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Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage.
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Üblicherweise weist eine Windkraftanlage einen Turm und einen Rotor mit Rotorblättern auf. Die Rotorblätter überstreichen dabei eine senkrecht zur Windanströmung stehende, kreisrunde Fläche mit einem Durchmesser, der dem Zweifachen der Länge eines Rotorflügels entspricht. Der Turm muss daher länger als ein Rotorblatt sein. Entsprechend baut eine derartige Windkraftanlage relativ hoch und ist daher für Gebiete mit engerer Bebauung ungeeignet.
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Zudem sind Windkraftanlagen bekannt, die eine vertikale Rotorachse aufweisen (zum Beispiels Darrieus-Rotor oder Savonius-Rotor). Derartige Windkraftanlagen haben sich jedoch auf dem Markt aufgrund hoher Herstellkosten und/oder niedriger Wirkungsgrade nicht durchsetzen können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Windkraftanlage bereitzustellen, die auch bei begrenztem Platzangebot eingesetzt werden kann, einfach aufgebaut ist und effizient arbeitet.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird mit der Merkmalskombination gemäß Anspruch 1 gelöst. Ausführungsbeispiele der Erfindung können den Unteransprüchen zu Anspruch 1 entnommen werden.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Windkraftanlage wenigstens ein erstes Schaufelblatt und eine Welle umfasst, an der das erste Schaufelblatt befestigt ist. Vorzugsweise ist an der Welle ein zweites Schaufelblatt befestigt, das zum zweiten Schaufelblatt in Drehrichtung der Welle gesehen um etwa 90° verdreht sein kann. Ein Verdrehwinkel zwischen den beiden fest mit der Welle verbundenen Schaufelblättern beträgt in einem Ausführungsbeispiel exakt 90°.
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Die erfindungsgemäße Windkraftanlage umfasst des Weiteren einen Hilfsantrieb zur Drehung der Welle um eine Wellenachse sowie eine Lagervorrichtung. Die Lagervorrichtung weist eine innere Lagereinheit und eine äußere Lagereinheit auf. Die Welle ist drehbar mit der inneren Lagereinheit verbunden. Die Welle stützt sich dabei an der inneren Lagereinheit ab, wobei sich aber die Welle um ihre eigene Achse (Wellenachse) drehen kann.
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Die innere Lagereinheit ist schwenkbar um eine erste Schwenkachse in der äußeren Lagereinheit gelagert, die wiederum um eine zweite Schwenkachse verschwenkbar gelagert ist, wobei Wellenachse, erste Schwenkachse und zweite Schwenkachse im Wesentlichen senkrecht zueinander verlaufen. Vorzugsweise schneiden sich Wellenachse, erste Schwenkachse und zweite Steckachse in einem gemeinsamen Punkt.
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Des Weiteren weist die Windkraftanlage einen Abtrieb zur Aufnahme von mechanischer Energie auf. Die mechanische Energie fällt an, wenn bei einer Windanströmung der Windkraftanlage und bei einer Drehung der Welle durch den Hilfsantrieb die innere Lagereinheit und die äußere Lagereinheit jeweils eine Schwenkbewegung vollführen. Dabei überlagern sich die Schwenkbewegung der ersten Lagereinheit und die Schwenkbewegung der zweiten Lagereinheit, sodass die Welle mit den vorzugsweise jeweils an den Enden der Welle angebrachten angebrachten Schaufelblättern eine taumelnde oder rudernde Bewegung vollführt.
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Die Schwenkbewegung der inneren Lagereinheit kann in Abhängigkeit des Platzangebots für die Windkraftanlage begrenzt sein. Beispielsweise kann ein Schwenkbereich für die innere Lagereinheit +/- 20° ausgehend von einer Ausgangsstellung der Welle betragen. Ein Schwenkbereich für die äußere Lagereinheit kann ebenfalls +/-20° betragen. Der Schwenkbereich für die innere Lagereinheit und der Schwenkbereich für die äußere Lagereinheit können unterschiedlich groß sein.
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Der Hilfsantrieb kann einen Rotor mit Rotorblättern aufweisen, sodass die Drehung der Welle um die Wellenachse durch Windkraft erfolgt. Die Drehachse des Rotors ist dabei vorzugsweise parallel zu der Windanströmung, sodass die von den Rotorblättern überstrichene Fläche senkrecht zur Windanströmung steht.
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In einem Ausführungsbeispiel ist der Rotor über ein Kegelradgetriebe mit der Welle verbunden. Vorzugsweise steht dabei die Drehachse des Motors und die Wellenachse senkrecht zueinander.
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Alternativ oder zusätzlich kann der Hilfsantrieb einen Elektromotor aufweisen, der die die Welle antreibt.
