DE19950103A1

DE19950103A1 - Windkraftanlage

Info

Publication number: DE19950103A1
Application number: DE19950103A
Authority: DE
Inventors: Konstantin Stachnow
Original assignee: BM MACHMADOW DEUTSCHLAND GmbH
Current assignee: BM MACHMADOW DEUTSCHLAND GmbH
Priority date: 1999-10-18
Filing date: 1999-10-18
Publication date: 2001-04-26
Anticipated expiration: 2019-10-19
Also published as: DE19950103C2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einer rotierenden Welle, einem Getriebe und wenigstens einem Generator, wobei an der Welle Flügel angeordnet sind. Die Flügel weisen zwei Flügelflächen auf, welche im Winkel zueinander angeordnet sind. Die erste Flügelfläche ist nach unten sich verjüngend ausgebildet. Mit ihrem oberen Ende sind die Flügel mittels Speichen an der Welle befestigt. Darüber hinaus sind stabilisierende Elemente in Form von Gewichten vorgesehen, die gleichzeitig an den Speichen sowie an teleskopartig ausziehbaren Querträgern befestigt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage.

Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, eine Windkraftmaschine anzugeben, welche sehr einfach im Aufbau ist und einen hohen Wirkungsgrad aufweist.

Dieses technische Problem wird dadurch gelöst, dass die Windkraftmaschine einen rotierenden, Energie übertra genden Grundkörper, beispielsweise in Form einer vertikalen Welle aufweist, dass darüber hinaus wenigstens ein Ge triebe, wenigstens ein Generator sowie schräg angeordnete Flügel, welche mit der vertikalen Welle verbunden sind, vorgesehen sind.

Jeder der Flügel weist zwei Flügelflächen auf, wobei wenigstens eine Flügelfläche sich von oben nach unten ver jüngend ausgebildet ist. Die Flügelflächen sind in einem bestimmten Winkel zueinander angeordnet. Der Winkel beträgt vorzugsweise 45°. Es sind jedoch auch andere Winkelstel lungen zwischen 10° und 80° möglich.

Die beiden Flügelflächen der Flügel weisen unter schiedliche Größen auf. Die kleinere Flügelfläche kann sehr klein, beispielsweise als abgewinkelte Kante ausgebildet sein. Sie kann aber auch halb so groß oder fast so groß wie die größere Flügelfläche ausgebildet sein.

Die Flügel sind mit ihrem oberen Ende mit Abstand zu der Welle angeordnet. Mit ihrem unteren Ende sind die Flü gel an der Welle angelenkt.

Die Flügel sind mit ihrem oberen Ende mit Speichen an der vertikalen Welle angeordnet. Die Speichen sind in einer Grundstellung schräg nach unten ausgerichtet. Zusätzlich sind an den Speichen stabilisierende Elemente in Form von Gewichten vorgesehen.

Vorteilhaft sind die Enden der Speichen mit der verti kalen Welle durch teleskopartig ausgebildete Querträger verbunden.

An den Speichen sind zusätzliche Flügel angeordnet. Diese zusätzlichen Flügel sind schräg nach unten ausge richtet und zwar in einem Winkel zwischen 10° und 80° zur Vertikalen. Vorzugsweise beträgt der Winkel 45°. Die zu sätzlichen Flügel sind vorteilhaft an den Speichen drehbar angeordnet, so dass diese in eine beliebige Winkelposition gebracht und in dieser Winkelposition fixiert werden kön nen.

Die erfindungsgemäße Windkraftmaschine weist vorteil haft mehrere Generatoren auf, welche symmetrisch um die Hauptachse der vertikalen Welle angeordnet sind.

Die Flügel, die aus zwei Flügelflächen bestehen, bil den die Hauptangriffsfläche für den Wind. Der Wind trifft auf die Flügelflächen der Flügel. Die Flügel sind in einem bestimmten Winkel zueinander angeordnet. Bei Auftreffen des Windes ist der Winkel zwischen den einzelnen Flügeln relativ groß, und die effektive Fläche, auf die der Wind trifft, ist ebenfalls maximal. Hierdurch wird der Wirkungs grad der erfindungsgemäßen Vorrichtung optimal.

