DE202004018879U1

DE202004018879U1 - Wind- und Wasserkraftanlage mit Vertikalrotoren

Info

Publication number: DE202004018879U1
Application number: DE202004018879U
Authority: DE
Original assignee: GRUNDSKE KARLHEINZ
Current assignee: GRUNDSKE KARLHEINZ
Priority date: 2004-12-07
Filing date: 2004-12-07
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2014-12-08

Abstract

Wind- und Wasserkraftanlage mit Vertikalrotoren dadurch gekennzeichnet, daß diese mit zwei Vertikalrotoren ausgeführt ist, bei welchen die beiden sich gegenläufig drehenden Schaufelzylinder (1) mit halbkreisförmig offenen Schaufeln (2) ausgestattet sind, die mit einem Schaufeldurchmesser (1) ausgestattet sind, welcher dem halben Durchmesser der Schaufelzylinder (1) entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wind- und Wasserkraftanlage, welche sich zweier vertikal angeordneter Rotoren bedient, welche gegenläufig angetrieben werden, wobei die Umströmung an ihrem äußeren Umfang erfolgt. Der Einsatz der erfindungsgemäßen Wind- und Wasserkraftanlage erfolgt vorzugsweise zur alternativen Energieversorgung von Einfamilien- und Mehrfamilienhäusern sowie autarken Inselanlagen, welche beispielsweise weit von einem Gebiet mit Energieversorgung entfernt sind.
Bisher ist mit der DE G 91 12 938.9 eine Vertikalachsen-Windkraftanlage mit vorgeschaltetem Druckenergiewandler bekannt welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Luftströmung über Leitbleche einem in der Mitte geteilten, rechteckigen Düsenkasten zugeführt wird. Die natürliche Druckenergie der Luftströmung wird in Geschwindigkeitsenergie umgewandelt, wozu Laufschaufeln angeströmt werden. Die rotierenden topfförmigen Windräder drehen Vertikalachsen in mechanischen, beziehungsweise elektrischen Wandlersystemen gegenläufig um einen Drehpunkt, wobei Druckenergiewandler vorgeschaltet sind.
Dieser Lösung haftet jedoch der Nachteil an, daß der mittig angeordnete geteilte rechteckige Düsenkasten mit seinem dreieckförmigen Mittelteil keinen optimalen Strömungsverlauf der Luft zuläßt, wodurch zwangsweise Strömungsverluste damit verbunden sind. Außerdem bedient sich die Anlage von außen angeordneten gewölbten Windleitflächen, welche einer freien Strömung entgegenstehen und zu unerwünschten Turbulenzen führen, welche die Energieausbeute der Anlage negativ beeinflussen.
Ferner ist mit der DE 199 57 141 die weitere Lösung einer Windkraftanlage mit Vertikalrotoren und Frontalanströmung nach dem Durchströmprinzip arbeitend bekannt, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die dabei gewählten gegenläufig laufenden Rotoren mit drei aerodynamsich ausgestalteten Flügeln mit einer hakenförmigen Windfangleiste ausgestattet sind, die Rotoren ihre Windzufuhr über die gesamte Frontfläche des Frontanströmbereiches erfahren und diese über eine Einleitflächenkonstruktion zugeführt und eingetrichtert wird. Diese Windkraftanlage ist zudem mit einer Nachführeinrichtung mittels eines Drehkranzes ausgestattet, wodurch die Anlage ständig zentrisch vom Wind angeströmt wird.
Dieser Anlage haftet jedoch der Nachteil an, daß sie, bedingt durch ihre gewählte technisch-konstruktive Ausführung einen sehr hohen Aufwand beim Bau verursacht, wodurch sie auch kostenmäßig negativ, wegen zu hoher Gesamtkosten zu bewerten ist und für kleinere Anlagen einfach unrentabel wird. Der Druckaufbau vor dem Rotor führt zu einer starken Behinderung der Durchströmung der Rotoren.
Dadurch kommt es zu Schwingungen, welche die gesamte Anlage in einen unruhigen Lauf versetzen und sich negativ auf die Lagerung auswirken.
