DE202023000566U1 - Vertical wind turbine with controlled rotor blade adjustment - Google Patents

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Abstract

Vertikale Windkraftanlage mit Rotorblattverstellung, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens für ein Rotorblatt die Winkelstellung in Abhängigkeit des Drehmomentes des Hauptrotors und der Windrichtung mit einem mit einem Getriebe verbundenen Nebengenerator verstellt werden.

Figure DE202023000566U1_0000
Vertical wind power plant with rotor blade adjustment, characterized in that the angular position of at least one rotor blade is adjusted as a function of the torque of the main rotor and the wind direction with an auxiliary generator connected to a gear.
Figure DE202023000566U1_0000

Description

Die vorgestellte vertikale Windkraftanlage mit geregelter Rotorblattverstellung hat den Vorteil, dass die Rotorblattverstellung durch einen elektrischen Generator erfolgt, so dass die Effizienz der Energiegewinnung dieses Typs der Windkraftanlagen verbessert wird. Dafür ist es notwendig, dass die Drehwinkel und Winkelgeschwindigkeit des Rotors und der Drehwinkel der verstellbaren Rotorblätter erfasst werden und in einem geschlossenen Regelkreis zueinander verstellt werden.The presented vertical wind power plant with controlled rotor blade adjustment has the advantage that the rotor blade adjustment is carried out by an electric generator, so that the efficiency of energy generation of this type of wind power plant is improved. For this it is necessary that the angle of rotation and angular velocity of the rotor and the angle of rotation of the adjustable rotor blades are recorded and adjusted to one another in a closed control loop.

Vertikale Windanlagen sind gegenüber horizontalen Windkraftanlagen besonders als Kleinwindanlagen im Vorteil, da diese im Vergleich weniger Lärm erzeugen, mit turbulenten Winden auch mit geringen Windstärken auskommen.Vertical wind turbines have an advantage over horizontal wind turbines, especially as small wind turbines, as they generate less noise in comparison and can cope with turbulent winds, even with low wind speeds.

Der Stand der Technik betreffender vertikaler Windkraftanlagen beschreibt z. B. die Patentschrift WO 2005/100785 A1 bei der die drehbar gelagerten Rotorblätter durch eine Windfahne ausgerichtet werden. Dazu werden die einzelnen drehbar gelagerten Rotorblätter der vertikalen Windkraftanlage mit zwei Steuermechanismen verstellt. Der eine Mechanismus verstellt mit einem zentralen Keilriemen die Rotorblätter pro Umdrehung. Der zweite am Rotor befestigte Mechanismus in Form eines Schneckengetriebes mit Schrittmotor läuft mit um und kann damit den optimalen Windangriffswinkel des Rotorblattes einstellen.The prior art related vertical wind turbines describes z. B. the patent specification WO 2005/100785 A1 in which the rotatably mounted rotor blades are aligned using a wind vane. For this purpose, the individual rotatably mounted rotor blades of the vertical wind turbine are adjusted with two control mechanisms. One mechanism uses a central V-belt to adjust the rotor blades per revolution. The second mechanism attached to the rotor in the form of a worm gear with a stepper motor rotates and can thus set the optimal wind attack angle of the rotor blade.

Der umlaufende Schrittmotor hat mehrere Nachteile und zwar das er durch einen Schleifring versorgt werden muss, das er sehr dynamisch verstellt werden muss und das er selbst Energie verbraucht.The rotating stepper motor has several disadvantages, namely that it has to be supplied by a slip ring, that it has to be adjusted very dynamically and that it consumes energy itself.

In der Patentschrift WO 2017/089047 ist die Problemstellung durch das Ändern des Profils des Rotorblattes selbst bei jeder Stellung des Rotors gelöst. Dies ist jedoch aufwendig und bedeutet einen hohen Energieverbrauch, da das Rotorblatt sich dynamisch bei jeder Umdrehung ändern muss.In the patent WO 2017/089047 the problem is solved by changing the profile of the rotor blade itself at any position of the rotor. However, this is expensive and means high energy consumption, since the rotor blade has to change dynamically with each revolution.

Die Patentschrift US 2015/0110598 A1 nutzt zur Verstellung der Rotorblätter Windfahnen, die über eine Kupplung und einem Planetengetriebe die Rotorblätter in Abhängigkeit der Winkelstellung des Rotors ausrichten. Da sich die Windfahnen mitbewegen müssen, entsteht eine zusätzliche ungünstige Massenverteilung des gesamten Rotors und eine der Drehbewegung entgegen gerichtete Windfangfläche.The patent specification US 2015/0110598 A1 uses wind vanes to adjust the rotor blades, which align the rotor blades via a clutch and a planetary gear depending on the angular position of the rotor. Since the wind vanes have to move as well, there is an additional unfavorable mass distribution of the entire rotor and a porch area that opposes the rotary movement.

