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Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektrischen Stromerzeugung und insbesondere auf die Erzeugung von elektrischem Strom aus regenerativen Energien wie Wind- und Wasserkraft.
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Hierfür geeignete Stromerzeugungsanlagen benötigen ein bestimmtes Mindestniveau an Strömung, um wirtschaftlich Strom erzeugen zu können.
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So werden beispielsweise in Gebieten mit geringen Windgeschwindigkeiten großflächige Windaufnehmer oder große Masthöhen benötigt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungen aufzuzeigen, welche bereits bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten in der Lage sind, mit geringem apparativem Aufwand eine hohe Stromausbeute zu erzielen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Gegenlaufgenerator gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Dieser umfasst insbesondere ein Gestell, einen Rotor, der um eine Drehachse drehbar an dem Gestell gelagert ist, einen Stator, der an dem Gestell um die vorgenannte Drehachse drehbar angeordnet ist, ein erstes Getriebe, das mit dem Rotor gekoppelt ist, um den Rotor in Drehung zu versetzen, und ein zweites Getriebe, das mit dem Stator gekoppelt ist, um den Stator in eine der Drehung des Rotors entgegengesetzte Drehung zu versetzen.
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Im Unterschied zur herkömmlichen Generatoren drehen hierbei sowohl der Rotor als auch der Stator. Zur Erleichterung des Verständnisses wurde vorliegend der Begriff "Stator" beibehalten, obgleich dieser im Sinne der vorliegenden Erfindung wie der Rotor ebenfalls eine drehende Komponente darstellt.
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Durch den gegenläufigen Antrieb wird bei gleichbleibender Polzahl eine Verdopplung der resultierenden Spannung erzielt. Gleichwohl wird lediglich eine einzige Generatorsteuerung benötigt.
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Der Antrieb erfolgt bevorzugt aus Wind- oder Wasserkraft. Jedoch kann das erfindungsgemäße Prinzip auch für andere Energiequellen herangezogen werden, welche in der Lage sind, eingangsseitig an den beiden Getrieben des Gegenlaufgenerators mechanische Arbeit zu verrichten. Insbesondere kann den beiden Getrieben auch ein gemeinsames Verteilergetriebe vorgeschaltet sein, das von einer Energiequelle gespeist wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Ansprüche. Bevorzugt ist die Drehachse des Gegenlaufgenerators vertikal ausgerichtet. Dies ermöglicht bei Kopplung mit Turbinen mit vertikaler Drehachse einen einfachen Aufbau des ersten und zweiten Getriebes. Jedoch sind auch andere Ausrichtungen der Drehachse möglich.
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Die Getriebe können beispielsweise besonders kostengünstig als einfache Riementriebe ausgeführt werden, welche zudem besonders geräuscharmen sind. Auch Kettentriebe sind gut geeignet. Im Idealfall verbindet jeweils ein einstufiger Zahn- oder Flachriementrieb die beiden Turbinen mit dem Gegenlaufgenerator.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Rotor an einer Rotorwelle angeordnet, welche an dem Gestell drehbar gelagert ist, wobei ein Ausgangsglied des ersten Getriebes an der Rotorwelle befestigt ist. Hierdurch wird eine besonders einfache Krafteinleitung in den Generator erzielt.
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Vorzugsweise ist der Stator konzentrisch zur Rotorwelle angeordnet und mit einem Ausgangsglied des zweiten Getriebes drehfest verbunden ist, wobei im Hinblick auf eine gute Kraftabstützung das Ausgangsglied des zweiten Getriebes drehbar an der Rotorwelle gelagert ist. Die mit der Krafteinleitung unvermeidbaren Querkräfte werden somit über die Lager der Rotorwelle abgestützt, so dass der Luftspalt zwischen Rotor und Stator nicht beeinträchtigt wird. Es ist jedoch auch möglich, das Ausgangsglied des zweiten Getriebes in den Stator zu integrieren.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind das Ausgangsglied des ersten Getriebes und das Ausgangsglied des zweiten Getriebes beidseits des ersten Lagerbocks angeordnet. Dies ist für eine gute Kraftabstützung förderlich, da die Querkräfte der beiden Getriebe bereits vor dem Rotor und Stator aufgefangen werden und den für den Betrieb des Generators benötigten Luftspalt zwischen Rotor und Stator nicht beeinträchtigen können.