Weiterhin ist mit der DE 201 15 368 eine Wind- und Wasserkraftanlage mit zwei gegeneinander laufenden vertikalen Durchströmrotoren bekannt. Diese Anlage arbeitet in ein- und mehretagiger Ausführung bei vollständiger Frontströmungseinleitung sowie symmetrischer Umströmung. Dabei ist diese Anlage dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Rotoren wahlweise mit entweder vier- oder fünf aerodynamischen Flügeln ausgestattet sind, wobei die äußere Begrenzung der Anlage durch große beidseitige Außenleitflächen abschließt sowie hinter den Rotoren ein mittlerer Leitflächenkorpus angeordnet ist. Der gesamte Maschinenaufbau sitzt auf einem stabilen Drehkranz auf.
Diese Lösung ist wiederum vorzugsweise für Großanlagen geeignet und ist mit einem relativ hohen Anlagenaufwand zu ihrer Errichtung verbunden. Durch erheblichen technisch-konstruktiven Aufwand ist diese Anlage nur kostenungünstig erstellbar. Diese gewählte Lösung ist daher auch nur bedingt für Kleinanlagen einsetzbar. Dieser Anlage haftet konstruktiv insbesondere der Nachteil an, daß es im Bereich der vorderen Nase des mittleren Einleitflächenkorpus zur Windstauung kommt, wodurch eine unerwünschte teilweise Umströmung der Anlage entsteht, die sich letzlich negativ auf die erzielte Energiebilanz auswirkt.
Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe eine Wind- und Wasserkraftanlage mit zwei Vertikalrotoren zu schaffen, welche kostengünstig für relativ kleine Anlagen durch überschaubaren Bauaufwand realisierbar ist und alternativ sowohl als Wind- und auch als Wasserkraftanlage eingesetzt werden kann. Die erfindungsgemäße Lösung soll sowohl für Einfamilien- als auch für Mehrfamilienhäuser günstig einsetzbar sein, aber auch für autarke Inselanlagen welche sich fernab von Energienetzen befinden, wo beispielsweise Energiebedarf zum Antrieb von Wasserpumpen besteht, oder aber auch Batterieanlagen gespeist werden müssen. Das grundsätzliche Ziel der erfindungsgemäßen Lösung ist es, die Energieversorgung von Objekten kostengünstig, beziehungsweise zumindest kostenmindernd zu realisieren.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht in einer vorzugsweisen Windkraftanlage unter Einsatz von Vertikalrotoren, welche sich durch eine besondere Abstimmung wie Optimierung ihrer einzelnen Bauteile zueinander auszeichnet und wobei der Grundkörper der Anlage stromlinienförmig vom Luftstrom umflossen wird. Die besonderen Effekte werden bei der erfindungsgemäßen Anlage durch spezifisch gewählte Dimensionierungen sowie voneinander abhängige Größenverhältnisse erzielt. Dabei beträgt die Abmessung der vorzugsweisen Windkraftanlage in ihrer Anlagenlänge der doppelten Anlagenbreite.
Bezüglich der Längsachse ist die Windkraftanlage symmetrisch ausgeführt. Sie besitzt dabei zwei symmetrisch angeordnete Schaufelrotoren mit einem besonders dimensionierten Durchmesser. Der Durchmesser der jeweiligen Schaufelzylinder entspricht dabei dem doppelten Durchmesser der eingesetzten Schaufeln.
Die Drehrichtung der beiden Schaufelrotoren ist gegenläufig, bedingt durch die gegenläufige Anordnung der beiden Schaufeln. Die Anzahl der Schaufeln an den Schaufelzylindern variiert in Abhängigkeit vom Durchmesser der Rotoren. Die einzelnen Schaufeln der beiden Rotoren an den Schaufelzylindern weisen in ihrer Gestalt offene Halbkreise auf. Deren Durchmesser beträgt dabei maßlich dem halben Durchmesser der einzelnen Schaufelzylinder.
