-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Rotorsystem zum Antreiben einer Turbine oder zum Angetrieben werden durch einen Motor und auf eine Anordnung mit einem solchen Rotorsystem.
-
Rotorsysteme können durch eine Windströmung, oder wenn sie im Wasser eingesetzt werden, durch eine Wasserströmung in Rotation versetzt werden. Diese Rotation kann genutzt werden, um eine Turbine anzutreiben.
-
Die Druckschrift
EP 0 364 020 A1 offenbart ein durch Windkraft antreibbares Rotorsystem mit einer vertikalen Drehachse. Radial an der vertikalen Drehachse sind in gleichen Winkelabständen über den Umfang verteilte Rotorarme angeordnet. Die Körper der Rotorarme weisen ein aerodynamisches Profil auf, bei welchem eine Profilseite bei senkrechter Anströmung einen geringeren Luftwiderstand als bei Anströmung von der gegenüberliegenden Seite aufweist. Ein solches Profil ist beispielsweise tragflächenförmig aber symmetrisch zu seiner Mittellinie ausgebildet, weil das Profil keinen Auftrieb erzeugen soll. Das gezeigte Rotorsystem ist damit ein reiner Widerstandsläufer. Das Rotorsystem kann sich daher nicht schneller als der Wind drehen. Die Schnelllaufzahl ist somit kleiner 1.
-
Weiter ist ein Rotorsystem bekannt, bei welchem mehrere Profile horizontal um eine vertikale Achse des Rotorsystems rotieren. Diese Profile zeichnen sich dadurch aus, dass sie bei der Anströmung durch ein Fluid eine Auftriebskraft erzeugen. Diese Auftriebskraft ist im Wesentlichen von der Dichte des Fluids, der Formgebung des Profils und von dem Winkel der Anströmung abhängig. Durch die Anordnung der Profile kann ein Rotorsystem entstehen, bei welchem durch die Summe aller an den Profilen anliegenden Widerstandskräften und Auftriebskräften eine Drehbewegung mit n Drehungen pro Zeiteinheit mit einem Drehmoment M (Einheit: Nm) in Drehrichtung erzeugt wird. Die mechanische Leistung Pmech = M*n (Einheit: W) kann zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt werden. Ein solches Rotorsystem wird im Folgenden als 1-phasiger Rotor bezeichnet.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Rotorsystem bereitzustellen. Ebenso ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung mit einem solchen Rotorsystem bereitzustellen.
-
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Rotorsystems sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
-
Demgemäß wird ein mehrphasiges Rotorsystem zum Drehen um eine Rotorsystemachse in einer Drehrichtung bereitgestellt. Das mehrphasige Rotorsystem umfasst zumindest zwei 1-phasige Rotoren, welche entlang der Rotorsystemachse an unterschiedlichen Positionen angeordnet sind und welche mechanisch fest miteinander verbunden sind. Dabei weist jeder 1-phasige Rotor zumindest zwei Profile auf, welche den gleichen radialen Abstand zu der Rotorsystemachse aufweisen, wobei jedes Profil ausgebildet ist, beim Drehen um die Rotorsystemachse in der Drehrichtung eine Profilauftriebskraft zu erzeugen. Weiter sind die 1-phasigen Rotoren bezogen auf eine Drehung um die Rotorsystemachse in einem Winkel verdreht zueinander angeordnet.
-
Dadurch, dass jedes Profil ausgebildet ist, beim Drehen um die Rotorsystemachse in der Drehrichtung eine Profilauftriebskraft zu erzeugen, kann sich das mehrphasige Rotorsystem schneller als die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids (z.B. Luft oder Wasser) drehen. Die Summe der Widerstandskräfte und der Auftriebskräfte aller Profile erzeugen ein positives Drehmoment in der Drehrichtung. Dabei spielen die Dichte des Fluids, die Formgebung der Profile, die Anordnung der Profile und der Winkel der Anströmung des Fluids eine Rolle. Die Schnelllaufzahl ist größer als 1. Dadurch steigt die Leistungsausbeute gegenüber einem reinen Widerstandsläufer. Mittels der Rotation des mehrphasigen Rotorsystems kann ein Generator zur Stromgewinnung angetrieben werden.
-
Alternativ kann auch ein Motor das mehrphasige Rotorsystem in Rotation versetzen. In diesem Fall kann das mehrphasige Rotorsystem als Antrieb dienen.
-
Dadurch, dass die 1-phasigen Rotoren bezogen auf eine Drehung um die Rotorsystemachse in einem Winkel verdreht zueinander angeordnet sind, ergibt sich auch im Stillstand des mehrphasigen Rotorsystems ein positives Drehmoment. Die Profile der zumindest zwei 1-phasigen Rotoren sind somit versetzt zueinander angeordnet. Dadurch läuft das mehrphasige Rotorsystem in einer Fluidströmung von alleine an. Dagegen läuft ein 1-phasiger Rotor in einer Fluidströmung nicht von alleine an.
