DE202005009164U1 - Vertikalachsen-Windrad System - Google Patents

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    • Y02E10/74Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Abstract

Vertikalachsen-Windrad System (1), mit
einer zentralen feststehenden Achse (4) und einer sich um diese feststehende Achse (4) drehenden Rotationsachse (5),
wenigstens einem Windrad (3, 103, 203, 303) mit drei mit der Rotationsachse (5) verbundenen Windschaufeln (7) oder -flügeln (51, 54), die mit gleichem Winkelabstand voneinander angeordnet sind,
wenigstens ein Permanent-Magnet-Generator (15, 16) vorgesehen ist, dessen Pole an der Rotationsachse (5) und dessen Anker (17) mit seinen Ankerwicklungen (20) an der feststehenden Achse (4) angeordnet sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Vertikalachsen-Windrad System, das insbesondere zum Erzeugen von elektrischem Strom dient.
  • Seit geraumer Zeit wird versucht, elektrischen Strom anders als durch Kernkraft oder die Verbrennung fossiler Brennstoffe zu Erzeugen. Für die Ausnutzung der Windenergie wurden zum Teil groß dimensionierte Windräder geschaffen, die in der Regel eine horizontale Drehachse aufweisen und ein Windrad mit drei Flügeln sich um diese Drehachse dreht. Die Drehachse des Windrades ist in einem Gehäuse gelagert, wobei das Gehäuse den Stator eines Generators bildet und der sich drehende Anker des Generators auf der Drehwelle des Windrads angeordnet ist.
  • Ein besonderer Nachteil dieser Art von Windräder ist, dass sie eine relativ hohe Windgeschwindigkeit benötigen, um betrieben zu werden und zudem zunächst Energie verbrauchen, um mit einem entsprechenden Erregerstrom überhaupt Strom erzeugen zu können. Erst anschließend werden sie vom Wind weitergedreht. Um rentabel zu sein müssen diese Windräder dann auch eine entsprechende Größe, beispielsweise eine Flügellänge von 10 bis über 50 m aufweisen. Außerdem müssen sie stets der Windrichtung angepasst werden.
  • Aus der DE 27 21 450 A1 ist weiterhin eine windrichtungsunabhängige Windturbine bekannt, deren Drehachse vertikal ausgerichtet ist und die drei, zwei oder sechs segmentförmige Windschaufeln aufweist, welche derart angeordnet und bewegbar sind, dass sie von einer ausgefahrenen Betriebsstellung in eine Außerbetriebsstellung mit eingefahrenen Windschaufeln bringbar sind. Wie dort gezeigt, ist das vertikal angeordnete Windrad von einer erheblichen Dimension. Unterhalb des Windrades befindet sich ein Generator und die sich drehende Welle des Windrads dreht den Anker im Generatorgehäuse ähnlich wie bei den oben beschriebenen Windrädern.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Vertikalachsen-Windradsystem zu schaffen mit Hilfe dessen auch bei kleinen Geschwindigkeiten ein entsprechender Strom erzeugt werden kann und das durch seinen modulartigen Aufbau an unterschiedlichste Stromerzeugungsmengen und Windverhältnisse angepasst werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß weist das Vertikalachsen-Windrad System eine zentrale feststehende Achse und eine sich um diese feststehende Achse drehende Rotationsachse auf. Weiterhin ist ein Windrad mit drei mit der Rotationsachse verbundenen Windschaufeln oder -flügeln vorgesehen, die mit gleichem Winkelabstand voneinander angeordnet sind.
  • Wenigstens ein Permanent-Magnet-Generator ist vorgesehen, dessen Pole an der Rotationsachse und dessen Anker mit den Ankerwicklungen an der feststehenden Achse angeordnet sind.
  • Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass schon bei kleinen Windgeschwindigkeiten ein entsprechender Strom erzeugt werden kann, wobei das wenigstens eine Windrad entsprechend klein dimensioniert ist. Beispielsweise kann das Vertikalachsen-Windrad System für die Stromerzeugung eines Ein- oder Mehrfamilienhauses dienen. Das Vertikalachsen-Windrad System kann dann unweit des Gebäudes aufgestellt werden. Vorteilhafterweise ist das erfindungsgemäße Vertikalachsen-Windrad System darüber hinaus unabhängig von der Windrichtung und kann im Gegensatz zu Windrädern mit horizontaler Drehachse auch böigen, den sogenannten "rauhen" Wind, der erdnah auftritt, nutzen.