Unmittelbar an den unteren Enden der Wellen beider Rotoren ist jeweils ein Generator angeflanscht, wobei die Ausführung mit einer Kupplung als bessere Servicemöglichkeit im Falle einer Havarie zu bevorzugen ist. Die Lager der rotierenden Wellen sind zur Gewährleistung von niedrigen Reibungsverlusten als Leichtlauflager ausgeführt. Der Abstand der Rotormittelpunkte, gemessen von der Anströmseite und hier von der mittigen Anströmfläche ist kleiner als der Radius des gedachten Kreisdurchmessers der Breite der Windkraftanlage des Kreisausschnittes der Anströmfläche. Somit ist die Breite der Windkraftanlage Null kleiner dem Abstand der Rotorwelle von der Windanströmfläche, kleiner der halben Breite der Windkraftanlage. Der Abstand der Rotorwellen zur Symmetrielinie ist kleiner als eine Rotorhälfte. Der Abstand der Rotorwelle bis zur Mitte der Windanströmfläche dagegen ist größer als der Abstand der Rotorwelle von der Symetrielinie. Der Abstand der Rotorwelle von der Symmetrielinie und der Abstand der Rotorwelle von der Windanströmfläche sind voneinander abhängig. Grundsätzlich sind sämtliche Variablen der Konstruktion voneinander abhängig und stehen in einer Wechselbeziehung zueinander.
Die Ausrichtung in die Windströmung erfolgt selbständig durch ein Leitwerk, beziehungsweise über eine an sich bekannte elektronische Steuerung.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt:
1: den Querschnitt einer Vertikalwindkraftanlage
2: Querschnitt mit Dimensionierung der Windkraftanlage
Eine Wind- und Wasserkraftanlage ist mit zwei Vertikalrotoren ausgestattet. Diese bestehen aus Schaufelzylindern 1, welche mit Schaufeln 2 ausgestattet sind. Die Windkraftanlage ist dabei symmetrisch ausgeführt und weist eine Symmetrielinie 3 auf. Die Schaufeln 2 als offene Halbkreise ausgeführt, sind mit einem Schaufeldurchmesser 4 ausgestattet, welcher dem halben Durchmesser der Schaufelzylinder 1 entspricht. Die erfindungsgemäße Windkraftanlage ist mit einer Gehäusegrundplatte 5 sowie in Richtung hinterem Ende der Anlage mit einem spitz zulaufenden Windleitblech 6 ausgestattet. An der Vorderseite der Anlage ist eine gewölbte Windanströmfläche 7 angeordnet, auf welche der Wind auftrifft und nachfolgend der Wölbung der Windanströmfläche folgend, auf die gegenläufig arbeitenden beziehungsweise drehenden Schaufeln 2 der Schaufelzylinder 1 geleitet wird. Die beiden Schaufelzylinder der Rotoren sind mittig mit einer Rotorwelle 8 ausgestattet, welche zur Verringerung der Reibungsverluste in Leichtlauflagern gelagert ist.
Der Durchmesser s der Schaufelzylinder 1 beträgt im Verhältnis zu den jeweils gegenüber liegenden Schaufeln 2 ihrem doppelten Schaufeldurchmesser 1. Die Anzahl der Schaufeln 2 variiert dabei in Abhängigkeit vom Durchmesser der Schaufelzylinder s. Die als offene Halbkreise ausgeführten Schaufeln 2 weisen einen Durchmesser auf, welcher der gekrümmten Breite der Schaufeln 1 selbst entspricht. Der Abstand der Rotormittelpunkte y vom Scheitelpunkt der Windanströmfläche 7 ist kleiner als der Radius des gedachten Kreisdurchmessers der Breite der Windkraftanlage b des Kreisausschnittes der Windanströmfläche 7. Somit ist b = 0 < y < b/2. Der Abstand x der Rotorwelle 8 von der Symmetrielinie 3 ist kleiner als eine Hälfte des Schaufelzylinders 1. Der Abstand y der Rotorwelle 8 bis zur Mitte der Windanströmfläche 7 dagegen ist größer als der Abstand x. Der Abstand der Rotorwelle 8 von der Symmetrielinie 3 und der Abstand der Rotorwelle 8 von der Windanströmfläche 7 sind voneinander abhängig. Die Länge 2b, beziehungsweise Tiefe der Windkraftanlage beträgt das Doppelte der Breite b der Windkraftanlage.