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Der Abtrieb kann einen ersten Generator aufweisen, der dazu dient, die Schwenkbewegung um die erste Schwenkachse in elektrische Energie umzuwandeln. Der Abtrieb kann einen zweiten Generator aufweisen, der dazu dient, die Schwenkbewegung um die zweite Schwenkachse in elektrischer Energie umzuwandeln.
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Der Abtrieb kann ein Getriebe umfassen, das durch die Schwenkbewegung der inneren Lagereinheit und durch die Schwenkbewegung der äußeren Lagereinheit angetrieben sind. Das Getriebe kann dabei eine Ausgangswelle aufweisen, die einen nachgeschalteten Generator antreibt.
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Ein erster Widerstand gegen die Schwenkbewegung der inneren Lagereinheit und ein zweiter Widerstand gegen die zweite Schwenkbewegung können einstellbar sein. Ist beispielsweise der erste Widerstand viel größer als der zweite Widerstand, so vollführt die Welle mit der inneren Lagereinheit eine Schwenkbewegung mit nur kleinem Schwenkbereich, während die äußere Lagereinheit sich über einen größeren Schwenkbereich hin- und her bewegt. Durch die Einstellung des ersten Widerstands und des zweiten Widerstands kann somit der Platzbedarf der Windkraftanlage individuell dem gegebenen Platzangebot angepasst werden. Eine weitere Möglichkeit, den Platzbedarf der Windkraftanlage den örtlichen Gegebenheiten anzupassen besteht darin, die Drehgeschwindigkeit der Welle zu erhöhen bzw. zu reduzieren. Der Schwenkbereich für die Schwenkbewegung um die erste Schwenkachse, der Schwenkbereich für die Schwenkbewegung um die zweite Schwenkachse und/oder die Drehzahl der Welle können von der Windrichtung abhängig sein.
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In einem Ausführungsbeispiel ist das erste Schaufelblatt eine ebene Platte aus Holz, Blech oder Kunststoff. Die ebene Platte kann dabei rechteckig sein, sodass sie einfach herzustellen ist. Das zweite Schaufelblatt kann zum ersten Schaufelblatt hinsichtlich Form und Aufbau identisch sein.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 schematisch eine erfindungsgemäße Windkraftanlage von der Seite;
- 2 die Windkraftanlage von vorne:
- 3 die Windkraftanlage von oben;
- 4 den Platzbedarf für die Windkraftanlage (4A und 4B); und
- 5 schematisch eine Bewegung einer Welle der Windkraftanlage.
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Die 1 bis 3 zeigen eine Windkraftanlage, die in ihrer Gesamtheit mit 1 bezeichnet wird. Die Windkraftanlage 1 dient dazu, Windkraft in eine elektrische oder mechanische Energie umzuwandeln. 1 zeigt die Windkraftanlage von der Seite, wobei der Wind in der Darstellung der 1 von links nach rechts strömt (siehe Pfeile bzw. Windanströmung 2). In der Darstellung der 2, die die Windkraftanlage 1 von vorne zeigt, erfolgt die Windanströmung 2 senkrecht in die Zeichenebene hinein. In der Darstellung der 3 strömt der Wind von oben nach unten.
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Die Windkraftanlage 1 umfasst ein erstes Schaufelblatt 10 und ein zweites Schaufelblatt 11 jeweils in Form einer rechteckigen Platte. Die beiden Schaufelblätter 10, 11 können auch gebogen sein oder eine Grundform aufweisen, die von einem Rechteck abweicht (beispielsweise kreisrund oder oval). Das erste Schaufelblatt 10 und das zweite Schaufelblatt 11 sind an einer Welle 12 befestigt, die drehbar um eine Wellenachse 13 gelagert ist. Bezogen auf diese Wellenachse 13 sind das erste Schaufelblatt 10 und das zweite Schaufelblatt 11 um 90° verdreht.
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Die Windkraftanlage 1 umfasst eine Lagervorrichtung 14 mit einer inneren Lagereinheit 15 und einer äußeren Lagereinheit 16. Die innere Lagereinheit 15 stellt eine drehbare Lagerung für die Welle 12 dar. Die Welle 12 stützt sich dabei mit einem mittleren Wellenbereich an der innere Lagereinheit 15 ab.
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Die innere Lagereinheit 15 ist in der äußeren Lagereinheit 16 um eine erste Schwenkachse 17 schwenkbar gelagert. Koaxial zur ersten Schwenkachse 17 ist an der äußeren Lagereinheit 16 ein erster Generator 18 befestigt, durch den die Schwenkbewegung um die erste Schwenkachse 17 in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
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Die äußere Lagereinheit 16 ist gegenüber einem nur angedeuteten Standfuß 19 um eine zweite Schwenkachse 20 drehbar oder schwenkbar gelagert. Ein zweiter Generator 21 dient zur Umwandlung der Schwenkbewegung der äußeren Lagereinheit 16 um die zweite Schwenkachse 20 in elektrische Energie.