-
Zudem sind die Drehmoment Schwankungen bei dem mehrphasigen Rotorsystem geringer als bei einem 1-phasigen Rotor. Je höher die Anzahl der Profile und je besser die Profile in Umfangsrichtung verteilt sind, desto weniger Schwankungen enthält das resultierende Drehmoment. Dabei verringern sich bei gleichen Effektivwerten der Drehmomente die Scheitelwerte der Drehmomente. Durch die geringen Drehmoment Schwankungen, welche das mehrphasige Rotorsystem bewirkt, werden auch die mit dem mehrphasigen Rotorsystem zusammenwirkenden Komponenten, wie z.B. Halterungen, Befestigungen, Getriebe, Riemenantriebe, sonstige elektromechanische Komponenten, Turm zum Halten des mehrphasigen Rotorsystems bis hin zum Fundament des Turms, nur gering belastet. Der Verschleiß dieser Komponenten kann daher verringert werden, was die Lebensdauer dieser Komponenten erhöht.
-
Weiter müssen elektrische und leistungselektronische Komponenten für das maximale Drehmoment bzw. den maximalen Strom ausgelegt werden. Je geringer die Drehmomentschwankungen sind, desto geringer sind auch die maximalen Drehmomente bzw. Ströme im Verhältnis (in Relation) zum Effektivwert der Drehmomente. Der Einsatz von elektrischen und leistungselektronischen Komponenten, welche für geringere Ströme ausgelegt werden können, spart Kosten, Bauvolumen und Gewicht.
-
Das mehrphasige Rotorsystem funktioniert bei jeder beliebigen, horizontalen und vertikalen Anströmrichtung. Dementsprechend ist keine Strömungsrichtungsnachführung nötig. Dies ermöglicht wiederum einen robusten Systemaufbau, bei welchem keine Profile verstellt werden müssen. Damit lassen sich die Störanfälligkeit und die Kosten minimieren.
-
Weiter erzeugt das mehrphasige Rotorsystem nur eine geringe Geräuschentwicklung.
-
Die 1-phasigen Rotoren sind mechanisch fest miteinander verbunden. Dabei kann diese Verbindung stoffschlüssig, kraftschlüssig und/oder formschlüssig ausgebildet sein.
-
Die Profile können spiegelsymmetrisch zu einer Spiegelebene ausgebildet sein. Alternativ können die Profile auch ähnlich wie ein Flügel eines Flugzeugs ausgebildet sein, d.h. die Profile können eine Krümmung nach innen in Richtung der Rotorsystemachse oder eine Krümmung nach außen von der Rotorsystemachse weg aufweisen. Die asymmetrischen Profile können größere Profilauftriebskräfte als die symmetrischen Profile erzeugen. Aufgrund des mehrphasigen Rotorsystems stehen immer genügend Profile passend zum Anströmungswinkel des Fluids. Aus diesem Grund ist es kein Problem, dass der mögliche, Anströmwinkel bei den asymmetrischen Profilen geringer ist als der mögliche Anströmwinkel bei den symmetrischen Profilen. Die Profilauftriebskraft kann erzeugt werden, in dem das Fluid auf der einen Seite des Profils schneller vorbeiströmt als auf der anderen Seite. So entsteht auf der einen Seite ein Unterdruck und auf der anderen Seite ein Überdruck. Diese Druckunterschiede bewirken die Profilauftriebskraft.
-
Zudem können die Profile mit sogenannten Flaps ausgestattet werden. Diese Flaps sind Profile die wesentlich kleiner als die bisher beschriebenen Profile (Hauptprofile) sind. Die Flaps werden hinter den Profilenden der Hauptprofile in einem Abstand und Versatz zur Hauptprofilsehne fest oder flexibel angebracht. Die Flaps und das Hauptprofil sind ähnlich angeordnet und aufgebaut wie Landeklappen an Flugzeugflügeln. Die Flaps vergrößern die maximalen Auftriebskräfte und erhöhen die Anströmwinkel bei denen die Hauptprofile noch Auftriebskräfte erzeugen, da sie den Strömungsabriss bei hohen Anströmwinkeln verhindern.
-
Neben der Profilauftriebskraft wirkt auch noch eine Widerstandskraft auf das Profil, weil sich das Profil in einem Fluid bewegt.
-
Die zumindest zwei Profile des 1-phasigen Rotors weisen den gleichen radialen Abstand zu der Rotorsystemachse auf. Die Profile sind damit auf einer Kreisbahn um die Rotorsystemachse angeordnet. Die Profile können mit einem Winkel von 0° tangential auf der Kreisbahn des 1-phasigen Rotors angeordnet sein. Der Winkel zur Tangente der Kreisbahn kann auch zwischen +/- 0° und 10°, +/- 0° und 20°, +/- 0° und 30° oder +/- 0° und 40° betragen.
