DE29900664U1

DE29900664U1 - Windkraftanlage mit vertikaler Rotorachse

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Publication number: DE29900664U1
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Priority date: 1999-01-20
Filing date: 1999-01-20
Publication date: 1999-06-10
Anticipated expiration: 2009-01-21

Description

Windkraftanlagc mit vertikaler Rotorachse

Viele heute wirtschaftlich genutzte Windkraftanlagen sind Horizontalachser mit zwei- und dreiflügeligen Rotoren, die nach dem Auftriebsprinzip arbeiten. Vergleichbar etwa einer Flugzeugtragfläche wird hier der Auftrieb ausgenutzt, der an den vom Wind umströmten Rotorblättern entsteht. Die.Entwicklung in diesem Bereich führte zu immer größeren Radien der Rotoren, weshalb diese Anlagen heute an ihre Stabilitätsgrenzen gestoßen sind. Ganz abgesehen davon, führte die Entwicklung dazu, daß immer größere "Spargel" in die Landschaft gebaut wurden, was optisch als störend empfunden wird.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit vertikaler Rotorachse. Es hat auch bisher nicht an Versuchen gefehlt, Windkraftanlagen mit Vertikalachsen-Rotor vorzuschlagen und zu konstruieren. Eine solche Anlage nutzt den aerodynamischen Widerstand, den eine Fläche einer Luftströmung entgegensetzt.

Beispielsweise schlägt die Offenlegiingsschrift DE 3631709 A 1 eine Turbine mit senkrechter Achse vor. Die umlaufende Turbine wird halbseitig (180°) von einen Umhüllungsmantel umschlossen, welcher drehbar angeordnet ist und verstellt werden kann.

Zweck eines solchen Umhüllungsmantels ist es, die gegen die Windkraft zurückkehrenden Rotorblätter abzudecken, so daß in diesem Segment keine Kraft angreifen kann und die Rotation verlangsamt. Dazu wäre aber ein Mantelsegment von nur 90° ausreichend. Nachteilig ist auch, daß der Umhüllungsmantel mittels Getriebemotor bewegt werden muß. also nicht automatisch frei beweglich zur Turbine läuft. Ferner ist durch einen solchen Vorschlag die Windbeaufschlagung der Rotorblätter nicht optimal, zusätzliche Kräfte werden nicht auf die Rotorblätter gebracht und Auftriebskräfte am Umhüllungsmantel entstehen dabei ebenfalls nicht.

Auch die Offenlegungsschrift 2405767 beschreibt eine Turbine mit senkrechter Achse, die in einer drehbaren Trommel mit längsseitiger Windeintrittsöffnung läuft. An der Windeintrittsöffnung sind Leitbleche angeschweißt, um mehr Wind durch die Eintrittsöffnung auf die Turbine zu leiten. Ein Leitwerk mit einem Steuerruder hält die Trommel in Windrichtung. Bei diesem Vorschlag wird eigentlich ein Mantel von 270° um den Rotor gelegt, was dazu führt, daß Verwirbelungen im Rotorbereich auftreten, auch wenn die Trommel einen Auslaß hat. Diese Vervvirbelun-

gen mindern die Leistung der Anlage. Das gleiche gilt für die Leitbleche. Diese bilden eine trichterförmige Windeintrittsöffiiung an deren Begrenzung die Windkraft umgelenkt wird. Zumindest an dem Leitblech, welches die Windkraft gegen die Laufrichtung des Rotors umlenkt oder sie nur senkrecht auf den Rotor führt, wird es zu leistungsmindernden Verwirbelungen kommen. Unwirksam bleiben darüber hinaus alle Windkräfte, die die Trommel außen umströmen.

Die vorliegende Erfindung soll die genannten Nachteile nicht haben und die auftretenden Windkräfte optimal nutzen.

Demzufolge besteht die erfindungsgemäße Windkraftanlage (Fig. 1) aus einer Gehäusekonstruktion (1) mit einer nasenförmigen Abschirmung (2), einem Rotor (3) und einer Sockelkonstruktion (4). Ein Leitwerk (5) hat die Aufgabe, die "Nase" (2) ständig im Wind zu halten. Zur Erläuterung und zum Zusammenspie] der einzelnen feile sei folgendes ausgeführt.

Fig. 2 zeigt aus perspektivischer Sicht die Gehäusekonstruktion (1). Man erkennt, daß die runde, im wesentlichen offene Gehäusekonstruktion (1) auf der Seite der auftreffenden Windkraft auf der Länge eines Viertelkreises - also um einen Sektor von 90° - durch eine nasenförmige, geschlossene Spitze (2) abgeschirmt wird. Diese "Nase" (2) hat Abschirm- und Umlenkfunktion zugleich. Sie schirmt im Bereich rückkehrender Rotorblätter auftreibende Windkraft ab und lenkt diese gleichzeitig um. Ein Teil wird zusätzlich auf die Rotorblätter geleitet, der Rest wird an der verschlossenen Außenwand des Nasenbereichs vorbeigefiihrt.

