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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Rotor eines Windkraftwerks, der
einen sich um die Vertikalachse drehenden Körper und zumindest drei am Körper befestigte
und im Bezug darauf drehbar um die Vertikalachse montierte Rotorflügel aufweist.
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Verschiedene
Rotorlösungen
für Windkraftwerke
sind u. a. in der Veröffentlichung
GB 2000233 beschrieben.
Darin sind die Flügel
in Bezug auf den Körper
undrehbar arretiert, indem mechanische Begrenzer verwendet werden,
in deren Grenzen sich ein Flügel
nur in einem bestimmten Winkel zum Körper wenden kann.
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Ein
Problem hierbei ist, dass die Stellung der Flügel am Ende einer Umdrehung,
d. h. wenn er sich dem Umkehrpunkt auf der Windseite nähert, derartig ist,
dass sie der Drehung widersteht.
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Dieser
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Rotorlösung bereitzustellen,
bei der der Widerstand der Flügel
möglichst
gering ist, wenn sie sich gegen den Wind bewegen, und ein möglichst großer Nutzen
erreicht wird, wenn der Wind sie in Windrichtung stößt. Der
erfindungsgemäße Rotor
ist dadurch gekennzeichnet, dass jedem Flügel zumindest ein Kopplungselement
zum Koppeln eines Flügels
in einem erwünschten
Winkel zum Körper
des Rotors zugeordnet ist, so dass die durch den Wind am Flügel erzeugte
Kraft den Rotor dreht und, wenn sich der Flügel entgegen der Windrichtung
bewegt, den Flügel
wesentlich in Windrichtung stellt, um den Luftwiderstand zu minimieren.
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Die
wesentliche Idee der Erfindung ist, dass es zwischen dem Rotor und
den Flügeln
Kopplungselemente gibt, mit denen der Flügel, falls er in Bezug auf
die Rotorachse vom Wind abgewandt ist, zur freien Drehung freigestellt
wird, wobei er sich bei Gegenwind in eine möglichst wenig dem Wind widerstehende
Stellung stellt oder in die Windrichtung gewandt wird. Weiterhin
ist eine Ausführungsform
dadurch gekennzeichnet, dass der Flügel, wenn er sich am Rotorrand
auf der Windseite befindet, in Bezug auf den Rotor derart arretiert
wird, dass er sich nicht frei drehen kann. Wenn sich der Rotor dreht,
wendet sich der Flügel
so, dass der Wind beginnt, auf seine Seitenfläche einzuwirken und den Rotor
anhand des Flügels zu
drehen. Nach einer Ausführungsform
der Erfindung wird als Arretierglied eine elektromagnetische Kupplung
verwendet, mit der der Flügel
in Bezug auf den Körper
in einer erwünschten
Stellung arretiert werden kann, wenn sich der Flügel am Rotorrand auf der Windseite
befindet, und mit der der Flügel
dementsprechend auf der Gegenseite einfach und sicher freigestellt
werden kann. Das Kopplungselement zwischen dem Rotor und dem Flügel ist
nach einer anderen Ausführungsform
der Erfindung ein mit einem Servomechanismus gesteuerter Motor,
mit dem der Flügel
in einem erwünschten
Winkel zum Rotor gewandt und dementsprechend zur freien Drehung
freigestellt oder in die Windrichtung gestellt werden kann. Wenn
sich der Rotor dreht und der Flügel
sich dem Rotorpunkt nähert,
der am meisten im Wind liegt, kann der Flügel schräg gewandt werden, so dass der
Wind den Flügel
und somit den Rotor in seiner Drehrichtung stößt. Während der Rotordrehung kann
der Flügel
ferner immer möglichst
effizient eingestellt werden, um auf die Drehung des Rotors einzuwirken,
und wenn der Flügel
dementsprechend auf der vom Wind abgewandten Seite des Rotors eintrifft, kann
er in Bezug auf den Rotor derart schräg gewandt werden, dass der
Wind am Flügel
eine in Querrichtung einwirkende Kraft verursacht, die den Rotor
in seiner Drehrichtung stößt. Auf
diese Weise wird der Einflusswinkel des Flügels wesentlich größer als
180° und
aus dem Wind wird eine möglichst
große
Leistung gewonnen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die
Erfindung wird in den beigefügten
Figuren ausführlicher
beschrieben. Es zeigen
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1 schematisch
einen Rotor von der Seite,
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2 schematisch
eine Schnittansicht des Rotors entlang der Linie A-A der 1,
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3 schematisch
einen Rotor gemäß einer anderen
Ausführungsform
von der Seite, und
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4 schematisch
eine Schnittansicht des Rotors gemäß einer anderen Ausführungsform
entlang der Linie B-B der 3.
