DE202008002262U1

DE202008002262U1 - Neues Rotorblatt und damit erstellte Windkraftanlagen

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Publication number: DE202008002262U1
Application number: DE202008002262U
Authority: DE
Original assignee: ALTHOFF KLAUS JUERGEN
Current assignee: ALTHOFF, KLAUS-JUERGEN, DE
Priority date: 2008-02-18
Filing date: 2008-02-18
Publication date: 2009-06-25
Anticipated expiration: 2018-02-19
Also published as: DE102009009037A1; DE102009009037B4

Abstract

Kleines und relativ großflächiges natürliches Rotorblatt dadurch gekennzeichnet, daß es den Wind einfängt d. h. ein windkonfrontierender Windfänger ist, dadurch geringste Anlaufverzögerung (m/s) aufweist und sich – bis auf die üblichen Standardteile – einer rein logarithmischen Mathematik d. h. nur im ,Global Scaling' – und „Goldenen Schnitt" Verfahren zu berechnen ist – siehe Z 1.

Description

Konventionelle Windkraftanlagen zur Gewinnung von elektrischer Energie beruhen auf rein technisch aufeinander ausbauenden, sich gegenseitig bedingenden und sich gegenseitigen unterstützenden Konstruktionen in entsprechender Mathematik. Die naturgegebenen Formen, also die, die mit der Natur verbundenen eigenen Mathematik und logarithmischen Häufigkeitsverteilungen des „Global Scaling" und/oder auch der bekannten universellen mathematischen Naturformel des „Goldenen Schnittes" in Verbindung stehen, werden nicht oder nur sehr wenig angewandt. Schon vielfach wurde aber festgestellt, und das nicht nur bei rein technischen Fragen, daß die Nutzung der natürlichen d. h. der organischen Formen und Prinzipien hoch effizient und durch die Jahrtausende organisch entwickelt – quasi langzeiterprobt und getestet – sind und dadurch ökologische als auch ökonomische Vorteile in deren Wirksamkeit während der Verwendung bieten (Ökologie ist Ökonomie). Die Naturformeln (z. B. das Fließen von Flüssigkeiten, die Bewegungen des Windes und des Schalls) sind in der luftigen Natur wie auch in der wäßrigen Umgebung hoch ähnlich bzw. gewissermaßen gleich und unterliegen den gleichen natürlichen Gesetzen. D. h. daß die Strömungseigenschaften der Luft, also für die Bereiche der Winde, und die des Wassers nach den gleichen Prinzipien ablaufen. Lediglich die Geschwindigkeiten mit der diese Medien ströhmen sind unterschiedlich.
Speziell kann man auch innerhalb der belebten Natur wie z. B. bei der Fortbewegung der Wale, der Delphine und der Haie eine hocheffiziente Formgebung feststellen, die ganz spezifische Eigenschaften ermöglichen. Auch bei den Forellen und Lachsen hat man anhand der Schuppenform i. V. mit der körperlichen Formgebung feststellen können, daß sich die Tiere mit allerfeinsten und körperlich geringen Bewegungen pfeilschnell nach vorne bewegen und dabei bedeutende Geschwindigkeiten entwickeln können – nach dem scheinbar paradoxen in der BWL bekannten MiniMax – Modell, welches mit einem minimalen Aufwand einen maximalen Ertrag ermöglicht. In diesem Zusammenhang war und ist die Natur immer schon ökonomisches Vorbild.