  • Weiterhin ist vorteilhaft, dass die Anzahl der Polpaare unterschiedlich zur Anzahl der Wicklungen ist. Dadurch wird erreicht, dass das erzeugte Drehfeld im Permanent-Magnetgenerator beispielsweise schneller ist, was insbesondere im niedrigen Drehzahlbereich durch Frequenzerhöhung eine entsprechend bessere Stromerzeugung hervorruft. Vorteilhafterweise entspricht die Anzahl der Wicklungen +/– 1 der Polpaare.
  • Mit besonderem Vorteil wird der Strom berührungsfrei erzeugt und der so erzeugte Strom kann über Leitungen im Inneren der feststehenden Achse abgeführt werden. Bei den bisherigen Lösungen im Stand der Technik der Außenläufer muss die Stromableitung entweder durch aufwendige Bürsteneinrichtungen zur Übertragung des Stromes zwischen drehenden und stehenden Elementen bewerkstelligt werden, oder sind komplizierte und aufwendige Leitungssysteme vorzusehen. Dies wird bei der vorliegenden Erfindung vermieden.
  • Vorteilhafterweise ist die feststehende Achse ein Standrohr, in dem der erzeugte Strom entsprechend über Leitungen abgeführt werden kann und weist ein derartiges Rohr eine entsprechende ausreichende Versteifung auf.
  • Das erfindungsgemäße Vertikalachsen-Windrad System kann optimal an bestimmte Stromerzeugungsbedingungen angepasst werden. Beispielsweise sind mehrere Permanent-Magnetgeneratoren vorgesehen, die zudem unterschiedliche Stromerzeugungsleistungen aufweisen können. Darüber hinaus wird die üblicherweise bei der Verwendung mehrerer Lagerungen auftretende Reduzierung des Wirkungsgrades durch die Verwendung einer gemeinsamen Lagerung vermieden.
  • Es hat sich herausgestellt, dass die Ausbildung der Windschaufeln in einer Viertel-Hohlkugel-Form eine besonders vorteilhafte Formgestaltung darstellt, da diese Viertel-Hohlkugel-Form eine sehr gute Windkraftausbeute ermöglicht.
  • Die Windschaufeln sind mittels wenigstens einer Verbindungseinrichtung oder Verbindung mit der Rotationsachse verbunden. Dies schafft einen insgesamt sehr einfachen Aufbau. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verbindung der Windschaufeln mit der Rotationsachse rahmen- oder strebenförmig, in einer anderen bevorzugten Ausführungsform plattenförmig ausgebildet. Dabei geben die so ausgebildeten Verbindungen einen geringstmöglichen Widerstand gegen den vorbeistreichenden Wind, insbesondere deshalb wenn die Verbindung im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse verläuft.
  • Weiterhin ist vorteilhaft, dass die Windschaufeln an ihrer oberen und unteren Spitze eine Verbindung aufweisen, wodurch eine entsprechende formstabile Ausgestaltung der Windschaufeln erfolgt.
  • Die Steifigkeit des erfindungsgemäßen Vertikalachsen-Windrad Systems wird dadurch erhöht, dass wenigstens eine weitere Verbindung zwischen der oberen und der unteren Spitze vorgesehen sind. Alternativ kann auch eine Vielzahl von Verbindungen je nach Baugröße des Vertikalachsen-Windrad Systems vorgesehen sein.
  • Mit Vorteil weist die plattenförmige Verbindung die Form eines Kreises, eines Dreiecks oder eine der Kontur der Windschaufeln angepasste Form auf. Insbesondere bei der letztgenannten Ausbildung wird der Vorteil erreicht, dass auch flexible Windschaufelmaterialien, wie beispielsweise textiles Gewebe verwendet werden können, insbesondere bei großen Bauweisen des Systems, da die Windschaufeln entsprechend versteift werden können. Als Materialien können neben textilen Geweben auch GfK-Werkstoffe, Leichtmetalle, insbesondere Aluminium oder Kunststoffe verwendet werden.
  • Durch die Ausbildung der strebenförmigen Verbindung mit Rahmen und Streben, wird weiterhin eine besonders robuste und materialsparende Verbindung geschaffen.
