DE202012009612U1

DE202012009612U1 - Elektrostatische Windenergieanlage mit Mini-Rotoren

Info

Publication number: DE202012009612U1
Application number: DE202012009612U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-10-09
Filing date: 2012-10-09
Publication date: 2012-12-18
Anticipated expiration: 2022-10-10

Abstract

Mini-Windenergieanlage (1, 1.2 und 2), ausgeführt als Mini-Rotor mit kleinem Durchmesser im Dezimeter-Bereich (< 0,2–0,3 m) bestehend aus • dem Rotor (1) mit mehreren Rotorblättern (Flügeln), dessen Nabe reibungsarm auf einer • Drehachse (2) rotiert und mittels der • Aufhängung (4) an der • Ummantelung (3) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die kinetische Energie des Windes (der Luftströmung) über die Bewegung des Rotors in elektrische Energie umgewandelt wird.

Description

1. Technisches Gebiet
Die betreffende Erfindung stellt einen neuartigen Weg zur Nutzung der Windkraft durch Umwandlung in elektrischen Strom dar, die vor allem auf Hausdächern und bei anderen Kleinerzeugern zum Einsatz kommen soll. Für großtechnische Anlagen ist eine Anwendung möglich aber nicht optimal.
Die Zielsetzung der Erfindung ist vor allem eine kostengünstige Herstellung und eine möglichst geringe Immission der Anlage auf die Umwelt (Sichtbarkeit der Drehbewegung, Diskoeffekt, Geräuschentwicklung). Diese Probleme verhindern momentan hauptsächlich den Durchbruch herkömmlicher Kleinwindanlagen (speziell Aufdachanlagen) in der privaten Nutzung.
Idee der Erfindung
Erreicht wird dies durch den Einsatz von Mini-Rotoren (⌀ einige cm bis max. 0,5 m) in Kombination mit einer Ummantelung des Rotors und elektrostatischer Umwandlung der Drehbewegung in elektrische Energie.
Es handelt sich um eine Verknüpfung bekannter Technologien, deren Zusammenwirken aber neu ist bzw. als elektrostatische Umwandlung noch nicht bei Windkraftanlagen (WKA; auch: Windenergieanlagen [WEA], Windkraftmaschinen, Windräder) eingesetzt worden ist.
2. Voraussetzungen, Stand der Technik
Auf dem Markt existiert eine Vielzahl von Kleinwindanlagen mit Leistungen von < 100 W bis mehrere kW, die auch größtenteils für den Einsatz auf Hausdächern geeignet sind.
Es werden verschiedene Typen von WKA eingesetzt. Man unterscheidet in Anlagen mit

• Horizontalachse: Darrieus-, Savonius- und daraus abgeleitete Typen wie Spiralwindräder (”Spiralis”) oder Windschalen (Anemometer) u. v. m. UND
• Vertikalachse: Langsamläufer (auch Lamellenwindräder) oder Schnellläufer (meist 2- oder 3- aber auch mehrflüglig), wobei letztere mit und ohne aerodynamische Flügelprofile und mit und ohne Ummantelung gebaut werden. Als Spezialform der Ummantelung gibt es Mantelstromturbinen sowie Venturi-Düsen, bei denen durch die Ummantelung eine Erhöhung der Windströmung bewirkt wird.

Nachteile bestehender Anlagen
Alle Anlagen vereint mit den oben genanten Problemen der

• Kosten und Immissionen ein im Vergleich zu Größe und Ertrag
• hoher Herstellungs- und Materialaufwand und eine hohe Dachlast im Fall der Aufdachmontage, die zu
• Schäden an Dachstuhl oder Gebäude