Die vorliegende Erfindung löst das Problem der Verstellung des Rotorblattes mit zwei einfachen Zugmittelgetrieben und zwei feststehenden in der Drehbewegung synchronisierte Generatoren. Die zwei Zugmittelgetriebe bilden vom Prinzip ein Planetengetriebe mit dem bei der Drehung des Hauptrotors aus Rotorträger (300) und Rotorblatt (200) das Rotorblatt verstellt werden kann. Durch diese Anordnung ist kein Schleifring für einen umlaufenden Stellmotor notwendig. Außerdem können die Rotorblätter hochdynamisch zur optimalen Drehmomenterzeugung ausgerichtet werden. Der so ausgeführte Mechanismus zum Verstellen der Rotorblätter mit einem Generator benötigt keine zusätzliche Energie, denn die Verstellung wird durch geregelte Synchronisation der Rotordrehung und Einzelblattverstellung erzieltThe present invention solves the problem of adjusting the rotor blade with two simple traction mechanism drives and two stationary generators whose rotational movement is synchronized. In principle, the two traction gears form a planetary gear with which the rotor blade can be adjusted during the rotation of the main rotor consisting of rotor carrier (300) and rotor blade (200). This arrangement eliminates the need for a slip ring for a revolving servomotor. In addition, the rotor blades can be aligned highly dynamically for optimal torque generation. The mechanism designed in this way for adjusting the rotor blades with a generator does not require any additional energy, because the adjustment is achieved through controlled synchronization of the rotor rotation and individual blade adjustment

Dies wird dadurch erreicht, dass das drehbar gelagerte und umlaufende Rotorblatt (200) einen zweiten Nebengenerator (400) antreibt und in der Drehwinkelstellung mit dem Hauptgenerator (100) und dessen Drehwinkelstellung mit der Regeleinheit (500) geregelt wird.This is achieved in that the rotatably mounted and revolving rotor blade (200) drives a second secondary generator (400) and the rotational angle position is controlled with the main generator (100) and its rotational angle position with the control unit (500).

Durch Änderung der Winkelstellung der Rotorblätter während der Drehung in Abhängigkeit der Windrichtung und Windstärke kann das Anlaufen des Windrades bei kleinen Windstärken unterstützt werden. Am Anfang der Drehbewegung kann die Rotorblattstellung als Widerstandsläufer mit dem Strömungswiderstand wie bei dem bekannten Savonius-Rotor eingestellt werden. Um dann höhere Drehzahlen zu erreichen, kann vorwiegend der dynamische Auftriebseffekt der ausgeführten Tragflächen wie beim Darrieus Rotor verwendet werden.By changing the angular position of the rotor blades during rotation depending on the wind direction and wind speed, the start-up of the wind wheel can be supported at low wind speeds. At the beginning of the rotary movement, the rotor blade position can be set as a resistance runner with the flow resistance as in the well-known Savonius rotor. In order to achieve higher speeds, the dynamic buoyancy effect of the designed wings can be used as with the Darrieus rotor.

Die vorgestellte Erfindung ist damit mit wenigen Teilen einfach aufzubauen und benötigt keine zusätzlichen komplizierten verschleißbehafteten Mechanismen zur Verstellung der Rotorblätter.The invention presented is therefore easy to set up with few parts and does not require any additional, complicated, wear-prone mechanisms for adjusting the rotor blades.

Das Problem der Verstellung der Rotorblätter einer vertikalen Windkraftanlege wird durch den formulierten Hauptanspruch so gelöst, dass in dem vorgestellten Ausführungsbeispiel das auf dem Rotorträger (300) umlaufende Rotorblatt (200) mit einem in dem Drehwinkel geregelten Nebengenerator verstellt wird. Es ist auch vorstellbar, andere Getriebevarianten zur Übertragung der Drehbewegung auf den Nebengenerator zu verwenden oder mehrere Rotorblätter mit einem Getriebe zu synchronisieren.The problem of adjusting the rotor blades of a vertical wind turbine is solved by the main claim formulated in such a way that in the exemplary embodiment presented the rotor blade (200) rotating on the rotor carrier (300) is adjusted with an auxiliary generator whose angle of rotation is controlled. It is also conceivable to use other gear variants to transmit the rotary motion to the auxiliary generator or to synchronize several rotor blades with one gear.

