DE202016005460U1

DE202016005460U1 - Der Windkonverter eine Windkraftanlage mit vertikaler Achse

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Publication number: DE202016005460U1
Application number: DE202016005460.1U
Authority: DE
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Priority date: 2016-09-06
Filing date: 2016-09-06
Publication date: 2016-11-07
Anticipated expiration: 2026-09-07

Abstract

Windkraftanlage (der Windkonverter) mit vertikaler Achse, bestehend aus Gehäuse, Rotor und Sockel, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor aus Rotorachse (9), Rotorblättern (10) und einer Schwungscheibe (11) besteht, wobei die Rotorblätter sowohl an der Rotorachse als auch an der Schwungscheibe befestigt sind und diese antreiben und die Rotorachse durch die Schwungscheibe bis zum Generator (12) durchgeführt wird.

Description

Viele heute wirtschaftlich genutzte Windkraftanlagen sind Horizontalachser mit zwei- und dreiflügeligen Rotoren, die nach dem Auftriebprinzip arbeiten. Vergleichbar einer Flugzeugtragfläche wird hier der Auftrieb ausgenutzt, der an den vom Wind umströmten Rotorblättern entsteht. Die Entwicklungen in diesem Bereich führte zu immer größeren Radien der Rotoren, weshalb diese Anlagen heute an ihre Stabilitätsgrenzen gestoßen sind. Ganz abgesehen davon, führte die Entwicklung dazu, dass immer größere „Spargel” in die Landschaft gebaut wurden, was optisch als störend empfunden wird.
Der Stand der Technik:
Die vorliegende Beschreibung betrifft eine Windkraftanlage, mit vertikaler Rotorachse. Es hat auch bisher nicht an Versuchen gefehlt, Windkraftanlagen mit vertikaler Rotorachse vorzuschlagen. Eine solche Anlage nutzt den aerodynamischen Widerstand, den eine Fläche einer Luftströmung entgegensetzt.
Beispielweise schlägt die Offenlegungsschrift DE 3631709 A1 eine Turbine mit senkrechter Achse vor. Die umlaufende Turbine wird halbseitig (180°) von einem Umhüllungsmantel umschlossen, welcher drehbar angeordnet ist und verstellt werden kann. Zweck eines solchen Umhüllungsmantels ist es, die gegen die Windkraft zurückkehrenden Rotorblätter abzudecken, so dass in diesem Segment keine Windkraft angreifen kann. Dazu wäre aber ein Mantelsegment von 90° ausreichend, wie durch die nachfolgende Beschreibung der neuen Erfindung dargestellt wird.
Auch die Offenlegungsschrift 2405767 beschreibt eine Turbine mit senkrechter Achse, die in einer drehbaren Trommel mit längsseitiger Windeintrittsöffnung läuft. An der Windeintrittsöffnung sind Leitbleche angeschweißt, um mehr Wind durch die Eintrittsöffnung auf die Turbinen zu lenken. Ein Leitwerk mit einem Steuerruder hält die Trommel in Windrichtung. Bei diesem Vorschlag wird eigentlich ein Mantel von ca. 270° um den Rotor gelegt, was aber gleichzeitig bedeutet, dass im Bereich der rückkehrenden Rotorblätter die Leistung stark vermindert sein dürfte.
Gleichfalls gehört zum Stand der Technik die eigene Anmeldung DGM Nr. 29900664.6 die bereits einen Vertikalrotor in einem Gehäuse vorschlägt. Es wird in Anspruch 2 dieser Anmeldung sogar darauf hingewiesen, dass Gehäuse und Rotor durch Kugellager so verbunden sind, dass beide gegeneinander beweglich sind, jedoch ist die beschriebene Bauausführung irreführend und falsch und auch die Meinung dass Rotor und Gehäuse durch ein gemeinsames Kugellager zu verbinden sind, muss korrigiert werden.
Die neue Erfindung soll die beschriebenen Nachteile nicht haben und beschäftigt sich ausführlich mit der getrennten Funktionsweise von Rotor und Gehäuse und einer optimalen Nutzung der wirksamen Windkräfte.
Beschreibung der Anlage
Die erfindungsgemäße Windkraftanlage – im folgenden Windkonverter genannt, besteht ebenfalls aus einem Gehäuse, einem Rotor und einer Sockelkonstruktion. Es werden jedoch an allen Bauteilen Änderungen zum Stand der Technik vorgeschlagen, die die gewünschte Wirkungsweise sicherstellen sollen.
Fig. 1 das Gehäuse
Aufgabe des Gehäuses ist es, durch seine Konstruktion dafür zu sorgen, dass für den Rotor stets optimale Bedingungen herrschen. Das wird erreicht durch das Leitwerk (1) das die Aufgabe hat, die Nase (2) stets „im Wind” zuhalten, ohne das dazu noch mechanische Steuerung notwendig ist. Es wird weiter erreicht durch die Art der Windbelastung, die nur in einem Radius von 90 Grad zugelassen ist, und durch die Nase (2), die innerhalb des Gehäuses im Bereich der rückkehrenden Rotorblätter eine Windbelastung verhindert.
Beschreibung der Einzelheiten.