Nicht zuletzt durch den Zeeland-Test wurde erwiesen, dass diese Art der Windkraft-Nutzung relativ unrentabel ist.
Aufdach-Kleinwindanlagen
Beispiele für Aufdachanlagen finden sich in DE 20 2008 008 484 U1 (Spiralwindrad) oder DE 00 0009 115 618 U1 (Horizontalläufer). Im Prinzip kann man fast alle Kleinwindkraftanlagen auch aufdach montieren. Einige Systeme (z. B. DE 20 2012 002 160 U1 ) arbeiten mit Strömungskanälen, welche die bewegte Luft unter das Dach leiten sollen, wo eine WKA betrieben wird, oder die WKA sitzt direkt im Strömungskanal. Damit fallen sämtliche Immissionen weg, die Erhaltung der Energie des Windes ist aber fraglich.
Mini-Rotoren
Anlagen mit kleinen Rotoren können bei den genannten Problemen Abhilfe schaffen.
Mini-Rotoren gibt es z. B. von der Firma Motorwave, Hongkong. Der elektrische Strom wir aber von herkömmlichen kleinen Generatoren erzeugt. Dazu ist kein Schutzrecht bekannt. Im Unterschied zu diesem System sind die Rotordurchmesser bei vorliegender Erfindung kleiner auszuführen (voraussichtlich < 0,2 m) und die Anzahl der Windräder größer.
Der von der Firma Eotheme, Lausanne, Schweiz unter EP000001540177A2 gesicherte Anspruch mit 2 sich gegenläufig bewegenden Rotoren in einer WKA soll auch besonders für Mini-Rotoren geeignet sein. Hier kommt es wie bei vorliegender Erfindung zu einer direkten Erzeugung des elektrischen Stroms durch den Rotor, aber weiterhin sind Generatorbauteile notwendig. Ähnlich DE3129660A1 , wo die Generatorbauteile als Windradschaufeln ausgebildet sind, mit ebenfalls bester Anwendungseignung bei Kleinstanlagen.
Ummantelung
Sehr kleine Rotoren sind in der Regel mit einem Außenring versehen, vor allem aus Stabilitäts- und Befestigungsgründen.
Die vorliegende Erfindung setzt einen breiteren Ring, also eine Ummantelung, ein. Diese kann zur Beschleunigung des Windstroms genutzt werden (Mantelstromturbine), wie z. B. bei dem System Flo/Enflo (unter anderem realisiert durch FloDesign Wind Turbine Corp., USA oder WindTec Systems AG, Kreuzlingen, Schweiz → beide Unternehmen verweisen auf weitere Nutzer des Konzeptes, kein Schutzrecht bekannt). Ob eine derartige Konzeption und Konstruktion bei vorliegender Erfindung sinnvoll ist, müssen Praxistests zeigen. Hier soll die Ummantelung vor allem dem Sichtschutz und zur Windnachführung dienen.
Elektrostatische Stromerzeugung
Elektrostatische Generatoren (Unterscheidung in Elektrisiermaschine und Influenzgeneratoren) sind die ältesten Generatoren, bekannt seit einigen Jahrhunderten. Nachteil ist die Erzeugung zwar hoher Spannungen aber nur geringer Stromstärken (bzw. nur kurzzeitig hoher Stromstärken) und damit auch insgesamt eine geringe Leistungsausbeute.
Verschiedene Erfindungen (z. B. DE19500564A1 oder DE 00 0002 307 469 A ) beschäftigen sich mit diesem Problem und haben teilweise Abhilfe geschaffen. Für vorliegende Erfindung ist ein Kompromiss aus Technologie zur bestmöglichen Ausnutzung der elektrostatischen Aufladung und technischem Bauaufwand (Kosten) zu finden.
Die Energiegewinnung aus elektrostatischen Effekten im Bereich der erneuerbaren Energien ist bisher noch kaum in Patente umgesetzt, obwohl einige Konzepte existieren. Vornehmlich werden bisher nur Systeme zur Eigenenergieversorgung verwendet, z. B. liefert bei DE 60 2004 009 542 T2 die statische Aufladung rollender Reifen den Strom für die Reifendrucksensoren.
3. Ziel der Erfindung
Das Hauptziel der Erfindung ist die kostengünstige Herstellung von Kleinanlagen zur Umwandlung von Windenergie in elektrischen Strom mit der Vermeidung bzw. Minimierung der bei konventionellen Anlagen auftretenden Umweltbeeinflussungen.
Dazu wird eine Vielzahl kleiner Windräder (Mini-Rotoren) eingesetzt, die zusammen eine Leistung erzielen sollen, welche herkömmlichen Kleinwindanlagen adäquat ist. Diese können einzeln oder miteinander verbunden (modulare Bauweise, z. B. auf Paneelen oder Matten) auf Gebäudedächern montiert werden. Bei beiden Varianten müssen die einzelnen Windräder so versetzt angebracht sein, dass keine linearen Anordnungen und damit Wind-Abschattungen entstehen.
Geräuschimmissionen und Schattenwurf sind bei solch kleinen Rotoren sehr gering, außerdem soll eine Ummantelung die visuelle Beeinflussung der Umwelt (Drehbewegung, Diskoeffekt usw.) minimieren.