Durch die Verbindung der Flügel mit der Welle ist der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung sehr einfach.

Dadurch, dass die Speichen mit stabilisierenden Ele menten in Form von Gewichten ausgerüstet sind, welche mit der Welle durch teleskopartig ausgebildete Querträger ver bunden sind, wird das Risiko, dass die Vorrichtung bei sehr starken Winden außer Kontrolle gerät, minimiert.

Bei sehr starken Winden steigt die Winkelgeschwindig keit der Windkraftanlage. Hierdurch steigt ebenfalls die auf die stabilisierenden Elemente wirkende Zentrifugal kraft. Die teleskopartig ausgebildeten Träger nehmen an Länge zu, und die Speichen, an denen die stabilisierenden Elemente ebenfalls angeordnet sind, gehen in eine Lage über, welche im Extremfall einem Winkel von 90° oder annä hernd 90° zu der Welle entspricht.

Die stabilisierenden Elemente werden in diesem Fall also in eine Position gebracht, derart, dass die Speichen in eine Position senkrecht zu der Welle gelangen. Die tele skopartigen Querträger werden hierdurch länger, wie schon ausgeführt. Dadurch, dass die Speichen in eine waagerechte oder annähernd waagerechte Position gelangen und die tele skopartig ausgebildeten Querträger länger werden, gleiten die Flügel, die an den teleskopartig ausgebildeten Querträ gern beweglich gelagert sind, mit ihrem oberen Ende in Richtung der senkrecht angeordneten Welle.

Da die Flügel derart angeordnet sind, dass sie anein ander stoßen, decken sich die Flügel, wenn sie sich mit ih rem oberen Ende in Richtung Welle bewegen, gegenseitig ab. Hierdurch wird die Windangriffsfläche insgesamt minimiert, so dass sich das Windrad bei starken Winden verlangsamt oder zumindest sich nicht mehr schneller dreht.

Die Flügel sind derart angeordnet, dass eine seitliche Kante eines Flügels an der abgewinkelten Kante des benach barten Flügels anliegt. Bewegen sich die Flügel mit ihrem oberen Ende in Richtung Welle, so verändert sich der Winkel der Flügel, da die Kanten der größeren Flügelflächen an den kleineren abgewinkelten Flügelflächen entlangrutschen. Auch hierdurch wird erreicht, dass die effektive Windangriffs fläche geringer wird.

Nimmt die Kraft des Windes ab, und die Winkelge schwindigkeit der Welle reduziert sich, dann nimmt auch die Zentrifugalkraft ab, welche auf die stabilisierenden Ele mente wirkt. Die stabilisierenden Elemente bewegen sich hierdurch nach unten, und die Speichen bewegen sich eben falls von der horizontalen Position in eine abgewinkelte Position. Die teleskopartig ausgebildeten Querträger werden hierbei eingefahren, und die Flügel bewegen sich mit ihrem oberen Ende nach außen von der Welle weg.

Auf diese Art und Weise wird die Winkelgeschwindigkeit der Windkraftanlage reguliert, so dass die Anlage nicht zu Schaden kommt und mit großer Zuverlässigkeit arbeitet.

Die Anordnung von zusätzlichen Flügeln an den Speichen unterstützt die Effektivität der Vorrichtung. Die zusätzli chen Flügel sind schräg nach unten ausgerichtet. Hierdurch wird zusätzlich Wind "eingefangen", und die Luft wird durch das Innere der Vorrichtung nach unten geleitet. Im mittle ren oder unteren Bereich tritt die Luft aus der Windkraft anlage aus und unterstützt hierbei die Drehbewegung.

Wie bei herkömmlichen Windkraftanlagen wird die Dreh bewegung der Welle auf ein Zahnrad übertragen. Über ein Ge triebe erfolgt eine Kraftübertragung auf einen oder mehrere Generatoren.

