DE3130257A1

DE3130257A1 - Vorrichtung zur umwandlung der kinetischen energie des windes in eine andere energieart, vorzugsweise in elektrische energie

Info

Publication number: DE3130257A1
Application number: DE19813130257
Authority: DE
Inventors: Louis L. 7570 Baden-Baden Lepoix
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-07-31
Filing date: 1981-07-31
Publication date: 1983-02-17

Description

Titel: Vorrichtung zur Umwandlung der kineti-
schen Energie des Windes in eine andere Energieart, vorzugsweise in elektrische Energie Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung der kinetischen Energie des Windes in eine andere Energie art, vorzugsweise elektrische Energie.
Es sind bereits mehrere Windkraftmaschinen bekanntgeworden, die im allgemeinen aus einem mehrflügeligen und sternförmigen Propeller bestehen, der mit seiner Welle auf einer vorzugsweise strom in enverklei deten, gegebenenfalls den Energieumwandler oder eine Getriebeeinrichtung aufnehmenden Halterung drehbar gelagert ist. Die Halterung kann dabei mit einem Leitwerk versehen sein, um den Propeller in den Wind auszurichten, -und schwenkbar auf einem Stator angeordnet sein.
Bei den bisher bekannten Propel leranordnungen tritt insofern ein Problem auf, als die Umdrehungsgeschwindigkeit des Propellers mit zunehmenden Windstärken vergrößert wird, wobei sehr bald eine Grenze in der Umdrehungsgeschwindigkeit erreicht wird, bei welcher das für den Propeller verwendete Material den Fliehkräften nicht mehr standhält.
Es wurde deshalb schon vorgeschlagen, die Flügel des Propellers entsprechend der Windstärke zu drehen, um auf diese Weise die Angriffsfläche kleiner zu halten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Angriffsfläche der Propellerflügel, d.h. die wirksame Fläche dieser Flügel, in Abhängigkeit von der Windstärke zu verkleinern bzw. zu vergrößern, wobei diese Veränderung durch den Wind selbst gesteuert wird, um dadurch zu erreichen, daß der Wirkungsgrad der jeweiligen Windstärke angepaßt wird, so daß das Windrad auch bei Sturm weiterarbeiten kann, ohne daß ein Bruch der Anlage auftritt.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird eine Vorrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Flügel des Propellers an im wesentlichen senkrecht zur Drehachse des Propellers verlaufenden Schwenkachsen, in Abhängigkeit von der Windstärke in die dem Wind abgekehrte Seite (Lee-Seite) schwenkbar, gelagert sind.
Mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird der wesentliche Vorteil erreicht, daß, durch den Wind selbst gesteuert, die Angriffsfläche der Flügel in Abhängigkeit von der Windstärke, d.h. bei größerer Windstärke verkleinert und bei kleinerer Windst«arke verqrößert wird, so daß die Vorrichtung bei praktisch jeder Windstärke optimal arbeiten kann.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ilnteransprüchen beschrieben.
Mit der Vorrichtung gemäß Anspruch 2 wird erreicht, daß durch die Befestigung der Flügel auf Schwenkteilen ein Kippen der Flügel in Abhängigkeit von der Windstärke in Lee-Seite ermöglicht wird. Hierzu werden mit Vorteil, gemäß Unteranspruch 3, die Schwenkteile als schalenförmige Verkleidungsteile der strom inienförmigen Verkleidung benutzt, unter welchen nach dem anfänglichen Zurückkippen der Flügel der Wind angreifen kann und diese Schwenkteile selbst als SteuermitteJ für das Zurückschwenken der Flügel verwendet werden können.
Schließlich können die Schwenkteile, an denen die Flügel befestigt sind, auch mit Gegengewichten versehen sein, durch welche bei schnellerer Umdrehung des Propellers infoige erhöhter Windstärke eine Fliehkraft an den Gewichten wirkt, welche das entsprechende Zurückschwenken der Flügel verursacht.