Bis in die 90iger Jahre wurde dieser ,Naturphänomenologie', den dazugehörigen evolutionären Entwicklungen sowie Fragen nach natürlichen mathematischen Gesetzen und Methoden in der Natur, innerhalb unserer Technisierung nur gelegentlich bzw. spärlich nachgegangen. Pioniere wurden und werden bekanntlich belächelt, bekämpft und sogar massiv sabotiert. Seit Mitte/Ende der 90iger Jahre hat hier jedoch ein Wandlung ein-gesetzt, um, durch tiefgreifende und grundsätzlichere Untersuchungen, der Natur Wirkprinzipien abzuschauen um die konventionelle Technik zu innovieren und wirksamere Produkte zu erzeugen (z. B. der Lotuseffekt für Oberflächen). Bei der hier vorliegenden Erfindung ist es erklärtes Ziel diese „naturoptimierten Formenqualitäten" für die Weiterentwicklung der aktuellen Windkraftwerkstechnik zu aktivieren um effizientere Nutzungsgrade zu ermöglichen. Es entsteht, so gedacht und konstruiert, ein die bisherige Szene erweiternder neuer Windanlagen-Typ. Veranlaßt durch diese Ziele werden Naturprinzipien und Formgegenstände erfinderisch gezielt angeordnet und kombiniert, um ein kleines und leistungsstarkes Windkraftrad mit verschiedenen Ausprägungen (Rotoranzahl) zu entwickeln. Der sogenannte „Erntegrad" liegt bei der hier vorliegenden Erfindung höher als bei den konventionellen Windkrafträdern. Auch ist es ein Ziel die Windradgröße sehr stark zu reduzieren und die Investitionskosten in Relation zur Ausbringungsmenge also:
Monetäres Investment in Relation zur Leistung in KW
weit unter die Grenze von 800 EUR/KW zu bringen, um auch Kleineninvestoren, Gemeinschaften und einzelnen Haushalten ein eigenes kostengünstiges Windkraftrad zur Deckung des lokalen Bedarfs zu ermöglichen.
Die nachstehende Konstruktion und daraus abgeleiteter Varianten dieser Konstruktion eines neuen naturphänomenalen Windkrafttyps, beinhaltet verschiedene aber sehr einfach zu verstehende und zusammenwirkende Grundprinzipien. In diesem Zusammenhang sei zu erwähnen, daß die Natur zumeist sehr einfache Lösungen zu bestimmten Fragen hervorgebracht hat, die wir grundsätzlich suchen und verstehen lernen müssen. Auch und gerade deswegen wurde darauf geachtet, daß das Windkraftrad möglichst einfach gebaut ist um ein robustes langlebiges Gerät zu sein.
Entgegen des bisherigen ,Stand der Technik' finden wir hier in dieser Erfindungskonstruktion keine Repeller-, Impeller oder Propellertechnik sondern einen ,Windcatcher', also eine , Windfängertechnik'! Es wird also keine Rotorfläche durch Strömungseinfluß des Windes (wie beim Repeller) weggedrückt, weggeschoben bzw. in Bewegung gebracht oder, durch Einsatz eines Motors selber zum ,Wegschieber' von Wind konstruiert (Propeller), sondern, entgegengesetzt der bisherig dominanten Gedanken- und Handlungsansätzen der Windkraftradstechnik, eine den Wind einfangende Methode angewandt, die ich als „Windcatcher" oder „Windfänger" (siehe Zeichnung 1, im Folgenden Z 1 genannt) bezeichnen möchte, da es hierfür, soweit mir bekannt, noch keine wiss. akzeptierte Benennung gibt. Das bereits mit dem Begriff „Windcatcher" und „Windfängertechnik" beschriebene und erfindungsmäßige Konstruktionsprinzip bewirkt unmittelbar eine andere Abnahme und Wirkungsweise der Windkraft, da es den Wind im Sinne des Wortes konfrontiert bzw. zur Abgabe von Kraft zwingt und die direkte Abnahmefläche sich auf einen verhältnismäßig sehr kleinen Kreisbereich konzentriert. Es gibt auch grundsätzlich keine oder im Vergleich nur sehr geringe Anlaufverluste bzw. Anlaufverzögerung (mtr./s). Auch hat dieser Rotor, der aus jeder beliebigen vorzugsweise aber dieser hier abgebildeten Muschel möglich ist, durch seine natürliche Formgebung, eine natürliche Ab- bzw. Wegleitung des einströmenden Windes in sich