Kleinwindkraftanlagen weisen bisher eine schlechte Kosten-Nutzen-Bilanz auf. Dies soll mit dem Verzicht auf Generatoren und damit auf die teuersten Komponenten erreicht werden. Die Stromerzeugung erfolgt elektrostatisch, mit massenhaft kostengünstig herzustellenden Kunststoffmaterialien. Dabei übernehmen die Rotoren und z. B. die Ummantelung direkt die Stromerzeugung, es sind keine weiteren Aggregate notwendig.
4. Darstellung der Erfindung
Der Aufbau der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Einbeziehung der beigefügten Zeichnungen erläutert. Dabei liegt der Schwerpunkt auf Darstellung und Beschreibung des Funktionsprinzips, weshalb auch die Skizzen im Wesentlichen schematisch und ohne produktionstechnische Details ausgeführt sind.
4.1 Technisches Prinzip
In den 1 (mit 1.2) und 2 ist die Funktionsweise der Erfindung dargestellt. Die Mini-WKA besteht aus dem Rotor oder Repeller (1) als Antriebselement, der sich mit seiner Nabe auf einer Drehachse (2) dreht, welche mittels einer Aufhängung (4) starr an der Ummantelung befestigt ist. Anzahl und Form der Rotorblätter können je nach Bedarf angepasst werden. Eine aerodynamische Form zur Nutzung von Strömungseffekten hat aber bei Kleinstanlagen kaum Effekte. Die Rotornabe muss möglichst reibungsarm auf der Achse drehen.
Die gesamte Anlage ist mit dem Mast bzw. Standfuß direkt auf dem Dach oder sonstigem Untergrund oder alternativ auf Modulplatten (Wind-Paneelen, (9) in 4) verankert. Die Mini-Rotoren sind dann, wie in 4 zu erkennen, unsystematisch auf den Trägern angeordnet, um den gegenseitigen Windschatten zu minimieren. Auf einem Paneel der Ausmaße 1,0 × 1,5 m können mehr als 100 Rotoren (bei ⌀ 0,1 m) aufgebracht sein.
Die Stromerzeugung erfolgt elektrostatisch durch die Aufladung zwischen 2 geeigneten Materialien. In vorliegender Realisierung sind die Elektrostatischen Schleifer (5), die z. B. aus einem Plastikkunststoff bestehen, an den Flügelenden des Rotors angebracht und treten in Wechselwirkung zur Ummantelung (3), die z. B. aus Gummi besteht. Der Abstand zwischen diesen beiden Bauteilen muss möglicht gering sein. Ideal ist ein leichtes Aneinanderschleifen, das aber die Bewegung des Rotors nur minimal abbremsen darf.
Die Aufladung könnte aber auch zwischen dem Rotor (1) und mehreren konzentrischen Ringen als Elektrostatische Schleifer (5) erfolgen, wie in 3 schematisch dargestellt, wobei die Ringe dünn und mit niedrigem Luftwiderstand ausgelegt sind, um den Luftstrom möglicht wenig zu bremsen.
Der Abgriff des elektrischen Stroms kann direkt an der Ummantelung (3) erfolgen. Dieser wird durch einfache Kabelverbindungen aller Mini-WKA zu einer Bündelstelle transportiert, dort erfolgt eine eventuelle Zwischenspeicherung der entstehenden Ströme (bspw. in Kondensatoren) mit stoßweiser Wechselrichtung und Einspeisung des Stroms.
Das bestangepasste Arbeitsprinzip zur statische Aufladung muss ermittelt werden, möglicherweise sind Holtz-Generator oder Wimshurstmaschine umzusetzen. Die Materialien zur statischen Aufladung werden so gewählt, dass sie möglichst große Unterschiede in der Dielektrizitätszahl aufweisen, also maximal viel elektrischen Strom erzeugen (Ermittlung der Materialien nach der ”Triboelektrischen Reihe”).
Eine WKA muss immer selbstständig in den Wind drehen. Falls die Ummantelung (3) bzw. die verbreiterte Ummantelung mit Luftbeschleunigungseffekt (8) zur Windnachführung ausreicht, kann auf eine Windfahne (7) verzichtet werden, was wiederum Material- und Bauaufwand-Ersparnis bedeutet. Die Verwendung oder Nichtverwendung der genannten Bauteile muss erprobt werden, deshalb die gestrichelte Darstellung. Neben der horizontalen Drehlagerung der Mini-WKA ist möglicherweise eine vertikale Drehbarkeit vorzusehen, um z. B. den Aufwind am Dach aber auch seitliche Winde gleich gut nutzen zu können.
Auf eine Sturmsicherung kann verzichtet werden, denn die Flügel bzw. Blätter von Mini-Rotoren sind auch bei Sturm oder Orkan keinen großen Belastungen ausgesetzt.
Ein zu starkes Verdrillen der Kabel bzw. deren Wicklung um den Standfuß durch stetige In-den-Wind-Drehung in einer Drehrichtung muss durch eine Schleifring-Verbindung oder durch einen Rückstell-Federmechanismus verhindert werden.
Bezugszeichenliste

