-
Windkraftanlage
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Windkraftanlage gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs t.
-
Derartige Windkraftanlagen bestehen aus Windrädern mit mehreren Windflügeln.
Diese Windräder laufen schon bei schwachen Winden an und bringen bereits bei mäßigen
Windstärken nach heutigen Begriffen befriedigende Energieausbeuten. Um eine Beschädigung
oder gar Zerstörung dieser Windräder zu vermeiden, messen sie jedoch i1stärken stillgesetzt
werden oder mittels besonderer Vorrichtungen zumindest teilweise aus dem Wind genommen
werden. Die Windräder sind auch gegen Windböen empfindlich.
-
Andere bekannte Windkraftanlagen mit Probellerantrieb laufen schlecht
an und nutzen schwache bis mäßige Windstärken nicht aus.
-
Bei mäßigen Windstärken müssen größere Anlagen mit Hilfe eines Zusatzmotores
in Gang gebracht werden.
-
Alle bekannten Windkraftanlagen haben den gemeinsamen Nachteil, daß
sie je nach Konstruktion in irgendeiner Weise den Wind nur teilweise nutzen.
-
Außerdem haben sie im Hinblick auf den erforderlichen Bauaufwand und
die Herstellungskosten eine kleine Windbeaufschlagungsfläche und sind deshalb nicht
wirtschaftlich.
-
In der Praxis setzt sich jeder Wind, welcher in einer von Windkraftanlagen
erreichbaren Höhe weht, aus einzelnen Windböen zusammen, was z.B. bei der Betrachtung
von reifen Getreidefeldern oder von Tannenwäldern aus entsprechender Perspektive
deutlich zu erkennen ist. Meteorologisch spricht man von böigem Wind, wenn er seine
Geschwindigkeit in lo tu Höhe um mehr als 8 m pro Sekunde ändert. An böigen Tagen
muß man in lo m Höhe mit ca. 20 Windschwankungen pro Minute rechnen.
-
In der Praxis sind sprunghafte Windstärkenänderungen von Oi - 12 m/sek.
keine Seltenheit. Solche Schwankungen sind für die bekannten Windräder ziemlich
unzuträglich bzw. gefährlich. Auf der anderen Seite würde jedoch eine doppelte Windstärke
eine 8-fache Leistung ergeben.
-
Der erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftanlage
der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß sie die vorher beschriebenen Nachteile
der bekannten Anlagen nicht mehr aufweist und vielmehr ohne großen Bauaufwand in
der Lage ist, selbsttätig eine Anpassung an unterschiedliche Windböen vorzunehmen
und diese durch Stromerzeugung zu nutzen.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden
Teils des Anspruchs l gelöst.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
-
In den Zeichnungen ist der Erfindungsgegenstand dargestellt und nachfolgend
erläutert.
-
Es zeigt: Fig.1 eine Windkraftanlage in Seitenansicht Fig.2 die Windkraftanlage
nach Fig.1 in Vorderansicht
Fig.3 eine Windkraftanlage gemäß einer
zweiten Ausführungsform in Seitenansicht, Fig. 4 die Windkraftanlage gem.Fig. 3
in Draufsicht1 Fig. 5 die Windkraftanlage nach den Fig. 3 und 4 in Vorderansicht1
Fig. 6 eine dritte Ausführungsform einer Windkraftanlage in Vorderansicht und Fig.
7 die Windkraftanlage nach Fig. 6 in Seitenansicht.
-
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Windkraftanlage umfaßt einen
Windflügel l, der mit horizontalem Abstand zur vertikalen Drehachs eircs drehknopfes
2 horizontal um eine Schwenkachse lo schwenkbar so angeordnet ist, daß er sich mit
einer Standsäule 3 einer Spannungsvorrichtung und einem Dynamo 4 dreht, sobald nur
ein geringer Wind einsetzt. Der Windflügel dreht sich dabei immer genau quer gegen
den Wind auf die Leeseite und nimmt mit seiner großen Fläche schon bei schwächeren
Böen erhebliche Energien auf. Oben ist der Windflügel 1 mit zwei Antriebsseilen
5 über gegebenenfalls verstellbare Befestigungen 5a verbunden, welche bis zu einer
Führung 6 getrennt laufen. Nach der Führung 6 laufen die beiden Antriebs seile 5
dicht neteneinander über die Antriebsscheibe des Dynamos 4 über eine obere Rolle
7 und eine untere Rolle 7' bis zu einem Gummistrang 8, der seinerseits an einer
abgestützten Strebe 9 befestigt ist. Diese Anordnung ermöglicht es, daß sich der
Gummistrang 8, z.B. bei Sturmböen über die untes3 Rolle 7' bis nahe zur oberen
Rolle
7 erstrecken kann, so daß die ganze Kraft der Sturmböen aufgefangen wird, wobei
der Windflügel 1 in eine ziemlich waagrechte Lage gedrückt wird und somit keinerlei
Sturmschäden entstehen können.
