DE202011003456U1

DE202011003456U1 - Anlage zur Nutzung von Windkraft

Info

Publication number: DE202011003456U1
Application number: DE202011003456U
Authority: DE
Original assignee: G & S World Bridge Trading AG; G&S WORLD BRIDGE TRADING AG
Current assignee: Samson Rainer De
Priority date: 2011-03-02
Filing date: 2011-03-02
Publication date: 2011-06-27
Anticipated expiration: 2021-03-03
Also published as: US20140056708A1; WO2012116679A1; CA2828620A1; CN103688049A; JP2014506975A; BR112013022215A2; EP2681448A1; DE112012001050A5; KR20140015405A

Abstract

Anlage zur Nutzung von Windkraft mit wenigstens einem Rotor, wobei der Rotor eine Rotorwelle mit vertikal angeordneter Drehachse aufweist und an der Rotorwelle, in Drehrichtung dieser jeweils um den gleichen Winkel versetzt zueinander Rotorschaufeln angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Rotor in einem Rahmengestell (2) eines Windkraftmoduls (1) aufgenommen ist, dass die Rotorwelle (6) mit ihren beiden Enden drehbar in Aufnahmen (5, 5') des Rahmengestells (2) gelagert ist, und dass einzelne Rotoren mehrerer Windkraftmodule (1) über die Aufnahmen (5, 5') für die Rotorwellen (6) kraftschlüssig miteinander koppelbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Nutzung von Windkraft mit wenigstens einem Rotor, wobei der Rotor eine Rotorwelle mit vertikal angeordneter Drehachse aufweist und an der Rotorwelle, in Drehrichtung dieser jeweils um den gleichen Winkel versetzt zueinander Rotorschaufeln angeordnet sind.
Windkraftanlagen mit vertikal angeordneter Drehachse weisen gegenüber denen mit in Windrichtung liegender, horizontaler Drehachse des Rotors meist einen niedrigeren Wirkungsgrad auf, welcher einem wirtschaftlichen Betrieb bisher entgegensteht. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Rotoren als Widerstandsläufer ausgebildet sind. Der geringe Wirkungsgrad ist häufig dadurch bedingt, dass der Wind immer auf die mit und auch auf die entgegen der Windrichtung drehenden Rotorschaufeln auftrifft und nur unzureichend an den entgegen drehenden Rotorschaufeln abströmt. Es wird daher unter anderem versucht, die Luftströmung mit teilweise um die Rotoren angeordneten Gehäusen entsprechend um- beziehungsweise abzuleiten, jedoch besteht dabei der Nachteil, dass der Wind nur noch aus einer Richtung eingefangen werden kann. Weiterhin sind sowohl Windkraftanlagen mit horizontal angeordneter Drehachse als auch Windkraftanlagen mit vertikal angeordneter Drehachse nach deren Errichtung zumeist nicht erweiterbar. Anpassungen an ein beispielsweise geändertes Leistungsprofil sind nicht möglich ohne wesentliche Teile auszutauschen, was zumeist eine Demontage der gesamten Windkraftanlage erfordert.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anlage zur Nutzung von Windkraft zu schaffen, die flexibel einsetzbar und erweiterbar ist sowie einen höheren Wirkungsgrad gegenüber bisherigen Widerstandsläufern mit vertikaler Drehachse aufweist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einer Anlage gemäß Schutzanspruch 1. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Anlage sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 angeführt.
Bei einer Anlage zur Nutzung von Windkraft mit wenigstens einem Rotor, wobei der Rotor eine Rotorwelle mit vertikal angeordneter Drehachse aufweist und an der Rotorwelle, in Drehrichtung dieser jeweils um den gleichen Winkel versetzt zueinander Rotorschaufeln angeordnet sind, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass jeder Rotor in einem Rahmengestell eines Windkraftmoduls aufgenommen ist, dass die Rotorwelle mit ihren beiden Enden drehbar in Aufnahmen des Rahmengestells gelagert ist, und dass einzelne Rotoren mehrerer Windkraftmodule über die Aufnahmen für die Rotorwellen kraftschlüssig miteinander koppelbar sind.