Selbstverständlich können sogenannte Rückstel leinrichtungen, wie Federn, Gummiteile oder dergleichen, verwendet werden, die auch als Hemmung für die Schwenk- bewegung eingesetzt werden können (gemäß Anspruch 5). Die Flügel können ferner mit Zahnscheiben um ihre Drehachsen versehen werden, welche mit einem verschiebbaren Zahnkranz auf der Achse des Propel lers gegen die Wirkung einer Feder in Eingriff gelangen können (Anspruch 7).
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann ferner durch besondere Ausgestaltung der Ansprüche 8 und 9 besonders auf Autobahnen, Flughäfen, in Bergschluchten und so weiter eingesetzt werden, um eine sich selbst mit Energie versorgende Anzeigevorrichtung für die Windrichtung, die Windstärke und andere Witterungseinflüsse zu geben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann selbstverständlich auch als Großanlage aufgebaut sein.
Anhand der Zeichnungen soll am Beispiel bevorzugter Ausführungsformen der Gegenstand der Erfindung näher erläutert werden.
In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine Seitenansicht der Vorrichtung gemäß der Erfindung in Prinzipdarstellung.
riX,. 2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Vorrichtung von Fig. 1.
Fig. 3 zeigt eine prinzipielle Darstellung der Wrrichtung gemäß der Erfindung in Frontansicht.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung in Frontansicht.
Fig. 5 zeigt noch eine andere Ausführungsform der Erfindung in Frontansicht.
Fig. 6 zeigt in perspektivischer Darstellung ein Teil der Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer abgewandelten Ausführungsform.
Fig. 7 zeigt in perspektivischer Darstellung eine andere Stellung der Vorrichtung gemäß Fig. 6.
Fig. 8 zeigt eine Möglichkeit zur Verstellung der einzelnen Flügel des Propellers der Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Fig. 9 zeigt eine Vorrichtung mit geraden Flügeln.
Wie sich aus Fig. 1 ergibt, besteht die Vorrichtung gemäß der Erfindung aus einem Propeller mit im dargestellten Beispiel zwei Flügeln 1, die auf einem Zentrallager 2 um eine Drehachse 3 bzw. 4 schwenkbar gelagert sind. Das Zentral lager 2 ist mit einer Achse 5 verbunden, die in einer stromlinienförmigen, aus zwei Teilen 6 und 7 bestehenden Verkleidung angeordnet ist.
Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß die Flügel 1 in die dem Wind abgekehrte Seite mehr oder weniger weit geschwenkt beziehungsweise gekippt werden können.
Die Richtung des Windes ist durch den Pfeil 8 angezeigt, so daß die Flügel in Abhängigkeit von der Windstärke in Richtung der gekrümmten Pfeile 9 in die dem Wind abgekehrte Seite, die sogenannte Lee-Seite, geschwenkt bzw. gekippt werden können, wie bei 1' dargestellt.
Das Teil 6 der Halterung ist mit einer stromlinienförmig ausgebildeten Leitfläche 10 verbunden, deren Profil bei 11 strichpunktiert dargestellt ist und die drehbar am Ende eines Mastes 12 derart angeordnet ist, daß sich die Spitze 13 des Teiles 6 der stromlinienförmigen Verkleidung immer in die dem Wind zugekehrte Seite einstellt, wodurch die Flügel 1 die größtmöglichste Angriffsfläche dem Wind darbieten.
Die Schwenkbewegung der Flügel 1 in Richtung des Pfeiles 9 kann in Abhängigkeit von der Windstärke durch den Winddruck bewirkt werden. Es ist auch möglich, beispleisweise an den vorderen Teilen 14 der einzelnen Flügel 1 Gegengewichte anzubringen, wobei durch Fliehkraft, je nach der Umdrehungsgeschwindigkeit des Propellers, die Flügel in die Lee-Seite geschwenkt werden.
Die Bewegung kann durch eine Hemmvorrichtung gehemmt werden, die auch bewirkt, daß die Flügel bei Abnehmen des Windes in die aufgestellte Richtung, d.h.
gegen die dem Wind zugekehrte Seite, bewegt werden.
Diese Hemmvorrichtung kann beispielsweise vor oder hinter der Achse 3 baiu. 4 des jeweiligen Flügels angebracht werden. In einer besonderen Ausführungsform hat der Flügel eine flossenartige Ausbildung, die eine bestimmte Krümmung aufweist, um zu erreichen, daß im umgeklappten Zustand der Flügel der Propeller noch weiter arbeiten kann.