Weitere Einzelheiten der Erfindung können den Unter ansprüchen entnommen werden.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Er findung dargestellt, und zwar zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in An sicht;

Fig. 2 eine Einzelheit der Windkraftanlage in An sicht bei normalem Wind;

Fig. 3 eine Einzelheit der Windkraftanlage in An sicht bei starkem Wind;

Fig. 4 eine Ansicht eines Teiles der Windkraftan lage;

Fig. 5 eine Teilansicht der erfindungsgemäßen Wind kraftanlage von oben bei normalem Wind;

Fig. 6 eine Teilansicht von oben der Windkraftan lage bei starkem Wind.

Fig. 1 zeigt eine Windkraftmaschine mit einer Welle (1) und einer Antriebsvorrichtung, welche aus einem Zahnrad (2), einem Getriebe (3) und einem Generator (4) besteht.

Die Windkraftanlage weist Flügel (5) auf. Jeder Flügel (5) besteht aus zwei Flügelflächen (6, 7), welche von der Spitze zum Boden hin sich verjüngend ausgebildet und mit einem bestimmten Winkel zueinander angeordnet sind.

Die Flügelfläche (6) ist größer ausgebildet als die Flügelfläche (7). Die Flügel (5) sind mit der Welle (1) durch Speichen (8) verbunden. Die Speichen (8) sind schräg angeordnet und mit stabilisierenden Elementen (9) versehen.

Die Flügel (5) sind mit ihrem unteren Ende an der Welle (1) angelenkt.

Gemäß Fig. 2 sind stabilisierende Elemente (9) an den Speichen (8) und an teleskopartig ausgebildeten Querträgern (10) angeordnet.

Dreht sich die Windkraftanlage sehr schnell, wirkt die Zentrifugalkraft auf das stabilisierende Element (9), so dass sich das stabilisierende Element (9), wie in Fig. 3 dargestellt, nach oben bewegt, so dass die Speiche (8) eine vertikale oder annähernd vertikale Position einnimmt. Der teleskopartig ausgebildete Querträger (10) fährt hierbei aus. Der Flügel (5) bewegt sich hierbei in Richtung der Welle (1), so dass der Winkel a zwischen der Welle (1) und dem Flügel (5) kleiner wird.

Gemäß Fig. 1 sind zusätzliche Flügel (11) an den Spei chen (8) befestigt.

Um eine gleichmäßige Aufladung zu erzielen, ist die erfindungsgemäße Windkraftanlage mit mehreren Generatoren (4) ausgestattet, welche symmetrisch um die Rotationsachse der Welle (1) angeordnet sind. Die Welle (1) ist über eine Muffe (12) in einem Lagerkragen (13) drehbar angeordnet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet folgenderma ßen:
Die Luft trifft auf die Flächen (6, 7) der Flügel (5). Die Vorrichtung beginnt sich um die Achse der Welle (1) mit den Flügeln (5) zu drehen.

Die zusätzlichen Flügel (11), die im oberen Bereich der Vorrichtung angeordnet sind, fangen ebenfalls Luft ein und leiten diese auf die Flügel (5), so dass ein zusätzli cher Luftdruck auf die Flügel (5) wirkt und die Effekti vität der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhöht wird.

Die Rotationsbewegung der Welle wird über das Zahnrad (2) und das Getriebe (3) auf die Generatoren (4) übertra gen. Hier wird die elektrische Energie erzeugt, die dem Verbraucher zur Verfügung steht.

Wenn der Wind an Stärke zunimmt und eine bestimmte Winkelgeschwindigkeit der Welle (1) erreicht ist, wirkt die Zentrifugalkraft auf die stabilisierenden Elemente (9), so dass diese, relativ gesehen, nach oben bewegt werden. Die Speichen nehmen hierbei, wie schon ausgeführt, eine nahezu senkrechte Position zu der Welle (1) ein, und die teleskop artig ausgebildeten Querträger (10) werden ausgezogen, wie in Fig. 3 dargestellt.