  • Alternativ zu den Viertelkugelhohlprofilen der Windschaufeln können auch senkrecht stehende aerodynamische Flügel die Windflügel des Windrads bilden. Vorteilhafterweise sind diese aerodynamischen Flügel dann innen offen und ungefüllt, was eine besonders leichte Ausführungsform schafft.
  • Weiterhin sind die Flügel vorteilhafterweise von der Rotationsachse beabstandet angeordnet, so dass der auftreffende Wind entsprechend wieder aus dem Windrad austreten kann.
  • Vorteilhafterweise ist der wenigstens eine Permanent-Magnet-Generator im Bereich der Windschaufel bzw. Windflügel angeordnet. Dadurch wird eine kompakte Bauweise des Vertikalachsen-Windrad Systems geschaffen, wodurch weiterhin der Vorteil eines modularen Aufbaus des Vertikalachsen-Windrad Systems ermöglicht wird.
  • Demzufolge ist es dann auch von Vorteil, dass mehrere Windräder vorgesehen sind, die entlang der Rotationsachse und mit vertikaler Beabstandung angeordnet sind. Dadurch ist es möglich, das Vertikalachsen-Windrad System je nach Anforderung auszugestalten, insbesondere durch die Anordnung eines oder mehrerer Windräder, wobei vorteilhafterweise die Windräder auch unterschiedliche Größe aufweisen können.
  • Um auch bei geringem Wind bereits Strom erzeugen zu können, ist wenigstens ein, bevorzugt sind zwei reibungsarme Lager zur drehbaren Lagerung der Rotationsachse bezüglich der feststehenden Achse vorgesehen. Diese können beispielsweise Kugellager sein, wobei das untere Kugellager, das beispielsweise unterhalb des untersten Permanent-Magnet-Generators angeordnet ist, ein im Wesentlichen das Gewicht aufnehmendes Lager ist, wohingegen das zweite obere Lager, das im Bereich der oberen Enden der Windschaufeln bzw. Windflügel angeordnet sein kann, ein Lager ist, das im Wesentlichen die seitliche Führung der beiden Achsen zueinander übernimmt.
  • Weiterhin kann zur Stabilisierung des Vertikalachsen-Windrad Systems eine Verspanneinrichtung für eine jede Windschaufel vorgesehen sein, die jeweils die obere und die untere Spitze einer jeden Windschaufel miteinander verspannt. Bevorzugt sind hierbei Verspanneinrichtungen aus Draht oder entsprechenden Stäben.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Darin zeigt:
  • 1 eine Seitenansicht auf eine erste Ausführungsform des Vertikalachsen-Windrad Systems in einer schematischen Darstellung;
  • 2 eine Draufsicht auf die Ausführungsform von 1;
  • 3 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vertikalachsen-Windrad Systems in schematischer Seitenansicht;
  • 4 eine dritte Ausführungsform in schematischer Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Vertikalachsen-Windrad Systems;
  • 5 eine schematische Schnittansicht durch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Permanent-Magnet-Generators;
  • 6 eine zweite Ausführungsform in Schnittansicht eines Permanent-Magnet-Generators;
  • 7 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vertikalachsen-Windrad Systems mit einer plattenförmigen Verbindung;
  • 8 eine ähnliche Ansicht wie die von 7, jedoch mit einer rahmen- und strebenförmigen Verbindung;
  • 9 eine Draufsicht auf die Ausführungsform von 8, jedoch mit entsprechenden Verspannseilen;
  • 10 eine Seitenansicht auf die Ausführungsform von 9;
  • 11 eine ähnliche Ansicht wie jene von 10, jedoch mit zwei im Wesentlichen gleich aufgebauten Windrädern;
  • 12 eine ähnliche Ansicht wie jene von 11, jedoch mit zwei unterschiedlich großen Windrädern;
  • 13 eine Seitenansicht auf eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vertikalachsen-Windrad Systems mit vier teilweise unterschiedlich großen Windrädern;
  • 14 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vertikalachsen-Windrad Systems mit dreieckförmiger, plattenförmiger Verbindung;
  • 15 eine Ansicht, wie jene von 14, jedoch mit strebenförmiger, dreieckförmiger Verbindung;