-
Die 1-phasigen Rotoren sind bezogen auf eine Drehung um die Rotorsystemachse in einem Winkel verdreht zueinander angeordnet. Dies bedeutet, der Winkel in Blickrichtung der Rotorsystemachse, welcher zwischen der Linie von der Profilachse eines Profils des ersten 1-phasigen Rotors zu der Rotorsystemachse und der Linie von der Profilachse eines Profils des zweiten 1-phasigen Rotors zu der Rotorsystemachse gebildet wird, ist großer als 0°.
-
Gemäß einer Ausführungsform des mehrphasigen Rotorsystems ist jedes Profil zu allen anderen Profilen bezogen auf eine Drehung um die Rotorsystemachse um einen Winkel verdreht angeordnet. Bei einem 1-phasigen Rotor mit drei Profilen, können die Profile mit einem Winkelabstand von 120° angeordnet sein. Bei einem 3-phasigen Rotorsystem mit drei solchen 1-phasigen Rotoren können die Profile des ersten 1-phasigen Rotors zu den Profilen des zweiten 1-phasigen Rotors mit einem Winkelabstand von 40° zueinander angeordnet sein. Die Profile des zweiten 1-phasigen Rotors können zu den Profilen des dritten 1-phasigen Rotors wiederum mit einem Winkelabstand von 40° zueinander angeordnet sein.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des mehrphasigen Rotorsystems weist jedes Profil eine Profilachse auf und die Profilachsen aller Profile verlaufen parallel zu der Rotorsystemachse. Vorteilhafterweise kann es sich bei den Profilen um gerade Profile handeln. Die geraden Profile haben über die gesamte Profillänge einen symmetrischen Profilschnitt. Dadurch lässt sich die Fertigung der Profile vereinfachen und die Kosten für die Profilherstellung verringern. Aufgrund der geraden Profile ergibt sich eine gleichmäßige Anströmgeschwindigkeit des Fluids über die Profillänge. Damit erfolgt eine geringe mechanische Belastung über die gesamte Profillänge.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des mehrphasigen Rotorsystems weist jedes Profil eine Profilebene auf, in welcher die Profilachse des jeweiligen Profils verläuft. Dabei sind die Profile symmetrisch oder asymmetrisch bezogen auf die Profilebene des jeweiligen Profils ausgebildet. Bevorzugt können asymmetrische Profile eingesetzt werden, welche eine größere Profilauftriebskraft als die symmetrischen Profile erzeugen können.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des mehrphasigen Rotorsystems weist das mehrphasige Rotorsystem eine Halterung auf, mit welcher die Profile verbunden sind. Dabei sind die Profile stoff-, form- und/oder kraftschlüssig mit der Halterung verbunden.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des mehrphasigen Rotorsystems weist die Halterung mehrere Halterungselemente auf und jeder 1-phasige Rotor umfasst zumindest ein Halterungselement. Da das mehrphasige Rotorsystem zumindest zwei 1-phasige Rotoren aufweist, umfasst die Halterung demnach auch zumindest zwei Halterungselemente. Es kann auch jedes Profil mit einem separaten Halterungselement gehalten werden.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des mehrphasigen Rotorsystems ist das Halterungselement jedes 1-phasigen Rotors als plattenförmige Struktur ausgebildet. Weiter erstrecken sich die Profile dieses 1-phasigen Rotors senkrecht zu der plattenförmigen Struktur. Dabei kann die plattenförmige Struktur eine kreisförmige Scheibe sein, von welcher die Profile senkrecht abstehen. Die Scheibe kann Ausnehmungen aufweisen um Gewicht zu sparen.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des mehrphasigen Rotorsystems weist das mehrphasige Rotorsystem eine Welle auf, welche entlang der Rotorsystemachse verläuft, und welche mit der Halterung verbunden ist. Damit dreht sich die Halterung und mit ihr das gesamte mehrphasige Rotorsystem mit der Welle. Wenn die Halterung aus mehreren kreisförmigen Scheiben besteht, dann wird die Welle durch den Mittelpunkt jeder Scheibe geführt, und ist an diesen Stellen fest mit der jeweiligen Scheibe verbunden.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des mehrphasigen Rotorsystems weist das mehrphasige Rotorsystem eine Stabachse auf, welche entlang der Rotorsystemachse verläuft, und um welche die Halterung drehbar gelagert ist. Damit dreht sich die Halterung und mit ihr das gesamte mehrphasige Rotorsystem um die Stabachse. Wenn die Halterung aus mehreren kreisförmigen Scheiben besteht, dann wird die Stabachse durch den Mittelpunkt jeder Scheibe geführt, so dass an diesen Stellen die jeweilige Scheibe um die Stabachse rotieren kann.