1: Schaufelzylinder
2: Schaufel
3: Symmetrielinie
4: Schaufeldurchmesser
5: Gehäusegrundplatte
6: Windleitblech
7: Windanströmfläche
8: Rotorwelle
b: Breite der Windkraftanlage
2b: Länge der Windkraftanlage
x: Abstand der Rotorwelle von Symmetrielinie
y: Abstand der Rotorwelle von Windanströmfläche
s: Durchmesser der Schaufelzylinder
l: Durchmesser der Schaufeln
a: Drehrichtung der Rotoren
v: Windanströmung

Claims

Wind- und Wasserkraftanlage mit Vertikalrotoren dadurch gekennzeichnet, daß diese mit zwei Vertikalrotoren ausgeführt ist, bei welchen die beiden sich gegenläufig drehenden Schaufelzylinder (1) mit halbkreisförmig offenen Schaufeln (2) ausgestattet sind, die mit einem Schaufeldurchmesser (1) ausgestattet sind, welcher dem halben Durchmesser der Schaufelzylinder (1) entspricht.
Wind- und Wasserkraftanlage mit zwei Vertikalrotoren nach Punkt 1 dadurch gekennzeichnet, daß diese symmetrisch um eine Symmetrielinie (3) ausgeführt ist, an ihrer Vorderfront mit einer Windanströmfläche (7) sowie seitlich nach hinten mit einem spitz zulaufenden Windleitblech (6) ausgestattet ist und auf einer Gehäusegrundplatte (5) aufgebaut ist.
Wind- und Wasserkraftanlage mit zwei Vertikalrotoren nach den Punkten 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schaufelzylinder (1) mittig mit einer Rotorwelle (8) ausgestattet ist, welche zur Verringerung der Reibungsverluste in Leichtlauflagern gelagert ist.
Wind- und Wasserkraftanlage mit zwei Vertikalrotoren nach den Punkten 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (s) der Schaufelzylinder (1) im Verhältnis zu den jeweils gegenüber liegenden Schaufeln (2) ihrem doppelten Schaufeldurchmesser (1) entspricht und die Anzahl der Schaufeln (2) in Anhängigkeit vom Durchmesser der Schaufelzylinder (s) variiert.
Wind- und Wasserkraftanlage mit zwei Vertikalrotoren nach den Punkten 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die als Halbkreise ausgeführten Schaufeln (2) einen Durchmesser aufweisen, welcher der gekrümmten Breite der Schaufeln (1) selbst entspricht.
Wind- und Wasserkraftanlage mit zwei Vertikalrotoren nach den Punkten 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Rotormittelpunkte (y) vom Scheitelpunkt der Windanströmfläche (7) kleiner ist als der Radius des gedachten Kreisdurchmessers der Breite der Anlage (b) des Kreisausschnittes der Windanströmfläche (7).
Wind- und Wasserkraftanlage mit zwei Vertikalrotoren nach den Punkten 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (x) der Rotorwelle (8) von der Symmetrielinie (3) kleiner ist als eine Hälfte des Schaufelzylinders (1) und der Abstand (y) der Rotorwelle (8) bis zur Mitte der Windanströmfläche (7) hingegen größer ist als der Abstand (x).
Wind- und Wasserkraftanlage mit zwei Vertikalrotoren nach den Punkten 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Rotorwelle (8) von der Symmetrielinie (3) und der Abstand der Rotorwelle (8) von der Windanströmfläche (7) voneinander abhängig sind.
Wind- und Wasserkraftanlage mit zwei Vertikalrotoren nach den Punkten 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der gesamten Anlage (2b) dem doppelten Maß der Breite (b) der Anlage beträgt.