DE202012010744U1

DE202012010744U1 - Vertikal ausgerichtete Windkraftanlage mit 0,5-5 kW Leistung, deren getriebefreier PMG Generator über den Mast eines 2-flügeligen Helix-Segels mit einer Nutzfläche von 18°-360° direkt angetrieben wird.

Info

Publication number: DE202012010744U1
Application number: DE202012010744U
Authority: DE
Original assignee: MRT WIND GmbH; MRT-WIND GmbH
Current assignee: LINSENMEIER, MARCUS, DE
Priority date: 2012-11-09
Filing date: 2012-11-09
Publication date: 2013-01-14
Anticipated expiration: 2022-11-10

Abstract

Für eine vertikale Kleinwindkraftanlage mit 0,5–5 kW Leistung, umfassend zwei Rotorflügel mit einer Nutzfläche von jeweils 18°–360° in Helixform, welcher über einen Mast den 3-phasigen, getriebefreien PMG Innen- oder Außenläufergenerator betreibt.

Description

Die Entwicklung betrifft eine vertikale Kleinwindkraftanlage mit Helix-Segel.
Kleinwindkraftanlagen sind bekannt und auch im privaten Gebrauch als horizontal rotierende Windräder bereits vielfach im Einsatz. Diese bringen aber auch bekannte Nachteile, wie Geräuschentwicklung, Windrichtungsnachführung oder starke einseitige Verschleißerscheinungen mit sich.
Aus diesem Grund wurden vertikale Windkraftanlagen entwickelt, welche so gut wie keine Laufgeräusche produzieren, keine einseitige Lagerbelastung vorweisen und keine Windrichtungsnachführung notwendig ist. Darüber hinaus sind vertikale Windkraftanlagen wesentlich leichter.
Vertikale Windkraftanlagen mit Savoniusrotor gelten als Widerstandsläufer, da dieser in seiner Drehzahl begrenzt ist. Wenn auf der Hintour der Wind einströmt, muss dieser auf der anderen Seite der Halbschale verdrängt werden. Auf der Rücktour wirkt sich dieser Wind dann als Bremse aus, da der Rotor auf der ganzen Breite vom Wind angeströmt wird.
Der Darrieusrotor weist trotz beachtlicher Drehzahlen schlechte Anlaufeigenschaften auf und muss zum Anlaufen teilweise kurzzeitig angetrieben werden.
So ist aus der DE 10 2004 053 477 A1 ein Windkraftrotor bekannt, welcher kleine Hauptwiderstandsprofile und daneben Nebenwiderstandprofile aufweist, um auf der Rücktour weniger Windwiderstand zu liefern.
Die DE 103 21 193 A1 offenbart eine Windkraftanlage mit vertikaler Rotorwelle, die im Zentrum einen Windablenkkörper und Darrieusflügel im Außenbereich umfasst.
Die DE 20 2007 008 125 U1 beschreibt eine vertikale Windkraftanlage mit in den Segel eingearbeiteten Klappen, um den Negativwind abzuleiten. Hier werden Savonius- und Darrieusrotor kombiniert
Aufgabe der Entwicklung ist es, eine Kleinwindkraftanlage zur Verfügung zu stellen, welche einen höheren Wirkungsgrad besitzt und somit die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Darüber hinaus sind alle Teile leicht, widerstandsfähig und preiswert herstellbar.
Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterentwicklungen ergeben sich aus den nachfolgenden Schutzansprüchen und den nachfolgenden Darstellungen anhand der Abbildungen.
Von den Abbildungen zeigt:
Generatorgehäuse mit Innenleben
Generatorgehäuse mit Innenleben seitlich frontal
Generatorgehäuse mit Mast und Lagern
Detailzeichnung vom Mast
Zeichnung der Gesamtanlage mit Ihren Größenverhältnissen
Detail Mastende im Übergang zur Generatorabdeckung
Rüstkonstruktion mit Detail
Aufsicht Boomerangs
Im Folgenden soll das Grundprinzip der Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen genauer dargestellt werden.
Die Windkraftanlage, die vertikal ausgestaltet ist, umfasst ein 2-flügeliges Helix-Segel und einen direkt angetriebenen, getriebefreien PMG Generator.
Der Generator kann als Innen- oder Außenläufer eingesetzt werden. Zur Anwendung kommt aber immer ein 3-phasiger PMG Generator, welcher über eine entsprechende Steuerbox kontrolliert wird. Einzige Bremse der Anlage ist die einer Kurzschlussfunktion über die Steuerbox im Falle von Brand oder Wartung. Eine weitere Bremse ist nicht nötig, da die Anlage die Festigkeitsbestimmungen für alle 4 Windzonen in Deutschland erfüllt und somit auch bei Starkwind (bis 90 m/s) einsetzbar ist.
Der Generator ( ) sitzt in einem Generatorgehäuse ( /A). Der Generator wird unterseitig auf einer Stahlplatte ( /B) fixiert und über Schwingungsdämpfer ( /C) mit dem Gehäuse verbunden. Die Schwingungsdämpfer nehmen Schwingungen von 40–100 sh auf.
Das Gehäuse besteht aus verzinktem oder pulverbeschichtetem Stahl, um es witterungsbeständig zu machen. Durch eine Rahmenkonstruktion mit 4 Säulen ( /D) wird der leichte Zugang zum Generator nach Abnahme der Abdeckungen ermöglicht.
Die Generatorverkleidung ist zugleich ein Teil der Gehäuseversteifung und wird über ein Schloss abgesichert.