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des mehrphasigen Rotorsystems ist jeder 1-phasige Rotor als Modul ausgebildet, welches insbesondere mittels eines 3D-Druckers herstellbar ist. Ein solches Modul kann aus einer kreisförmigen Scheibe als Halterungselement und den Profilen aufgebaut sein. Dabei ist das Modul insbesondere einteilig ausgebildet. Weiter ist jedes Modul vorteilhafterweise so ausgebildet, dass es leicht mit einem weiteren Modul mechanisch fest verbunden werden kann.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des mehrphasigen Rotorsystems weist das mehrphasige Rotorsystem eine Riemenscheibe auf, um mittels eines Rundriemens und einer weiteren Riemenscheibe einen Generator anzutreiben oder um mittels eines Rundriemens und einer weiteren Riemenscheibe von einem Motor angetrieben zu werden. Wenn eine Welle fest mit der Halterung verbunden ist, dann kann die Riemenscheibe ebenfalls fest mit der Welle verbunden sein. Alternativ kann die Riemenscheibe auch mit anderen Komponenten des mehrphasigen Rotorsystems fest verbunden sein. Wenn das mehrphasige Rotorsystem dagegen um eine Stabachse rotiert, dann ist die Riemenscheibe mit anderen Komponenten des mehrphasigen Rotorsystems zu verbinden als der Stabachse, da sich die Stabachse nicht selbst dreht.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des mehrphasigen Rotorsystems weist ein erster 1-phasiger Rotor einen unterschiedlichen Durchmesser wie ein zweiter 1-phasiger Rotor auf. Dementsprechend ist das mehrphasige Rotorsystem nicht auf baugleiche 1-phasige Rotoren beschränkt.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des mehrphasigen Rotorsystems ist jeder 1-phasige Rotor als Darrieus-Rotor ausgebildet. Der Darrieus-Rotor ist ein Rotor für Windkraftanlagen mit vertikaler Rotationsachse. Er ist ein Schnellläufer.
-
Weiter wird eine Anordnung, mit zumindest einem mehrphasigen Rotorsystem bereitgestellt. Dabei kann der eigentliche Generator zur Stromerzeugung am Fundament der Anordnung angeordnet werden. Weiter sind keine elektrischen oder hydraulischen Komponenten und Zuleitungen im rotierenden mehrphasigen Rotorsystem erforderlich.
-
Gemäß einer Ausführungsform der Anordnung weist die Anordnung eine Trägerkonstruktion zum starren Fixieren des zumindest einen mehrphasigen Rotorsystems auf, um eine Eigenrotation der Anordnung zu unterbinden. Dementsprechend kann das mehrphasige Rotorsystem lediglich um die Rotationsachse rotieren.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Anordnung weist die Anordnung zumindest ein weiteres mehrphasiges Rotorsystem auf, wobei die Rotorsystemachse des zumindest einen mehrphasigen Rotorsystems parallel zu der Rotorsystemachse des zumindest einen weiteren mehrphasigen Rotorsystems verläuft und wobei das zumindest eine mehrphasige Rotorsystem eine entgegengesetzte Drehrichtung wie das zumindest eine weitere mehrphasige Rotorsystem aufweist. Vorteilhafterweise kann auf diese Weise eine Eigenrotation der Anordnung verhindert werden.
-
Die für das vorgeschlagene mehrphasige Rotorsystem beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale gelten für die vorgeschlagene Anordnung entsprechend und umgekehrt.
-
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden beschriebenen Merkmalen. Dabei können auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzugefügt werden.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen in
- 1 eine perspektivische Ansicht eines mehrphasigen Rotorsystems,
- 2 eine perspektivische Ansicht eines einzelnen Moduls des in 1 gezeigten mehrphasigen Rotorsystems,
- 3 eine perspektivische Ansicht eines einzelnen Profils des Moduls aus 2,
- 4 eine Schnittansicht eines Moduls,
- 5 eine Schnittansicht eines alternativen Moduls,
- 6 eine perspektivische Ansicht einer Anordnung mit einem mehrphasigen Rotorsystem, und
- 7 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Anordnung mit zwei mehrphasigen Rotorsystemen.
-
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen worden. Ferner sollte beachtet werden, dass die Darstellungen in den Figuren nicht notwendigerweise maßstabsgerecht sind.
-
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines mehrphasigen Rotorsystems 1. Das mehrphasige Rotorsystem 1 weist drei 1-phasige Rotoren 2 auf. Die 1-phasigen Rotoren 2 sind entlang der Rotorsystemachse 3, um welche das mehrphasige Rotorsystem 1 in der Drehrichtung 4 drehbar ist, an unterschiedlichen Positionen angeordnet. Dabei sind die 1-phasigen Rotoren mechanisch fest, d.h. form-, kraft- und/oder stoffschlüssig, miteinander verbunden.