An den Seiten des Nasenbereichs können verstellbare Luftklappen (8) eingebaut werden. Im Bedarfsfall werden sie geöffnet und dadurch wird die Abschirm- und Umlenkfunktion der "Nase" (2) außer Kraft gesetzt. Eine daraus resultierende Windkraftbeaufschlagimg im Bereich der rückkehrenden Rotorblätter kann dann notwendig werden, wenn der Rotor aus Wartungsgründen angehalten werden muß, bzw. wenn bei starker Sturmbelastung die Drehzahl reguliert werden muß.

Fig. 3 zeigt die obere Gehäusedecke in einer Draufsicht. Man erkennt die Verstrebungen (7) und das Viertel der Gehäusedecke, welches unbedingt verschlossen sein muß. Es ist genau das Dekkenviertel (6). unter dem im Rotorbereich die Beaufschlagung der Rotorblätter mit Windkräften erfolgt, wo also ein Entweichen der wirksamen Druckkräfte vermieden werden muß. Dagegen bleibt die der Windkraft abgewandte - also die der "Nase" gegenüberliegende Seite - oben offen.

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genauso wie der Nasenbereich selbst und der obige Bereich der rückkehrenden Rotorblätter. Lediglich aus Gründen der Stabilität kann es notwendig sein, daß die obere Gehäusedecke mehr geschlossen wird. Die Verstrebungen (7) dienen der Stabilität und tragen das Leitwerk (5), welches ja die Aufgabe hat, die "Nase" stets im Wind zu halten.

Darüber hinaus zeigt Fig. 3 deutlich die Führung der Windkraft. Die nicht auf die Rotorblätter geleitete Windkraft streicht an der verschlossenen Außenwand der "Nase" (2) vorbei und wird hierbei beschleunigt. Diese beschleunigte Strömung übt auf der der Windkraft abgewandten Seite einen Sog aus. Diese Druckminderung im Rotorbereich auf der der Windkraft abgewandten Seite ist geeignet, die Wirkung der erfindungsgemäßen Windkraftanlage zu steigern.

Die in den Fig. 2 und Fig. 3 gezeigten Nasen sind mit geschwungenen Seitenbegrenzungen gezeigt, um möglichst viel Wind gleichförmig strömen zu lassen. Es ist natürlich auch möglich, die "Nase" (2) als Dreieck mit geradlinigen Seitenbegrenzungen auszubilden, dessen Schenkellängen so bemessen werden, daß die "Nase" (2) ohne wesentliche Unterstützung des Leitwerks (5) im Wind verbleibt.

Im Gegensatz zur oberen Gehäusedecke ist der gesamte Bodenbereich des Gehäuses geschlossen, lediglich der erweiterte Nasenbereich kann hiervon eine Ausnahme machen. Darüber hinaus ist der Gehäuseboden mit einem Gefälle versehen, um einen ordentlichen Regenwasserablauf zu gewährleisten. Obere Gehäusedecke und der Bodenbeieich des Gehäuses sind mittels 4 Stützen miteinander verbunden und stellen so inclusive des Nasenbereichs (2) die gesamte Gehäusekonstruktion dar. Sie ist an den Seiten völlig offen, ausgenommen natürlich der Nasenbereich, der erfindungsgemäß 90° des Rotorbereiches abschirmt.

Das Material des Gehäuses ist vorzugsweise aus Edelstahl. Aluminium oder Kunststoff. Es muß im Grunde 3 Bedingungen erfüllen:

- es soll ein geringes spezifisches Gewicht haben

- es soll die Stabilität des Gehäuses gewährleisten

- es darf nicht rosten.

Diese Ziele sind durch fachmännisches Handeln erreichbar.

Zum einwandfreien Funktionieren des erfindungsgemäßen Vorsehlags ist es notwendig, daß Gehäuse und Rotor über eine Konstruktion verbunden sind, so daß sie frei gegeneinander drehbar bleiben. Da auch statische Kräfte aufgenommen werden müssen, wird eine Kugellagerkonstruktion wie folgt vorgeschlagen:

Fig. 4 zeigt ein Rillenkugellager (12) in seiner prinzipiellen Funktion. Es besteht aus einem inneren (10) und äußerem (11) Ring, die jeweils unterschiedliche Kräfte aufnehmen können.