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1 zeigt
schematisch einen erfindungsgemäßen Rotor
von der Seite.
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Der
Körper 1a eines
Rotors 1 ruht auf einem Chassis 2 und ist in Bezug
darauf anhand einer Achse 3 drehbar montiert. Die Achse 3 ist
auf an sich bekannte Weise an einen nicht dargestellten, am Chassis 2 montierten
Generator zum Erzeugen von elektrischer Kraft angekoppelt.
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Der
Körper 1a des
Rotors 1 ist mit an der Rotorachse 3 befestigten
horizontalen Stützarmen 4 versehen,
die hier beispielhaft in Zusammenhang mit 2 als Gitterstruktur
dargestellt sind. An den Stützarmen 4 sind
Rotor flügel 5 anhand
von Achsen 6 drehbar befestigt. Die Achsen 6 sind
an beiden Enden des Flügels 5 an
den Stützarmen 4 gelagert,
so dass sich der Flügel 5 in
Bezug auf die Stützarme 4 leicht
drehen kann. Die Achse 6 der Flügel ist vorteilhaft rohrförmig, wobei
ein Kopplungselement 7, in dieser Ausführungsform eine elektromagnetische Kupplung,
darin montiert werden kann. Anhand des Kopplungselements 7 kann
der Flügel 5 in
Bezug auf die Stützarme 4 und
somit den Körper 1a des
Rotors 1 undrehbar gekoppelt werden, wenn der Zweck ist, dass
der Flügel 5 Wind
zur Drehung des Rotors 1 empfängt.
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Die
Arretierung findet statt, wenn sich der Flügel in Bezug auf die Rotorachse 3 ungefähr in seiner äussersten
Stellung auf der Windseite befindet. Wenn er sich mit dem Rotor 1 wendet,
stellt er sich dabei quer zur Windrichtung und der Wind wirkt auf seine
Oberfläche
ein und dreht den Rotor. Wenn sich der Flügel 5 wiederum auf
der Gegenseite des Rotors 1, d. h. vom Wind abgewandt,
befindet, wird seine Arretierung freigestellt und der Flügel stellt
sich in Windrichtung. Dann ist der durch ihn produzierte Widerstand
gegen Wind am geringsten. Damit sich der Flügel 5 möglichst
gut nach dem Wind stellen würde, wenn
er frei ist, soll seine Achse in breiterer Richtung des Flügels unsymmetrisch
zum Flügel 5 sein.
In diesem Falle stellt sich der andere Flügelrand immer gegen den Wind,
wenn der Flügel
frei ist Am vorteilhaftesten befinden sich die Kopplungselemente 7 an beiden
Enden des Flügels 5.
Die Kopplungselemente 7 können innerhalb des Achsenrohrs 6 des
Flügels 5 montiert
werden, wobei sie die Achsen von innen arretieren. Sie können natürlich auch
an den Armen 4 montiert werden, wobei sie die Achsen von
aussen oder von den Enden arretieren.
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2 zeigt
eine Schnittansicht des Rotors entlang der Linie A-A der 1.
Darin wird beispielhaft der Betrieb der Rotorflügel dargestellt, während sich
der Rotor dreht. Wenn der Wind in Richtung von Pfeil T weht, ist
der linke Flügel 5 anhand
des elektromagnetischen Kopplungselements 7 wesentlich
in Richtung des Stützarms 4 arretiert,
wobei, während sich
der Rotor dreht, der Wind beginnt, auf seine Oberfläche einzuwirken,
und den Rotor in Richtung von Pfeil P zum Drehen bringt. Der in
der Figur unterste, d. h. vom Wind abgewandte und weitest entfernt
liegende Flügel
wird entarretiert, wobei er, während
sich der Rotor 1 immer noch dreht, in die Windrichtung
gestellt werden kann, d. h. in eine Stellung, wo er einen möglichst
geringen Widerstand gegen Rotordrehung zustande bringt. Von seiner
untersten Stellung kann sich der Flügel in Laufrichtung des Rotors
frei in Bezug auf die Stützarme 4 wen den.
