DE20308297U1

DE20308297U1 - Windkraftanlage mit vertikaler Rotorachse

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Publication number: DE20308297U1
Application number: DE20308297U
Authority: DE
Original assignee: BORZA MONIKA; Borza Monika Dipl-Lehrerin; SCHUTOW VALERIJ; Schutow Valerij Dipl-Ing
Current assignee: BORZA MONIKA; Borza Monika Dipl-Lehrerin; SCHUTOW VALERIJ; Schutow Valerij Dipl-Ing
Priority date: 2002-12-12
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2013-05-28

Abstract

Windkraftanlage mit vertikaler Rotorachse als Gesamtanlage, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination der Bauelemente Flügelblätter (4), Steuergetriebe (5), Tragarme(6) und Verstrebungen (7), wie in 1 bis 7 schematisch dargestellt, eine konstruktive Einheit bilden.

Description

Ziel der Erfindung ist eine Windkraftanlage mit vertikaler Rotorachse zur Stromerzeugung für mobile oder stationäre Anlagen. Diese Windkraftanlage kann bis in den Megawattbereich eingesetzt werden. Auf der Grundlage von durchgeführten Modellversuchen wird ein Konstruktionsprinzip nach 1 und 2 als Gesamtkonzept vorgeschlagen.
Die Anlage besitzt eine tragende Grundkonstruktion. Dies kann, wie schematisch dargestellt, eine Stahlkonstruktion(3) oder auch ein Turm sein. Darin integriert sind ein Generator(1) zur Stromerzeugung und Kraftübertragungselemente(2). Diese drei Bauelemente sind als Stand der Technik anzusehen.
Auf die Grundkonstruktion aufgesetzt ist der komplette Flügelantrieb.
Der Flügelantrieb der Anlage besteht aus vorzugsweise 4 Flügelblättern(4), welche aus Kunststoff oder Kohlefaserverbundstoffe bestehen. Bei größeren Anlagen können die Flügel aus Leichtmetallelementen bestehen, ähnlich wie bei Flugzeugtragflächen, jedoch mit einer speziell für diesen Einsatz beschriebenen aerodynamischen Form.
Diese Flügelblätter sind symmetrisch im gleichen Abstand zueinander und einem je nach Größe der Anlage definierten Abstand zur Rotorachse angeordnet. Ein besonderes Merkmal der Anlage ist, dass das Flügelprofil aerodynamisch geformt (5) ist, wobei das Verhältnis Flügellänge L das 8 bis 10-fache zur Flügeldicke D beträgt und das Profil der Flügel entgegen der Umlaufkreiskrümmung gewölbt ist. Wie in 3 dargestellt, wurde gefunden, dass ein Neigungswinkel von 10 bis 15 Grad zur Umlaufkrümmung am effektivsten ist; bei großen Anlagen noch entsprechend korrigierbar. Die beschriebene Form und Anordnung der Flügelblätter, wie in 2, 3 und 4 dargestellt, ergibt die besten Leistungsergebnisse, da die Angriffsflächen, die einen Luftwiderstand mit treibender Wirkung besitzen, in ihrem Verhältnis zu den Flächen, die dem bremsend entgegenwirken, am größten sind. In 2 sind die resultierenden Kräfte F an den Flügeln angetragen. Es ist ersichtlich, dass die Kräfte prinzipiell in jeder Stellung zum Wind in Drehrichtung wirken.
Wie aus den Querschnittsdarstellungen durch die Flügelsegmente 5 ersichtlich, verjüngen sich die Flügelblätter(4) nach oben hin, um eine günstige Kräfteverteilung bei den anliegenden Windbelastungen zu erreichen. Besonders bei großen Bauhöhen gewinnt diese Formveränderung zur Stabilitätserhöhung an Bedeutung. Dadurch ergibt sich auch ein weiteres Merkmal der Anlage, welches darin besteht, dass die Flügel freitragend konstruiert sind. Eine aufwändige Mittelkonstruktion, die außerdem einen Windschatten und ungünstige Turbulenzen erzeugt, entfällt. Um die Stabilität der Flügelblätter untereinander sowie die Vermeidung von Schwingungen jedes einzelnen Flügelblattes zu gewährleisten, ist eine Verbindung der Flügel untereinander durch zusätzliche Verstrebungen(7) vorteilhaft. Die Bremswirkung der Verstrebungen(7) ist aufgrund ihres kleinen Verhältnisses zur Antriebsfläche der Flügelblätter unbedeutend.