-
Jeder der in 1 gezeigten 1-phasigen Rotoren 2 weist drei Profile 5 auf. Die Profile 5 eines 1-phasigen Rotors 2 haben den gleichen Abstand zu der Rotorsystemachse 3. Dabei erzeugt jedes Profil 5 beim Drehen um die Rotorsystemachse 3 in der Drehrichtung 4 eine Profilauftriebskraft. Wie man in 1 sehen kann, sind die Profile 5 von verschiedenen 1-phasigen Rotoren 2 in Drehrichtung 4 versetzt zueinander angeordnet. Die 1-phasigen Rotoren 2 sind also um einen Winkel um die Rotorsystemachse 3 verdreht zueinander angeordnet. Wie in 1 dargestellt, sind alle Profile 5 verdreht zueinander angeordnet, so dass kein Profil 5 direkt unter einem anderen Profil 5 angeordnet ist.
-
Das mehrphasige Rotorsystem 1 umfasst eine Halterung 6, mit welcher die Profile 5 form-, kraft- und/oder stoffschlüssig verbunden sind. Die Halterung 6 wiederum weist drei Halterungselemente 7 auf. Wie die 1 zeigt, umfasst jeder 1-phasige Rotor 2 ein Halterungselement 7. Dabei sind die Halterungselemente 7 als plattenförmige Strukturen 8 ausgebildet. Die Profile 5 stehen jeweils senkrecht auf den plattenförmigen Strukturen 8.
-
Wie in 1 dargestellt, umfasst das mehrphasige Rotorsystem 1 eine Riemenscheibe 9. Mittels eines Rundriemens (in 1 nicht gezeigt) und einer weiteren Riemenscheibe (in 1 nicht gezeigt) kann ein Generator angetrieben werden oder kann ein Motor das mehrphasige Rotorsystem 1 in Rotation versetzen. Ist das mehrphasige Rotorsystem 1 fest mit einer Welle, welche sich entlang der Rotorsystemachse 3 erstreckt, verbunden, dann kann die Riemenscheibe 9 entweder nur mit der Welle direkt verbunden sein oder nur mit der Halterung 6 bzw. ein oder mehreren Profilen 5 des mehrphasigen Rotorsystems 1 direkt verbunden sein oder mit der Welle und der Halterung 6 bzw. ein oder mehreren Profilen 5 des mehrphasigen Rotorsystems 1 direkt verbunden sein. Ist das mehrphasige Rotorsystem 1 dagegen um eine Stabachse, welche entlang der Rotorsystemachse 3 verläuft, drehbar gelagert, dann ist die Riemenscheibe 9 mit der Halterung 6 oder ein oder mehreren Profilen 5 direkt verbunden.
-
In einer Fluidströmung bzw. bei der Rotation des mehrphasigen Rotorsystems 1 in einem Fluid (z.B. Luft oder Wasser) bewirkt jedes Profil 5 eine Auftriebskraft und eine Widerstandskraft. Die Summe aller Auftriebskräfte und Widerstandskräfte aller Profile 5 bewirkt ein Drehmoment, so dass ein Generator angetrieben werden kann.
-
Alternativ kann ein Motor das mehrphasige Rotorsystem 1 in Rotation versetzen. Auf diese Weise kann ein Antrieb realisiert werden.
-
Die Verdrehung der 1-phasigen Rotoren 2 um die Rotorsystemachse 3 bewirkt eine Glättung des gesamten Drehmoments des mehrphasigen Rotorsystems 1 beim Einbringen in einen Fluidstrom. Zudem ist das mehrphasige Rotorsystem 1 dadurch selbststartend, d.h. die Rotation startet von alleine beim Einbringen des mehrphasigen Rotorsystems 1 in einen Fluidstrom.
-
Das in 1 dargestellt mehrphasige Rotorsystem 1 weist drei 1-phasige Rotoren 2 auf. Das mehrphasige Rotorsystem 1 kann jedoch auch zwei, vier, fünf, sechs, oder noch mehr 1-phasige Rotoren 2 aufweisen. Ein 1-phasiger Rotor 2 kann dabei zwei, drei, vier, fünf, sechs oder noch mehr Profile aufweisen. Die plattenförmigen Strukturen 8 können Ausnehmungen 10 aufweisen. Insbesondere kann eine plattenförmige Struktur 8 ein, zwei, drei, vier, fünf, sechs oder noch mehr Ausnehmungen 10 aufweisen, um das Gewicht der plattenförmigen Struktur 8 zu verringern.
-
Die in 1 gezeigten drei 1-phasigen Rotoren 2 besitzen alle den gleichen Durchmesser. Alternativ können die Durchmesser der 1-phasigen Rotoren 2 eines mehrphasigen Rotorsystems 1 auch unterschiedlich sein.
-
2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines einzelnen Moduls 11 des in 1 gezeigten mehrphasigen Rotorsystems 1. Dabei stellt das einzelne Modul 11 einen 1-phasigen Rotor 2 dar.
-
Die Module 11 können mit einem 3D-Drucker hergestellt werden. Da die Bauvolumen beim 3D-Druck häufig begrenzt sind, lassen sich mittels der Module auch große mehrphasige Rotorsysteme 1 fertigen.