Die für die Regeleinheit notwendige Erfassung der Windrichtung mit einem Windrichtungssensor ist in dieser Beschreibung nicht ausgeführt. Für den Aufbau der Anlage können hier die marktüblichen Prinzipien wie z. B. eine Windfahne Anwendung finden.The detection of the wind direction with a wind direction sensor, which is necessary for the control unit, is not explained in this description. For the construction of the system, the usual market principles such as e.g. B. find a wind vane application.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der 1 erläutert.An embodiment of the invention is based on the 1 explained.

Es zeigt:

  • 1 die räumliche Ansicht der vertikalen Windkraftanlage mit an der Welle des Hauptgenerators (100) befestigten Rotorträger für ein drehbar gelagertes Rotorblatt (200). Der Nebengenerator (400) ist über die Riemenscheibe des Nebengenerators (401) und der auf der Hauptgeneratorwelle drehbar gelagerten Riemenscheiben für den Nebengenerator und dem Rotorblatt (202) mit zwei Zugmitteln mit dem eigentlichen Rotorblatt (200) und seine Riemenscheibe (201) verbunden. Das Rotorblatt (200) kann so bei der Drehung auf der Welle des Hauptgenerators (100) über den Nebengenerator (400) verstellt werden.
It shows:
  • 1 the three-dimensional view of the vertical wind turbine on the shaft of the main generator (100) fixed rotor support for a rotatably mounted rotor blade (200). The auxiliary generator (400) is connected to the actual rotor blade (200) and its pulley (201) via the pulley of the auxiliary generator (401) and the pulleys rotatably mounted on the main generator shaft for the auxiliary generator and the rotor blade (202). The rotor blade (200) can thus be adjusted via the auxiliary generator (400) when rotating on the shaft of the main generator (100).

Damit die Winkelstellung des Rotorblattes in Abhängigkeit der Winkelstellung des Rotorträgers und der Drehzahl des Rotors auf dem Generator geregelt werden kann, muss sowohl der Drehwinkel des Rotorträgers als auch der Drehwinkel des Rotorblattes erfasst werden. Dies erfolgt mit einem an der Hauptgeneratorwelle befestigten Drehgeber z. B. ein Rad mit Nuten (101) wie in 1 gezeigt und durch ein an der gelagerten Doppelriemenscheibe für Rotorblatt und Nebengenerator (202) ebenfalls in 1 als Rad mit Nuten gezeigt.So that the angular position of the rotor blade can be controlled depending on the angular position of the rotor arm and the speed of the rotor on the generator, both the angle of rotation of the rotor arm and the angle of rotation of the rotor blade must be recorded. This is done with a rotary encoder attached to the main generator shaft, e.g. B. a wheel with grooves (101) as in 1 shown and also in 1 shown as a splined wheel.

Der Befestigungsturm (600) der vertikalen Windkraftanlage nimmt die Generatoren und die Regeleinheit über eine Trägerplatte (601) auf. Die Regeleinheit nimmt als Istwerte die Winkelpositionen und Winkelgeschwindigkeiten von Rotorblatt und Rotorträger auf und stellt in Abhängigkeit der Windrichtung und der Winkelgeschwindigkeit die Winkelstellung des Rotorblattes über den Nebengenerator (400) auf einen vorgegebenen Sollwert ein. Wird beispielsweise bei umlaufenden Rotorträger die Winkelgeschwindigkeit des Nebengenerators bei einem Übersetzungsverhältnis des Zugmittelgetriebes von i = 1 nicht reduziert, so ändert sich die Winkelstellung des Rotorblattes nichtThe mounting tower (600) of the vertical wind turbine accommodates the generators and the control unit via a support plate (601). The control unit records the angular positions and angular speeds of the rotor blade and rotor arm as actual values and adjusts the angular position of the rotor blade via the auxiliary generator (400) to a specified target value depending on the wind direction and the angular speed. If, for example, the angular velocity of the auxiliary generator is not reduced when the rotor carrier is rotating with a transmission ratio of the traction mechanism of i=1, then the angular position of the rotor blade does not change

Wird wie in dem Ausführungsbeispiel in 1 nur ein Rotorblatt mit Welle (200) verstellt, so kann es für Drehmomenteinbrüche beim Anlaufen erforderlich sein, eine Ausgleichsmasse (301) auch gegen die Unwucht des Rotors am Rotorträger (300) auszuführen.Is used as in the embodiment in 1 If only one rotor blade with shaft (200) is adjusted, it may be necessary for torque drops when starting to run a balancing mass (301) against the imbalance of the rotor on the rotor carrier (300).

Die Drehlagerung des Rotorblattes mit Welle (200) an dem Rotorträger (300) ist in der 1 nur angedeutet und kann mit Wälzlagerungen oder Gleitlagerung an dem Rotorträger (300) ausgeführt werden.The rotary bearing of the rotor blade with the shaft (200) on the rotor carrier (300) is in the 1 only indicated and can be implemented with roller bearings or plain bearings on the rotor carrier (300).