veranlagt. Nicht nur die Krümmungsöffnungen (Z 2), also die Krümmungen die sich natürlich auf einer ebenen Untergrundfläche ergeben, bilden den Bereich zur Ableitung der Windkraft, sondern auch die angelegten Öffnungen bzw. Löcher innerhalb der Muschel (Z 1). Diese können in der natürlich vorhandenen Anzahl bleiben oder, da sie zum Zentrum hin i. d. R. verschlossen sind, vorzugsweise wieder geöffnet und/oder zunehmend nach oben geschlossen werden um im Bedarfsfall vermehrt oder weniger Wind abzuleiten. Auch kann vorzugsweise jedes dieser Löcher oder nur ganz bestimmte Löcher durch flexibel nachrüstbare und je nach Bedarf unterschiedlich schwere An- bzw. Einlagerung von Fliehkraftgewichten (z. B. Hartgummi) in seiner Laufleistung und Laufruhe dahingehend optimiert werden, daß es so den ortsüblichen Windverhältnissen angepaßt wird (Z 1) offene Löcher obern, verschlossene Löcher unten). Zu dieser ehr einfachen Variante der Anbringung von Fliehkraftgewichten sind zusätzlich alternativ Fliehkraftgewichte lt. nach nachstehender Zeichnung (Z 7) bevorzugt, welche sich bei Windstille in die Ausgangsposition zurückziehen um einen problemlosen bzw. neutralisierten Start so wieder zu ermöglichen. Diese Variante dient in besonders windreicheren Regionen und ist vorzugsweise bei einer 3, 6 und/oder 9er Kombination von Rotorblättem verwendbar (Z 3 + Z 4).
Das erfinderische Muschel-Rotorblatt ist eine beliebige Muschel und so verwendbar wie es ist. Vorzugsweise ist es aber durch eine weitere erfindungsmäßige Optimierung zu versehen, die sich als eine Art „organisch saugender Turbodüseneffekt" beschreiben läßt. Dazu wird eine nach hinten links außen, d. h. entgegengesetzt der Laufrichtung, geführt austretende Wirbeltrichteröffnung in die ursprünglich angelegte tiefste Stelle des Innenraumes der Muschel ermöglicht (hyperbolische Berechnung der Führungsleisten ist zwingend nötig), die den von vorne wirbelnd einströmenden Wind quasi wirbeltechnisch kanalisiert, diesen komprimiert und so erheblich beschleunigt. Diese energiewirksame Führung wird durch den Befestigungskorpus und ggf der dahinterliegenden Rotorblätter geführt, um dann dem Windrad zusätzlichen „Drive" dadurch zu geben, daß die beschleunigt komprimierte Windluft nach links (für alle drei Wirbeltrichterturbos deckungsgleich und dadurch synchron) austritt. Hierzu liegt der Austrittswinkel der Turbodüsen vorzugsweise unter 45° (Z 6 + Z 6). Dadurch, daß der einströmende turbulente Wind, sowohl vorne im Flächenraum der Muschel kräftetechnisch ansetzt, der beschleunigende Sog im geführten Wirbel nach hinten hin mit seinem geführten Kompressionsdruck gleichzeitig andrückt, erhält das Windkraftrad eine enorme zusätzliche Beschleunigungskraft, das das Aggregat selbst größere Generatoren antreibt. Um die so optimierte Beschleunigungskraft als gesteigerten Wirkungsgrad insbesondere für variable Windverhältnisse zu nutzen, wird der Generatorbereich vorzugsweise in zwei oder mehrere nacheinander gelagerte kleinere Generatoren aufgeteilt und/oder in einem Generator vorliegende und durch Kupplungen untereinander zu verbindende Einzelkammergeneratoren konstruiert. D. h. der zweite (evtl. dritte/vierte etc.) Teilgenerator bzw. die Generatorkammer setzt dann ein, wenn der vorgelagerte hierzu „auffordert", was insbesondere dann passiert, wenn die anliegende Windkraft einen bestimmten Kraftbereich übersteigt. So können auch geringe Windkräfte durch den geringeren Widerstand nur eines Generators bzw. einer Generatorteilkammer optimaler genutzt werden um dann, beim Auskommen stärkerer Windkräfte, durch das über Kupplungen automatisierte Hinzuschalten eines weiteren Generators oder Generatorteils, mehr bzw. zusätzliche Kraft am Wind abnehmen zu können.