-
Als Material für ein Modul 11 kann ein teilkristalliner Thermoplast verwendet werden. Beispielsweise kann Polyamid 12 (PA12) eingesetzt werden. Dieses Material ist um den Faktor 1,05-fach schwerer als Wasser und 0,37-fach leichter als Aluminium. Darüber hinaus ist PA12 lebensmittelecht und hat gute mechanische Eigenschaften. Durch diese Materialwahl und durch eine konstruktive Integration von Lufteinschlüssen sind im Wasser schwebende bzw. schwimmende mehrphasige Rotorsysteme 1 realisierbar. Weiter kann auch ein mit Glykol modifiziertes Polyethylenterephthalat (PETG) als Material zum Einsatz kommen.
-
Es können auch abweichende Materialien und Fertigungsverfahren eingesetzt werden, z.B. Spritzgussverfahren.
-
Die 1-phasigen Rotoren 2 können als Darrieus-Rotoren ausgebildet sein.
-
3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines einzelnen Profils 5 des Moduls 11 aus 2. Das Profil 5 weist zwei Stifte 12 auf, um das Profil 5 mit dem Halterungselement 7, d.h. insbesondere der plattenförmigen Struktur 8, eines weiteren Moduls 11 bzw. eines weiteren 1-phasigen Rotors 2 zu verbinden. Die Anzahl der Stifte 12 ist prinzipiell beliebig. Das Halterungselement 7, d.h. insbesondere die plattenförmigen Struktur 8, eines weiteren Moduls 11 bzw. eines weiteren 1-phasigen Rotors 2 weist die entsprechende Anzahl an Ausnehmungen für die Stifte 12 auf.
-
4 zeigt eine Schnittansicht eines Moduls 11 bzw. eines 1-phasigen Rotors 2. Die Profile 5 weisen alle den gleichen radialen Abstand 13 von der Rotorsystemachse 3 zu der jeweiligen Profilachse 14 des entsprechenden Profils 5 auf. Dabei verlaufen die Profilachsen 14 aller Profile 5 parallel zu der Rotorsystemachse 3. In 4 stehen die Profilachsen 14 als auch die Rotorsystemachse 3 senkrecht zu der Zeichenebene. Weiter sind die Profile 5 des Moduls 11 bzw. des 1-phasigen Rotors 2 um einen Winkel α = 120° bezüglich der Rotorsystemachse 3 verdreht angeordnet.
-
Die Wölbung der Profile 5 zeigt von der Rotorsystemachse 3 weg. Die Drehrichtung 4 ist hier entgegen dem Uhrzeigersinn. Im Gegensatz dazu, ist in den 1 und 2 die Wölbung der Profile 5 in Richtung auf die Rotorsystemachse 3 gerichtet und die Drehrichtung 4 ist in Richtung des Uhrzeigersinns. Prinzipiell ist die Drehrichtung 4 durch den Aufbau und die Anordnung der Profile 5 vorgegeben. Die Richtung und Stärke der Wölbung, d.h. die Form der Profile, wird passend zu dem vorgesehenen Einsatz des mehrphasigen Rotorsystems 1 gewählt.
-
Wie in 4 dargestellt, weist ein Profil 5 eine Profilebene 15 auf. Die Profilachse 14 des jeweiligen Profils 5 verläuft in der Profilebene 15. Weiter steht die Profilebene 15 senkrecht zu der Zeichenebene der 4. Wie in 4 zu sehen, sind die Profile 5 asymmetrisch zu ihren jeweiligen Profilebenen 15 ausgebildet.
-
Alternativ können die Profile auch so ausgebildet sein, dass sie symmetrisch zu ihrer Profilebene 15 ausgebildet sind.
-
5 zeigt eine Schnittansicht eines alternativen Moduls 11 bzw. eines alternativen 1-phasigen Rotors 2. Dieses Modul 11 bzw. dieser 1-phasige Rotor 2 weist sechs Profile 5 auf. Die Profile 5 sind in einem Winkel α = 60° verdreht zueinander angeordnet.
-
Prinzipiell ist die Anzahl der Profile 5 eines 1-phasigen Rotors 2 beliebig.
-
6 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Anordnung 16 mit einem mehrphasigen Rotorsystem 1. Das mehrphasige Rotorsystem 1 weist, wie zuvor beschrieben, eine Welle 17 oder eine Stabachse 18 auf. Weiter umfasst die Anordnung 16 eine Trägerkonstruktion 19. Mittels der Trägerkonstruktion 19 kann das mehrphasige Rotorsystem 1 an irgendeiner Vorrichtung befestigt werden. Damit ist dann sowohl die Trägerkonstruktion 19 als auch das mehrphasige Rotorsystem 1 starr, d.h. ortsfest, fixiert. Das mehrphasige Rotorsystem 1 kann sich dann lediglich noch um die Rotorsystemachse 3 drehen. Eine Eigenrotation der Anordnung 16 ist aber nicht mehr möglich.
-
Falls das mehrphasige Rotorsystem 1 eine Welle 17 aufweist, dann ist die Halterung 6 fest mit der Welle 17 verbunden, und die Welle 17 ist drehbar in der Trägerkonstruktion 19 gelagert.