  • 16 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vertikalachsen-Windrad Systems mit kreisförmiger plattenförmiger Verbindung;
  • 17 eine ähnliche Ansicht wie die von 16 jedoch mit einer kreisförmigen strebenförmigen Verbindung;
  • 18 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer plattenförmigen Verbindung, die der Kontur der Windschaufeln folgt;
  • 19 eine ähnliche Ansicht wie jene von 18, jedoch mit rahmenförmiger Ausbildung der Verbindung;
  • 20 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vertikalachsen-Windrad Systems mit Verspanneinrichtung;
  • 21 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vertikalachsen-Windrad Systems mit einer Mehrzahl von Verbindungen und zwei schematisch dargestellten Lagern, wobei die Generatoren außerhalb des Bereiches der Windschaufeln liegen;
  • 22 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vertikalachsen-Windrad Systems mit einer Vielzahl von Verbindungen, einer Mehrzahl von innerhalb des Bereiches der Windschaufeln angebrachten Permanent-Magnet-Generatoren und einem oberen und einem unteren Lager;
  • 23 eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform des Vertikalachsen-Windrad Systems mit drei aerodynamischen Windflügeln;
  • 24 eine schematische Seitenansicht auf die Ausführungsform gemäß 23;
  • 25 eine ähnliche Draufsicht wie jene von 23;
  • 26 eine Seitenansicht auf die Ausführungsform von 25;
  • 27 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vertikalachsen-Windrad Systems mit aerodynamischen Windflügeln und dreieckförmiger plattenförmiger Verbindung; und
  • 28 eine ähnliche Ansicht wie jene von 27 jedoch mit einer rahmenförmigen dreieckförmigen Verbindung mit Streben.
  • In den Fig. sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
  • In 1 ist in schematischer Seitenansicht eine erste Ausführungsform eines Vertikalachsen-Windrad Systems 1 dargestellt. Das Vertikalachsen-Windrad System 1 weist ein Windrad 3 auf, das eine Rotationsachse 5 aufweist, die sich um eine drehfeste bzw. feststehende Achse 4, schematisch dargestellt in den 1, 5 und 6, dreht.
  • Das Windrad 3 weist drei hohle viertelkugelförmige Windschaufeln 7 auf, die an ihrer jeweiligen oberen Spitze 9 und ihrer jeweiligen unteren Spitze 10 mit je einer Verbindung 11, 11' verbunden sind. Die Verbindung 11, 11' schafft die Verbindung einer jeden Windschaufel 7 mit der Rotationsachse 5, wobei sie, wie in 2 dargestellt, strebenförmig ausgebildet ist, mit drei Streben 13, die an einem kreisförmigen Rahmen 14 angeordnet sind, der eine Verbindung mit der Rotationsachse 5 schafft.
  • Weiterhin ist in 1 im unteren Abschnitt der Rotationsachse 5 ein Paar von Permanent-Magnet-Generatoren 15 und 16 schematisch dargestellt. Die Permanent-Magnet-Generatoren 15 und 16 werden weiter unten unter Bezugnahme auf die 5 und 6 näher erläutert.
  • Unterhalb der Permanent-Magnet-Generatoren 15, 16 ist ein unteres Lager 47 und oberhalb der Windschaufeln 7 ein oberes Lager 48 vorgesehen. Das untere Lager 47 kann als reibungsarmes Lager, insbesondere Kugellager ausgebildet sein, das im Wesentlichen die Gewichtslast des Windrades 3 aufnimmt. Das obere ebenfalls reibungsarme Lager 48 dient dann der seitlichen Führung.
  • 3 zeigt eine ähnliche Ausführungsform wie jene der 1, jedoch sind vier Permanent-Magnet-Generator Paare 15 und 16 angeordnet und zwar zwischen der oberen 11' und der unteren Verbindung 11. Wie ersichtlich, kann das Windrad 3 beispielsweise als kompakte Baueinheit vorgesehen sein und auf die feststehende Achse 4 aufgebracht werden.
  • Weiterhin ist noch eine mittige Verbindung 12 vorgesehen.
  • 4 zeigt eine ähnliche Ausführungsform wie jene von 3, jedoch mit drei Paaren von Permanent-Magnet-Generatoren 15 und 16, von denen eines unter der unteren Verbindung 11 und zwei oberhalb der oberen Verbindung 11' angeordnet sind.
