DE202009000079U1

DE202009000079U1 - Rotoranordnung für eine Windkraftanlage

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Publication number: DE202009000079U1
Application number: DE202009000079U
Authority: DE
Original assignee: FANDRICH ANDREA
Current assignee: FANDRICH ANDREA
Priority date: 2009-02-02
Filing date: 2009-02-02
Publication date: 2010-06-24
Anticipated expiration: 2019-02-03

Abstract

Rotoranordnung (10) für eine Vertikal-Windkraftanlage umfassend einen um eine vertikal verlaufende Drehachse (13) drehbaren Rotor (32) mit zumindest zwei gebogenen Rotorflügeln (14, 16, 18), die jeweils eine konkav verlaufende zum Drehen des Rotors von Wind erfasste erste Außenfläche (28) und eine konvex verlaufende zweite Außenfläche (30) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass um die Drehachse (13) ein Träger (20) mit einer Windfahne (21) drehbar angeordnet ist und dass diametral zu der Windfahne von dem Träger ein Windleitelement (22) ausgeht, das sich von der Halterung ausgehend entlang jeweils vorbei bewegender konvex verlaufender zweiter Außenfläche (30) des Rotorflügels (14, 16, 18) und beabstandet zu diesem erstreckt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Rotoranordnung für eine Vertikal-Windkraftanlage umfassend einen um eine vertikal verlaufende Drehachse drehbaren Rotor mit zumindest zwei gebogenen Rotorflügeln, die jeweils eine konkav verlaufende zum Drehen des Rotors vom Wind erfasste erste Außenfläche und eine konvex verlaufende zweite Außenfläche aufweisen.
Mittels einer Windkraftanlage wird kinetische Energie des Windes in elektrische Energie umgewandelt. Hierzu wird die Bewegungsenergie der Windströmung auf Rotorflügel oder -blätter übertragen, wodurch der Rotor in Drehbewegung versetzt wird. Die Rotationsenergie wird sodann an einen Generator abgegeben, der diese in elektrische Energie umwandelt.
In der Praxis werden am häufigsten Windkraftanlagen mit Windrädern mit einer waagerecht verlaufenden Drehachse eingesetzt, von der bei einem Auftriebsläufer Rotorblätter mit aerodynamischem Profil ausgehen, um durch einen Druckunterschied zwischen Saug- und Druckseite des Blattes einen Auftrieb zu erzeugen. Entsprechende Windkraftanlagen können Rotordurchmesser von ohne Weiteres 40 m bis 90 m oder mehr aufweisen. Diesbezügliche Windkraftanlagen unterliegen strengen Zulassungsbestimmungen und müssen im Freien aufgestellt sein.
Neben Auftriebsläufern sind auch Widerstandsläufer bekannt, bei denen die Luftwiderstandskraft zum Antrieb genutzt wird, der ein umströmter Körper ausgesetzt ist.
Windkraftanlagen mit vertikal verlaufender Drehachse sind gleichfalls im Einsatz. Entsprechende Anlagen können z. B. einen Savonius-Rotor oder einen Darrieus-Rotor aufweisen. Auch vertikale Windkraftanlagen werden grundsätzlich nicht auf Häusern befestigt, stehen vielmehr im Freien und bedürfen gesonderter Zulassung.
Rotoren, die um eine vertikal verlaufende Achse sich drehen und Rotorflügel besitzen, die die dem Wind zugewandte offene, also konkav gebogene Flächen aufweisen, zeigen den Nachteil, dass die Rotation durch Auftreffen des Windes auf die konvex verlaufende Außenfläche gehemmt wird, also durch den hierdurch erzeugten Gegendruck die auf die einen konkaven Verlauf aufweisende oder offene Außenfläche auftreffende Windkraft nicht voll genutzt werden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Rotoranordnung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass der nachteilig auf den Wirkungsgrad sich auswirkende Gegendruck minimiert bzw. aufgehoben wird.
Zur Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung im Wesentlichen vor, dass um die Drehachse ein Träger mit einer Windfahne drehbar angeordnet ist und dass diametral zu der Windfahne von dem Träger ein Windleitelement ausgeht, das sich von der Halterung ausgehend entlang jeweils vorbei bewegender konvex verlaufender zweiter Außenfläche des Rotorflügels und beabstandet zu diesem erstreckt. Die Rotorflügel spannen Ebenen auf, die sich entlang der Drehachse erstrecken, also parallel zu dieser verlaufen.
