DE212008000112U1

DE212008000112U1 - Wellenlose Windturbine mit vertikaler Achse

Info

Publication number: DE212008000112U1
Application number: DE212008000112U
Authority: DE
Original assignee: Hopewell Wind Power Ltd
Current assignee: Hopewell Wind Power Ltd
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2010-12-30
Anticipated expiration: 2018-12-18
Also published as: TW200946772A; TW200946773A

Abstract

Wellenlose Windturbine mit vertikaler Achse, die umfasst:
einen stationären hohlen Kern, der kreisförmige Innen- und Außenwände mit einem Hohlraum zwischen der Innen- und der Außenwand besitzt, und
einen Rotor, der drehbar um den Kern unterstützt ist und mehrere radial verlaufende Rotorarme besitzt, von denen jeder ein in den Wind eingreifendes Rotorblatt besitzt, das sich an einem distalen Ende befindet.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die aktuelle Erfindung bezieht sich auf Windturbinen und insbesondere auf Windturbinen mit vertikaler Achse.
2. Hintergrundinformationen
Mit dem andauernden Bedarf an Energie, insbesondere in den Entwicklungsländern, und der Erkenntnis, dass das Angebot an traditionellem fossilem Brennstoff begrenzt ist, gibt es ein zunehmendes Interesse an neuen und verbesserten Arten, um erneuerbare Energiequellen, wie z. B. Sonnenlicht, Wind, Regen (Wasser), Gezeiten und geothermische Wärme, nutzbar zu machen, die natürlich ergänzt werden. Die Erzeugung von Elektrizität aus Wasserkraft ist eine Hauptstütze der erneuerbaren Energie während vieler Dekaden gewesen. Angesichts dessen, dass dem Stauen von Wasserwegen eine größere Bedeutung für die Umweltbeeinflussung beigemessen wird, und mit der Erkenntnis, dass sauberes frisches Trinkwasser ein wichtiger Rohstoff ist, sind jedoch die Vorgehensweisen der Erzeugung aus Wasserkraft weniger erwünscht geworden. Die Aufmerksamkeit ist nun dem Wind als eine Quelle künftiger Elektrizitätserzeugung im großen Maßstab zugewandt worden.
Windturbinen können als Turbinen entweder mit horizontaler Achse oder mit vertikaler Achse charakterisiert werden. Turbinen mit horizontaler Achse umfassen typischerweise einen Turm mit einem großen lüfterartigen Rotor, der sich ganz wie eine Windmühle um eine horizontale Achse dreht. Bis jetzt besitzen die größten Windturbinen mit horizontaler Achse etwa eine Höhe eines 40stöckigen Gebäudes und besitzen einen Rotordurchmesser von etwa 126 Metern. Um ausreichend Elektrizität für die Lieferung an ein öffentliches Elektrizitätsnetz zu erzeugen, sind Windturbinen mit horizontaler Achse in großen Windfarmen angeordnet, die Hunderte von Windturbinen umfassen können, die über einen großen Bereich verteilt sind. Obwohl sie eine reichlich vorhandene Energiequelle nutzen, nehmen diese Windfarmen große Bereiche des Landes in Anspruch und sind unansehnlich.
Herkömmliche Windturbinen mit vertikaler Achse besitzen eine vertikal verlaufende Hauptrotorwelle. Der Hauptvorteil der Turbinen mit vertikaler Achse ist, dass der Generator und das Getriebegehäuse am Boden der Welle in der Nähe des Bodens angeordnet werden können, was bedeutet, dass der Turm dieses Gewicht nicht tragen muss. Außerdem kann eine Windturbine mit vertikaler Welle den Wind aus jeder Richtung annehmen und muss sich nicht um ihre vertikale Achse drehen oder gieren, um der vorherrschenden Windrichtung zugewandt zu sein. Es gibt jedoch aufgrund des größeren Oberflächeninhalts, den Turbinen mit vertikaler Achse dem Wind bieten, einen signifikanten Betrag der auf die vertikale Welle und die Turbinenstruktur ausgeübten Querkraft. Folglich gibt es eine praktische Größengrenze für die bis jetzt bekannten Windturbinen mit vertikaler Achse. Weil sich außerdem der Rotor in einer Windturbine mit vertikaler Achse um eine vertikale Achse dreht, bewegt sich der Windabschnitt des Rotors mit dem Wind, während sich ein diametral gegenüberliegender Abschnitt des Rotors gegen den Wind bewegt und der Gegenkraft des Windes entgegenwirken muss.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine wellenlose Windturbine mit vertikaler Achse zu schaffen, die in einem höheren und größeren Maßstab als die bisher bekannten Windturbinen hergestellt werden kann, um die Windenergie größer nutzbar zu machen. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Windturbine mit vertikaler Achse zu schaffen, die die Nachteile bei bekannten Windturbinen überwindet oder wenigstens mindert, oder wenigstens die Öffentlichkeit mit einer brauchbaren Alternative zu versehen.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der Erfindung wird eine wellenlose Windturbine mit vertikaler Achse geschaffen, die umfasst:
einen stationären hohlen Kern, der kreisförmige Innen- und Außenwände mit einem Hohlraum zwischen der Innen- und der Außenwand besitzt, und
einen Rotor, der drehbar um den Kern unterstützt ist und mehrere radial verlaufende Rotorarme besitzt, von denen jeder ein in den Wind eingreifendes Rotorblatt besitzt, das sich an einem distalen Ende befindet.