Wie oben bereits erwähnt haben natürliche organische Formen und lebendige Körper eine entwicklungstechnische Optimierung in den ent-sprechenden Medien Luft/Wind und Wasser erfahren Die Körperformen des Delphins und des Hammerhais (in diesem Falle insbesondere auch die Schwanzflossen) dienen hier vorzugsweise zur Bildung

a) der strömungsgünstigen Körperform der Gesamtanlage (Z 8 + Z 9);
b) Zur stabilen Steuerung der Gesamtanlage am und im Wind durch die Flossen von Hammerhai (Vertikalruder) und des Delphins (Horizontal- und evtl. stabilisierende Seitenruder);
c) Und einem marketingtechnisch zu bevorzugendes Design (Naturformen statt rein technisches Design sind Hingucker).

Um der Gesamtanlage in seiner Aufstellung am Ort, neben der positiven Einflüsse der organischen Körperformung, eine maximale Stabilität am und im Wind, eine quasi automatische ,Permanentjustierung' und eine besondere Reaktionsschnelligkeit zu ermöglichen, ist ein justierendes und zudem stoßdämpfendes Pendelprinzip (Z 8 + Z 9) mit einem dazugehörigen Pendellager (Z 10) bevorzugt. Das Pendelsystem hat zudem die Grundeigenschaft, je nach Anlagenzusammenstellung d. h Größe und Rotorzahl, durch unterschiedliche Gewichte an verschiedenen Befestigungspunkten an der nach unten langenden Pendelstange, den unterschiedlichsten örtlichen Gegebenheiten und den sich zusehends verändernden Umweltbedingungen des Windes anpaßbar zu machen. Das gleiche Aggregat kann so im Gebirge als auch an der Küste stehen. Das Gesamtgewicht des oberen Aggregats mit dem/den Generator/en wird in den Mittelpunkt des Pendelkugelgelenks berechnet um dem Prinzip der Pendeleinrichtung zutragend zu sein.
Zum Schutz der dargelegten Anlage, gibt es Prüffaktoren, die die Sicherheit der Anlage in Extremsituationen (Sturm, Orkan etc.) gewährleisten. Hier wurde insbesondere der Begriff der „Überlebensgeschwindigkeit" bezüglich der maximalen Windverhältnisse auf die Anlage in den Leistungscharakteristika einer jeden Anlage geprägt. Durch die ,Windcatcher' Eigenschaft ist diese Anlage diesbezüglich stärker gefährdet als konventionelle Anlagen, die flügeltechnisch aus dem Wind gedreht werden. Vorzugsweise dient hier ein Schutzmechanismus der wie folgt zu beschreiben ist (Z 11): Drückt der Wind von vorne auf die Anlage stülpen sich drei vorzugsweise vier hinter den Rotoren (also im Windschatten liegend) angebrachte Schalen über die äußeren Spitzen der Rotoren (am V2A-Schutzkorb zusätzlich befestigt) über das Aggregat und verschließen bzw. bedecken tendenziell die Rotationsinnenflächen; Auch diese sind rein organischer Form bzw. dem beschriebenen Prinzip anzugleichende Formen z. B. der Blüten- und Verschlußform der Trollblume ähnlich (Z 11). Die Übertragung des anliegenden Winddruckes für diesen ,Überstülpeffekt' geschieht vorzugsweise durch ein einfaches Federdruck- und zügig umlenkendes Hydrauliksystemgestänge, welches sich, nach erreichen der notwendigen Abdeckung, bei nachlassendem Winddruck, sehr langsam – durch öldruckrückführende Bypässe – wieder öffnet. Bei dieser Variante läuft die Anlage trotzdem weiter! Sie wird aber weniger durch den ,Flächenangriff auf die Rotoren sondern mehr über die o. a. 3 Turbodüsen, die im Mittelpunkt der ersten und/oder zweiten Reihe der Rotorblätter lokalisiert sind, weiter betrieben, während übermäßige Windkraft zunehmend durch die Abdeckung abgewiesen wird. Optimierbar ist diese Variante, durch eine einfache Kombination d. h. Rückkopplung mit den Leistungsdaten der Aggregate, wobei aufwendige und anfällige Elektronik vermieden wird.