Fig. 5 zeigt den Rotor aus perspektivischer Sicht mit der Rotorachse (13) und den Rotorblättern (14) sowie 4 Kugellagern (12), die allesamt mit ihrem inneren Ring (10) auf der Achse (13) befestigt sind. Die äußeren Ringe (11) übernehmen unterschiedliche Aufgaben. Diese werden aus Fig. 6 besonders gut deutlich. Dort ist eine einfache Wind kraftanlage im Schnitt dargestellt. Man erkennt Rotor mit Rotorachse (13) und Rotorblättern (14). Gehäuse (1) und Sockel (4). Die beiden oberen Kugellager tragen mit ihrem äußeren Ring über eine Befestigung (15) das Gehäuse (1), während die beiden unteren Läger mit ihren äußeren Ringen im Sockel befestigt sind und so der Aufnahme statischer Kräfte dienen. Alle inneren Ringe sind an der Rotorachse (13) befestigt und machen so die Rotation der Achse mit. die gleichzeitig den Generator (16) antreibt.

Eine spezielle Ausführungsform, die besonders für größere Anlagen geeignet ist. zeigt Fig. 7. Im Unterschied zu Fig. 6 wird hier das Gehäuse noch von einem weiteren Kugellager gehalten, das einen sehr viel größeren Radius hat. nicht an der Rotorachse (13). sondern mit seinem äußeren Ring (11) im Sockelbereich befestigt ist. um statische Kräfte aufzunehmen. (Gleiche Schraffierung der Kugellagerringe bedeutet gleiche Drehrichtung, bzw. Aufnahme von Kräften.) Bei diesem Beispiel wäre es auch denkbar, daß der äußere Ring über eine Befestigung (15) das Gehäuse trägt, während der innere Ring im Sockel befestigt wird. Die Funktionsweise hängt letztlich von der Konstruktion des Sockels (4) ab.

Zwischen den unteren Kugellagern oder unterhalb der beiden ist der Generator (16) angeordnet. Der Sockel selbst besteht aus Stahl. Beton. Holz oder Kunststoff. Er muß geeignet sein, alle dynamischen und statischen Kräfte der Anlage aufzunehmen.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Konstruktion liegen auf der Hand:

- der Rotor läuft - unabhängig von der Windrichtung - stets in gleicher Richtung.

- Das im Winkelbereich -von 270° an den Seiten offene Gehäuse läßt im Rotorbereich keine Verwirbelungen entstehen. Durch die im Bereich der rückkehrenden Rotorblätter vorgesehene geschlossene nasenformige Erweiterung, die die Abschirm- und Umlenkfunktion übernimmt, werden mehr als die Hälfte der verfügbaren Windkraft auf die Rotorblätter gelenkt. Horizontalachser nutzen häufig nur eine Komponente der Windkraft.

- Die Erzeugung eines Unterdrucks im rückkehrenden Rotorbereich verstärkt die Wirkung.

- Je nach Anwendungsfall lassen sich die Anlagen in verschiedenen Größen und sehr ökonomisch bauen: das erhöht den Kosten-Nutzen-Effekt und erlaubt einen lokalen Einsatz.

- Die Rotationsbewegungen im Schütze eines Gehäuses dürften als weniger störend empfunden werden, im Vergleich zu den "Flügelschlägen" großer Horizontalachser.

Wind weht nicht immer, und wenn er weht, tut er das ja auch nicht immer mit gleichmäßiger Stärke. Die vorgeschlagenen Anlagen sind deshalb für alle nicht zeitkritischen Prozesse sehr gut geeignet. Dazu zählen Wärmeerzeugung. Wasserstoffherstellung durch Elektrolyse des Wassers, Trinkwassergewinnung aus Meerwasser und Stromeinspeisung in große Verbundnetze, auch die Eindickung von Klärschlämmen wäre ein solcher Prozeß.

Claims

Ansprüche

1) Windkraftanlage mit vertikaler Rotorachse (13), wobei der Rotor von einem Gehäuse umgeben ist.

dadurch gekennzeichnet, daß die runde, im wesentlichen offene Gehäusekonstruktion (1) lediglich im Bereich der rückkehrenden Rotorblätter auf der Seite der auftreffenden Windkraft eine nasenförmige und geschlossene Erweiterung (2) aufweist, so daß mehr als die Hälfte aller auftreffenden Windkraft auf die Rotorblätter (14) gelenkt und die restliche Windkraft an der Außenwand des Gehäuses vorbeigeführt und dabei verdichtet und beschleunigt wird, um auf diese Weise einen Unterdruck im windabgewandten Rotorbereich zu erzeugen.

2) Windkraftanlage nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß Rotor und Gehäuse durch Kugellager so verbunden sind, daß beide frei gegeneinander beweglich sind und Schwerkräfte vom Sockelbereich aufgenommen werden.

3) Windkraftanlage nach den Ansprüchen 1 und 2.

dadurch gekennzeichnet, daß Rotor und Gehäuse durch Kugellager so verbunden sind, daß beide frei gegeneinander beweglich sind und Schwerkräfte von zusätzlichen Kugellagern im Sockelbereich aufgenommen werden.