Vorzugsweise umfasst die Windturbine ferner mehrere vertikale Rippen in dem Hohlraum, die die Innenwand mit der Außenwand verbinden.
Vorzugsweise umfasst die Windturbine ferner zwei oder mehr Rotoren, die für die unabhängige Rotation um den Kern einer über dem Anderen angeordnet sind.
Vorzugsweise ist jeder der Rotoren mit einem elektrischen Generator mechanisch verbunden.
Vorzugsweise gibt es einen Generator, der von jedem der Rotoren angetrieben wird.
Vorzugsweise ist der Generator ein Direktantriebs-Generator.
Vorzugsweise umfasst die Windturbine ferner ein Paar Elektrizität erzeugender Wicklungen, die sich auf dem Kern bzw. dem Rotor befinden, um während der Relativbewegung zwischen dem Kern und dem Rotor Elektrizität ohne die Verwendung irgendeines mechanischen Getriebesystems zu erzeugen.
Vorzugsweise ist der Rotor auf einer Kante unterstützt, die um die Außenwand des Kerns verläuft.
Vorzugsweise ist die Außenwand des Kerns abgestuft, um die Kante zu definieren.
Vorzugsweise umfasst der Rotor obere Rollen oder Räder, die den Rotor auf der Kante drehbar unterstützen, und untere Rollen oder Räder, die den Rotor um die Außenwand des Kerns drehbar unterstützen.
Vorzugsweise umfasst der Rotor ferner zweite obere Rollen oder Räder, die den Rotor um die Außenwand des Kerns drehbar unterstützen.
Vorzugsweise besitzt die Kante ein Widerlager, wobei die oberen Räder und/oder die zweiten oberen Räder gegen das Widerlager eingreifen.
Vorzugsweise umfassen die radial verlaufenden Rotorarme durch Zugband verankerte Trägerelemente.
Vorzugsweise verjüngen sich die radial verlaufenden Rotorarme zu den distalen Enden.
Vorzugsweise sind die in den Wind eingreifenden Blätter Auftriebs-Rotorblätter und umfassen die Rotorarme ferner ein Luftwiderstands-Rotorblatt, das dem Kern benachbart angeordnet ist.
Vorzugsweise umfasst der Rotor ein röhrenförmiges Karussell, das um den Kern drehbar unterstützt ist, wobei sich die mehreren Rotorarme von dem Karussell erstrecken.
Vorzugsweise sind die in den Wind eingreifenden Blätter Auftriebs-Rotorblätter und umfasst der Rotorarm ferner mehrere Luftwiderstands-Rotorblätter, die um das Karussell angeordnet sind.
Vorzugsweise umfasst die Windturbine ferner ein Pumpenreservesystem zur Erzeugung von Elektrizität aus Wasserkraft.