Es ist möglich die Lagerung des Rotorblattes (200) auch an den Außenseiten durch zwei Rotorträger auszuführen. Das Profil des Rotorblattes selbst ist dahingehend optimiert, dass es bei der vorgegebenen Winkelstellung das optimale Drehmoment erzeugen kann. Hierfür ist es möglich die bereits bekannten Tragflächenprofile auszuführen.It is possible to mount the rotor blade (200) on the outside using two rotor carriers. The profile of the rotor blade itself is optimized in such a way that it can generate the optimum torque at the specified angular position. For this it is possible to implement the already known airfoil profiles.

Bezugszeichenlistereference list

100100
Hauptgenerator für den Rotor mit RotorblätternMain generator for the rotor with rotor blades
101101
Drehgeber der HauptgeneratorwelleMain generator shaft encoder
200200
Rotorblatt mit Wellerotor blade with shaft
201201
Riemenscheibe des RotorblattesRotor blade pulley
202202
Gelagerte Riemenscheiben Rotorblatt und Nebengenerator mit DrehgeberBearing pulleys rotor blade and auxiliary generator with rotary encoder
300300
Rotorträger für Drehlagerung des RotorblattesRotor carrier for rotary bearing of the rotor blade
301301
Schwungmasse zum MassenausgleichFlywheel for mass balancing
400400
Nebengenerator zur Verstellung des RotorblattesAuxiliary generator for adjusting the rotor blade
401401
Riemenscheibe des NebengeneratorsAuxiliary generator pulley
500500
Regeleinheit zur drehzahlabhängigen Winkelverstellung der RotorblätterControl unit for speed-dependent angle adjustment of the rotor blades
401401
Antriebswelle des SchrittmotorsStepper motor drive shaft
600600
Befestigungsturm der WindkraftanlageWind turbine tower
601601
Trägerplatte des Befestigungsturms der WindkraftanlageSupport plate of the wind turbine mounting tower

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • WO 2005/100785 A1 [0003]WO 2005/100785 A1 [0003]
  • WO 2017/089047 [0005]WO 2017/089047 [0005]
  • US 2015/0110598 A1 [0006]US 2015/0110598 A1 [0006]

Claims (5)

Vertikale Windkraftanlage mit Rotorblattverstellung, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens für ein Rotorblatt die Winkelstellung in Abhängigkeit des Drehmomentes des Hauptrotors und der Windrichtung mit einem mit einem Getriebe verbundenen Nebengenerator verstellt werden.Vertical wind power plant with rotor blade adjustment, characterized in that the angular position of at least one rotor blade is adjusted as a function of the torque of the main rotor and the wind direction with an auxiliary generator connected to a gear. Vertikale Windkraftanlage mit Rotorblattverstellung, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Rotorblätter im Winkel verstellt werden.Vertical wind turbine with rotor blade adjustment, after claim 1 characterized in that several rotor blades are adjusted in angle. Vertikale Windkraftanlage mit Rotorblattverstellung, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass nicht ein Zugmittelgetriebe mit Keilriemen, Zahnriemen oder Kette ausgeführt wird, sondern mit einem anderen Getriebe wie ZahnradgetriebeVertical wind turbine with rotor blade adjustment, after claim 1 characterized in that not a traction drive with V-belt, toothed belt or chain is running, but with another transmission such as gear transmission Vertikale Windkraftanlage mit Rotorblattverstellung, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Nebengenerator zum Verstellen der Rotorblätter als ein Verstellmotor oder als eine elektrisch betätigte Bremse ausgeführt wird.Vertical wind turbine with rotor blade adjustment, after claim 1 characterized in that the secondary generator for adjusting the rotor blades is designed as an adjusting motor or as an electrically operated brake. Vertikale Windkraftanlage mit Rotorblattverstellung, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter außen oder in mehreren Ebenen auf einem Rotorträger gelagert sind.Vertical wind turbine with rotor blade adjustment, after claim 1 characterized in that the rotor blades are mounted on a rotor carrier on the outside or in several levels.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005100785A1 (en) 2004-04-16 2005-10-27 Jaroslaw Warszewski Flow-controlled windmill comprising wind-dependent blade orientation
US20150110598A1 (en) 2013-09-03 2015-04-23 Jung Hoon Lee Vertical Axis Wind Turbine with Wind Vanes
WO2017089047A1 (en) 2015-11-25 2017-06-01 Groschopp Ag Drives & More Vertical axis wind turbine

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