DE202010003488U1

DE202010003488U1 - Vorrichtung zur Umwandlung von Windenergie in mechanische Energie

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Publication number: DE202010003488U1
Application number: DE201020003488
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-03-11
Filing date: 2010-03-11
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2020-03-12

Abstract

Vorrichtung zur Umwandlung von Windenergie in mechanische Energie, mit einem um eine Rotorachse (2a) drehbar gelagerten Rotor, an dem mindestens ein Rotorblatt (11) drehbar gelagert und über ein Antriebsmittel derart gesteuert drehantreibbar ist, dass das Rotorblatt (11) bei jeder vollen Umdrehung des Rotors eine halbe Umdrehung ausführt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von Windenergie in mechanische Energie.
Zur Umwandlung von Windenergie in mechanische Energie existieren eine Vielzahl an unterschiedlichen Vorrichtungen. Hierbei haben sich Vorrichtungen bewährt, die eine laminare Windströmung in Rotationsenergie umwandeln. Bei derartigen Vorrichtungen ist im wesentlichen zu unterscheiden zwischen Vorrichtungen mit einer Rotationsachse parallel zur Windströmung und Vorrichtungen mit einer Rotationsachse quer zur Windströmung. Ferner weisen solche Vorrichtungen einen Rotor auf, an dem sich beabstandet zur Rotationsachse Rotorblät ter bzw. Rotorschaufeln befinden, die in einem bestimmten Winkel zur Windströmung ausgerichtet werden, so dass sie der Windströmung einen Widerstand bieten und somit den Rotor in Drehung versetzen.
Insbesondere Vorrichtungen mit einer Rotationsachse quer zur Windrichtung haben den Nachteil, dass die einzelnen Rotorblätter bzw. Rotorschaufeln während eines Rotorumlaufs nicht immer optimal zur Windrichtung ausgerichtet sind. Dies hat zur Folge, dass sie der Windströmung in Abhängigkeit der Rotorstellung nicht den optimalen Widerstand entgegensetzen können und dadurch den Wirkungsgrad der Vorrichtung verringern.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Vorrichtung zur Umwandlung von Windenergie anzugeben, bei der die Rotorblätter bzw. Schaufeln bei jeder Rotorstellung optimal zum Wind ausgerichtet sind und damit der Wirkungsgrad der Vorrichtung erhöht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Umwandlung von Windenergie mit einem um eine Rotorachse, die vorzugsweise quer zur Windrichtung verläuft, drehbar gelagerten Rotor, an dem mindestens ein Rotorblatt, welches sich vorzugsweise um seine Längsachse drehen kann, drehbar gelagert und über ein Antriebsmittel derart gesteuert drehantreibbar ist, dass das Rotorblatt bei jeder vollen Umdrehung des Rotors eine halbe Umdrehung um die eigene Längsachse ausführt.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Blattachse des Rotorblattes von der Rotorachse beabstandet ist und im wesentlichen parallel zu dieser verläuft.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist das Antriebsmittel als Zugmitteltrieb ausgestaltet, wobei ein Rotorgetrieberad auf der Rotorachse an dem Rotor drehbar gelagert und ein Blattgetrieberad koaxial zu der Blattachse an dem Rotorblatt fixiert ist.
Bei einer derartigen Ausgestaltung ist es vorteilhaft, wenn das Übersetzungsverhältnis des Zugmitteltriebes 2:1 ist, wobei das Rotorgetrieberad halb so groß wie das Blattgetrieberad ist.
Ferner kann eine mit dem Rotorgetrieberad verbundene Windfahne, die an der Vorrichtung um die Rotorachse drehbar gelagert ist, vorgesehen sein.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Windfahne über ein Stellelement an das Rotorgetrieberad gekoppelt ist. Eine derartige Kopplung hat den Vorteil, dass die Rotorblätter auch bei wechselnder Windrichtung permanent optimal zu dieser ausgerichtet sind und folglich der Wirkungsgrad der Vorrichtung maximiert wird. Dies kann insbesondere bei starken Winden zur Schonung der Vorrichtung oder zu Reparaturzwecken von Vorteil sein.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Zugmitteltrieb formschlüssig ist. Dabei könnte der Zugmitteltrieb beispielsweise als Zahnriementrieb oder aber auch als Kettentrieb ausgebildet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist die Rotorachse im wesentlichen vertikal angeordnet.