Es ist ferner möglich, ein mechanisches System innerhalb des Zentral lagers 2 vorzusehen, um zu bewirken, daß die Flügel gleichzeitig nach hinten in Lee-Richtung geschwenkt werden können.
Bei schwachem Wind sind die Flügel des Prppellers aufgestellt und bieten somit dem Wind die größte An-NgriFfsfläche dar. Wenn der Wind stärker wird, schwenken, je nach der Stärke des Windes und dem dadurch entstehenden Winddruck, die Flügel mehr oder weniger in Richtung des Pfeiles 9, also in die dem Wind abgekehrte Seite. Dadurch wird die Windangriffsfläche kleiner, und der Angriffswinkel des Windes wird verändert, wodurch der Wirkungsgrad der jeweiligen Windstärke angepaßt werden kann.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht somit die automatische Regelung, auch bei sehr starkem Wind und Sturm. Dabei kann der Propeller ohne Beschädigung weiterarbeiten, und der Widerstand des Propellers ist im Sturm wesentlich kleiner als bei voliem Durchmesser, wenn der Wind eine geringe Stärke hat.
Wie sich aus Fig. 2 ergibt, ist der hintere Teil der Verkleidung anders als in Fig. 1 ausgebildet, und zwar läuft dieser in einen länglichen, beispielsweise zylinderförmigen Teil 15 aus, der an der Hinterseite, bei 16, stromlinienförmig ausgebildet ist und eine Leitfläche 17 aufweist. Mit Hilfe dieser Anordnung kann eine bessere Ausrichtung der Vorrichtung gemäß der Erfindung in den Wind erfolgen. Ferner ist es möglich, in dem länglichen Körper 15 Signaleinrichtungen unterzubringen, wodurch der hintere Teil 15, 16, 17 der Vorrichtung beispielsweise auf Autobahnen, Flughäfen, in Bcrgschluchten oder ähnlichen Stellen eingesetzt werden kann, wo es darauf ankommt, die Windrichtung und die Windstärke anzuzeigen. Der dann beispielsweise im vorderen Teil 6 untergebrachte Generator 18 Liefert dann den Strom für eine Leuchtanzeige in dem Körper 15, wodurch, beispielsweise nach einem bestimmten Code oder in Leuchtziffern oder -zahlen, die Windstärke angezeigt werden kann. Es ist selbstverständlich möglich, die Vorrichtung gemäß der Erfindung auch für die Anzeige anderer Informationen, z. B. als Meldesäule, zu verwenden. Zu diesem Zweck können auch, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, an dem vorderen Leitwerk 10 sowie an der hinteren Leitfläche 17 mehrere Photozellen 19 vorgesehen sein, die in Ergänzung oder Ersetzung des durch den Generator 18 gelieferten Stromes für eine aufladbare Batterie den Strom liefern, wenn beispielsweise kein Wind vorhanden ist.
Wie bereits erwähnt, kann die Anordnung gemäß der Erfindung auf ein drehbares Gestell, wie dies bereits bei anderen Windkraftanlagen üblich ist, montiert werden. Dabei können mehrere Propelleranordnungen vorgesehen werden.
In Fig. 3 ist eine Anordnung mit zwei Propelleranordnungen 2Q, 21 vorgesehen, die an einem stromlinienförmig verkleideten Querträger 23 angeordnet sind.
Fig. 4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform von Fig. 3. Hierbei ist eine weitere Propelleranordnung 24 zwischen den beiden Propelleranordnungen 20, 21 vorgesehen.
Fig. 5 zeigt schließlich die Anordnung von insgesamt vier Propel leranordnungen 20, 21, 24, 25 an zwei jeweils gekreuzten Armen, die an dem vorderen Leitwerk 10 befestigt sind.