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Bei einer vertikalen Ausrichtung ist der Stator bevorzugt über ein Axiallager drehbar an einem ersten Lagerbock des Gestells abgestützt. Dieses Axiallager kann beispielsweise als Kugel- oder Rollenlager ausgeführt sein. Es trägt die Hauptlast des Stators sowie je nach Abstützung des Rotors gegebenenfalls auch zumindest eine Teillast desselben.
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Bevorzugt ist die Rotorwelle über ein erstes Wälzlager am ersten Lagerbock und über ein zweites Wälzlager an einem zweiten Lagerbock des Gestells drehbar gelagert. Dabei sind der Rotor und der Stator in Vertikalrichtung zwischen diesen beiden Lagerböcken angeordnet. Hierdurch wird eine besonders stabile Lagerung von Rotor und Stator ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Generator Schleifringe sowie zugehörige Bürsten auf. Dabei sind erste Schleifringe drehfest mit der Rotorwelle und zweite Schleifringe drehfest mit dem Stator verbunden. Die ersten und zweiten Schleifringe stehen jeweils mit zugehörigen, am Gestell stationär angeordneten Bürsten in Eingriff.
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Der vorstehend erläuterte Gegenlaufgenerator wird vorzugsweise in eine Vorrichtung zur Stromerzeugung implementiert, welche zusätzlich eine erste Turbine, die über das erste Getriebe mit dem Rotor gekoppelt ist, und eine zweite Turbine, die über das zweite Getriebe mit dem Stator gekoppelt ist, umfasst. Hierdurch verringert sich der apparative Aufwand auf der Generatorseite in etwa um die Hälfte, da für zwei Turbinen lediglich ein Generator mit einer Steuerung benötigt wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Stromerzeugungsvorrichtung weisen die erste und zweite Turbine jeweils eine vertikale Drehachse auf, wodurch der Aufbau der Vorrichtung sehr einfach bleibt.
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Vorzugsweise weisen die erste und zweite Turbine entgegengesetzte Drehrichtungen auf. Dies hat den Vorteil, dass entsprechende Umkehrgetriebe entfallen können.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die erste und zweite Turbine jeweils als Windrad ausgebildet. Die so gebildete Windkraftanlage weist gegenüber herkömmlichen Propellerlösungen mit horizontaler Drehachse erhebliche Vorteile auf.
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Insbesondere benötigt diese geringere Windgeschwindigkeiten zur wirtschaftlichen Stromerzeugung. Die erfindungsgemäße vertikale Windkraftanlage kommt im Vergleich zu herkömmlichen Propellerlösungen mit erheblich geringeren Masthöhen aus, wodurch einer Landschaftsverschandelung begegnet und die Gefährdung von Vögeln reduziert wird.
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Sie eignet sich auch für Gebiete mit geringeren Windgeschwindigkeiten, da sie eine hohe Effizienz bereits bei sehr niedrigen Windgeschwindigkeiten besitzt. Sie ist grundsätzlich effizienter als horizontale Anlagen und amortisiert sich schneller.
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Aufgrund des deutlich geringeren Platzbedarfs eignet sich eine vertikale Windkraftanlage auch für das städtische Umfeld.
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Zudem gibt es im Betrieb kaum Vibrationen und Geräuschemissionen. Ein weiterer Vorteil liegt in der geringen Anzahl beweglicher Bauteile, wodurch die Wartungskosten gering bleiben und eine hohe Lebensdauer erzielt wird.
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Zur weiteren Verbesserung der Energieeffizienz kann beiden Windrädern eine Luftleitvorrichtung vorgeschaltet sein, die eine tangentiale Anströmung der Windräder bewirkt.
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Weiterhin können die Windräder mit schräg gestellten Turbinenflügeln ausgestattet sein, um Schläge beim Übergang vom Windschatten in den Luvbereich zu vermeiden.
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Vorzugsweise ist die Luftleitvorrichtung bei Betrachtung in Vertikalrichtung keilförmig, wodurch in Richtung auf die Windräder eine zusätzliche Strömungsbeschleunigung erzielt wird. Hierdurch wird der Wirkungsgrad weiter verbessert.
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Weiterhin kann der Generator mit Vorteil besonders platzsparend für die Gesamtstruktur zwischen den Windrädern im Windschatten der Luftleitvorrichtung angeordnet werden.