Ebenfalls bevorzugt ist vorgesehen, dass die Rotorblätter plattenförmig, d. h. eben ausgebildet sind.
Ferner sieht die Erfindung die Ausgestaltungsmöglichkeit vor, dass der Rotor eine Rotorwelle aufweist, die an einem Gestell gelagert ist.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Rotorwelle ein Fliehgewicht aufweist, das an einem Gewichtsarm um eine horizontale Achse schwenkbar gelagert und über einen Gewichtshebel mit einer Stellmuffe derart verbunden ist, dass eine Drehung des Fliehgewichts um die horizontale Achse eine vertikale Translation der Stellmuffe bewirkt.
In einer derartigen Ausgestaltung ist es vorteilhaft, wenn die vertikale Bewegung der Stellmuffe über ein Hebelsystem auf die Stellhülse übertragen wird. Ein geeignetes Hebelsystem kann einen Muffenhebel, eine Verbindungsstange, einen Hülsenhebel, Kurvenrollen sowie eine Lagerkonsole umfassen. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Stellhülse über eine Stellkurvenrolle und einen Winkelhebel an das Stellelement gekoppelt ist.
Zur Regelung der Auswirkung der Fliehkraft auf das Hebelsystem kann in einem Bereich zwischen dem Gewichtsarm und dem Stellelement ein der Fliehkraft des Fliehgewicht entgegenwirkendes Mittel vorgesehen sein. Vorzugsweise ist die Kraft, mit der das Mittel der Fliehkraft entgegenwirkt, einstellbar. Ein solches Mittel kann beispielsweise eine Feder, die über eine Vorrichtung vorspannbar ist, sein. In einer anderen Ausführungsform ist dieses Mittel als Gegengewicht ausgebildet, das vorzugsweise unter Ausnutzung der Hebelgesetze auf das Hebelsystem wirkt, wobei beispielsweise über eine Veränderung der Position des Gewichts entlang des Hebelarms die der Fliehkraft entgegenwirkende Kraft einstellbar ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei auf eine Zeichnung Bezug genommen ist, in der
1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Längsschnitt zeigt;
2 eine Draufsicht der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt, wobei auch verdeckte Konturen einiger Bauteile sichtbar sind;
3 eine Seitenansicht des unteren Bereiches der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Längsschnitt zeigt;
4 ein vergrößerter Ausschnitt aus 1 zeigt, wobei die Windfahne sowie die Kopplung zwischen Stellhülse und Rotorgetriebeblatt sichtbar sind; und
5 eine um 90° um die vertikale Achse gedreht Seitenansicht nach 4 zeigt.
In 1 ist eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Umwandlung von Windenergie in mechanische Energie im Längsschnitt dargestellt. Die Vorrichtung umfasst eine Rotorwelle (2) die an einem unteren Ende über zwei in axialer Richtung von einander beabstandete Wälzlager (3, 4) an einem Gestell (1) um eine Rotorachse (2a) drehbar gelagert ist. In einem Bereich oberhalb der Wälzlager (3, 4) sind ein unterer Drehstern (5) und in axialer Richtung beabstandet darüber ein oberer Drehstern (6) mit der Rotorwelle koaxial verbunden. Zwischen dem unteren Drehstern (5) und dem oberen Drehstern (6) sind drei Rotorblätter (11), von denen nur eines abgebildet ist, von der Rotorwelle (2) beabstandet, drehbar gelagert, wobei die Blattachse (11a) jeweils parallel zur Rotorachse (2a) verläuft. In dieser Ausführungsform sind die Rotorblätter in einem oberen Bereich koaxial mit einer oberen Blattwelle (9) verbunden und jeweils über ein oberes Blattlager (10) an dem oberen Drehstern gelagert. Das Rotorblatt (11) ist in einem unteren Bereich koaxial zu dir Blattachse (11a) mit einer unteren Blattwelle (7) verbunden und über ein unteres Blattlager (8) an dem unteren Drehstern (5) drehbar gelagert. Die untere Blattwelle (7) weist an einem unteren Ende, beabstandet vom unteren Blattlager (8), koaxial zur Blattachse (11a) ein Blattgetrieberad (15) auf, welches über eine Kette oder einen Zahnriemen (16) mit einem Rotorgetrieberad (12) verbunden ist, wobei das Rotorgetrieberad (12) koaxial zur Rotorachse (2a) an der Rotorwelle (2) in einem Bereich zwischen dem unteren Drehstern (5) und dem oberen Wälzlager (3) drehbar gelagert ist. Der Wirkdurchmesser des Blattgetrieberades (15) ist doppelt so groß der Wirkdurchmesser des Rotorgetrieberades (12). Ferner weist die Vor richtung eine Windfahne (13) auf, die mit einem horizontalen Ausleger über ein Wälzlager an dem Gestell (1) um die Rotorachse (2a) drehbar gelagert ist. Der Ausleger ist über ein Stellelement (14) an das Rotorgetrieberad (12) gekoppelt. Somit ist gewährleistet, dass die Rotorblätter (11) zu jedem Zeitpunkt des Rotorumlaufes automatisch zur Windrichtung ausgerichtet werden.