Die Aufnahmen in denen die Rotorwellen gelagert sind und über die zwei Rotorwellen kraftschlüssig miteinander in Verbindung bringbar sind ermöglichen, dass zwei oder mehr Windkraftmodule an einen gemeinsamen Generator angesetzt werden. In Abhängigkeit von der Anzahl der Windkraftmodule und dem insgesamt erzeugten Drehmoment, kann dann die benötigte Leistung des Generators festgelegt werden. Die Rahmengestelle in denen die Rotoren aufgenommen sind geben einer aus mehreren Windkraftmodulen zusammengesetzten Anlage die nötige Stabilität und Standsicherheit. Dazu weisen die Rahmengestelle der Windkraftmodule vorteilhafterweise Montagemittel auf, über die die Windkraftmodule zu einer Anlage verbindbar und modulartig zusammensetzbar sind.
Dadurch, dass einzelne Windkraftmodule miteinander zu einer Anlage kombinierbar sind, ist die Größe der Anlage zur Nutzung von Windkraft an die jeweils benötigte beziehungsweise am Standort der Anlage maximal mögliche Leistung flexibel anpassbar. Nachträgliche Erweiterungen sind durch die Anbringung zusätzlicher Windkraftmodule sowie einen gegebenenfalls auszutauschenden Generator ohne größeren Aufwand möglich.
Um einen Betrieb der Anlage unabhängig von der Anströmrichtung des Windes zu gewährleisten sind mindestens drei Rotorschaufeln nötig. Diese sind vorzugsweise in einer Ebene senkrecht zu der Drehachse des Rotors unter einem Winkel von 120° anzuordnen, wodurch besonders kompakte Abmessungen eines Windkraftmoduls erreicht werden. Der um den Umfang der Rotorwelle zur Verfügung stehende Raum ist somit optimal genutzt. Um ein gleichmäßigeres und höheres Drehmoment zu erhalten, können insgesamt mehr als drei Rotorschaufeln vorgesehen sein, die dann in jeweils geringeren Winkelabständen zueinander anordbar sind. Vorteilhafterweise sind sechs Rotorschaufeln in wenigstens zwei Ebenen senkrecht zu der Drehachse des Rotors angeordnet, wobei der Winkelabstand der Rotorschaufeln zueinander in einer Ebene 120° beträgt und die Rotorschaufeln einer ersten Ebene zu einer zweiten Ebene bei insgesamt zwei Ebenen in einem Windkraftmodul um 60° zueinander versetzt sind.
Ein weiterer Vorteil vieler Rotorschaufeln liegt darin, dass bei Betrieb der Vorrichtung möglicherweise auftretende Unwuchten reduziert sind und somit auf den Rotor einwirkende, richtungsabhängig wechselnde Belastungen vermieden sind. Gleichzeitig ist erreicht, dass ein durch das Drehen des Rotors erzeugtes Drehmoment weniger Schwankungen unterliegt.
Nach einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Rotorschaufeln zu der Rotorwelle radial beabstandet angeordnet sind, wobei zwischen den Rotorschaufeln und der Rotorwelle jeweils mindestens ein Winddurchlass ausgebildet ist. Mit den Winddurchlässen ist erreicht, dass der dem Wind von den rückseitig angeströmten, entgegen der Windrichtung drehenden Rotorschaufeln entgegengesetzte Widerstand bei Betrieb der Anlage gegenüber an der Rotorwelle anliegenden Rotorschaufeln verringert ist. Der auf die rückseitig angeströmten Rotorschaufeln auftreffende Wind kann dann günstigerweise beidseitig, dass heißt sowohl an der zu der Rotorwelle zugewandten Seite als auch an der von der Rotorwelle abgewandten Seite der Rotorschaufel, abströmen. Da der auf die in Windrichtung drehenden Rotorschaufeln auftreffende Wind unverändert von diesen „eingefangen” wird, weist der erfindungsgemäße Rotor ein insgesamt verbessertes Strömungsprofil an den Rotorschaufeln mit einem besonders günstigen Verhältnis von Druck zu Gegendruck auf. Der Wirkungsgrad der Anlage ist dadurch besonders günstig.