Durch das Windleitblech erfolgt eine Abschattung der konvex verlaufenden zweiten Außenflächen, so dass auf diese Wind nicht auftreffen und ein Gegendruck nicht erzeugt wer den kann. Somit werden im Wesentlichen allein die konkav verlaufenden ersten Außenflächen von Wind beaufschlagt mit der Folge, dass ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird. Demgegenüber werden die zweiten Außenflächen abgeschattet oder abgeschirmt.
Dadurch, dass das Windleitelement mit dem Träger verbunden ist, von dem die Windfahne ausgeht, wobei Windfahne und Windleitblech diametral zur Drehachse des Rotors verlaufen, erfolgt eine automatische Ausrichtung des Windleitblechs zur Windrichtung, so dass durch das Windleitblech die konvex verlaufenden zweiten Außenflächen, die unmittelbar dem Wind ausgesetzt sind, bedeckt bleiben, wohingegen die erste konkav verlaufende Außenfläche vom Wind beaufschlagt wird mit der Folge, dass ein optimaler Wirkungsgrad erzielbar ist.
Dabei ist in hervorzuhebender und eigenerfinderischer Ausgestaltung vorgesehen, dass das Windleitelement verschwenkbar zu den konvex verlaufenden Außenflächen angeordnet ist mit der Folge, dass bei hoher Windlast das Windleitblech derart verstellt wird, dass aufgrund der in Bezug auf die Windrichtung sich in seiner Stellung veränderten Anströmfläche des Windleitblechs der Träger gedreht wird, dass das Windleitblech in einem gewissen Umfang die konkav verlaufende Außenfläche des vom Wind beaufschlagten Rotorflügels abdeckt mit der Folge, dass sich die volle Windlast nicht bemerkbar macht und somit die Drehzahl des Rotors verringert wird. Durch die Verstellbarkeit des Windleitblechs erfolgt eine automatische Regelung der Rotordrehzahl in einem Umfang, dass unabhängig von der Windstärke unzulässig hohe Drehzahlen nicht erreichbar sind, vielmehr von einer gewissen Windstärke ab die Drehzahl im Wesentlichen gleich bleibt. Dies wird durch die Verschwenkbarkeit des Windleitelements und das hierdurch bedingte Drehen des Trägers zur Windrichtung sichergestellt.
Das Windleitblech selbst ist insbesondere als ein gebogenes plattenförmiges Außenelement wie Blechelement mit konvex verlaufender Außenfläche ausgebildet, die dem auftreffenden Wind zugewandt ist.
Eine Windkraftanlage mit einer entsprechenden Rotoranordnung kann gefahrlos in Wohngebieten, insbesondere auf Hausdächern befestigt werden. Die Rotorflügel können insge samt eine Fläche zwischen 1,2 m² und 1,4 m² aufweisen, wobei Leistungen zwischen 3 kW und 5 kW erzielbar sind. Drehzahlen von 220 U/min sind ohne Weiteres möglich, ohne dass eine Gefährdung erfolgt.
Die Rotorflügel sind insbesondere gebogene Blechelemente und bestehen bevorzugterweise aus Aluminium. Die Höhe der Flügel kann im Bereich zwischen 130 cm und 150 cm liegen. Die diesbezüglichen Zahlenangaben sind jedoch rein beispielhaft zu verstehen, ohne dass hierdurch eine Beschränkung der erfindungsgemäßen Lehre erfolgen soll.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich und/oder in Kombination –, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiels.
Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf eine Rotoranordnung und
2 eine Seitenansicht der Rotoranordnung gemäß 1.
Gegenstand der Erfindung ist eine Rotoranordnung 10, die für eine Vertikal-Windkraftanlage, die auf Häusern bzw. Dächern montierbar ist, bestimmt ist. Die die Erfindung prägenden Merkmale der Rotoranordnung 10 umfassen drei gleichmäßig verteilte von einer eine vertikale Achse 13 bildenden Welle 12 ausgehende gebogene Rotorflügel 14, 16, 18, einen Träger 20, der um die vertikale Achse 13 drehbar ist, eine von dem Träger 20 ausgehende Windfahne 21 sowie ein gebogenes Windleitelement 24, das um eine parallel zu der vertikalen Achse 13, also zu der Welle 12 verlaufende Achse 24 schwenkbar von dem Träger 20 ausgeht.
Das Windleitelement 22, das vorzugsweise aus gebogenem Aluminiumblech besteht, ist zum einen schwenkbar um die Achse 24 mit dem Träger 20 verbunden und zum anderen über ein Dämpfungselement wie Stoßdämpfer 26 gegenüber dem Träger 20 abgestützt.