Weitere Aspekte der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung offensichtlich, die lediglich beispielhaft gegeben wird und nicht vorgesehen ist, um den Umfang der Verwendung oder der Funktionalität der Erfindung einzuschränken.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Eine beispielhafte Form der vorliegenden Erfindung wird nun lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, worin:
1 eine Aufriss-Schnittansicht einer ersten Ausführungsform einer mehrstufigen Windturbine gemäß der Erfindung ist,
2 eine Grundriss-Schnittansicht durch A-A nach 1 ist,
3 eine Grundriss-Schnittansicht durch B-B nach 1 ist,
4 eine Aufriss-Schnittansicht eines Rotorarms und -blatts der Windturbine der ersten Ausführungsform ist,
5 eine Veranschaulichung der Rotorbefestigungs- und -generatoranordnung der Windturbine der ersten Ausführungsform ist,
6 eine Veranschaulichung einer alternativen Ausführungsform für den Generator der Windturbine der ersten Ausführungsform ist,
7 eine Veranschaulichung einer zweiten Anordnung zur Befestigung des Rotors in der Windturbine der ersten Ausführungsform ist,
8 eine Veranschaulichung einer dritten Anordnung zur Befestigung des Rotors in der Windturbine der ersten Ausführungsform ist,
9 eine Aufriss-Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform einer mehrstufigen Windturbine gemäß der Erfindung ist, die eine andere Rotorarmkonstruktion besitzt,
10 eine Grundriss-Schnittansicht durch C-C nach 9 ist,
11 eine Grundriss-Schnittansicht durch D-D nach 9 ist,
12 eine Aufriss-Schnittansicht eines Paars von Rotorarmen und eines Blattes der Windturbine der zweiten Ausführungsform ist,
13 eine Aufriss-Schnittansicht durch einen oberen Trägerarm der Windturbine der zweiten Ausführungsform ist,
14 eine Aufriss-Schnittansicht durch einen unteren Trägerarm der Windturbine der zweiten Ausführungsform ist,
15 eine Veranschaulichung einer Anordnung zur Befestigung des Rotors in der Windturbine der zweiten Ausführungsform ist,
16 eine vergrößerte Veranschaulichung des oberen Rollensatzes der in 15 veranschaulichten Anordnung ist,
17 eine Grundriss-Schnittansicht bei C-C in der in 15 veranschaulichten zweiten Ausführungsform ist,
18 eine Grundriss-Schnittansicht bei D-D in der in 15 veranschaulichten zweiten Ausführungsform ist,
19 eine Grundriss-Schnittansicht am Oberteil des Rotors einer dritten Ausführungsform einer mehrstufigen Windturbine gemäß der Erfindung ist, die eine andere Rotorarmkonstruktion und mehrere Luftwiderstands-Rotorflossen um das Rotorkarussell besitzt, und
20 eine Grundriss-Schnittansicht am Boden des Rotors für die Ausführungsform nach 19 ist.
Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen
Die Erfindung wird nun beschrieben, wie sie in einer wellenlosen mehrstufigen Windturbine mit vertikaler Achse im Großformat, d. h. in der Größe eines hohen Gebäudes, in die Praxis umgesetzt wird. Die Konstruktion der Windturbine ist so, dass sie in einer sehr großen Größe und insbesondere viel größer als die bekannten Windturbinen hergestellt werden kann. Bis jetzt sind die größten Windturbinen Windturbinen mit horizontaler Welle, die einen Rotordurchmesser von bis zu 126 Metern besitzen. Mit Großformat meinen die Erfinder, dass eine Windturbine gemäß der Erfindung einen Durchmesser oder eine Breite an ihrer Basis zwischen 250 und 350 Metern und eine vertikale Höhe zwischen 300 und 500 Metern oder höher besitzen könnte. Dies ist jedoch nicht vorgesehen, um die Verwendung oder die Funktionalität der Erfindung einzuschränken, wobei ein Fachmann erkennt, dass die Prinzipien der Erfindung auf eine Windturbine mit irgendeiner Größe, größer oder kleiner, angewendet werden können.
Weil eine Windturbine gemäß der Erfindung in einem derartigen großen Maßstab hergestellt werden kann, kann sie einen großen Bereich des Windes in größeren Höhen, wo die Windgeschwindigkeit höher ist, erfassen. Die potentiell im Wind verfügbare Leistung (P) ist durch 1/2 ρAv³ gegeben, wobei ρ die Dichte der Luft ist, A die überstrichene Fläche des Turbinenrotors ist und v die Windgeschwindigkeit ist. Deshalb nimmt der Betrag der Leistung, der durch eine Windturbine erzeugt werden kann, proportional zu der durch ihre Rotoren überstrichenen Fläche zu, wobei er mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit zunimmt. Die Turbine, die bis zu 350 Meter breit ist, besitzt eine große Fläche, die durch ihre Rotoren überstrichen wird. Dass Höhen von 500 Metern oder mehr reicht werden können, bedeutet, dass die Windturbine Winden mit einer höheren Geschwindigkeit ausgesetzt ist, wobei folglich eine Windturbine gemäß der Erfindung ein größeres Energiepotential des Windes anzapfen kann.
Die Konstruktion einer Windturbine mit der oben erwähnten Größe kann wohlbekannte Techniken der Gebäudekonstruktion und des Großanlagenbaus verwenden. In den meisten Ländern der Welt sind zahlreiche hohe Gebäude von bis zu 500 oder mehr Metern gebaut worden, wobei die Bau- und Konstruktionstechniken für derartige Strukturen leicht im Fachwissen eines Fachmanns liegen. Die einzelnen strukturellen Elemente und Merkmale der hierin beschriebenen Windturbine eignen sich für derartige bekannte Konstruktionstechniken.