Um zu gewährleisten, dass die Winddurchlässe ausreichend bemessen sind, ist vorgesehen, dass deren Flächeninhalte zwischen den Rotorschaufeln und der Rotorwelle jeweils wenigstens ein Sechstel der Flächeninhalte der Rotorschaufeln, insbesondere jeweils wenigstens ein Viertel der Flächeninhalte der Rotorschaufeln, insbesondere jeweils wenigstens die Hälfte der Flächeninhalte der Rotorschaufeln, betragen. Mit diesen Abmessungen ist sichergestellt, dass die von den rückseitig angeströmten Rotorschaufeln abgelenkte Luftmenge in optimaler Weise und ohne Stauungen der Luft von den Rotorschaufeln ableitbar ist, wobei der mindestens benötigte Flächeninhalt von der Ausgestaltung der Rotorschaufeln abhängig ist. Bei entsprechend speziell geformten Rotorschaufeln können die Flächeninhalte der Winddurchlässe auch nur ein Siebtel bis ein Achtel der Flächeninhalte der Rotorschaufeln betragen.
In vertikaler Erstreckung werden die zwischen den Rotorschaufeln und der Rotorwelle ausgebildeten Winddurchlässe vorteilhafterweise jeweils durch einen Tragarm begrenzt. Diese Tragarme sind vorteilhafterweise mit der Rotorwelle verbunden und bilden einen Tragrahmen für die Rotorschaufeln, wobei die Rotorschaufeln zwischen den Tragarmen in dem Tragrahmen gehalten sind. Die Flächeninhalte der Winddurchlässe sind damit möglichst groß. Zudem sind Luftverwirbelungen aufgrund von Streben des Tragrahmens vermieden. Die an dem jeweiligen Tragrahmen gehaltene Rotorschaufel ist gleichzeitig optimal fixiert, wobei ein einfach konstruierter und leichter Tragrahmen geschaffen ist.
Einer stark richtungsabhängig wechselnden Belastung des Rotors beziehungsweise einzelner Tragarme kann dadurch effektiv entgegengewirkt werden, dass sämtliche in einer Ebene senkrecht zu der Drehachse des Rotors angeordnete Tragarme als einstückiges Bauteil ausgebildet sind. Um Vereisungen bei entsprechender Witterung zu verhindern, können die Rotorschaufeln und/oder Tragarme zudem beheizbar ausgeführt sein.
Durch eine strömungstechnisch günstige Ausgestaltung der Rotorschaufeln kann insbesondere der auf die bei Betrieb entgegen der Windrichtung, rückseitig angeströmten Rotorschaufeln einwirkende Gegendruck minimiert werden. Es ist daher vorgesehen, dass die Rotorschaufeln als Mulden mit in Drehrichtung der Drehachse nach außen gewölbtem Schaufelrücken ausgebildet sind. In einer Ausführungsform ist die Mulde beispielsweise halbzylindrisch geformt, wobei die Rotorschaufeln mit den zueinander parallelen Flächenabschnitten an den Tragarmen des Tragrahmens befestigt sind. Der Wind drückt bei Betrieb der Anlage in die zum Wind hin offenen Mulden der Rotorschaufeln. Die in die Mulden hineinströmende Luft wird „eingefangen” und baut in diesen Druck auf, der in eine Drehbewegung des Rotors umgesetzt wird. Um die entgegen dem Wind gewölbten Schaufelrücken der Rotorschaufeln wird der Wind auf einfache Weise herumgeleitet. Dabei übersteigt der Druck in den jeweiligen Mulden den auf die gewölbten, äußeren Schaufelrücken der Rotorschaufeln einwirkenden Gegendruck.