Zur Übertragung der Kräfte auf den/die Generator/en ist ein solides Keilriemengetriebe auch aus Kostengründen sinnvoll; Zudem sind Wartungsarbeiten dadurch wesentlich vereinfacht. Als Bremse wird eine selbstregulierende Wirbelstrombremse i. V. mit einer manuellen Feststellbremse eingesetzt. Zudem wird das Aggregat durch einen rückwärtigen, also hinter dem/den Rotor/en und vor den ,Abdeckblättern' durch einen V2A Abdeckkorb geschützt. Der Stand wird für die 3, 6, bzw. 9 rotorigen Kleinvarianten zwischen 3.5 – max. 10 mtr. sein, während der Gesamtrotordurchmesser zwischen 50 cm – 180 cm ist, sich aber je nach gewünschter Leistungskapazität vergrößern kann.
Alle hier aufgeführten und zu berechnenden Komponenten sowie deren Zusammenführung zur entsprechenden Gesamtanlage ist auf der Grundlage des ,Global Scaling' durchzuführfen.
Beschreibungen zu den Zeichnungen
Zeichnung 1 (Z 1)
Rotorblatt und Windkraftrad (alle ohne Maßstab bzw. Relationstreue)!
2 D – Zeichnung im Positiv und Negativ. Der rechte nach unten links tendierende Rand ist überstehend und raumabdeckend. Darunter ist ein Hohlraum, der den einströmenden Wind einerseits einfängt (der Rand wird von oben rechts nach links unten hin breiter) und andererseits, bei Drehung des Objektes, nach außen ableitet bzw. diesen wieder hinauswirft. Die vorgegebene Strichführung im Innenraum (es handelt sich um wellige Erhöhungen bzw. dazugehörige Wellentäler) der Muschel wird windführend dahingehend genutzt, daß „windeinströmungstechnisch" gesehen, der erfinderische Wirbeltrichterdurchstoß durch das Objekt (links unten durch verstärkten Strich angekündigt) unterstützt wird (siehe auch Z 5 + Z 6).
Zeichnung 2 (Z 2)
Rotorblatt liegend in Nullstellung; Sichtbarmachung des Luftauslasses während der Rotation durch die Seitenöffnung.
Zeichnung 3 (Z 3)
Windrad 3er Kombination schematische Darstellung (120° Anordnung).
Zeichnung 4 (Z 4)
Windrad 6er Kombination schematische Darstellung (60° Anordnung). Die 9er Kombination ergibt sich durch Aufteilung der kreisrunden Anordnung in einem 40° Winkel.
Zeichnung 5 (Z 5) sowie Zeichnung 6 (Z 6)
Aus Muschelform abgeleitete Trichterführung. (Z 5 i. V. mit Z 6). Drei Wirbeltrichterturbos in schematischer Darstellung – deckungsgleich und dadurch synchron laufend. Die Dreiteilung entspricht der Dreieraufteilung einer Rotorebene mit drei einzelnen Rotorblättern. Eine 6er Anordnung der Turbos in der zweiten Rotorebene ist abhängig von der Aufhängung der Rotorblätter bzw. von der nach vorne zugängigen Windeinflugsfreifläche und ist in der Konstruktion so zu berücksichtigen (vgl. Z 1).
Zeichnung 7 (Z 7)
Fliehkraftdämpfersystem für mind. 3 unterschiedliche Gewichte mit Oneway Bypaßschaltung (ohne Zeichnung).
Zeichnung 8 (Z 8) sowie Zeichnung 9 (Z 9).
Gesamtanlage in 9er Variante der Rotorblätter incl. Fliehkraftdämpfer (Z 7) im Pendel stehend. Seitenansicht ohne Maßstab, Schutzkorb und Verschlußvorrichtung lt. Z 11.
Zeichnung 10 (Z 10)
Das hier vorliegende 3D Pendellager ist eine in einem vertikal angelegtem Kugellager und im unteren Bereich angelegtem 45° Rollenlager gelagerte Kugel, in deren Mittelpunkt die Last des drüber liegenden Windkraftrad berechnet ist.