1: Rotor (Repeller)
2: Nabe mit Drehachse
3: Ummantelung mit
4: Aufhängung
5: Elektrostatischer Schleifer
6: Mast/Standfuß
7: Windfahne ODER
8: Verbreiterung der Ummantelung
9: Modulplatte/Windpaneel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 202008008484 U1 [0009]
DE 000009115618 U1 [0009]
DE 202012002160 U1 [0009]
EP 000001540177 A2 [0012]
DE 3129660 A1 [0012]
DE 19500564 A1 [0016]
DE 000002307469 A [0016]
DE 602004009542 T2 [0017]

Claims

Mini-Windenergieanlage (1, 1.2 und 2), ausgeführt als Mini-Rotor mit kleinem Durchmesser im Dezimeter-Bereich (< 0,2–0,3 m) bestehend aus • dem Rotor (1) mit mehreren Rotorblättern (Flügeln), dessen Nabe reibungsarm auf einer • Drehachse (2) rotiert und mittels der • Aufhängung (4) an der • Ummantelung (3) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die kinetische Energie des Windes (der Luftströmung) über die Bewegung des Rotors in elektrische Energie umgewandelt wird.
Mini-WEA nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage nach Anspruch 1 mittels eines Standfußes/Mini-Mastes (6) am Untergrund befestigt ist, wobei die Verbindung zwischen diesem und der Ummantelung so gelagert sein muss, dass eine horizontale und optional eine vertikale Drehung in den Wind erfolgen kann.
Mini-WEA nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieses In-den-Winddrehen durch eine Windfahne (7) oder eine verbreiterte Ummantelung (8) erzielt wird, wobei letztere Variante außerdem eine Beschleunigung des Luftstromes erzielen kann.
Mini-WEA nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage keinen herkömmlichen Generator besitzt, sondern die Stromerzeugung durch elektrostatische Aufladung erfolgt, indem z. B. Elektrostatische Schleifer (5) an den Rotorblatt-Enden an der Ummantelung (3) reiben, die aus einem elektrostatisch korrespondierenden Stoff besteht, wodurch Ladungstrennung und damit Spannung und Stromfluss entsteht. Eine andere Variante der Aufladung ist die direkte Reibung der Rotoren an fest stehenden Elektrostatischen Schleifern (3). Alternativ können, falls die Leistungsausbeute der Elektrostatischen Aufladung keine Realisierung des Konzeptes zulässt, kostengünstige Kleinstgeneratoren mit wenigen Watt Leistung zum Einsatz kommen
Mini-WEA nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (3) nach Anspruch 1 vor allem der Verringerung der Umwelt-Immissionen der Anlage dient. Sie führt zu einer Minimierung der Sichtbarkeit der Drehbewegung des Rotors und der dadurch entstehenden Effekte (Schattenwurf, Diskoeffekt, Vogelschlag), wobei diese bei solchen Kleinstanlagen ohnehin relativ gering sind.
Mini-WEA nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass deren Montage vorrangig auf Gebäudedächern und in großer Anzahl realisiert wird, wodurch eine verwertbare elektrische Gesamtleistung erzeugt wird. Die Montage erfolgt indem entweder Vorrichtungen zur direkten Befestigung der WEA auf der Unterlage eingesetzt werden (z. B. Clip an Dachziegel) oder die Vormontage auf Modulplatten (Wind-Paneelen) geschieht (4), die dann, mit aus dem Bereich der Solar-Module bekannter Befestigungstechnik, auf das Dach angebracht werden.