Jeder Rotorflügel 14, 16, 18, der ein gebogenes Blech aus Aluminium sein kann, weist eine konkav verlaufende erste Außenfläche 28, die auch als offene Fläche zu bezeichnen ist, und eine konvex verlaufende zweite Außenfläche 30 auf.
Entsprechend der zeichnerischen Darstellung dreht sich der aus den Rotorflügeln 14, 16, 18 bestehende Rotor 32 um die vertikale Achse 13 im Uhrzeigersinn. Somit wird durch Beaufschlagen der jeweiligen ersten Außenflächen 28 der Rotorblätter 14, 16, 18 der Rotor 32 in Drehbewegung versetzt, um somit die kinetische Energie des Windes in elektrische Energie über einen nicht dargestellten Generator umwandeln zu können, der mit der Welle 12 verbunden ist. Die Windfahne 21 ist in Längsrichtung des Trägers 20 ausgerichtet. Ferner besteht die Möglichkeit, dass die Windfahne 21 und/oder das Windleitblech 22 zu der vertikalen Achse 13 verstellbar sind. Dies wird durch die Doppelpfeile 34, 36 symbolisiert. Hierzu kann der Träger 20 in den Bereichen, in denen die Windfahne 22 bzw. das Windleitelement 24 fixiert sind, teleskopartig ausgebildet sein. Dabei ist es nicht zwingend erforderlich, dass das Dämpfungselement 26, also im Ausführungsbeispiel der Stoßdämpfer gleichfalls von dem teleskopierbaren Abschnitt des Trägers 20 ausgeht. Vielmehr kann der Stoßdämpfer 26 fest angelenkt sein, so dass durch Verstellen der Schwenkachse 24, in der das Windleitelement 22 mit dem Träger 20 verbunden ist, zu der Vertikalachse 13 der Einstellwinkel des Windleitblechs 22 verändert werden kann.
Ferner ergibt sich aus der 1, dass die gebogenen Rotorflügel 16, 18, 20 an der Welle 12 vorzugsweise über Schrauben verbunden sind.
Dadurch, dass der Träger 20 mit der Windfahne 21 drehbar um die vertikal verlaufende Achse 13 angeordnet ist, erfolgt ein automatisches Ausrichten auf die Richtung des Windes (Pfeil 38) mit der Folge, dass die erste Außenfläche 28, also die offene Fläche des dem Wind zugewandten Rotorflügels – im Ausführungsbeispiel der Rotorflügel 18 – dem Wind ausgesetzt und somit der Rotor 32 in Drehbewegung versetzt werden kann. Gleichzeitig wird die konvex verlaufende Außenfläche der Rotorflügel 14, 16 über das Windleitblech 22 abgeschirmt, so dass über erste ein die Drehbewegung hemmender Gegendruck nicht erzeugt werden kann.
Das Windleitblech 22 erstreckt sich folglich entlang der jeweils vorbei bewegenden konvex verlaufenden zweiten Außenfläche und beabstandet zu dieser, wobei sich vom Anlenkpunkt 24 ausgehend im Ausführungsbeispiel das Windleitblech 22 entgegen dem Uhrzeigersinn erstreckt.
Wären folglich die Rotorflügel abweichend von der zeichnerischen Darstellung entgegengesetzt gekrümmt ausgebildet, so würde sich der so gebildete Rotor entgegen dem Uhrzeigersinn drehen mit der Folge, dass das zugeordnete Windleitblech im Uhrzeigersinn ausgehend von dessen Anlenkpunkt verläuft.
Um eine hinreichende Abschattung bzw. Abschirmung der konvex verlaufenden Außenflächen gegenüber dem auftreffenden Wind sicherzustellen, sollte der lotrechte Abstand zwischen Längsaußenkante 40 des Windleitblechs 22 und Längsachse des Trägers 20, die gleich der Verbindungslinie 41 zwischen Anlenkpunkt 24, Vertikalachse 13 und Befestigungspunkt 42 der Windfahne 21 ist, stets zumindest gleich dem maximalen lotrechten Abstand der Längsränder 44 der gleich ausgebildeten Rotorflügel 14, 16, 18 zu der entsprechenden Verbindungslinie 41 sein. Der maximale lotrechte Abstand ist in 2 der Abstand d. Somit ist sichergestellt, dass unabhängig von der Stellung des Windleitelements 22 die konvex verlaufende Außenfläche des Rotorflügels 14, 16, 18 die einen Gegendruck erzeugen könnte, stets abgeschirmt bzw. abgeschattet sind.