In 2 ist die bevorzugte Ausgestaltung der Vorrichtung in einer Draufsicht dargestellt. Weitere Varianten, die mehr oder weniger Rotorblätter aufweisen, sind möglich. Bei dem in 2 dargestellten Rotor sind die Rotorblätter (11) derart ausgerichtet, dass sich der Rotor unter Beaufschlagung einer laminaren Windströmung gegen den Uhrzeigersinn dreht. Dabei führen die Rotorblätter (11) eine der Rotordrehung entgegengesetzte Drehung um die Blattachse (11a) aus, deren Winkelgeschwindigkeit halb so groß wie die Winkelgeschwindigkeit des Rotors um die Rotorachse (2a) ist. Ein Rotorblatt (11) welches in einer Ausgangslage mit seiner Wirkfläche senkrecht zum Bewegungsvektor der Blattachse (11a) ausgerichtet ist, wird nach einer halben Umdrehung des Rotors mit seiner Wirkfläche parallel zu dem Bewegungsvektor der Blattachse (11a) ausgerichtet sein.
3 zeigt in einer Seitenansicht einen unteren Bereich der Vorrichtung zur Umwandlung van Windenergie in mechanische Energie. Die Rotorwelle (2) weist in einem unteren Bereich ein mit ihr starr verbundenes horizontal verlaufendes Halteelement auf, an dem beabstandet zur Rotorachse (2a) auf gegenüberliegenden Seiten jeweils ein Gewichtsarm (18) um jeweils eine horizontale Achse schwenkbar gelagert ist, wobei die Gewichtsarme (18) an ihrem unteren Ende jeweils ein Fliehgewicht (17) aufweisen und über jeweils einen Gewichtshebel (19) an eine Stellmuffe (20) gekoppelt sind. Eine Rotation der Rotorwelle (2) bewirkt, dass die Fliehgewichte (17) durch die Zentrifugalkraft von der Rotorachse (2a) weg bewegt werden und somit eine Verschwenkung der Gewichtsarme (18) um deren Schwenkachse bewirken. Dadurch werden die Gewichtshebel (19) ebenfalls aus ihrer Ausgangslage nach oben gezogen und verschwenkt, so dass sie die Stellmuffe (20) entlang der Rotorachse (2a) nach oben zie hen. Diese Bewegung der Stellmuffe (20) wird über die Kurvenrollen (21), den Muffenhebel (22), die Verbindungsstange (23) und den Hülsenhebel (25) auf die Stellhülse (26) übertragen. Das Übersetzungsverhältnis der translatorischen Bewegungsübertrag zwischen Stellmuffe (20) und Stellhülse (26) ist durch die Konfiguration des Hebelsystems einstellbar.
In 4 ist die bevorzugte Ausgestaltung der Verbindung zwischen Stellhülse (26) und Rotorgetrieberad (12) in einer Seitenansicht dargestellt. Die Stellhülse (26) weist eine umlaufende Nut auf, in der die Stellkurvenrolle (27) geführt ist. Die Stellkurvenrolle (27) ist drehbar an einem Ende eines Winkelhebels (28) gelagert. Der Winkelhebel (28) ist mit einem gekrümmten Bereich um eine horizontale Achse (28a) schwenkbar an dem Ausleger der Windfahne (r) gelagert, wobei die horizontale Achse (28a) quer zum Ausleger verläuft. An einem anderen Ende ist der Winkelhebel (28) an ein Stellelement (14) gekoppelt, wobei das Stellelement (14) an einen Ausleger gekoppelt ist, der mit dem Zentralrad (12) verbunden ist. Durch eine translatorische Bewegung der Stellhülse (26) entlang der Rotorachse (2a) wird der Winkelhebel (28) um seine horizontale Achse (28a) im Uhrzeigersinn verschwenkt. Über das Stellelement (14) wird die Verschwenkung des Winkelhebels (28) auf das Rotorgetrieberad übertragen. Dies führt zu einer relativen Winkelverstellung zwischen der Windfahne (13) und dem Rotorgetrieberad (12). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der maximale Winkel einer derartigen Verstellung 90° beträgt. Ferner ist es vorteilhaft, die Vorrichtung derart auszulegen, dass bei einem Verstellwinkel von 0° die Windausnutzung der Vorrichtung maximal ist und bei einem Verstellwinkel von 90° die Rotorblätter derart ausgerichtet sind, dass durch die Windkraft kein Drehmoment auf den Rotor ausgeübt wird.