Als Schutz vor der Witterung erhält der Generator obenauf eine Abdeckung ( /A), die das gesamte Gehäuse überlappt. Lediglich mittig ist ein Loch ( /B) um das Einstellen des Masten in den Generator zu gewährleisten.
Die Befestigung des Generatorgehäuses erfolgt immer auf einer Unterkonstruktion. Entweder verschraubt man von der Unterkonstruktion zum Generator oder anders herum über selbstsichernde Schrauben und Muttern.
Die Unterkonstruktion kann auf einem Hausdach, einem Masten, an Gebäudeseiten oder einem Podest erfolgen. Lediglich bei Bodenmontage sind sichernde Maßnahmen in Form eines Zaunes zu treffen.
Angetrieben wird der Generator über einen Aluminiummast ( /A), welcher zugleich als Befestigung aller Segelelemente dient. Der Mast hat eine runde Grundform ( ), wobei acht Kanäle sich über die gesamte Mastlänge ziehen, welche als Befestigungspunkte für die Segelelemente dienen.
Der Mast ist über 2 kippbare Kugellager ( /B) im Generator gelagert, wodurch dem Generatorgehäuse ermöglicht wird hohe Lasten aufzunehmen. Um hier eine preiswerte und effektive Lösung zu schaffen, kommen 5-Tonnen-Traktorlager zum Einsatz, welche auch im Bereich von Landmaschinen eingesetzt werden.
Über ein Verbindungsstück mit integrierter Sollbruchstelle ( /E) bei Generatorblockade wird die Generatorachse mit dem Masten verbunden. Im Falle einer Blockade würde die Sollbruchstelle das Segel vom Generator trennen, damit es frei drehen kann um eine zu hohe Windlast im Segel zu vermeiden.
Der Mast kann in der Länge individuell gestaltet werden. Standard sind hier 2 m, jedoch ist jede Länge von 500 mm bis 4000 mm ( ) im Abstand von jeweils einer Elementhöhe des Segels ausführbar.
Direkt über dem Generator wird am Masten eine Deckelkappe ( /A) fixiert mit maximal 50 mm Abstand zum Generatorgehäuse, um das Eindringen von Wasser zu verhindern. Zusätzlich werden die Kanäle oberhalb der Deckelkappe mit Allwetter-Silikon ( /B) abgedichtet, damit hier kein Regendurchfluss möglich ist.
Zur Befestigung der Segelelemente werden sogenannte Bumerang-förmige Aluminiumhalterungen ( ) eingesetzt. Diese werden über einen Fixierungsring am Masten befestigt ( /Detail). Der Fixierungsring wird in den Kanälen am Masten verschraubt, auf welchen dann die Bumerangs angebracht werden.
Jeder Bumerang fasst auf jeder Seite der Masten 2 Segelelemente. Jeweils 2 Bumerangs umschließen so eine Segelreihe.
Die Schaufeln des Segels werden über selbstsichernde Schrauben mit den Bumerangs verbunden. Auch Nieten sind hier denkbar, würden aber das leichte austauschen einzelner Elemente erschweren.
Die Schaufeln können direkt am Masten angebracht werden. Um jedoch die Ableitung des negativen Winddruckes zu erleichtern, werden die Schaufeln mit einem Abstand von bis zu 20 cm vom Masten angebracht.
Das Segel besteht aus Helixflügeln, welche wiederum in Schaufeln unterteilt sind. Je nach Größe des Segels können hier 2–40 individuelle Schaufeln verwendet werden. Die Schaufeln sind nicht im gleichen Winkel an der Achse befestigt und ergeben von oben nach unten gesehen keine gerade Fläche wie bei einem Savoniusrotor. Bei 20 Schaufeln ergibt sich entlang der Achse von oben nach unten ein 180° geschwungenes Helix-Segel ( ). Durch 2 Segel wird somit eine Helixfläche von 360° erreicht. Bei höheren Segeln erhöht sich die einzelne geschwungene Form auf beispielsweise 270° (3 m hoch) oder 360° (4 m hoch) je Segel, aber auch alle Zwischenschritte sind umsetzbar. Dies ermöglicht die Windaufnahme von jeder Seite zu jeder Zeit und optimiert somit die Windanfälligkeit des Segels. Auch Auf- und Abwinde können somit genutzt werden.
Die Innenseite der Schaufeln haben die Funktionsweise eines Eimers um möglichst viel Wind aufzunehmen. Die Außenseiten einer jeden Schaufeln sind in einer konkaven Kurve leicht geschwungen, um den negativen Winddruck abzuleiten und um Eisflug zu vermeiden.
Die Schaufeln bestehen aus ASA/ABS Kunststoff, welches besonders widerstandsfähig, UV beständig und leicht ist.
Mast, Fixierungsringe und Bumerangs bestehen aus hochwertigem Aluminium.
Alle Abdeckungen (Mast und Deckelkappe Generator) können aus Polyethylen und jeglicher Art von widerstandsfähigem und witterungsbeständigem Kunststoff bestehen.
Durch die Gesamtkonstruktion und die Verwendung leichter Materialien hat das Segel die Möglichkeit schon ab einer Windgeschwindigkeit von 1,2 m/s zu drehen. Negativwinde werden dank der konkaven Form der Schaufeln abgeleitet und zusätzlich über den Abstand zwischen Mast und Schaufeln absorbiert.
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 102004053477 A1 [0006]
DE 10321193 A1 [0007]
DE 202007008125 U1 [0008]