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Zur Anpassung an wechselnde Windrichtungen können die Luftleitvorrichtung, der Generator und die beiden Windräder auf einem zur Windrichtung ausrichtbaren Drehgestell angeordnet werden. In Verbindung mit der Luftleitvorrichtung wird eine Selbstausrichtung zur Windrichtung ermöglicht.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine Längsschnittansicht eines Gegenlaufgenerators nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine schematische Darstellung einer mit einem solchen Gegenlaufgenerator ausgestatteten Windkraftanlage in einer Ansicht von oben mit Darstellung der Anströmung, und in
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3 eine Seitenansicht der Windkraftanlage mit Darstellung der Anströmung.
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Der in 1 anhand einer Schleifringvariante beispielhaft dargestellte Gegenlaufgenerator 10 umfasst ein Gestell 11 mit einem ersten unteren Lagerbock 12 und einem zweiten oberen Lagerbock 13.
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An dem Gestell 11 ist ein Rotor 14 um eine Drehachse A drehbar gelagert. Der Rotor 14 ist an einer Rotorwelle 15 angeordnet, welche über Wälzlager 16 und 17 an den beiden Lagerböcken 12 und 13 des Gestells 11 gelagert ist.
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Weiterhin umfasst der Gegenlaufgenerator 10 einen Stator 18, der relativ zu dem Gestell 11 drehbar ist, d. h. im Unterschied zu herkömmlichen Statoren nicht stationär ist. Insbesondere ist der Stator 18 um die vorgenannte Drehachse A drehbar. Er ist über zwei Wälzlager 26 und 27 an der Rotorwelle 15 drehbar gelagert.
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Im Übrigen entsprechen der Rotor 14 und der Stator 18 herkömmlichen Generatoren. Insbesondere ist der Rotor 14 mit einer geraden Anzahl magnetischer Pole ausgestattet, während sich an dem Stator 18 entsprechende Induktionsspulen befinden.
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Zur Krafteinleitung in den Generator 10 dienen ein erstes Getriebe 19, das mit dem Rotor 14 gekoppelt ist, um diesen in Drehung zu versetzen, sowie ein zweites Getriebe 20, das mit dem Stator 18 gekoppelt ist, um den Stator 18 in eine der Drehung des Rotors 14 entgegengesetzte Drehung zu versetzen.
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Die Ausgestaltung der Getriebe 19 und 20 sowie der vorgeordneten Vorrichtungen zur Verrichtung mechanischer Arbeit an der jeweiligen Getriebeeingangsseite ist weitgehend beliebig. Bevorzugt sind die Getriebe 19 und 20 als einstufige Riemen- oder Kettentriebe ausgebildet.
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Der Gegenlaufgenerator 10 ermöglicht jedoch besonders günstige Anlagenkonfigurationen zur wirtschaftlich effizienten Stromerzeugung. Ein Beispiel hierfür wird unten näher erläutert.
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Wie 1 entnommen werden kann, ist die Drehachse A des Generators 10 und damit auch der Rotorwelle 15 vertikal ausgerichtet.
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An der Rotorwelle 15 ist ein Ausgangsglied 21 des ersten Getriebes 20 befestigt. Dieses Ausgangsglied 21 ist vorliegend beispielhaft als Zahnriemenrad dargestellt, das über einen Zahnriemen 22 angetrieben wird. Das Zahnriemenrad ist in Bezug auf die Vertikalrichtung unterhalb des ersten Lagerbocks 12 an der Rotorwelle 15 angebracht.
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Weiterhin ist an der Rotorwelle 15 ein Ausgangsglied 23 des zweiten Getriebes 20 drehbar gelagert. Dieses Ausgangsglied 23 kann ebenfalls als Zahnriemenrad ausgeführt sein, das über einen zugehörigen Zahnriemen 24 angetrieben wird. Das Ausgangsglied 23 bzw. Zahnriemenrad ist dabei drehfest mit dem Stator 18 verbunden. Es ist jedoch auch möglich, das Ausgangsglied 23 des zweiten Getriebes 20 nicht an der Rotorwelle 15 zu lagern, sondern an anderer Stelle, beispielsweise am Außenumfang des Stators 18 anzuordnen.
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Sitzen die Ausgangsglieder 21 und 23 der beiden Getriebe 19 und 20 an der Rotorwelle 15, so ist es im Hinblick auf die Kraftabstützung von Vorteil, wenn, wie in 1 dargestellt, die Ausgangsglieder 21 und 23 zu beiden Seiten des ersten Lagerbocks 12 angeordnet sind.