Ungeachtet dessen sieht die Erfindung jedoch vor, dass der lichte Abstand zwischen der Längsaußenkante 40 und der Verbindungslinie 41 bei starken Windlasten abnimmt, da in diesem Fall der Stoßdämpfer 26 zusammengedrückt wird. Es verändert sich der Einstellwinkel des Windleitelementes 22 zu dem auftreffenden Wind mit der Folge, dass der Träger 20 zur Windrichtung gedreht wird, so dass das Windleitelement 22 die vom Wind unmittelbar beaufschlagte konkav verlaufende Fläche 28 des Rotorflügels 18 teilweise abdeckt. Hierdurch erfolgt eine Reduzierung der Umdrehungszahl des Rotors 32. Somit ist sichergestellt, dass z. B. bei böenartigen Winden eine unzulässige Drehzahl des Rotors 32 nicht auftreten kann.
In der zeichnerischen Darstellung würde sich demzufolge der Träger 20 bei in Richtung des Trägers 20 verstelltem Windleitelement 22 im Uhrzeigersinn drehen mit der Folge, dass das Windleitelement 22 bezogen auf die Windrichtung 38 den achsnahen Bereich der konkav verlaufenden Fläche 28 des Rotorflügels 18 abdeckt, so dass die dem Wind ausgesetzte Fläche des Rotorflügels 18 reduziert wird. Folglich wird sich die Drehzahl des Rotors 22 verringern.
Die Fläche der auch als Lamellen zu bezeichnenden Rotorflügel 14, 16, 18 kann insgesamt im Bereich zwischen 1,2 m² und 1,4 m² liegen. Es können Leistungen zwischen 3 kW und 5 kW mit einer entsprechenden Vertikal-Windkraftanlage erzeugt werden. Maximale Drehzahlen sind vorzugsweise bis zu 220 U/min zugelassen.
Die Höhe H der Flügel 14, 16, 18 kann ohne Weiteres bis 140, 150 cm liegen, wobei der Durchmesser des Rotors 32 im Bereich zwischen 200 cm und 240 cm liegt.

Claims

Rotoranordnung (10) für eine Vertikal-Windkraftanlage umfassend einen um eine vertikal verlaufende Drehachse (13) drehbaren Rotor (32) mit zumindest zwei gebogenen Rotorflügeln (14, 16, 18), die jeweils eine konkav verlaufende zum Drehen des Rotors von Wind erfasste erste Außenfläche (28) und eine konvex verlaufende zweite Außenfläche (30) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass um die Drehachse (13) ein Träger (20) mit einer Windfahne (21) drehbar angeordnet ist und dass diametral zu der Windfahne von dem Träger ein Windleitelement (22) ausgeht, das sich von der Halterung ausgehend entlang jeweils vorbei bewegender konvex verlaufender zweiter Außenfläche (30) des Rotorflügels (14, 16, 18) und beabstandet zu diesem erstreckt.
Rotoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von der Drehachse (13) drei gleichmäßig um diese verteilt angeordnete Rotorflügel (14, 16, 18) ausgehen.
Rotoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Windleitelement (22) ein gebogenes plattenförmiges Element wie Blechelement mit konvex verlaufender Außenfläche (46) ist.
Rotoranordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Windleitelement (22) schwenkbar von einer Achse (24) ausgeht, die parallel zu der Drehachse (13) verläuft.
Rotoranordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Windleitelement (22) gegenüber dem Träger (20) über ein ein Schwenken dämpfendes Dämpfungselement (26) wie Stoßdämpfer abgestützt ist.
Rotoranordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windfahne (21) und/oder das Windleitelement (22) in Längsrichtung des Trägers (20) verstellbar fixierbar ist.
Rotoranordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass lotrechter Abstand zwischen Längsaußenrand (40) des Windleitelements (22) zur sowohl durch die Drehachse (13) als auch durch die Windfahne verlaufenden Geraden (41) zumindest gleich maximalem lotrechten Abstand zwischen Längsaußenrand (44) des Rotorflügels (14, 16, 18) zu der Geraden ist.
Rotoranordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorflügel (14, 16, 18) ein gebogenes Blechelement insbesondere aus Aluminium ist.
Rotoranordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorflügel (14, 16, 18) eine Höhe zwischen 130 cm und 150 cm aufweist.