügeln und seiner beidseitigen Lagerung sehr robust und stabil, was für hohe Windgeschwindigkeiten eine Notwendigkeit ist. Um ein Überdrehen bei zu hohen Windgeschwindigkeiten zu vermeiden, läßt sich auf einfachem Weg eine Sturmsicherung einbauen. Dies geschieht durch eine flexible Gestaltung der Luftansaugfläche. Diese befindet sich an drehbaren Gelenken, welche bei einer bestimmten Druckausübung des Windes nachgeben und sich die Luftansaugfläche zur äußeren Seite des Rotors in die Windrichtung dreht, so daß der Rotor durch den Wind gebremst wird. Bei Nachlassen des Windes drehen sich die Gelenke durch Federn in die ursprüngliche Stellung zu rück.

Der vertikale Hochleistungswindrotor ist technisch unkompliziert und benötigt keine teuren und speziellen Materialien; daher kann er sehr kostengünstig hergestellt werden. Außerdem hat er im Verhältnis zu seiner Größe eine überdurchschnittlich hohe Leistung und läuft schon bei Schwachwind problemlos an. Auch ist er in der Landschaft bedeutend unauffälliger als die ein gangs erwähnten großen Windräder mit ihren langen Propellerflügeln.

Der vertikale Hochleistungswindrotor ist als Groß- und Kleinanlage eine hervorragende Mög lichkeit zur alternativen Energiegewinnung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wir im folgenden näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt die gesamte Windkraftmaschine im Querschnitt. Der Rotor 1 mit seinen speziell ge krümmten Flügeln. Position und Breite der Luftansaugfläche 2 sind deutlich dargestellt. Die Windfahne 3 lenkt durch ein Gestänge die Luftansaugfläche 2 gegen den Wind. An der hinteren Seite der Luftansaugfläche befindet sich ein Gelenk 4, welches bei zu hoher Windgeschwindig keit nachgibt und sich so die Luftansaugfläche bis zu einem gewissen Grad in die Windrichtung dreht und damit den Rotor bremst.

Fig. 2 zeigt die Seitenansicht der gesamten Windkraftmaschine. Den Rotor 1 mit seiner Achse und deren Lagern. An der äußeren linken Seite ist noch die Luftansaugfläche 2 mit seinem Dreh gelenk 4 zu sehen, welche sich auf der Windschattenseite des Rotors befindet. Eine verhältnis mäßig kleine Windfahne 3 ist ausreichend, um die Luftansaugfläche gegen den Wind zu lenken. Die gesamte Konstruktion wird durch einen Mast 5 oder durch eine Abspannung gehalten.

Claims

Ein drei- oder vierflügeliger vertikaler Windrotor mit geschwungenen Flügeln.
Dadurch gekennzeichnet, daß sich auf der Windschattenseite des Rotors eine Luftansaugfläche befindet. Diese Vorrichtung bewirkt auch einen Antrieb auf dieser Seite. Größe und Position sind genau auf den Rotor abgestimmt.
Mit gleicher Länge des Rotors hat die Luftansaugfläche eine Breite die zweidrittel der Breite eines Rotorflügels entspricht. Leicht nach außen versetzt deckt diese ungefähr die Mitte der Windschattenseite des Rotors ab.
Mit leichter Wölbung nach außen steht sie dicht vor dem Rotor im rechten Winkel zur Wind richtung und wird durch eine Windfahne stets gegen den Wind gehalten.