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Zur Abstützung des Gewichts des Stators 18 in Vertikalrichtung dient ein als Axiallager 27 ausgebildetes Hauptlager. Über dieses ist der Rotor 18 drehbar an dem ersten Lagerbock 12 des Gestells 11 abgestützt. Vorliegend ist das Axiallager 27 unmittelbar zwischen dem Ausgangsglied 23 des zweiten Getriebes 20 und dem ersten Lagerbock 12 eingegliedert. Erfolgt die Krafteinleitung in den Rotor 18 an anderer Stelle, so kann der Rotor 18 auch unmittelbar auf dem Axiallager 27 abgestützt werden. Gegebenenfalls kann zusätzlich eine Axialabstützung des Rotors 18 in entgegengesetzter Richtung an dem zweiten Lagerbock 13 vorgesehen werden, wie dies in 1 beispielhaft durch ein weiteres Axiallager 28 angedeutet ist.
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Die Einheit aus Rotor 14 und Stator 18 ist somit in Vertikalrichtung zwischen den beiden Lagerböcken 12 und 13 untergebracht.
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Der Generator 10 des Ausführungsbeispiels weist ferner Schleifringe auf. Dazu sind erste Schleifringe 29 drehfest mit der Rotorwelle 15 verbunden. Diese stehen mit entsprechenden Bürsten 30, die stationär am Gestell 11 angeordnet sind, in Eingriff. Für den Stator 18 sind zweite Schleifringe 31 vorgesehen, welche ebenfalls mit zugehörigen, am Gestell 11 stationär angeordneten Bürsten 32 in Eingriff stehen. Jedoch können auch andere Generatortypen, insbesondere auch bürstenlose Generatoren in der vorstehend erläuterten Art und Weise als Gegenlaufgeneratoren ausgeführt werden.
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Der Gegenlaufgenerator 10 mit vertikaler Drehachse A kommt in einer Vorrichtung zur Stromerzeugung 40 zum Einsatz, die vorliegend beispielhaft als vertikale Windkraftanlage ausgeführt ist. Der Gegenlaufgenerator 10 kann jedoch auch für andere Energiequellen verwendet werden. Die Vorrichtung zur Stromerzeugung 40 umfasst jedoch generell eine erste Turbine 41, die über das erste Getriebe 19 mit dem Rotor 14 gekoppelt ist sowie eine zweite Turbine 42, die über das zweite Getriebe 20 mit dem Stator 18 gekoppelt ist.
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Beide Turbinen 41 und 42 weisen jeweils eine vertikale Drehachse B1 und B2 auf. Zudem weisen diese entgegengesetzte Drehrichtungen auf. In Kombination mit dem Gegenlaufgenerator 10 können die beiden Getriebe 19 und 20 dadurch sehr einfach gehalten werden und, wie bereits angedeutet, als kostengünstige und geräuschearme Riementriebe ausgeführt werden.
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Die Turbinen 41 und 42 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils als Windrad ausgebildet. Diesen ist eine gemeinsame Luftleitvorrichtung 43 vorgeschaltet, die eine tangentiale Anströmung der Windräder bzw. Turbinen 41 und 42 bewirkt.
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Wie insbesondere 2 entnommen werden kann, ist die Luftleitvorrichtung 43 bei Betrachtung in Vertikalrichtung keilförmig. Sie wirkt dadurch als Strömungsverdichter und erhöht die Stromausbeute der Windkraftanlage.
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Durch schräg gestellte Turbinenflügel 44 und 45 können Schläge beim Austritt der Turbinenflügel aus dem Windschatten vermieden werden.
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Der Generator 10 ist vorzugsweise zwischen den Windrädern bzw. Turbinen 41 und 42 im Windschatten der Luftleitvorrichtung 43 angeordnet.
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Zur Anpassung an unterschiedliche Windrichtungen sind die Luftleitvorrichtung 43, der Generator 10 und die beiden Windräder bzw. Turbinen 41 und 42 auf einem zur Windrichtung ausrichtbaren Drehgestell 46 angeordnet. Bei Bedarf kann zusätzlich ein Gegengewicht 47 vorgesehen werden, das vorzugsweise der Luftleitvorrichtung 43 in Windrichtung vorgeschaltet ist.
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Die beschriebene Windkraftanlage kann unmittelbar am Boden oder auch auf dem Dach eines Gebäudes montiert werden. Sie ist in ihrer Größe beliebig skalierbar und benötigt zur wirtschaftlichen Stromerzeugung keine hohen Masten.
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Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Sie ist doch nicht hierauf beschränkt, sondern umfasst alle durch die Ansprüche definierten Ausgestaltungen.