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Des Weiteren umfasst die Windkraftanlage 1 einen Hilfsantrieb 22. der Hilfsantrieb 22 dient dazu, die Welle 12 in Drehung zu versetzen, sodass sie um ihre eigene Achse 13 rotiert. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Hilfsantrieb einen Rotor 23 mit Rotorblättern 24 auf, wobei zwischen dem Rotor 23 und der Welle 12 ein Kegelradgetriebe 25 vorgesehen ist.
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Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Windkraftanlage wird im Folgenden beschrieben. Befindet sich die Welle 12 in einer in 2 dargestellten Drehstellung, bei der das zweite Schaufelblatt 11 senkrecht zur Windanströmung 2 steht und gleichzeitig das erste Schaufelblatt 10 für den Wind keine Angriffsfläche bildet, erzeugt die Windanströmung 2 mit dem zweiten Schaufelblatt 11 ein Drehmoment um die zweite Schwenkachse 20. Dies führt zu einer Schwenkbewegung um die zweite Schwenkachse 20 und somit zu einer Erzeugung von elektrischer Energie in dem zweiten Generator 21.
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Da sich die Welle 12 um ihre Wellenachse 13 kontinuierlich dreht, dreht sich das zweite Schaufelrad 11 sukzessive aus dem Wind und ist nun zur Windanströmung 2 schräg gestellt (siehe 1). Diese Schrägstellung führt dazu, dass sich das zweite Schaufelblatt 11 nicht nur um die zweite Schwenkachse 20 dreht, sondern auch um die erste Schwenkachse 17. In der Darstellung der 1 wird nämlich durch die Schrägstellung das zweite Schaufelblatt 11 nach unten gedrückt wodurch ein Drehmoment um die erste Schwenkachse 17 erzeugt wird. Gleichzeitig wird das erste Schaufelblatt 10 durch die Windanströmung 2 nach oben gedrückt, was die Schwenkbewegung um die erste Schwenkachse 17 verstärkt. Dreht sich nun die Welle 12 weiter um die Wellenachse 13, gelangt nun das erste Schaufelblatt 10 in einer Lage senkrecht zur Windanströmung 2 (siehe 3). Dies führt zu einer Schwenkbewegung um die zweite Schwenkachse 20, die der anfänglichen Schwenkbewegung um die zweite Schwenkachse 20 (siehe 2) entgegengesetzt ist. Entsprechend ist die Schwenkbewegung um die erste Schwenkachse 17 ebenfalls eine Hin- und Herbewegung.
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5 soll die taumelnde Bewegung der Welle 12 mit den daran befestigten Schaufelblättern 10, 11 andeuten. Die taumelnde Bewegung ist dabei das Ergebnis der Überlagerung der beiden Schwenkbewegungen um die erste Schwenkachse 17 bzw. zweite Schwenkachse 20. Die in 5 mit 10', 11' gekennzeichneten Schaufelblätter sollen darauf hinweisen, dass sich die Welle 12 um ihre eigene Achse dreht.
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Die 4A zeigt einen Schwenkbereich der Schwenkbewegung um die erste Schwenkachse 17. Er beträgt rund 40° oder +/- 20°, wenn von einer mittleren Ausgangsstellung 26 ausgegangen wird. Aus dem Schwenkbereich, der von der Drehgeschwindigkeit der Welle 12 und dem Widerstand im ersten Generator 18 abhängt, lässt sich der Platzbedarf für die Windkraftanlage 1 ableiten. Der Platzbedarf ist dabei durch eine Breite B und eine Höhe H gekennzeichnet. Die Breite B hängt dabei in erster Linie von der Länge der Welle 12 bzw. dem äußeren Abstand der Schaufelblätter 10, 11 ab. Die Höhe H hängt hauptsächlich von dem Schwenkbereich um die erste Schwenkachse 17 ab.
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Aus der 4B geht der Schwenkbereich für die Schwenkbewegung um die zweite Schwenkachse 20 hervor. Daraus leitet sich für den Platzbedarf eine Tiefe T ab.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Windkraftanlage
- 2
- Wind / Windanströmung / Pfeil
- 10
- erstes Schaufelblatt
- 11
- zweites Schaufelblatt
- 12
- Welle
- 13
- Wellenachse
- 14
- Lagervorrichtung
- 15
- innere Lagereinheit
- 16
- äußere Lagereinheit
- 17
- erste Schwenkachse
- 18
- erster Generator
- 19
- Standfuß
- 20
- zweite Schwenkachse
- 21
- zweiter Generator
- 22
- Hilfsantrieb
- 23
- Rotor
- 24
- Rotorblatt
- 25
- Kegelradgetriebe
- 26
- Ausgangsstellung