Die Vorrichtung der bevorzugten Ausführungsform ist ”mehrstufig”, weil mehrere unabhängige Turbinen, jede mit einem entsprechenden Rotor, vertikal über eine gemeinsame vertikale zylindrische Unterstützungsstruktur gestapelt sind. Jeder Turbine ist ihr eigener elektrischer Generator zugeordnet, entweder durch Direktantriebs-, Getriebe- oder Transmissionsmittel. Da die vertikale Windturbine sich zu einer Höhe von mehreren hundert Metern erstrecken kann, kann sie über ihre Höhe verschiedene Windrichtungen und -geschwindigkeiten auf verschiedenen Niveaus erfahren. Jede Turbine ist unabhängig, um sich in Reaktion auf den Wind zu drehen, den sie erfährt, unabhängig von einem Generator auf einem anderen Niveau, der andere Windbedingungen erfahren kann. Dies ist jedoch für die Erfindung nicht wesentlich, wobei die Windturbine so hergestellt werden kann, dass sie nur einen einzigen Rotor besitzt.
Eine Windturbine gemäß der Erfindung ist wellenlos. In diesem Dokument bezieht sich ”wellenlos” auf die Tatsache, dass jeder Rotor der Windturbine eine frei rotierende Struktur ist. Es gibt keine Welle, die mit dem Rotor koaxial ist, um ein Drehmoment zu einem Generator zu übertragen, wie es in herkömmlichen rotierenden Elektromaschinen und bekannten Windturbinen mit vertikaler und horizontaler Welle der Fall ist.
Die erste bevorzugte Ausführungsform
Die 1–5 stellen eine erste Ausführungsform einer wellenlosen vertikalen mehrstufigen Windturbine 1 gemäß der Erfindung dar. Obwohl dies für die Erfindung hinsichtlich des Maßstabs nicht entscheidend ist, besitzt die Turbine einen Durchmesser von 350 Metern und eine Höhe von bis zu 500 Metern. Die Windturbine 1 umfasst drei grundlegende funktionale Abschnitte, nämlich eine vertikale Unterstützungsstruktur, wenigstens einen windangetriebenen Rotor, der um diese Struktur angeordnet ist, und einen durch den Rotor für die Erzeugung von Elektrizität angetriebenen Generator. In der bevorzugten Ausführungsform gibt es mehrere vertikal gestapelte unabhängig rotierende Rotoren. Die Rotoren sind vertikal einer über dem Anderen gestapelt und sind mit einer entsprechenden Leistungsübertragungs- und -erzeugungseinheit gekoppelt, die bei der vertikalen Unterstützungsstruktur angeordnet ist.
Die vertikale Unterstützungsstruktur umfasst einen vertikal verlaufenden zylindrischen Turm, der den Kern der Windturbine 1 bildet und typischerweise einen Durchmesser zwischen 15% und 40% des Gesamtdurchmessers der Windturbine besitzt. In der bevorzugten Ausführungsform beträgt der Durchmesser des Kernturms 25% des Windturbinendurchmessers, wobei deshalb für eine Windturbine mit einem Durchmesser von 300 Metern der Durchmesser des Kernturms 75 Meter beträgt. Der Kernturm erstreckt sich zur vollen Höhe der Windturbine und kann mit einem (nicht gezeigten) Dach bedeckt sein, das flach, geneigt oder kuppelförmig sein kann. Der Kernturm ist mit zwei konzentrischen kreisförmigen Wänden 5, 6 konstruiert, zwischen denen ein Hohlraum 7 vorhanden ist. Mehrere Rippen 8 erstrecken sich bei beabstandeten Umfangspositionen vertikal in dem Hohlraum 7, wobei sie die Innen- und die Außenwand 5 bzw. 6 verbinden. Die vertikalen Rippen 8 teilen den Hohlraum 7 zwischen den Wänden in mehrere Zellen. In der bevorzugten Ausführungsform beträgt der Abstand zwischen der inneren und der äußeren Turmwand 5 bzw. 6 mehrere Meter, was innerhalb des Wand-Hohlraums 7 ausreichend Raum für einen Aufzugschacht 9, einen Treppenschacht 10 und einen Maschinenraum auf jeder Rotorenebene, um die Erzeugungsanlage aufzunehmen, schafft. Der Bereich innerhalb der Innenwand 6 des Kerns ist im Allgemeinen hohl, was einen großen Mittelhohlraum 11 in der Struktur erzeugt. Der Kernturm ist aus verstärktem Beton hergestellt und kann unter Verwendung bekannter Bautechniken errichtet sein. Die Doppelwand-Zellenstruktur des Kernturms gibt dem Turm die Festigkeit, um den großen Querkräften, die durch den Wind erzeugt werden, zu widerstehen.