Gemäß Fig. 4 ist gezeigt, wie der Flügel (5) mit sei nem oberen Ende in dem teleskopartig ausgebildeten Querträ ger (10) eingehängt ist. Bei höheren Winkelgeschwindigkei ten bewegt sich der teleskopartig ausgebildete Querträger (10) in die gestrichelt dargestellte Position (10'). Da der Flügel (5) in seiner Länge unveränderlich ist, bewegt er sich in Richtung der Welle (1) in die ebenfalls gestrichelt dargestellte Position (5'). Hierzu muss der Flügel (5) einen Widerstand (15) überwinden. Die Speiche (8) nimmt eine waagerechte Position (8') ein.

Fig. 5 zeigt die an der Welle (1) über die Speichen (8) befestigten Flügel (5), die aus den Flügelflächen (6, 7) bestehen. Am Ende der Speichen (8) sind die stabilisie renden Elemente (9) angeordnet. An den Speichen (8) sind zusätzlich die weiteren Flügel (11) angeordnet.

Gemäß Fig. 6 sind die Flügel (5) in Richtung der Welle (1) verschoben, dadurch, dass sich die Speichen (8), wie in Fig. 3 dargestellt, angehoben haben.

Die hinteren Kanten (14) der Flügel (5) haben sich, wie in Fig. 6 dargestellt, auf den Flächen (7) entlangge schoben. Die Winkel zwischen den Flügeln (5) haben sich da durch verändert. Auch die Windangriffsfläche hat sich ver ringert.

Hierdurch wird die Winkelgeschwindigkeit der Wind kraftanlage vermindert.

Aufgrund der Reduzierung der Winkelgeschwindigkeit der Welle (1) nimmt auch die Zentrifugalkraft, welche auf die stabilisierenden Elemente (9) wirkt, ab. Die stabilisieren den Elemente (9) gehen in ihre ursprüngliche Position zu rück. Die Flügel (5) wandern mit ihrem oberen Ende nach außen, und die Flächen (6, 7) geraten erneut unter Luft druck.

Durch die Schrägstellung der Flügel (5) und durch die Ausbildung der Flügel (5) mit zwei Flügelflächen (6, 7), welche unterschiedliche Größen aufweisen, und dadurch, dass die Flügel (5) von der Spitze zum Boden hin sich verjüngend ausgebildet sind und mit einem bestimmten Winkel zu den benachbarten Flügeln angeordnet sind, werden die aerodyna mischen Kräfte gut genutzt, so dass das Gewicht der gesam ten Vorrichtung kompensiert wird und den Lagerkragen (13) entlastet. Hierdurch ist eine große Stabilität der Wind kraftanlage gegeben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ar beitet mit einer sehr großen Zuverlässigkeit.

Die Windkraftanlage kann verschieden große Durchmesser und Höhen aufweisen. Von den Durchmessern ist auch das Ge wicht der stabilisierenden Elemente (9) abhängig.

Das Gewicht der stabilisierenden Elemente nimmt vor teilhaft proportional mit dem Durchmesser der Windkraft anlage zu.

Bei einem Durchmesser von beispielsweise fünf Metern weisen die stabilisierenden Elemente jeweils ein Gewicht von fünf Kilogramm auf. Bei einem Durchmesser von zehn Me tern sind die stabilisierenden Elemente mit einem Gewicht von zehn Kilogramm ausgestattet. Bei 20 Metern Durchmesser wiegen die stabilisierenden Elemente jeweils 20 Kilogramm.

Es ist jedoch nicht erforderlich, dass das Gewicht der stabilisierenden Elemente proportional mit dem Durchmesser der Windkraftanlage zunimmt. Das heißt, es ist auch eine andere Dimensionierung der stabilisierenden Elemente mög lich.

Die Speichen (8) sind an der Welle in vertikaler Rich tung beweglich angeordnet. In horizontaler Richtung sind sie fest, damit eine optimale Kraftübertragung auf die Welle (1) stattfindet.