Die Figuren 6 und 7 zeigen eine Ausführungsmöglichkeit, bei welcher die Flügel eine besondere Anordnung an der stromlinienförmigen Halterung aufweisen. Die Flügel -1 sind auf schalenförmigen Teilen 25 der stromlinienförmigen Verkleidung befestigt. Die schalenförmigen Teile 25 ergänzen mithin in normaler Stellung (Fig. 6) die Stromlinienform 6. Die Drehlagerung der schalenförmigen Teile 25 befindet sich in den Achsen 26.
Bei stärker werdendem Wind werden die Flügel 1 zunächst etwas in Richtung der dem Wind abgekehrten Seite bewegt. Dadurch öffnen sich die schalenförmigen Teile 25 (Fig. 7), und der Winddruck kann an den schalenförmigen Teilen 25 angreifen und die rückwärtige Schwenkbewegung der Flügel noch unterstützen.
Selbstverständlich kann auch bei dem in den Figuren 6 und 7 gezeigten Ausführungsbeispiel eine Hemmung oder eine Rückstellfeder vorgesehen sein, damit bei Wegffall des Windes die Flügel wieder in die normale Stellung zurückgeschwenkt werden und die Stromlinienform 6 des vorderen Teiles wieder voll hergestellt ist.
In Fig. 7 ist im Prinzip eine Ausführungsmöglichkeit der Schwenkbewegung der Flügel dargestellt.
Auf der Welle 5, die mit dem Generator Feder einem Getriebe verbunden ist, ist in Richtung des Doppelpfeiles 26 gleitend eine zylinderförmige Zahnstange 27 angeordnet, die im Eingriff mit Zahnscheiben 28 steht, welche auf den Schwenkachsen 29 der Flügel 1 angeordnet sind, wobei die Flügel 1 mit den Zahnscheiben 28 verbunden sind. Die verschiebbare Zahnstange beziehungsweise der verschiebbare Zahnkranz wirkt . gegen eine Rückstellfeder 30, die seiner Bewegung entgegenwirkt.
Wenn nun durch Auftreten von größeren . Windstärken ein Winddruck auf die Flügel 1 beziehungsweise auf die Vt'rkleidungsteile, wie in den Figuren 6 und 7 dargestellt, wirkt, so werden die Zahnscheiben 28 den Zahnkranz gegen den Druck der Feder 30 bewegen, wodurch die Flügel 1 eine Schwenkbewegung in Richtung des Pfeiles 9 ausführen. Wenn der Winddruck wieder nachläßt, drückt die Feder 30 den Zahnkranz 27 wieder in die entgegengesetzte Richtung, wodurch die Flügel wieder aufgestellt werden.
Selbstverständlich kann anstelle des Generators 18 im stüoml i nienförmigen, vorderen Verl< leidungsteil 6 6 auch ein Gelriebe mit Keqelzahnrädern angeordnet sein, wobei dann die Drehbewegung durch den Stator bzw. Mast nach unlen zu einem anderen Energiewandler oder einem elektrischen Generator führt.
Die Flügel der Vorrichtung gemäß der Erfindung können herkömmliche Profile haben, wobei es in Abwandlung auch möglich ist, diesen eine gekrümmte Form im Bereich ihres äußeren freien Endes zu geben. Diese gekrümmte oder gebogende Form ändert sich je nach Ausführung und besonders bei einem größeren Durchmesser des Propellers. Bei sehr großem Durchmesser kann auch der Propeller gerade sein, wie dies in Fig. 9 der Zeichnungen dargestellt ist.
Es ist ferner noch zu erwähnen, daß die Vorrichtung gemäß der Erfindung auch für größere Anlagen geeignet ist.
Ferner kann die Hemmungseinrichtung nicht nur aus Federn oder einer Gummi hemmung, sondern auch aus irgendwelchen hydraulischen oder pneumatischen Vorrichtungen bestehen.
Es ist ferner möglich, die Flügel des Propellers durch geeignete mechanische Einrichtungen von Hand, elektrisch oder hydraulisch in die umgeklappte Stellung zu bringen und hierbei festzuhalten. Dadurch ergeben sich folgende Vorteile.
Bei Windkonvertern für Boote ist manchmal erwünscht, das Gerät nicht zu benutzen, und in diesem Falle soll es den kleinsten Widerstand haben. Die Flügel des Propellers können dann in einfacher Weise von Hand oder elektrisch in die umgeklappte Stellung gebracht werden.