Die Flügelblätter(4) sind am unteren Ende durch ein Steuergetriebe(5) bewegbar mit den Rotorarmen(6) verbunden, während zwischen jedem Rotorarm(6) und dem Rotor eine feste Verbindung besteht. Das Steuergetriebe(5) ermöglicht die Eigendrehung der Flügelblätter(4). Dadurch können diese bei jeder Windgeschwindigkeit in eine optimale Stellung zum Wind gebracht werden. Die Anlage kann ohne Fremdenergiezufuhr gestartet werden und hat auch einen noch effektiven Betrieb bei geringen Windgeschwindigkeiten. Eine windabhängige Steuerung und Regeleinrichtung ist Bestandteil der Anlage, aber nicht in den Abbildungen dargestellt. Bei hohen Windgeschwindigkeiten(Sturm) wird durch Drehung der Flügelblätter (4) 4 der Windwiderstand verringert und die Anlage kann auch unter extremen Bedingungen betrieben werden und Strom erzeugen. Das bedeutet, dass die Bremswirkung durch Veränderung der aerodynamischen Verhältnisse der Anlage erzielt wird. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber Windkraftanlagen mit horizontaler Drehachse, die bei hohen Windgeschwindigkeiten aus dem Wind genommen und zum Stillstand gebracht werden müssen. Diese aufwändige Steuerung – im Vergleich zu anderen technischen Lösungen wird damit begründet – dass bei Anlagen im Megawattbereich diese einen relativ geringen Kostenanteil ausmachen. Die sich daraus beschriebenen funktionellen Vorteile ergeben einen weitaus größeren Nutzen.
Bei Anlagen mit großen Flügelhöhen können die Flügelblätter auch aus mehreren Segmenten (6) bestehen.
Um den Windwiderstand der Rotorarme mit größerer Dimension so gering wie möglich zu halten und einen zusätzlichen Antriebseffekt zu erreichen, wird eine aerodynamische Form dieser Elemente – wie prinzipiell aus 7 ersichtlich- vorgeschlagen.
Bei Anlagen im Megawattbereich wurde gefunden, dass der Höhenabstand der Rotorarme, auf denen die Flügelprofile aufgesetzt sind, mindestens 10 Meter bis zum Erdboden betragen sollte, um eine höhere Windgeschwindigkeit und eine stabilere Windrichtung ohne größere Turbulenzen der Luft auszunutzen. In Erdbodennähe ist dieses nicht möglich.
Als vorteilhaft gegenüber Anlagen mit horizontaler Drehachse erweisen sich ein reduzierter Bau- und Montageaufwand, umweltfreundlich durch geringe Windgeräusche sowie leichte Wartungsarbeiten der Anlage, da sich die wichtigsten Bauelemente in Bodennähe befinden und gut zugänglich sind.
Bei Optimierung des Flügelprofils sowie des Verhältnisses Flügelblätterlänge – Rotorarmlänge können Anlagen errichtet werden, die in Abmessungen und Leistung wesentlich größer sein können als Anlagen mit horizontaler Drehachse.
Folgende Patent- und Offenlegungsschriften wurden bei Recherchen mit in Betracht

DE-44 02 378 C1 DD -WP 232 959 A1 DE-OS 28 16 026 DE 35 12 420 DE 43 20 808 DE 198 57 706 A1 DE 381 0339 A1 DE 42 16 493 A1 DE 100 46 042 A1 G 92 06 433.7 DE 41 10 540 C2 DE 100 54 700 A1 DE 39 39 862 A1 DE 35 02 712 A1 DE 195 01 036 A1