In einer alternativen Ausführung können die Rotorschaufeln auch die Form von Pyramiden mit konvex gewölbten Schaufelrückenflächen aufweisen, wobei die Grundfläche der Pyramiden als offene Vertiefung ausgebildet ist beziehungsweise eine Mulde aufweist. Diese Form kommt dem vorteilhaften Strömungsverhalten an einer Kugel sehr nahe, so dass der auf die konvex gewölbten äußeren Schaufelrückenflächen auftreffende Wind in optimaler Weise von diesen abströmen kann. Gleichzeitig ist mit der Grundfläche der Pyramide eine große Anströmfläche, mit der möglichst viel Wind zur Erzeugung von Druck für den Vortrieb des Rotors „einfangbar” ist, geschaffen, insbesondere, wenn die Grundfläche rechteckig ausgebildet ist.
Das mit der Anlage erzeugbare Drehmoment kann durch eine optimierte Windlastverteilung an den Rotorschaufeln erhöht werden. Dazu ist vorgesehen, dass die Rotorschaufeln eine asymmetrische Krümmung mit einem aus ihrer Mitte nach außen versetzt angeordneten Windlastschwerpunkt aufweisen. Der Windlastschwerpunkt ist abhängig von der Form der Rotorschaufeln und bei einer ausgebildeten Mulde zumeist der tiefste Bereich der Mulde. Da das Drehmoment mit dem Abstand zur Rotorwelle zunimmt, ist der tiefste Punkt der Mulden der Rotorschaufeln mit möglichst großem Abstand zur Rotorwelle anzuordnen. Dieser große Abstand ist mit der asymmetrischen Krümmung erreicht, ohne dass die Abmessungen des Rotors selbst zunehmen.
Eine hohe Stabilität und Standsicherheit einer aus Windkraftmodulen errichteten Anlage ist vorteilhafterweise dadurch erreichbar, dass das Rahmengestell eines Windkraftmoduls eine Quaderform mit einer quadratischen Standfläche aufweist, wobei die Kanten der Standfläche länger sind als die senkrecht zur Standfläche angeordneten Kanten des Rahmengestells. Das quaderförmige Rahmengestell ermöglicht auf besonders einfache Weise, dass Windkraftmodule sowohl aufeinander als auch nebeneinander anordbar sind. Eine insgesamt niedrige Höhe der Windkraftmodule im Verhältnis zur Breite ist insbesondere bei der Anordnung mehrerer Windkraftmodule übereinander von Vorteil, so kann auch bei mehreren Windkraftmodulen übereinander ohne zusätzliche Streben und/oder Absicherungen die nötige Standsicherheit gewährleistet werden. Dabei weist der Rotor mit den Rotorschaufeln eine Spannweite auf, die geringer ist als die Länge der Kanten der quadratischen Standfläche des Rahmengestells.
Die Aufnahmen für die Rotorwelle eines Windkraftmoduls sind vorteilhafterweise jeweils mittig in zwei sich parallel zueinander erstreckenden Außenflächen des Windkraftmoduls angeordnet. Diese Außenflächen sind die Standfläche sowie eine Deckfläche des Windkraftmoduls, wobei Standfläche und Deckfläche zweier aufeinander angeordneter Windkraftmodule aneinander anliegen. Über die beiden Aufnahmen in der Standfläche des einen Windkraftmoduls und der Deckfläche des anderen Windkraftmoduls ist dann eine kraftschlüssige Verbindung der beiden Rotorwellen gewährleistet. Die aufeinander angeordneten, einen gemeinsamen Generator antreibenden Windkraftmodule sind somit in ihrer Anzahl an den jeweiligen Generator anpassbar.