-
Falls das mehrphasige Rotorsystem 1 eine Stabachse 18 aufweist, dann ist die Stabachse fest (d.h. nicht drehbar) mit der Trägerkonstruktion 19 verbunden, und die Halterung 6 ist drehbar um die Stabachse 18 gelagert.
-
7 zeigt eine perspektivische Ansicht einer weiteren Anordnung 16 mit zwei mehrphasigen Rotorsystemen 1. Die Rotorsystemachsen 3 der beiden mehrphasigen Rotorsysteme 1 verlaufen parallel zueinander. Dabei sind die beiden mehrphasigen Rotorsysteme 1 so angeordnet, dass sie eine unterschiedliche Drehrichtung 4 aufweisen. Ein solches Tandem-Rotorsystem hat den Vorteil, dass die 1-phasigen Rotoren 2 zueinander versetzt angeordnet und mechanisch und/oder elektrisch so gekoppelt werden, dass aus den beiden mehrphasigen Rotorsystemen 1 ein System entsteht. Beispielsweise entsteht aus den beiden in 7 dargestellten 3-phasigen Rotorsystemen ein 6-phasiges Rotorsystem.
-
Die mehrphasigen Rotorsysteme 1 können über einen über Kreuz geführten Rundriemen mechanisch gekoppelt werden. Mittels eines weiteren Rundriemens kann dann die Verbindung mit einem Generator oder Motor erfolgen.
-
Weiter kann durch die beiden unterschiedlichen Drehrichtungen 4 einer Eigenrotation der Anordnung 16 entgegengewirkt werden. Dies ist z.B. wichtig, wenn die Anordnung 16 mechanisch so befestigt ist, z.B. hängend an Seilen, dass eine Eigenrotation der Anordnung 16 durch die Befestigung nicht verhindert werden kann.
-
Benutzt man die in 7 dargestellte Anordnung 16 als Antrieb für z.B. ein Boot, dann kann man mittels einer Änderung der Drehrichtungen 4 beider mehrphasigen Rotorsysteme 1 die Fahrtrichtung ändern. Mittels zwei Motoren kann durch die Realisierung von unterschiedlichen Drehzahlen an den beiden mehrphasigen Rotorsystemen 1 eine Steuer- und Lenkungsfunktion des Boots erreicht werden und das ohne Verluste der Leistung durch beispielsweise ein Ruder.
-
Das in 1 dargestellte Rotorsystem 1 bzw. die in den 6 und 7 dargestellte Anordnung 16 können auf vielfältige Weise eingesetzt werden.
-
Beispielsweise kann das mehrphasige Rotorsystem 1 in Wasserkraftanlagen zur elektrischen Energiegewinnung eingesetzt werden. Herkömmliche Wasserkraftanlagen benötigen in der Regel Querverbauungen oder Stauwerke im fließenden Gewässer. Querverbauungen oder Stauwerke sind aber aus vielen Gründen unerwünscht. Die Nutzung des mehrphasigen Rotorsystems 1, welches um die vertikale Rotorsystemachse 3 rotiert, benötigt keine Querverbauungen oder Stauwerke im fließenden Gewässer. Das mehrphasige Rotorsystem 1 kann im Wasser in vertikaler oder horizontaler Lage betrieben werden. Zudem können die elektrischen Komponenten außerhalb des Wassers angeordnet werden.
-
Bei einem zu 100% im strömenden Wasser befindlichen mehrphasigen Rotorsystem 1 kommt es zu geringen Verwirbelungen an der Wasseroberfläche und durch Druckunterschiede zu turbulenten Strömungen im inneren des mehrphasigen Rotorsystems 1. Diese beiden Effekte erhöhen den Sauerstoffgehalt des Wassers und verbessern die Wasserqualität.
-
In der Klärwerkstechnik sind Methoden zur Sauerstoffanreicherung von Wasser bekannt, z.B. versprühen des sauerstoffarmen Wassers in die Luft. Diese meist rotierenden Systeme zur Sauerstoffanreicherung von Wasser, z.B. Oberflächenbelüfter, verbrauchen ca. 1,5KWh Energie pro Kg Sauerstoff.
-
Das mehrphasige Rotorsystem 1 kann gleichzeitig zur Sauerstoffanreicherung und Erzeugung von elektrischer Energie verwendet werden, wenn das mehrphasige Rotorsystem 1 z.B. in horizontaler Einbaulage und z.B. nur zu 80% in ein fließendes Gewässer eingetaucht wird.
-
Beim Profilaustritt aus dem Wasser wird an der Grenzfläche zur Wasseroberfläche in Rotationsrichtung Wasser versprüht und beim Profileintritt ins Wasser entsteht eine turbulente Strömung. Beide Effekte führen zu einer Sauerstoffanreicherung im Gewässer. Zudem wird durch die Widerstands- und Auftriebskräfte der Profile des mehrphasigen Rotorsystems 1 sauerstoffarmes Tiefenwasser an die Wasseroberfläche befördert, wo es zusätzlich Sauerstoff aufnehmen kann.