  • In 5 ist schematisch eine erste Ausführungsform eines Permanent-Magnet-Generators 16 geschnitten entlang der Linie V-V von 4 dargestellt. Um die feststehende Achse 4 ist ein Paket 17 von ringförmigen, dünnen Ankerblechen dargestellt, die beispielsweise in einer größeren Stückzahl (z. B. 100) übereinander gepackt sind. An den ringförmigen, dünnen Ankeblechen befinden sich "T"-förmige Vorsprünge 19, um die abwechselnd Ankerwicklungen 20 gewickelt sind. Entsprechend dieser Ausgestaltung ist eine geradzahlige Anzahl von "T"-Vorsprüngen vorgesehen. Den "T"-förmigen Vorsprüngen 20 sind dicht gegenüberliegend Polpaare 21 am Innenumfang der Rotationsachse 5 vorgesehen. Wie dargestellt besteht ein Polpaar 21 aus einem Südpol 22 und einem Nordpol 23. Die Anzahl der Polpaare 21 ist ungleich der Anzahl der Wicklungen und bevorzugt um ein Polpaar mehr oder weniger.
  • Die Anzahl der Pole und Wicklungen ist hier nur beispielhaft dargestellt. Die Anzahl richtet sich nach den tatsächlichen technischen Anforderungen des Niedrigzahl- Permanent-Magnet-Generators. Im gezeigten Beispiel bewegt sich das Feld 13 mal schneller als die Magneten bzw. der Rotor, der in der Rotationsachse 5 integriert sein kann.
  • Durch den Aufbau des Generators als Außenläufer sind, wie aus vorstehender 5 ersichtlich, keine Bürsten zur Stromabnahme notwendig, wodurch eine verschleißfreie Verwirklichung des Generators ermöglicht wird.
  • Innerhalb der feststehenden Achse 4 ist ausreichend Raum vorhanden, den Strom über entsprechende elektrische Leitungen (nicht dargestellt) von den Ankerwicklungen 20 nach unten abzuleiten. Wie in 5 dargestellt wird somit eine sehr kompakte Bauweise eines Permanent-Magneten Außenläufer-Generators geschaffen.
  • In 6 ist eine alternative Ausführungsform des Permanent-Magnet-Generators dargestellt. Die Ausführungsform unterscheidet sich dadurch, dass um jeden "T"-förmigen Vorsprung 19 eine Ankerwicklung 20 gewickelt ist. Auch aus 6 ist ersichtlich, dass die Anzahl der Wicklungen unterschiedlich ist zur Anzahl der Polpaare.
  • In 7 ist eine ähnliche Ansicht wie 2 dargestellt, jedoch mit einer dreieckförmigen plattenförmigen Verbindung 25, deren Dreiecksspitzen etwas über die Kontur der Windschaufeln 7 hervorsteht.
  • In 8 ist eine alternative Ausführungsform zur Ausführungsform gemäß 2 dargestellt, wobei eine Verbindung 27 vorgesehen ist, die neben den Streben 13 auch noch Rahmenstreben 29 aufweist, die zur Bildung eines Dreiecks angeordnet und miteinander verbunden sind.
  • In 9 ist in Draufsicht das in 10 in Seitenansicht dargestellte Vertikalachsen-Windrad System 1 dargestellt. Zur Verankerung der feststehenden Achse 4 und der Rotationsachse 5 mit dem Windrad 3, das beispielsweise jenes von 8 ist, sind Verankerungsseile 31 vorgesehen, die sternförmig angeordnet sind. Dabei können drei Verankerungsseile 31 oberhalb des Windrads 3 und drei Verankerungsseile unterhalb des Windrads 3 an der feststehenden Achse 4 angreifen.
  • In den 11 bis 13 sind weitere Ausführungsformen des Vertikalachsen-Windrad Systems 1 dargestellt. In 11 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vertikalachsen-Windrad Systems 1 mit zwei Windrädern 3 dargestellt, wobei die Windräder 3 gleiche Baugröße und Bauart aufweisen. Dem gegenüber ist gemäß 12 anstelle eines zweiten Windrads 3, ein in seiner Baugröße deutlich größeres Windrad 103 unterhalb des Windrads 3 angeordnet.
  • In 13 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vertikalachsen-Windrad Systems dargestellt, das ebenfalls mit seiner feststehenden Achse 4 im Boden 6 verankert ist und mit Verankerungsseilen 31 ebenfalls im Boden 6 verankert ist. Insgesamt sind vier Windräder 3, 203 (zweimal) und 303 vorgesehen, wobei die größeren Windräder 203 und 303 eine Mehrzahl von Verbindungen zwischen der oberen Verbindung 11' und der unteren Verbindung 11 aufweisen.