Zeichnung 11 (Z 11)
Verschlußschema bei ansteigender Überlast der Anlage durch Federn und Hydraulikgestänge gesteuert. Halbschalen aus dem Hinterraum des Aggregates überstülpen zum Schutz gegen übermäßigen Windeinflug. Mit zunehmendem Druck auf die Gesamtanlage schiebt sich blütenblätterähnlich die Abdeckung druckgesteuert über den V2A-Schutzkörper und die Rotoranordnung. (Darstellung ohne V2A Schutzkorb)

Claims

Kleines und relativ großflächiges natürliches Rotorblatt dadurch gekennzeichnet, daß es den Wind einfängt d. h. ein windkonfrontierender Windfänger ist, dadurch geringste Anlaufverzögerung (m/s) aufweist und sich – bis auf die üblichen Standardteile – einer rein logarithmischen Mathematik d. h. nur im ,Global Scaling' – und „Goldenen Schnitt" Verfahren zu berechnen ist – siehe Z 1.
Rotorblatt nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die natur-gegebenen Öffnungen zur optimalen Laufleistung und Laufruhe mit angemessenen Fliehkraftgewichten (Hartgummi) versehen werden und/oder die Löcher zur leistungsoptimierenden Windableitung verschlossen und/oder nach innen gehend wieder geöffnet werden – siehe Z 1.
Rotorblatt nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß der einströmende Wind durch ein an der tiefsten Innenstelle in einer luftkomprimierenden Saug-Trichterführung durch den Korpus geleitet wird und an der Rückseite der Rotoren, in einem Winkel von unter 45°, in der entgegengesetzten Laufrichtung austritt, um als vorwärtstreibende Turbodüse zu fungieren – siehe Z 5 und Z 6.
Windrad nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es in erster Ebene 3 in zweiter Ebene zusammen 6 und/oder in der nachfolgenden Ebene insgesamt 9 Rotorblätter aufnimmt – siehe Z 3 und Z 4.
Windrad nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Varianten mit 3, 6 und/oder 9 Rotoren einen fliehkraftgesteuerten Trägheitsdämpfer hinter den Rotoren zur optimalen Laufleistung und Laufruhe mit angemessenen Fliehkraftgewichten versehen werde – siehe Z 7.
Windrad nach Anspruch 4–5 dadurch gekennzeichnet, daß es je nach Belastung via Kupplungen mehrere unabhängige Generatorkammern nacheinander zur vermehrten Leistungsabnahme koppelt.
Windrad nach Anspruch 4 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß der Korpus hinter den Rotorblättern aus einer Delphinform, die natürlichen Schwanzflossenform des Delphins als Horizontalruder und die Schwanzflossenform des Hammerhais als Vertikalruder – in Kombination – zur optimalen Steuerung der Windanlage im Wind dient – siehe Z 8.
Windrad nach Anspruch 4–7 dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtform durch ein dreifüßiges breitbeinig abgestütztes Pendel am Boden steht, wobei die zentrale Gewichtwirkung der oberen Windanlage in eine Zentralkugel berechtet ist, welche in einem reaktionsschnellen 3D Pendellager ruht, das über eine Stange zum Boden hin mit angemessenen Gewichten nach oben wie unten hin variabel belastet bzw. abgefangen oder kompensiert werden kann – siehe Z 8, Z 9 und Z 10.
Windrad nach Anspruch 4–8 dadurch gekennzeichnet, daß mind. 3blättrig gewölbte Halbschalen als Schutzmechanismus windschattig hinter den Rotoren und dem Abdeckkorb rundum ruht und bei anwachsender Überlast durch Druckübertragung von vorne via einem umleitenden Gestänge zunehmend mit dem Winddruck abschirmend über das System gestülpt wird und, dadurch daß der Druck nachläßt, bedingt durch pneumatische Verzögerung und nachlassenden Druck sich ,zeitlupenmäßig' wieder im Ausgangspunkt zurückfindet – siehe Z 11.