Jede Stufe der Windturbine enthält einen Rotor 19, 20, 21, 22, der um den Kernturm angeordnet ist und frei um den Kernturm drehbar ist. Die Rotoren in jeder Stufe können die gleiche Größe oder verschiedene Größen besitzen. Die Rotoren 19, 20, 21, 22 umfassen eine vollständig versteifte röhrenförmige Karussellstruktur 23, die um den Kern drehbar unterstützt ist. Mehrere durch Zugband verankerte Trägerarme 26 erstrecken sich radial vom Boden 232 des Karussells 23. Die radialen Trägerarme 26 sind durch Zugbänder 27 verankert, die sich von dem Oberteil 231 des Karussells 23 zum distalen Ende des radialen Trägerarms 26 erstrecken. An den distalen Enden jedes radialen Trägerarms 26 befindet sich ein im Allgemeinen tragflächenförmiges Auftriebsblatt 28. Das Blatt 28 ist an einem Unterrahmen 24 angeordnet, der schwenkbar an einem Gelenk 25 am radialen Trägerarm 26 befestigt ist. Das Blatt 28 dreht sich um die Gelenkverbindung 25, um einen sich aktiv ändernden ”Steigungs”-Winkel (der durch den Pfeil E in 2 dargestellt ist) zu dem Wind zu besitzen, um sich unter einem weiten Bereich von Windbedingungen effizienter zu drehen. In der bevorzugten Ausführungsform gibt es an jedem Rotor drei symmetrisch beabstandete versteifte radiale Arme 26 und Blätter 28, dies ist jedoch nicht so gemeint, um den Umfang der Verwendung oder der Funktionalität der Erfindung einzuschränken. Der Fachmann erkennt, dass 2, 4, 5, 6 oder mehr Blätter mit variierenden Graden der Leistung und des Wirkungsgrades verwendet werden können.
In 5 ist die Außenwand des Kernturms auf dem Niveau jeder Rotorstufe 19, 20, 21, 22 abgestuft, um die Kanten 30 um den äußeren Umfang des Kernturms zu schaffen. Jeder Rotor ist um den Kernturm auf den entsprechenden Kanten 30, die um den äußeren Umfang des Kernturms angeordnet sind, drehbar unterstützt. Der äußere Rand jeder Kante 30 besitzt ein Widerlager 35. Ein sich nach innen erstreckender Hakenrahmenabschnitt 233 des Rotors befindet sich über der Kante 30. Es gibt Sätze von Rädern oder Rollen 31, die umlaufend um den Innenrand des sich nach innen erstreckenden Rahmenabschnitts 233 angeordnet sind, die horizontal auf einer kreisförmigen Bahn 351 laufen, die an der Innenseite des Widerlagers 35 befestigt sind. Es sind außerdem zweite Sätze von Rädern oder Rollen 32 umlaufend um den Innenrand der Unterseite des Rahmenabschnitts 233 und vertikal auf einer zweiten kreisförmigen Bahn 352, die an der nach oben gewandten Seite des Widerlagers 35 befestigt ist, angeordnet. Die oberen Rad- oder Rollensätze 31, 32 schaffen eine vertikale und horizontale seitliche Unterstützung für den Rotor gegen den äußeren Umfang des Beton-Kernturms. Es gibt außerdem mehrere Druckrollen 33, die um den inneren Umfang des Bodens 232 des Rotorkarussells 23 angeordnet sind. Die Druckrollen 33 laufen auf einer kreisförmigen Bahn 353, die an der Außenwand 5 des Kerns befestigt ist, um eine seitliche Unterstützung für den unteren Abschnitt des Rotors gegen den äußeren Umfang des Kernturms zu schaffen. Folglich ist jeder Rotor vertikal an einem obersten Abschnitt seines Rahmens von einer Kante 30 aufgehängt, wobei er durch das Zusammenwirken der oberen Räder und Rollen 31, 32 und der Druckrollen 33 mit vertikalen und horizontalen seitlichen Unterstützungen versehen ist. Der Rotor dreht sich unter der Wirkung der Windwechselwirkung mit den tragflächenförmigen Blättern an den distalen Enden der Rotorarme um den Kernturm.
Die Bewegung des Rotors wird verwendet, um einen Generator 40, der sich im Kernturm befindet, mittels eines Getriebes, das der Druckrolle 33 benachbart angeordnet ist, mechanisch zu drehen. Ein Paar Zahnräder 42, 43 ist drehbar in einer Öffnung der Außenwand des Kernturms angeordnet. Das kleinere Zahnrad 42 befindet sich mit einem Zahnkranz 44 in Eingriff, der unter der Druckrolle 33 um den inneren Umfang des unteren ringförmigen Elements 232 angeordnet ist, wobei er das kleinere Zahnrad 42 mit der Bewegung des Rotors dreht. Das kleinere Zahnrad ist am größeren Zahnrad 43 befestigt, das sich mit einem Generator-Zahnrad 41 in Eingriff befindet, um den Generator 40 zu drehen.