  • Wie aus den vorhergehenden 10 bis 13 ersichtlich, ist bei dem erfindungsgemäßen Vertikalachsen-Windrad System es möglich eine Vielzahl von unterschiedlichen Gesamtkonfigurationen, je nach Anforderung, zusammenzustellen.
  • In den 14 bis 19 sind alternative Ausführungsformen der Verbindung der viertelkugelförmigen hohlen Schaufeln 7 des Windrads 3 dargestellt. 14 zeigt eine plattenförmige Ausgestaltung einer Verbindung 33, die dreieckförmig ausgebildet ist.
  • 15 zeigt eine strebenförmige Verbindung 35, die einen dreieckförmigen äußeren Rahmen 36 aufweist und mit Streben 37 den äußeren Rahmen mit einem inneren Rahmen 38 verbinden, der an der Rotationsachse angebracht ist.
  • In den 16 und 17 sind kreisförmige Verbindungen 40 und 41 dargestellt, wobei die Ausführungsform gemäß 16 analog zur Ausführungsform gemäß 14 mit entsprechender unterschiedlicher Außenkontur und entsprechend die Ausführungsform der 17 der Ausführungsform der 15 mit entsprechend geänderter Außenkontur entspricht.
  • In 18 ist eine Verbindung 42 dargestellt, die der Kontur der Windschaufeln angepasst ist, wie das später noch weiter erläutert wird. Die Verbindung 42 ist plattenförmig ausgebildet.
  • Im Gegensatz dazu ist die Ausführungsform der Verbindung 43 gemäß 19 rahmenförmig ausgebildet mit entsprechenden Rahmenstreben 44.
  • 20 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Vertikalachsen-Windrad System 1, wobei zwischen den beiden Verbindungen 11 eine Verspannungseinrichtung 45 vorgesehen ist. Diese kann beispielsweise in Form von Spannseilen ausgeführt sein, die zusätzlich an einer mittigen Verbindung 46 angreifen.
  • In 21 ist schematisch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vertikalachsen-Windrad-Systems 1 dargestellt, wiederum mit viertelkugelförmigen hohlen Schaufeln 7. Das Windrad 3 der 21 weist eine in regelmäßigen Abständen angeordnete Mehrzahl von Verbindungen beispielsweise von Verbindungen 42 gemäß 18 auf, die der Kontur der Windschaufeln 7 angepasst sind.
  • Die Ausführungsform gemäß 22 ist ähnlich wie jene von 21, jedoch mit der Verteilung von Permanent-Magnet-Generatorpaaren 15 und 16 zwischen der oberen und der unteren Verbindung 11', 11.
  • In 23 ist in Draufsicht eine alternative Ausführungsform von Windflügeln 51 und in 24 in Seitenansicht dargestellt. Diese bilden ein Windrad 3'. Die Windflügel 51 sind als senkrecht stehende aerodynamische Flügel ausgebildet, die innen offen und ungefüllt sind, wobei sie gemäß Ausführungsform von 24 von der Mitte ausgehend nach oben und unten auslaufend ausgebildet sind. Wie weiterhin aus den 23 und 24 ersichtlich ist, befindet sich zwischen dem jeweiligen Windflügel 51 und der Rotationsachse 5 ein Durchbruch 52. Nur sehr schematisch ist weiterhin eine Verbindung 53 dargestellt, wobei je eine Verbindung 53 an je einer Stirnseite eines Windflügels 51 vorgesehen ist.
  • In den 25 und 26 ist eine ähnliche Ausgestaltung des Windrads 3' dargestellt, wobei sich die Windflügel 54 von jenen Windflügeln 51 dadurch unterscheiden, dass sie nicht von der Mitte ausgehend nach oben und unten auslaufend ausgebildet sondern gerade ausgebildet sind.
  • In den 27 und 28 sind weitere Alternativen von Verbindungen dargestellt. In 27 ist eine plattenförmige Verbindung 55 dargestellt, die dreieckförmig ausgebildet ist. Als weitere Alternative ist in 28 eine rahmen- und strebenförmige Verbindung 57, ebenfalls in Dreieckform, dargestellt.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Eine Vielzahl von Konfigurationen in der Größe der Windräder, deren Ausgestaltung ist möglich, um den örtlichen Anforderungen zu entsprechen. Weiterhin können auch die unterschiedlichsten Permanent-Magnet-Generatoren vorgesehen sein, um ebenfalls den Anforderungen der Stromerzeugung zu folgen.