Der in 2 oberste, d. h. am meisten im Wind liegende, Flügel wird
an dieser Stelle wesentlich in Richtung des Stützarms 4 arretiert,
und wenn er sich wendet, beginnt der Wind darauf einzuwirken und
somit die Kraft erzeugt, die den Rotor dreht.
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Um
die Flügel
an der richtigen Stelle anzukoppeln, muss die Einrichtung natürlich Sensoren und
Steuerelemente aufweisen, die die Ankopplung und Freistellung steuern.
Somit umfasst die Einrichtung einen Sensor für Windrichtung, der die Richtung angibt,
woher ein Wind weht. Diese Richtung ist diejenige, in der der Flügel undrehbar
arretiert oder nach der der Flügelwinkel
eingestellt wird. Demgemäß ist die
Gegenseite des Rotors diejenige, auf der der Flügel entarretiert oder in die
Windrichtung eingestellt wird. Die durch die Kopplungselemente realisierte Einrichtung
umfasst auch Sensoren, die das Eintreffen eines Flügels an
der Kopplungsstelle und das Eintreffen eines Flügels an der Entarretierungsstelle angeben,
wobei die Kopplung und die Freistellung der Flügel mit diesen Sensoren und
dem Windrichtungssensor gesteuert werden können. Im Prinzip reicht es,
dass der Windrichtungssensor eine Steuereinheit ist, die sich nach
der Windrichtung wendet und die sich zusammen mit ihr wendenden
Ankopplungs- und Entarretierungssensoren aufweist. In diesem Falle
wird der Flügel
immer richtig auf der Windseite angekoppelt und auf der Gegenseite
freigestellt.
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3 und 4 zeigen
eine andere Ausführungsform
der Erfindung von der Seite des Rotors sowie aus der Achsenrichtung
geschnitten entlang der Linie B-B der 3.
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In
dieser Ausführungsform
wird zwischen dem Rotor 1 und den Flügeln 5 anstatt eines
bloßen Arretiermechanismus
anhand von Servomechanismen elektrisch gesteuerte Motoren 8 benutzt,
mit denen die Stellung der Flügel
in Bezug auf den Rotor 1 auf erwünschte Weise gestellt werden
kann. Die Motoren 8 befinden sich zwischen den Armen 4 der
Rotoren und den Flügeln 5,
so dass sich die Flügel 5, gedreht
von den Servos 8, in Bezug auf den Rotor 1 um
die Achse 6 wenden können.
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3 zeigt
eine Lösung,
wo sich die Motoren 8 zwischen den Stützarmen 4 und den
Flügeln 5 befinden.
Solche Motoren 8 und die Struktur und der Betrieb der mit
ihnen verbundenen Servomechanismen sind an sich bekannt, und sie
werden nicht ausführlicher
erläutert.
Im Prinzip fungieren die Servomechanismen und die durch sie gesteuerten
Motoren nach von verschiedenen Steuervorrichtungen und Sensoren
gegebenen Signalen so, dass sie ihr Objekt, in diesem Falle den
Rotorflügel 5,
um seine Achse aufgrund der durch die Steuervorrichtungen und Sensoren
für die
Steuereinrichtung angegebenen Information gemäß der Sensoranweisungen wenden.
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4 zeigt
beispielhaft, wie die Flügel 5 unter
Berücksichtigung
der Windrichtung und des anhand der Flügel am Rotor erreichbaren Nutzens
gesteuert werden können,
Wie 4 zeigt, ist der am meisten auf der Windseite
liegende, d. h. in 4 der oberste, Flügel mit
dem Servo um einen Winkel α schräg zur Windrichtung
T gewandt. Wenn der Wind auf die Oberfläche des Flügels 5 weht, erzeugt
er eine Kraft, die den Rotor 1 in Richtung von Pfeil P dreht.