1: Gestell
2: Rotorwelle
2a: Rotorachse
3: oberes Wälzlager
4: unteres Wälzlager
5: unterer Drehstern
6: oberer Drehstern
7: untere Blattwelle
8: unteres Blattlager
9: obere Blattwelle
10: oberes Blattlager
11: Rotorblatt
11a: Blattachse
12: Rotorgetrieberad
13: Windfahne
14: Stellelement
15: Blattgetrieberad
16: Kette, oder Zahnriemen
17: Fliehgewicht
18: Gewichtsarm
19: Gewichtshebel
20: Stellmuffe
21: Kurvenrollen
22: Muffenhebel
23: Verbindungsstange
24: Lagerkonsole
25: Hülsenhebel
26: Stellhülse
27: Stellkurvenrolle
28: Winkelhebel
28a: Achse

Claims

Vorrichtung zur Umwandlung von Windenergie in mechanische Energie, mit einem um eine Rotorachse (2a) drehbar gelagerten Rotor, an dem mindestens ein Rotorblatt (11) drehbar gelagert und über ein Antriebsmittel derart gesteuert drehantreibbar ist, dass das Rotorblatt (11) bei jeder vollen Umdrehung des Rotors eine halbe Umdrehung ausführt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattachse (11a) von der Rotorachse (2a) beabstandet ist und im wesentlichen parallel zur dieser verläuft.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmittel ein Zugmitteltrieb ist, wobei ein Rotorgetrieberad (12) auf der Rotorachse (2a) an dem Rotor drehbar gelagert und ein Blattgetrieberad (15) koaxial zu der Blattachse (11a) an dem Rotorblatt fixiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Übersetzungsverhältnis des Zugmitteltriebes 2 zu 1 ist, wobei das Rotorgetrieberad (12) halb so groß wie das Blattgetrieberad (15) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der Vorrichtung um die Rotorachse (2a) eine Windfahne (13) drehbar gelagert ist, die an das Rotorgetrieberad (12) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Windfahne (13) über ein Stellelement (14) an das Rotorgetrieberad (12) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugmitteltrieb formschlüssig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugmitteltrieb ein Zahnriementrieb ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugmitteltrieb ein Kettentrieb ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorachse (2a) vertikal angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, die Rotorblätter (11) plattenförmig ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor eine Rotorwelle (2) aufweist, die an einem Gestell (1) gelagert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (2) ein Fliehgewicht (17) aufweist, das an einem Gewichtsarm (18) um eine horizontale Achse schwenkbar gelagert und über einen Gewichtshebel (19) mit einer Stellmuffe (20) derart verbunden ist, dass eine horizontale Auslenkung des Fliehgewichts (17), hervorgerufen durch die Zentrifugalkraft, die in Abhängigkeit der Rotordrehzahl auf das Fliegewicht (17) wirkt, eine vertikale Translation der Stellmuffe (20) bewirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Bewegung der Stellmuffe (20) über ein Hebelsystem auf eine Stellhülse (26) übertragen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Hebelsystem einen Muffenhebel (22), eine Verbindungsstange (23), einen Hülsenhebel (25), Kurvenrollen (21) und eine Lagerkonsole (24) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellhülse (26) über eine Stellkurvenrolle (27) und einen Winkelhebel (28) an das Stellelement (14) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich zwischen dem Gewichtsarm (18) und dem Stellelement (14) ein Mittel aufweist, das der Fliehkraft des Fliehgewichts entgegenwirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft, mit der das Mittel der Fliehkraft entgegen wirkt, einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel eine Feder ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel ein Gegengewicht ist.