Eine alternative Anordnung für den Generator
Der mechanisch gedrehte Generator 40 ist für die Erfindung nicht wesentlich. Jeder in der Technik bekannte Typ eines geeigneten Leistungsübertragungs- und/oder -erzeugungssystems kann verwendet werden, um die Rotationsenergie der Rotoren in Elektrizität umzusetzen. Es können z. B. Direktantriebs-Generatorsysteme (getriebelose Generatorsysteme) ohne die Verwendung irgendeines mechanischen Getriebes verwendet werden. Bei einem Direktantriebs-Generatorsystem gibt es einen Satz stationärer Bauteile und einen weiteren Satz rotierender Bauteile. Eines der Bauteile enthält eine elektromagnetische Wicklung oder, falls Permanentmagneten verwendet werden, die Permanentmagneten und ihre Halterungen, während die anderen Bauteile die leitfähigen Wicklungen enthalten. Die Elektrizität wird durch die Relativbewegung des rotierenden Bauteils durch oder um das statische Bauteil erzeugt. 6 veranschaulicht ein derartiges Direktantriebssystem, bei dem die Permanentmagnet-Feldpole 61 am oberen Rand des sich nach innen erstreckenden Abschnitts 233 des Rotorkarussells 23 befestigt sind, während dessen Statorwicklungsabschnitt 60 an der Außenwand 5 befestigt ist.
Eine alternative Anordnung für die Rotorstütze
7 veranschaulicht eine zweite Anordnung zur Befestigung des Rotors an den Turmkanten 30. Die Kante 30 besitzt an ihrem äußeren Rand ein abgeschrägtes Widerlager 29. Ein Rad 311 zur seitlichen Stabilisierung ist vorgesehen, um gegen eine an der Oberfläche des abgeschrägten Widerlagers 29 befestigte Bahn 354 zu laufen und um eine seitliche Stabilisierung für den rotierenden Rotor zu schaffen. 8 veranschaulicht eine noch weitere Ausführungsform der Außenwand des Kernturms, die zylindrisch ohne Stufen ist, wobei die Rotoren an einem Konsolen-Rollenbahnträger 34 befestigt sind, der um den äußeren Umfang des Kernturms angeordnet ist und an ihm befestigt ist.
Die zweite bevorzugte Ausführungsform mit einer alternativen Rotorarm-Konstruktion
Die 9–14 stellen eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer Windturbine gemäß der Erfindung dar, die eine alternative Rotorarm-Anordnung besitzt. In dieser Ausführungsform sind die Rotorblätter durch vier radial verlaufende Trägerarme 461, 462, 261, 262 um das Rotorkarussell unterstützt. Der obere Abschnitt des Blattes 28 ist durch ein erstes Paar horizontal beabstandeter Trägerarme 461, 462 unterstützt, die sich radial vom Oberteil 231 des Rotorkarussells 23 erstrecken. Der untere Abschnitt des Blattes 28 ist durch ein entsprechendes zweites Paar horizontal beabstandeter Trägerarme 261, 262 unterstützt, die sich radial vom Boden 232 des Rotorkarussells 23 erstrecken. Zwischen dem oberen und dem unteren Paar Trägerarme 461, 462 bzw. 261, 262 gibt es diagonale durch Zugband verankerte Arme 48, die sich vom inneren Ende des oberen Satzes radialer Trägerarme 461, 462 zum distalen Ende des unteren Satzes radialer Trägerarme 261, 262 erstrecken. Die führenden Trägerarme 461, 261 in jedem Paar können außerdem durch die Streben 481 in der horizontalen Ebene am Rotorkarussell 23 durch Zugband verankert sein, um zusätzliche Stabilität zu schaffen.
15 und 16 veranschaulichen eine Anordnung zum Befestigen des Rotors an den Turmkanten 30, die mit der zweiten bevorzugten Ausführungsform einer Windturbine verwendet werden kann. Es gibt kein Widerlager 35. Das obere Rad 31 für die seitliche Stabilisierung ist vorgesehen, um gegen eine Bahn 351 zu laufen, die an der äußeren Umfangsfläche des Kerns befestigt ist. 17 und 18 sind Grundrisse dieser Anordnung.
19 und 20 veranschaulichen eine weitere alternative Konstruktion des Rotorarms, bei der sich der Arm vom Karussell 23 zum Rotorblatt 28 verjüngt. Die Verjüngung versieht den Rotorarm mit viel mehr Festigkeit, um dem Beugen und Biegen in einer seitlichen Richtung während der Rotation des Rotors zu widerstehen.