Claims (23)

  1. Vertikalachsen-Windrad System (1), mit einer zentralen feststehenden Achse (4) und einer sich um diese feststehende Achse (4) drehenden Rotationsachse (5), wenigstens einem Windrad (3, 103, 203, 303) mit drei mit der Rotationsachse (5) verbundenen Windschaufeln (7) oder -flügeln (51, 54), die mit gleichem Winkelabstand voneinander angeordnet sind, wenigstens ein Permanent-Magnet-Generator (15, 16) vorgesehen ist, dessen Pole an der Rotationsachse (5) und dessen Anker (17) mit seinen Ankerwicklungen (20) an der feststehenden Achse (4) angeordnet sind.
  2. Vertikalachsen-Windrad System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Polpaare (21) unterschiedlich zur Anzahl der Wicklungen (20) ist.
  3. Vertikalachsen-Windrad System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Wicklungen +/– 1 der Poolpaare ist.
  4. Vertikalachsen-Windrad System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erzeugte Strom über Leitungen im Inneren der feststehenden Achse (4) abgeführt wird.
  5. Vertikalachsen-Windrad System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die feststehende Achse (4) ein Standrohr ist.
  6. Vertikalachsen-Windrad System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Permanent-Magnet-Generatoren (15, 16) vorgesehen ist.
  7. Vertikalachsen-Windrad System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Windschaufeln (7) eine Viertel-Hohlkugel-Form aufweisen.
  8. Vertikalachsen-Windrad System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Windschaufeln (7) mittels wenigstens einer Verbindung (11, 11', 12, 25, 27, 33, 35, 40, 41, 42, 43, 46, 53) mit der Rotationsachse (5) verbunden sind.
  9. Vertikalachsen-Windrad System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Windschaufeln (7) mit der Rotationsachse (5) strebenförmig oder plattenförmig ausgebildet ist.
  10. Vertikalachsen-Windrad System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung im wesentlichen senkrecht zu der Rotationsachse (5) verläuft.
  11. Vertikalachsen-Windrad System nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Windschaufeln (7) an ihrer oberen und unteren Spitze (9, 10) mit der entsprechenden Verbindung (11, 11') verbunden sind.
  12. Vertikalachsen-Windrad System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine weitere Verbindung (12, 42, 46) zwischen der oberen und der unteren Spitze (9, 10) vorgesehen ist.
  13. Vertikalachsen-Windrad System nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenförmige Verbindung die Form eines Kreises, eines Dreiecks oder eine der Kontur der Windschaufeln angepasste Form aufweist.
  14. Vertikalachsen-Windrad System nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die strebenförmige Verbindung einen Rahmen (29) aufweist und Streben (13), die den Rahmen mit der Rotationsachse (5) verbinden.
  15. Vertikalachsen-Windrad System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Windflügel (51, 54) senkrecht stehende aerodynamische Flügel sind.
  16. Vertikalachsen-Windrad System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die aerodynamischen Flügel (51, 54) innen offen und ungefüllt sind.
  17. Vertikalachsen-Windrad System nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (51, 54) von der Rotationsachse (5) beabstandet angeordnet sind.
  18. Vertikalachsen-Windrad System nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Permanent-Magnet-Generator (15, 16) im Bereich der Windschaufeln bzw. Windflügeln angeordnet ist.
  19. Vertikalachsen-Windrad System nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Permanent-Magnet-Generator (15, 16) außerhalb des Bereiches der Windschaufeln bzw. Windflügeln angeordnet ist.
  20. Vertikalachsen-Windrad System nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Windräder (3, 103, 203, 303) vorgesehen sind, die entlang der feststehenden Achse (4) und in vertikaler Beabstandung angeordnet sind.
  21. Vertikalachsen-Windrad System nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Windräder (3, 103, 203, 303) unterschiedliche Größe aufweisen.
  22. Vertikalachsen-Windrad System nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein, bevorzugt zwei reibungsarme Lager (47, 48) zur drehbaren Lagerung der Rotationsachse (5) bezüglich der feststehenden Achse (4) vorgesehen sind.
  23. Vertikalachsen-Windrad System nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verspanneinrichtung (45) vorgesehen ist, die jeweils die obere Spitze und die untere Spitze einer jeden Windschaufel (7) miteinender verspannt.
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