-
Mit dem mehrphasigen Rotorsystem 1 kann in der oben beschriebenen Anwendung ein dezentrales System zur Verbesserung der Wasserqualität in fließenden Gewässern installiert werden, dass gleichzeitig Energie erzeugt, statt Energie zu verbrauchen.
-
Bei einer Verringerung der Eintauchtiefe des mehrphasigen Rotorsystems 1 auf z.B. 70% nimmt die Sauerstoffanreicherung zu und der Ertrag der elektrischen Energieerzeugung nimmt ab.
-
Bei der Eintauchtiefe des mehrphasigen Rotorsystems 1 von z.B. 70% und bei Niedrigwasser mit geringer Strömungsgeschwindigkeit kann durch einen antreibenden, motorischen Betrieb des mehrphasigen Rotorsystems 1 der Sauerstoffgehalt des Gewässers erheblich erhöht werden.
-
Eine energieautarke Kombination der beiden letztgenannten Anwendungsfälle kann durch die Integration von Akkus in das dezentrale System erzielt werden.
-
Eine Wasserkraftanlage mit zumindest einem mehrphasigen Rotorsystem 1 bietet die Zusatzfunktion, dass die Strömungsgeschwindigkeit des fließenden Gewässers bei hohen Fließgeschwindigkeiten reduziert werden kann, was für den Hochwasserschutz interessant ist. Die elektrischen Komponenten einer Anlage mit dem mehrphasigen Rotorsystem 1 müssen für diesen Anwendungsfall auf die maximale Strömungsgeschwindigkeit bei Hochwasser dimensioniert werden, da die Energie der Strömung mit der Strömungsgeschwindigkeit kubisch ansteigt.
-
Das mehrphasige Rotorsystem 1 ist insbesondere zur Anwendung in Gezeiten-, Wellen- und Tideströmungen geeignet, weil das mehrphasige Rotorsystem 1 die Eigenschaft besitzt, bei Anströmung in jeder beliebigen, horizontalen Richtung Energie erzeugen zu können, und vor allem auch weil durch das mehrphasige Rotorsystem 1 das Problem des selbständigen Anlaufs gelöst wird.
-
Das mehrphasige Rotorsystem 1 kann auch bei Booten, insbesondere bei Segelbooten, zum Einsatz kommen. Während der Fahrt kann das mehrphasige Rotorsystem 1 mit Hilfe eines Generators Energie erzeugen und z.B. einen Akku aufladen. Wird der o. g. Generator in den motorischen Betriebszustand versetzt, kann das mehrphasige Rotorsystem 1 auch als Antrieb verwendet werden.
-
Weiter ist das mehrphasige Rotorsystem 1 auf für den Einsatz in Windkraftanlagen geeignet. Bei Anwendungen in Luft sind die mechanischen Kräfte bei gleicher Baugröße und Bauart im Vergleich zu Wasser um den Faktor 15 bis 20 geringer. Die mechanische Konstruktion des mehrphasigen Rotorsystems 1 kann somit filigraner, leichter, einfacher und kostengünstiger aufgebaut werden. Das mehrphasige Rotorsystem 1 kann dabei z.B. auf Türmen, Masten oder an Gebäuden installiert werden.
-
Die Erfindung betrifft ein mehrphasiges Rotorsystem (1) zum Drehen um eine Rotorsystemachse (3) in einer Drehrichtung (4), mit zumindest zwei 1-phasigen Rotoren (2), welche entlang der Rotorsystemachse (3) an unterschiedlichen Positionen angeordnet sind und welche mechanisch fest miteinander verbunden sind. Dabei umfasst jeder 1-phasige Rotor (2) zumindest zwei Profile (5), welche den gleichen radialen Abstand (13) zu der Rotorsystemachse (3) aufweisen, wobei jedes Profil (5) ausgebildet ist, beim Drehen um die Rotorsystemachse (3) in der Drehrichtung (4) eine Profilauftriebskraft zu erzeugen. Weiter sind die 1-phasigen Rotoren (2) bezogen auf eine Drehung um die Rotorsystemachse (3) in einem Winkel verdreht zueinander angeordnet.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- mehrphasiges Rotorsystem
- 2
- 1-phasiger Rotor
- 3
- Rotorsystemachse
- 4
- Drehrichtung
- 5
- Profil
- 6
- Halterung
- 7
- Halterungselement
- 8
- plattenförmige Struktur
- 9
- Riemenscheibe
- 10
- Ausnehmung
- 11
- Modul
- 12
- Stift
- 13
- radialer Abstand
- 14
- Profilachse
- 15
- Profilebene
- 16
- Anordnung
- 17
- Welle
- 18
- Stabachse
- 19
- Trägerkonstruktion
- α
- Winkel
-
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
-