Außerdem sehen die Erfinder voraus, dass der Rotorarm in dieser und in weiteren Ausführungsformen von einer aerodynamisch geformten Oberfläche eingeschlossen sein kann, um den Luftwiderstand des Rotorarms zu verringern, wie er sich durch die Luft bewegt.
Die dritte bevorzugte Ausführungsform mit einer Kombinations-Blattanordnung
Einer der Nachteile der Auftriebs-Windturbinen mit vertikaler Achse ist, dass es einen Luftwiderstand (eine negative Leistung) gegen die Drehrichtung gibt, wenn sich die Blätter 28 des Rotors in den Wind drehen. Sie erfordern eine ausreichend hohe Windgeschwindigkeit über die Blattoberfläche, um die aerodynamischen Kräfte zu erzeugen, die notwendig sind, um den Rotor zu starten. Um die obigen Schwierigkeiten überwinden, sind in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebogene Flossen um das Rotorkarussell 23 ergänzt, um eine Kombinations-Windturbine zu erzeugen. Die 9–14 veranschaulichen die bevorzugte Ausführungsform dieser Kombinations-Windturbine. Die gebogenen Flossen befinden sich zwischen dem oberen und dem unteren Paar Trägerarme (461, 462 bzw. 261, 262). Die Flossen 45 wirken beim Einfangen des Windes wie Luftwiderstands-Rotorblätter und helfen, das Drehen des Rotors zu starten. Wie die Rotordrehzahl zunimmt, nehmen die an den Tragflächen-Blättern 28 erzeugten aerodynamischen Kräfte außerdem zu und tragen zu den Drehkräften am Rotor bei. Bei normalen Rotordrehzahlen kommt die vorherrschende Drehkraft von den Tragflächen-Blättern 28.
Obwohl die in den 9–14 veranschaulichte Ausführungsform drei gebogene Flossen 45 besitzt, die sich alle zwischen dem oberen und dem unteren radialen Trägerarm-Paar befinden, ist dies für die Erfindung nicht wesentlich, wobei die gebogenen Flossen 45 in irgendeiner Anzahl und in irgendeiner Größe um den Umfang des Rotorkarussells 23 vorhanden sein können, solange wie sie ausreichend sind, um das Drehen des Rotors bei einer gewünschten Windgeschwindigkeit zu beginnen.
19 und 20 zeigen eine alternative Version der Kombinations-Blattanordnung, bei der mehrere Flossen 45 unabhängig von den Rotorarmen um das Rotorkarussell 23 angeordnet sind. Diese größere Anzahl der Flossen 45 als in der in den 9–14 dargestellten Ausführungsform erlaubt es, dass die Flossen 45 eine geringere Größe besitzen und folglich bei höheren Drehzahlen weniger Luftwiderstand verursachen, wenn der Rotor im Wesentlichen durch die Auftriebswirkung der äußeren Rotorblätter 28 arbeitet.
Ein gepumptes Reservesystem
1 veranschaulicht ein wichtiges, obwohl nicht wesentliches Merkmal, das in einer Windturbine gemäß der aktuellen Erfindung verfügbar ist. Die Höhe und die Größe der Windturbine machen es möglich, große Volumina von Wasser in einer signifikanten Höhe im Kernturm zu lagern. Ein signifikantes Wasservolumen kann ohne den Bedarf an einer signifikanten zusätzlichen Verstärkung der oberen Abschnitte des Turms im oberen Hohlraum 7 zwischen der Innen- und der Außenwand des Kernturms gelagert werden. Desgleichen ist keine signifikante zusätzliche Verstärkung des Turms erforderlich, um Wasser im unteren Mittelkern-Hohlraum 11 des Turms zu lagern. Derartiges Wasser kann zwischen diesen oberen und unteren Lagerbehältern durch ein Steigrohr im Wandhohlraum oder auf der Innenfläche der Innenwand bewegt werden. Das Wasser wird zu Zeiten, wenn die Windbedingungen es erlauben, dass mehr Elektrizität erzeugt wird, als für die Lieferung in das Elektrizitätsnetz oder für den örtlichen Stromverbrauch erforderlich ist, durch eine elektrische Pumpe aus dem unteren Behälter in den oberen Behälter gepumpt. Wenn sich die Bedingungen umkehren oder während der Spitzenlastzeiten oder wenn der Wind schwach ist, wird das Wasser aus dem oberen Behälter durch einen Wasserkraftgenerator zurück in den unteren Behälter abgegeben, um die Erzeugung aus Windkraft allein zu ergänzen. Obwohl gepumpte Reservesysteme in der Technik bekannt sind, ist es bis jetzt aufgrund der Einschränkungen an die physische Größe und Stärke der Windturbinentürme und die Kapazität der Erzeugung aus Windkraft eines einzigen Turms nicht möglich gewesen, ein Wasserpumpen-Reservesystem in einen Windgenerator aufzunehmen. Der Turm der aktuellen Erfindung überwindet derartige Probleme durch das Schaffen eines starken hohen und großen Turms und durch die Aufnahme großer gestapelter Rotoren, um eine große Erzeugungskapazität von einem einzigen Turm zu ermöglichen.