Der Flügelwinkel α kann je
nach der Drehung des Rotors 1 so eingestellt werden, dass
die Größe der sich
durch die Windeinwirkung am Flügel
bildenden Kraft möglichst
passend für
die Effektivität
der Rotordrehung ist. Somit liegt beispielhaft der in 4 linke
Winkel an dieser Stelle wesentlich senkrecht zur Windrichtung T.
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Dementsprechend
zeigt 4, wie der in der Figur unterste Flügel 5 um
einen Winkel β schräg zur Windrichtung
T gewandt ist, wobei der Wind darin eine Kraft in Querrichtung,
d. h. in der Figur nach rechts einwirkende Kraft, erzeugt und somit
den Rotor 1 auch anhand der auf diesen Flügel einwirkenden
Kraft dreht. Die Winkel α und β sind von
der Struktur der Flügel
und natürlich
von der Position der Flügel
auf dem Drehungsumfang abhängig.
Der Flügel
kann in eine passende schräge
Stellung gewandt werden, schon bevor er an der Stelle des in 4 obersten
Flügels
eintrifft, und der untere Flügel
kann sich in einem Winkel zum Rotor bedeutend mehr nach rechts von
der untersten Stelle der 4 befinden, wobei die Flügeleinwirkung
auf die Rotordrehung zunimmt, so dass der Drehungswinkel von wesentlich über 180° erreicht
wird.
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Wenn
sich der Rotor in Richtung B dreht und der unterste Flügel 5 an
einem passenden Punkt auf der rechten Seite der in 4 gezeigten
Stelle eintrifft, kann der Flügel
entweder von der Servosteuerung freigestellt oder mit dem Servo
gänzlich
in die Windrichtung gewandt und während der Rotordrehung da gehalten
werden, bis der Flügel
an einer passenden Steile vor der Endstellung des Rotors auf der
Windseite eintrifft. Wenn der Rotor an dieser Stelle eintrifft,
wird er entweder derart gekoppelt, dass er vom durch das Servo gesteuerten
Motor gewandt wird, oder wenn er schon vom durch das Servo gesteuerten
Motor gewandt ist, wird es in einem erwünschten Winkel zu den Stützarmen 4 des
Rotors gewandt, so dass der Wind die erforderliche Stoßkraft für das Drehen
des Rotors produziert.
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Wie
in der mit den bloßen
Kopplungselementen versehenen Lösung
muss natürlich
auch die Einrichtung dieser Ausführungsform
einen Sensor und Steuerelemente aufweisen, die die Wendung des Flügels mittels
des durch das Servo gesteuerten Motors und die mögliche Entkopplung von der
Servosteuerung und die Ankopplung zurück auf die Servosteuerung steuern.
Auch in dieser Ausführungsform wird
ein Windrichtungssensor und für
die Steuereinrichtung erforderliche Mittel wie ein Mikroprozessor oder
eine auf andere Weise implementierte Steuereinheit benötigt, die
die Servosteuerung und die Flügelwendung
auf für
den Betrieb geeignete Weise durchführt. Somit geben die zu einer
mit den Servos implementierten Einrichtung gehörenden Sensoren an, wann sich
der Flügel
in einer Stellung befindet, in der sein Winkel zur Erzeugung von
Drehkraft eingestellt und dementsprechend bei Gegenwind wesentlich
in die Windrichtung gestellt werden muss. Verschiedene Sensoren
und Steuereinheiten gehören zur
an sich allgemeinen Regel- und Steuertechnik und sind einem Fachmann
bekannt. Deshalb müssen sie
nicht ausführlicher
beschrieben werden.
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Die
Erfindung wird oben in der Beschreibung und in den Figuren lediglich
beispielhaft beschrieben und sie ist nicht darauf beschränkt, sondern
kann im Rahmen der beigefügten
Schutzansprüche
angewandt werden. In diesen Ausführungsformen
sind schematisch vier Flügel
dargestellt, aber weniger oder mehr, jedoch wenigstens drei Flügel können am Rotor
verwendet werden, um immer eine ausreichende Drehkraft zu erreichen.
Indem die Breite und die Anzahl der Flügel passend ausgewählt werden,
ist die Wirkungsfläche
der Flügel
in Bezug auf Wind auf einer Rotorseite relativ groß, aber
auf der Gegenseite befinden sich die Flügel in einer Stellung, in der
sie sich frei in eine Stellung wenden können, die einen Minimalwiderstand
verursacht.