Bezugszahlen

1

Welle

2

Zahnrad

3

Getriebe

4

Generatoren

5

,

5

' Flügel

6

große Flügelfläche

7

kleine Flügelfläche

8

,

8

' Speichen

9

,

9

' stabilisierende Elemente

10

,

10

' teleskopartig ausgebildeter Querträger

11

zusätzliche Flügel an den Speichen

12

Muffe

13

Lagerkragen

14

Kante der Flügelfläche (

6

)

15

Widerstand

Claims

1. Windkraftanlage mit einem rotierenden, kraftüber tragenden Grundkörper, mit einem Getriebe und wenigstens einem Generator, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1) vertikal oder annähernd vertikal angeordnet ist, dass an dem Grundkörper (1) Flügel (5) an geordnet sind, dass die Flügel (5) zwei Flügelflächen (6, 7) aufweisen, welche in einem Winkel zueinander angeordnet sind, dass wenigstens die erste Flügelfläche (6) sich nach unten verjüngend ausgebildet ist, und dass die Flügel (5) mit ihrem oberen Ende mittels Speichen (8) an dem Grund körper (1) befestigt sind.

2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass stabilisierende Elemente (9) in Form von Ge wichten vorgesehen sind, und dass die stabilisierenden Elemente (9) mittels teleskopartig ausgebildeter Querträger (10) mit dem Grundkörper (1) verbunden sind.

3. Windkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die stabilisierenden Elemente (9) zusätzlich an den Speichen (8) befestigt sind.

4. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die Flügel (5) winklig zueinander angeordnet sind.

5. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die erste Flügelfläche (6) eine größere Flü gelfläche als die zweite abgewinkelte Flügelfläche (7) aufweist.

6. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass beide Flügelflächen (6, 7) der Flügel (5) sich nach unten verjüngend ausgebildet sind.

7. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass der Winkel zwischen der ersten und der zwei ten Flügelfläche (6, 7) zwischen 10° und 80° liegt.

8. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass der Winkel zwischen der ersten und der zwei ten Flügelfläche (6, 7) 45° beträgt.

9. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass im oberen Bereich der Windkraftanlage wei tere Flügel (11) angeordnet sind.

10. Windkraftanlage nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, dass die weiteren Flügel (11) an den Speichen (8), mit denen die ersten Flügel (5) mit dem Grundkörper (1) verbunden sind, befestigt sind.

11. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die weiteren Flügel (11) schräg nach unten angeordnet sind, und zwar mit einem Winkel zwischen 10° und 80° zur Vertikalen.

12. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die weiteren Flügel (11) schräg nach unten angeordnet sind, und zwar mit einem Winkel von 45° zur Ver tikalen.

13. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die weiteren Flügel (11) an den Speichen (8) um diese drehbar und in verschiedenen Winkelstellungen fixierbar angeordnet sind.

14. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass in einer Grundstellung zwischen den Speichen (8) und einer Achse des Grundkörpers (1) ein Winkel kleiner als 90° vorgesehen ist.

15. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die Speichen (8) in Drehrichtung der Wind kraftanlage fest an dem Grundkörper (1) angeordnet sind, und dass die Speichen (8) schwenkbar um den Befestigungs punkt der Speichen (8) an dem Grundkörper (1) angeordnet sind, derart, dass der Winkel zwischen den Speichen (8) und dem Grundkörper (1) größer als der Winkel in der Grundstel lung ist.

16. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die Flügel (5) mit ihren oberen Enden ver schiebbar an den Speichen (8) und/oder den Querträgern (10) angeordnet sind.

17. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die unteren Enden der Flügel (5) an dem Grundkörper (1) angelenkt sind.

18. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass der Grundkörper (1) als eine Welle ausge bildet ist.

19. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass mehrere Generatoren (4) vorgesehen sind, die rotationssymmetrisch um die Welle (1) herum angeordnet sind.