Claims

Für eine vertikale Kleinwindkraftanlage mit 0,5–5 kW Leistung, umfassend zwei Rotorflügel mit einer Nutzfläche von jeweils 18°–360° in Helixform, welcher über einen Mast den 3-phasigen, getriebefreien PMG Innen- oder Außenläufergenerator betreibt.
Kleinwindkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Segelelemente gebogen sind und vorderseitig mit einer konkaven Kurve ausgestattet sind.
Kleinwindkraftanlage nach Anspruch 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Standardversion die Schaufelelemente der verschiedenen Elemente bei n Flügelpaaren jeweils um 18° bezüglich der Rotationsachse zueinander verschoben sind.
Segel nach Anspruch 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass alle Segelelemente soweit möglich aus möglichst leichtem und widerstandsfähigem Material gefertigt sind.
Segel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es als Materialien Aluminium oder handgebogenes Metall, Kunststoff, PVC und Edelstahl umfasst.
Segel nach Anspruch 3–5, dadurch gekennzeichnet, dass 2–40 individuelle Schaufeln verwendet werden können.
Schaufeln nach Anspruch 3–6, dadurch gekennzeichnet, dass diese direkt oder mit einem Abstand bis zu 20 cm von der Rotationsachse angebracht werden.
Kleinwindkraftanlage nach Anspruch 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass sie über keine manuelle oder elektrische Bremse mit Ausnahme eines Kurzschluss-Notstopps verfügt.