Wo in der vorhergehenden Beschreibung auf ein einheitliches Ganzes oder Elemente mit bekannten Äquivalenten Bezug genommen worden ist, dann sind sie enthalten, als ob hierin jedes einzeln dargelegt ist.
Es sind Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden, selbstverständlich können jedoch Abwandlungen, Verbesserungen oder Modifikationen ohne Abweichung vom Erfindungsgedanken oder vom Umfang der beigefügten Ansprüche vorgenommen werden.

Claims

Wellenlose Windturbine mit vertikaler Achse, die umfasst: einen stationären hohlen Kern, der kreisförmige Innen- und Außenwände mit einem Hohlraum zwischen der Innen- und der Außenwand besitzt, und einen Rotor, der drehbar um den Kern unterstützt ist und mehrere radial verlaufende Rotorarme besitzt, von denen jeder ein in den Wind eingreifendes Rotorblatt besitzt, das sich an einem distalen Ende befindet.
Wellenlose Windturbine nach Anspruch 1, die ferner mehrere vertikale Rippen in dem Hohlraum umfasst, die die Innenwand mit der Außenwand verbinden.
Wellenlose Windturbine nach Anspruch 1 oder 2, die ferner zwei oder mehr Rotoren umfasst, die übereinander angeordnet sind, um sich unabhängig um den Kern zu drehen.
Wellenlose Windturbine nach Anspruch 3, bei der jeder der Rotoren mit einem elektrischen Generator mechanisch verbunden ist.
Wellenlose Windturbine nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei der ein Generator vorhanden ist, der von jedem der Rotoren angetrieben wird.
Wellenlose Windturbine nach irgendeinem der Ansprüche 3 bis 5, bei der der Generator ein Direktantriebs-Generator ist.
Wellenlose Windturbine nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, die ferner ein Paar Elektrizität erzeugender Wicklungen umfasst, die sich auf dem Kern bzw. dem Rotor befinden, um während der Relativbewegung zwischen dem Kern und dem Rotor Elektrizität ohne die Verwendung irgendeines mechanischen Getriebesystems zu erzeugen.
Wellenlose Windturbine nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei der der Rotor auf einer Kante unterstützt ist, die um die Außenwand des Kerns verläuft.
Wellenlose Windturbine nach Anspruch 8, bei der die Außenwand des Kerns abgestuft ist, um die Kante zu definieren.
Wellenlose Windturbine nach Anspruch 8, bei der der Rotor obere Rollen oder Räder, die den Rotor auf der Kante drehbar unterstützen, und untere Rollen oder Räder, die den Rotor um die Außenwand des Kerns drehbar unterstützen, umfasst.
Wellenlose Windturbine nach Anspruch 10, bei der der Rotor ferner zweite obere Rollen oder Räder umfasst, die den Rotor um die Außenwand des Kerns drehbar unterstützen.
Wellenlose Windturbine nach Anspruch 11, bei der die Kante ein Widerlager besitzt, wobei die oberen Räder und/oder die zweiten oberen Räder gegen das Widerlager eingreifen.
Wellenlose Windturbine nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei der die radial verlaufenden Rotorarme durch Zugband verankerte Trägerelemente umfassen.
Wellenlose Windturbine nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei der sich die radial verlaufenden Rotorarme zu den distalen Enden verjüngen.
Wellenlose Windturbine nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei der die in den Wind eingreifenden Blätter Auftriebs-Rotorblätter sind und die Rotorarme ferner ein Luftwiderstands-Rotorblatt umfassen, das dem Kern benachbart angeordnet ist.
Wellenlose Windturbine nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei der der Rotor ein röhrenförmiges Karussell umfasst, das um den Kern drehbar unterstützt ist, wobei sich die mehreren Rotorarme von dem Karussell erstrecken.
Wellenlose Windturbine nach Anspruch 16, bei der die in den Wind eingreifenden Blätter Auftriebs-Rotorblätter sind und der Rotor ferner mehrere Luftwiderstands-Rotorblätter umfasst, die um das Karussell angeordnet sind.
Wellenlose Windturbine nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, die ferner ein Pumpenreservesystem zur Erzeugung von Elektrizität aus Wasserkraft umfasst.