Zur gegenseitigen Fixierung der Windkraftmodule können miteinander in Verbindung zu bringende Montageplatten vorgesehen werden, die insbesondere in den Ecken des quaderförmigen Rahmengestells eines Windkraftmoduls angeordnet sind. Die Montageplatten sind vorteilhafterweise sowohl an der Stand- und Deckfläche als auch seitlich der Windkraftmodule anzuordnen.
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine perspektivische Ansicht eines Windkraftmoduls 1. Dieses Windkraftmodul 1 weist ein quaderförmiges Rahmengestell 2 auf. Das Rahmengestell 2 besteht aus rechtwinklig zueinander angeordneten Rahmenstangen 3 entlang der Kanten des Rahmengestells 2 sowie aus sich kreuzenden Diagonalstreben 4 in zwei parallel zueinander angeordneten Seitenflächen des quaderförmigen Rahmengestells 2. Die Seitenflächen mit den Diagonalstreben 4 sind als Standfläche und als Deckfläche des quaderförmigen Rahmengestells 2 ausgebildet und weisen jeweils quadratische Flächeninhalte auf.
In den Schnittpunkten der Diagonalstreben 4 ist jeweils eine Aufnahme 5 beziehungsweise 5' angeordnet, wobei zwischen den Aufnahmen 5, 5' eine Rotorwelle 6 mit vertikal angeordneter Drehachse gelagert ist. Diese Rotorwelle 6 ist über die Aufnahmen 5, 5' mit den Rotorwellen 6 weiterer Windkraftmodule 1 kraftschlüssig verbindbar, wobei jeweils eine Aufnahme 5 und eine Aufnahme 5' miteinander koppelbar sind.
An der Rotorwelle 6 sind in zwei Ebenen senkrecht zu der Drehachse der Rotorwelle 6 Rotorschaufeln 7 angeordnet, wobei jede der Ebenen drei um jeweils 120° zueinander versetzt angeordnete Rotorschaufeln 7 aufweist. Die Rotorschaufeln 7 sind jeweils über einen Tragrahmen aus einem oberen Tragarm 8 und einem unteren Tragarm 9 an der Rotorwelle 6 gehalten, wobei je 6 Tragarme 8 und 6 Tragarme 9 senkrecht zu der Rotorwelle 6 angeordnet sind.
Die Rotorschaufeln 7 sind als asymmetrische Mulden mit in Drehrichtung der Rotorwelle 6 nach außen gewölbten Schaufelrücken ausgebildet. Jede der Rotorschaufeln 7 weist zudem zwei einander gegenüberliegende, in einem Winkel von ca. 20° zueinander angestellt angeordnete Flächensegmente auf, die den Schaufelrücken an kurvenförmigen Abschnitten begrenzen und an denen jeweils die Tragarme 8, 9 befestigt sind. Zusammen mit dem Schaufelrücken ist somit zwischen diesem und den beiden Flächensegmenten eine Windanströmfläche der Rotorschaufeln ausgebildet, wobei die Flächensegmente zum Schaufelrücken hin aufeinander zulaufend angeordnet sind. Zwischen der Rotorwelle 6 und den Rotorschaufeln 7 ist jeweils ein Winddurchlass 10 ausgebildet der zudem von den jeweiligen Tragarmen 8, 9 begrenzt ist.
Um mehrere Windkraftmodule 1 modulartig miteinander zusammenzufügen sind an Ecken der Standfläche mit der Aufnahme 5 und der Deckfläche mit der Aufnahme 5' eines Windkraftmoduls 1 jeweils Montageplatten 11 angeordnet, die mit den Montageplatten 11 eines weiteren Windkraftmoduls 1 verbindbar sind. Bei der Verbindung zweier Windkraftmodule 1 greifen dann die Aufnahmen 5 und 5' von aneinanderliegender Deck- und Standfläche ineinander, so dass die in den Aufnahmen 5, 5' gehaltenen Rotorwellen 6 kraftschlüssig miteinander gekoppelt sind. Für die Stromerzeugung ist die Rotorwelle 6 eines der Windkraftmodule 1 über die Aufnahmen 5 bzw. 5' mit einem Generator koppelbar.