Es ist ferner bei der Wartung und bei Reparaturen wichtig, die Gefahr zu verringern, die bei einem Gerät mit umgeklappten Flügeln praktisch ausgeschaltet ist, da eventuelle Windboen nur sehr schwach aufgenommen werden.
Ferner ist im umgeklappten Zustand der Flügel der Propelier wesentlich besser zu blockieren, da weniger Kraft aufzuwenden ist. Die Blockierungseinrichtung kann dann entsprechend der in Fig. 2 gestrichelt angedeuteten Einrichtung 31, die aus einer Entkopplungs-und Verriegelungsvorrichtung besteht, durchqeführt werden.
Es ist ferner noch hervorzuheben, daß das Teil 15 in Fig.
2 durchsichtig ausgebildet sein kann.
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Claims

PATENTANSPRÜCHE Vorrichtung zur Umwandlung der kinetischen Energie des Windes in eine andere Energieart, vorzugsweise elektrische Energie, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Flügel (1) des Propellers an im wesentlichen senkrecht zur Drehachse des Propellers verlaufenden Schwenkachsen (3, 26, 29), in Abhängigkeit von der Windstärke in die dem Wind abgekehrte Seite (Lee-Seite) schwenkbar, gelagert sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Flügel (1) auf Schwenkteilen (14) angeordnet sind, die auf senkrecht zur Drehachse (5) des Propellers vorlaufenden Achsen (3) schwenkbar derart gelagert sind, daß sie je nach der Wandstärke in die dem Wind abgewandte Seite mehr oder weniger stark geschwenkt werden können.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die sich nach vorne, vor - den Flügeln erstreckenden Schwenkteile schalenförmige Teile (25) der vorderen stromlinienförmigen Verkleidung (6) sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n t e i c h n e t daß an den Schwenkte len (14) Gegengewichte vorgesehen sind, die durch Fliehkraft bei höheren Umdrehungsgeschwindigkeiten des Propellers das Schwenken der Flügel (1) in die dem Wind abgekehrte Seite bewirken.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Hemmungseinrichtungen beziehungsweise Rückstellfedern für die Schwenkbewegung der Flügel in der Halterung beziehungsweise im Zentral lager 2 vorgesehen sind
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Hemmung aus einem Federgummiblock besteht, der mit dem jeweiligen Gegengewicht des Schwenkteiles. (14) ver- bunden ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Bewegung der Flügel (1) diese mit Zahnscheiben (28) verbunden sind, die auf Schwenkachsen (29) gelagert sind und die mit einem Zahnkranz (27) oder einer Zahnstange zusammenwirken, die längsverschiebbar auf der Welle (5) des Propellers angeordnet ist und gegen die Kraft einer Schraubenfeder (30) beim Umschwenken der Flügel <1) bewegt wird.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der hintere Teil der Vorrichtung in Form eines länglichen, vorzugsweise zylinderförmigen Körpers (15) ausgebildet ist, der an der Hinterseite eine stromlinienförmige Ausbildung (16) sowie ein Leitelement (17) aufweist und der im Innern elektrisch oder elektronisch gesteuerte, insbesondere Leuchtanzei geei n r i ch t u ngen aufweist.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß an dem Leitwerk (10) und gegebenenfalls an der hinteren Leitfläche (17) Photozellen (19) zur Energieversorgung der Einrichtung bei Windstille vorgesehen sind.
1 0. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß mehrere, insbe- sondere zwei, drei und vier, Propellereinrichtungen (20, 21, 23, 24) auf einem Mast oder Stator an einem Leitwerk (10) angeordnet sind.
11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Flügel des Propellers nach ihren äußeren freien Enden hin gekrümmt sind.
1 2. Vorrichtung nach- einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Flügel des Propellers gerade sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Hemmungseinrichtungen aus hydraulischen, pneumatischen oder Federeinrichtungen bestehen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schwenkbewegung der Flügel durch mechanische Einrichtungen von Hand, elektrisch oder hydraulisch in die umgeklappt Stellung erfolgt.