1 zeigt aus perspektivischer Sicht die Gehäusekonstruktion. Sie besteht aus zwei Metallringen (4) oben und unten die mittels vier senkrechten Verstrebungen (5) miteinander verbunden sind. Während der untere Metallring teilweise offen ist, muss er im Bereich der Windbeaufschlagung mit der Teilabdeckung (7) verschlossen bleiben. Der Ring ist vorgesehen für die Aufnahme durch den äußeren Kugellagerring (Vergleiche dazu 4 Kugellager 13) Der obere Metallring hat ebenfalls Verstrebungen (6) die unter anderem der Aufnahme des Leitwerks dienen. Auch der obere Deckenring ist im Bereich der Windbeaufschlagung durch eine Teilabdeckung (7) verschlossen. Man erkennt, dass die, im wesentlichen offene Gehäusekonstruktion auf der Seite der auftreffenden Windkraft auf einem Bereich eines Viertelkreises – also um einen Sektor von 90° – durch eine nasenförmige Spitze abgeschirmt wird. Diese „Nase” (2) hat Abschirm- und Umlenkungsfunktion zugleich. Sie schirmt im Bereich rückkehrender Rotorblätter auftreffende Windkraft ab und lenkt diese gleichzeitig um. Ein Teil wird zusätzlich auf die Rotorblätter geleitet, der Rest an der verschlossenen Außenwand des Nasenbereichs vorbei geführt. Vergleiche dazu auch 2. An der einen Seite des Nasenbereichs können verstellbare Luftklappen (8) vorgesehen werden. Im Bedarfsfall werden sie geöffnet, und dadurch wird die Abschirm- und Umleitungsfunktion der Nase außer Kraft gesetzt. Eine daraus resultierende Windkraftbeaufschlagung im Bereich der rückkehrenden Rotorblätter kann dann notwendig werden, wenn der Rotor aus Wartungsgründen angehalten werden muss.
Das Material des Gehäuses sollte die Stabilität des Gehäuses gewährleisten und es sollte nicht rosten. Diese Ziele sind durch fachmännisches Handeln erreichbar.
Fig. 2 die Gehäusedecke
Die 2 zeigt noch einmal die obere Gehäusedecke in einer Draufsicht. Man erkennt das Viertel der Gehäusedecke (7) das unbedingt verschlossen sein muss. Es ist genau das Viertel bei dem im Rotorbereich die Beaufschlagung der Rotorblätter mit Windkräften erfolgt, wo also ein Entweichen der wirksamen Druckkräfte vermieden werden muss. Dagegen bleiben die der Windkraft gegenüberliegende Seite und die „Nase” selbst völlig offen. Lediglich aus Gründen der Stabilität kann es notwendig sein, dass die obere Gehäusedecke mehr geschlossen wird.
Darüber hinaus zeigt die Abbildung deutlich den Verlauf der Windkraft, der auch für den gesamten Gehäusekörper gelten dürfte. Die nicht auf die Rotorblätter geleitete Windkraft streicht an der verschlossenen Außenwand der „Nase” vorbei und wird hierbei – ähnlich wie bei einer Flugzeugtragfläche – beschleunigt. Diese beschleunigte Strömung übt einen Sog auf den Innenbereich aus, was die Wirkung der erfindungsgemäßen Anlage verstärkt.
Fig. 3 der Rotor
Der Rotor besteht aus der Rotorachse (9) den Rotorblättern (10) und einer Schwungscheibe (11), durch die mittig die Rotorachse bis zum Generator (12) durchgeführt wird. Die Rotorblätter selbst sind auf der Schwungscheibe und oberhalb dieser mit der Achse fest verbunden und sorgen so für den Antrieb. Die Schwungscheibe rotiert auf dem inneren Kugellagerkreis, wo die Schwerkräfte in den Sockelbereich abgeführt werden Vergleiche dazu 4. Der Rotor läuft – unabhängig von den außerhalb des Gehäuses auftretenden Windverhältnissen- stets in die gleiche Richtung, Dafür sorgt das den Rotor umgebende Gehäuse mit dem Leitsystem. Durch die Anordnung der Windeintrittsöffnung sollen mehr als 40 Prozent der verfügbaren Windenergie direkt auf den Rotor gelenkt werden. Der von den auftreffenden Windkräften abgewandte hintere Bereich ist auf einer Breite von 180 Grad völlig offen und lässt im Rotorbereich kaum Verwirbelungen entstehen. Lediglich im Bereich der rückkehrenden Rotorblätter trifft die Rotation auf die geschlossene nasenförmige Erweiterung mit der gewünschten Abschirmung. Die Erzeugung eines Unterdrucks in dem von der Nase abgewandten Bereich soll die gewünschte Wirkung verstärken. Vergleiche dazu 2.
Fig. 4 der Sockelbereich
Die 4 zeigt in einer teilweise perspektivischen und teilweise in einer schematischen Darstellung die Funktionsweise der Sockelkonstruktion. Der Sockel selbst dient der Aufnahme aller dynamischen und statischen Kräfte der Anlage. Da zwei von einander unabhängige Systeme sich bewegen, sollte dieser Tatsache eine besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden. Der Sockelbereich besteht aus einer sehr stabilen Unterkonstruktion (15) Dies ist eine Stahlkonstruktion oder andernfalls eine Betonkonstruktion. Diese Konstruktion trägt im äußeren Bereich den Kugellagerring (13) auf dem das Gehäuse (16) rotiert. Etwas erhöht aber zentrisch gibt es den inneren Kugellagerring (14), der die Schwungscheibe (11) und damit den gesamten Rotor trägt.
Die Vorteile des Windkonverters
Je nach vorgesehener Verwendung lassen sich die Anlagen in verschiedenen Größen bauen; das erhöht den Kosten/Nutzeneffekt. Der Fortfall störender Flügelschläge dürfte die beabsichtigte Verwendung erleichtern. Die Aufstellung solcher Anlagen in städtischen oder stärker bewohnten Gebieten sollte auf mehr Akzeptanz stoßen. Die Rotationsbewegung im Schutze eines Gehäuses dürfte als weniger störend empfunden werden im Vergleich zu den Flügelschlägen der Horizontalachser. Ob ein Einsatz auf bewegten Objekten wie Freizeitbooten, Containerfrachter vorteilhaft ist, bleibt dem Markt überlassen.
Bezugszeichenliste
Fig. 1 das Gehäuse (geschlossene Flächen sind schraffiert)