Bei Betrieb der Anlage drückt Wind in die jeweils zu dem Wind hin offenen Vertiefungen der Mulden der Rotorschaufeln 7 und die Rotorwelle 6 wird in Drehung versetzt. Der auf die entgegen der Windrichtung drehenden Wölbungen der Rotorschaufeln 7 auftreffende Wind wird zu der Rotorwelle 6 und nach außen an der Wölbung abgelenkt und strömt an der Seite der Rotorwelle 6 über den jeweiligen Winddurchlass 10 auf einfache Weise ab.

Claims

Anlage zur Nutzung von Windkraft mit wenigstens einem Rotor, wobei der Rotor eine Rotorwelle mit vertikal angeordneter Drehachse aufweist und an der Rotorwelle, in Drehrichtung dieser jeweils um den gleichen Winkel versetzt zueinander Rotorschaufeln angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Rotor in einem Rahmengestell (2) eines Windkraftmoduls (1) aufgenommen ist, dass die Rotorwelle (6) mit ihren beiden Enden drehbar in Aufnahmen (5, 5') des Rahmengestells (2) gelagert ist, und dass einzelne Rotoren mehrerer Windkraftmodule (1) über die Aufnahmen (5, 5') für die Rotorwellen (6) kraftschlüssig miteinander koppelbar sind.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorschaufeln (7) eines Windkraftmoduls (1) in wenigstens einer Rotationsebene, insbesondere in wenigstens zwei Rotationsebenen, senkrecht zu der Drehachse des Rotors angeordnet sind.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorschaufeln (7) zu der Rotorwelle (6) radial beabstandet angeordnet sind, wobei zwischen den Rotorschaufeln (7) und der Rotorwelle (6) jeweils mindestens ein Winddurchlass (10) ausgebildet ist.
Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächeninhalte der Winddurchlässe (10) zwischen den Rotorschaufeln (7) und der Rotorwelle (6) jeweils wenigstens ein Sechstel der Flächeninhalte der Rotorschaufeln (7) betragen.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Rotorschaufeln (7) an einem Tragrahmen aus zwei mit der Rotorwelle (6) verbundenen Tragarmen (8, 9) gehalten ist.
Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche in einer Rotationsebene eines Windkraftmoduls (1) angeordnete Tragarme (8, 9) als einstückiges Bauteil ausgebildet sind.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorschaufeln (7) als Mulden mit in Drehrichtung der Drehachse des Rotors nach außen gewölbtem Schaufelrücken ausgebildet sind.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorschaufeln (7) die Form einer Pyramide mit konvex gewölbten Schaufelrückenflächen aufweisen, wobei die Grundfläche der Pyramiden als offene Vertiefung (8) ausgebildet sind.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorschaufeln (7) eine asymmetrische Krümmung mit einem aus ihrer Mitte nach außen versetzt angeordneten Windlastschwerpunkt aufweisen.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, das das Rahmengestell (2) eines Windkraftmoduls (1) eine Quaderform mit einer quadratischen Standfläche aufweist, wobei die Kanten der Standfläche länger sind als die senkrecht zu der Standfläche angeordneten Kanten.
Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor mit den Rotorschaufeln (7) eine Spannweite aufweist, die geringer ist als die Länge der Kanten der quadratischen Standfläche des Rahmengestells (2).
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmen (5, 5') für die Rotorwelle (6) eines Windkraftmoduls (1) jeweils mittig in zwei sich parallel zueinander erstreckenden Außenflächen des Windkraftmoduls (1) angeordnet sind.