Bereits in der DE 100 54 700 A1 wird darauf hingewiesen, dass Windkraftanlagen mit vertikaler Rotorachse höhere Leistungen erbringen. Nachteile dieser Anlage sind jedoch der große Materialaufwand, was dementsprechend die Konstruktion auch sehr teuer werden lässt. Für diese aufwändige Konstruktion würde ein geeigneter Standort auch schwer zu finden sein.
In der Schrift DE-44 02 378 C1 wird eine Windkraftanlage beschrieben mit feststehenden, asymmetrisch geformten Rotorblättern. Der Nachteil ist, dass der angreifende Wind nicht optimal genutzt werden kann, da ein großes Brems- bzw. Reibungsmoment entsteht. Dieses hat zur Folge, dass die Anlage nicht selbstständig anläuft.
Die Profile in DD -WP 232 959 A1, ändern im Umlauf ständig ihren Anstellwinkel, was zu einem schnellen Verschleiß der Gelenke führt und ihre Lebensdauer verkürzt bzw. begrenzt.
In den weiteren oben angeführten Patentschriften werden ebenfalls Windkraftanlagen mit vertikaler Rotorachse betrachtet, die jedoch ähnliche Mängel aufweisen, wie die eben genauer beschriebenen. Für diese Konstruktionen benötigt man generell einen hohen mechanischen Aufwand. Dadurch, dass sie nicht von alleine starten, kann die Windkraft auch nicht optimal genutzt werden.
Ziel dieser Erfindung ist die obenangeführten Mängel durch die in den Ansprüchen aufgezählten Merkmalen erfindungsgemäß zu beseitigen.
Es wird eingeschätzt, dass die vorgeschlagenen Lösungsvarianten und Ziele nicht mit der in dieser Schrift beschriebenen Anlage patentrechtlich in Konflikt geraten.
Zusammenfassung
Windkraftanlage mit vertikaler Rotorachse
Ziel der Erfindung ist die Entwicklung einer Windkraftanlage mit vertikaler Rotorachse, die zur Stromerzeugung im Megawattbereich eingesetzt werden soll. Es wird das Gesamtkonzept einer Anlage mit ihren besonders für den genannten Einsatzfall erforderlichen Bauelementen vorgeschlagen.
Wo Windkraftanlagen mit horizontaler Drehachse leistungsmäßig und bautechnisch im oberen Bereich an ihre Grenzen stoßen, knüpft die hier konzipierte Anlage an. Es sind auch noch keine detaillierten Lösungen von Anlagen mit vertikaler Rotorachse bekannt, die speziell diesen Einsatzfall beschreiben.
Die vorgeschlagene Anlage besteht aus einer statischen Grundkonstruktion mit Generator und Kraftübertragungselementen. Aufgesetzt ist ein Flügelantrieb, deren Flügelblätter speziell gestaltet, eine definierte Lage zueinander haben und so geregelt werden können, das bei niedrigen und hohen Windgeschwindigkeiten ein optimaler Arbeitspunkt gefunden und eine hohe Effektivität bei der Aufnahme und Umwandlung der Windkräfte in elektrische Energie erreicht wird.
Die gewonnen Erkenntnisse, Vorschläge und Ergebnisse basieren auf erfolgten Modellversuchen.

Claims

Windkraftanlage mit vertikaler Rotorachse als Gesamtanlage, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination der Bauelemente Flügelblätter (4), Steuergetriebe (5), Tragarme(6) und Verstrebungen (7), wie in 1 bis 7 schematisch dargestellt, eine konstruktive Einheit bilden.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise 4 (oder mehr) Flügelblätter (4) in gleichen Abständen zueinander und zur Rotorachse angeordnet sind. Das Flügelprofil ist aerodynamisch geformt (5) wobei das Verhältnis Flügellänge L das 8 bis 10-fache zur Flügeldicke D beträgt und die Flügelblätter 10 bis 15 Grad entgegen der Umlaufkrümmung gewölbt sind.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügelblätter (4) sich nach oben hin verjüngen.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel nahe am Schwerpunkt des Flügelquerschnitts freitragend angelenkt sind.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügelblätter (4) über ein Steuergetriebe (5) beweglich mit den Rotorarmen verbunden sind.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anlagen mit großen Flügelhöhen die Flügel aus mehreren Segmenten 6) bestehen können.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragarme und Verbindungselemente in ihrem Querschnitt eine aerodynamische Form besitzen, wodurch der Windwiderstand gering gehalten wird und damit ein zusätzlicher Antriebseffekt erreicht wird.