1: Leitwerk
2: nasenförmige Abschirmung
3: Windbeaufschlagung
4: Metallringe
5: senkrechte Verstrebungen
6: Metallringverstrebungen oben und unten
7: Teilabdeckungen der Metallringe oben und unten
8: Raum für Luftklappen

1: Leitwerk
2: nasenförmige Abschirmung
3: Windbeaufschlagung
4: Metallring
6: Verstrebungen
7: Teilabdeckung

9: Rotorachse
10: Rotorblätter
11: Schwungscheibe
12: Generator

9: Rotorachse
10: Rotorblätter
11: Schwungscheibe
12: Generator
13: äußerer Kugellagerring
14: innerer Kugellagerring
15: Sockelbereich
16: Gehäuse 1.

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 3631709 A1 [0003]
DE 29900664 U [0005]

Claims

Windkraftanlage (der Windkonverter) mit vertikaler Achse, bestehend aus Gehäuse, Rotor und Sockel, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor aus Rotorachse (9), Rotorblättern (10) und einer Schwungscheibe (11) besteht, wobei die Rotorblätter sowohl an der Rotorachse als auch an der Schwungscheibe befestigt sind und diese antreiben und die Rotorachse durch die Schwungscheibe bis zum Generator (12) durchgeführt wird.
Windkraftanlage (der Windkonverter) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor innerhalb eines Gehäuses rotiert und sowohl das Gehäuse (16 u. 1) als auch der Rotor (3) sich auf zwei unabhängig von einander funktionierenden Kugellagerringen bewegen, dem äußeren Ring (13) für das Gehäuse und dem inneren Kugellagerring (14) für den Rotor.