-
Bei jeder Windböe streckt sich der Gummistrang 8 durch Wegdrücken
des Windflügels der Böenstärke entsprechend bis zum Höhepunkt der Böe und gibt dabei
etwa die Hälfte der empfangenen Energie über die Antriebsseile an den Stromerzeuger
ab. Ist der Höhepunkt der Böe überschritten, eieht sich der Gummistrang 8 wieder
zusammen und gibt dabei die zweite Hälfte der empfangenen Energie an den Stromerzeuger
ab, also bei Wind- und Windlücken Energieausgleich in Energieersparnis.
-
Ein Gummi strang gibt die gespeicherte Kraft ohne Energieverlust wieder
frei. Natürlich können zum selben Zweck auch Zugfedern evtl. in Verbindung mit Rollenzügen
benützt werden. Es würde eine Ubersetzung uiid schlieliaron Lauf des Dynamos zur
Folge haben.
-
Natürlich muß die Feder entsprechend stärker sein.
-
Die Drehrichtung in den Antriebselementen ändert sich allerdings bei
jeder Hin- und Herbewegung. Dies schadet aber nicht, weil ein Dynamo bei Linksdrehung
gleichermaßen funktioniert wie bei Rechtsdrehung.
-
Der Reibungsverlust ist im Vergleich zum Windrad-und Probellerantrieb
äußerst gering, weil sich der Windflügel weniger bewegt. Auch der Abnutztungsgrad
dürfte durch den Ausgleich der Windkräfte sehr gering sein, höchstens, daß in größeren
Zeitabständen der Gummistrang gewechselt werden muß.
-
Instandsetzung und Wartung sind wegen der Bodennähe problemlos. Wenn
nötig, können die Antriebsseile über ein zusätzliches Übersetzungsgetriebe geleitet
werden.
-
Auch ein zusätzlicher Dynamo, der bei starken Windkräften
automatisch
zugeschaltet wird, wäre denkbar.
-
Die in den Fig. 3 - 5 dargestellte Windkraftanlage weist ebenfalls
einen Drehkopf 2 auf, welcher mit einem Standfuß 11 verbunden ist. Eine im Drehkopf
2 gelagerte Standsäule 3 trägt an ihrem oberen Ende eine Montageplatte 12 an der
die Schwenkachse lo des Windflügels l gelagert ist. An der Montageplatte 12 sind
zwei Windfahnen 14 parallel zueinander mit Abstand befestigt, welche den Windflügel
l immer quer zur Windrichtung drehen. Statt der Anordnung der Windfahnen 14 könnte
die Schwenkachse 10 auch wie beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. l - 2 mit horizontalem
Abstand zur vertikalen Drehachse des Drehkopfes 2 angeordnet sein oder es können
sowohl die Versetzung der Schwenkachse als auch die Windfahnen vorgesehen sein.
Die Windfahnen 14 könnten ebenso auch durch einen Servenius-Rotor 30 ersetzt oder
unterstützt sein. Der Servenius-Rotor 30 könnte auch für einen zusätzlichen nrd
auegleichenden Stromgew,nn e enützt werden Zwei Schrauben oder Schleifenschenkelfedern
15 sind jeweils mit einem Schenkel 16 auf der Montageplatte 12 befestigt. Der andere
Schenkel 17 der Federn 15 steht in Ruhestellung vertikal nach oben. Ein Windflügelrahmen
18 ist beiderseits mittels Manschetten 19 mit den nach oben stehenden Federschenkeln
17 verbunden. Der untere Teil des Windflügels l hat einen Ausschnitt 2c für ein
Getriebe 22, 23 und die Montageplatte 12 einen Ausschnitt für eine übersetzungsscheibe
21. Auf der Montageplatte 12 ist als Teil des Getriebes eine halbkreisförmige Schiene
22 angeordnet, auf der geführt ist, ein Zahnantriebsriemen 23 der mitten am Unterteil
des Windflügels l bei 23a befestigt ist und über zurei Rollen 24, eine kleine Antriebsscheibe
25 und am leeseitigen Viertelkreis der Schiene 22 über kleine Gleitrollen 27 läuft.
Die kleine Antriebsscheibe 25 ist mittels einer Welle mit der Übersetzungsscheibe
21 verbunden.
-
Die Übersetzungsscheibe 2l treibt über einen Riemen einen auf der
Montageplatte 12 aufgesetzten Generator 28 an. Die Spannung der Federn 15 sollte
möglichst so eingestellt sein, daß bei Windböen der Windflügel l mit etwa der halben
Windgeschwindigkeit bei mäßigen bis kräftigeren Windböen weggedrückt wird, was eine
optimale Windausbeute zur Folge hat. Hierbei kann sich der Windflügel 1 von der
vertikalen Stellung um 70 Grad zur Erde neigen. Während dem Wegdrücken des Windflügels
l wird etwa die Hälfte der aufgenommenen Energie an den Generator 28 abgegeben,
die restliche Energie wird in den Federn 15 gespeichert. Bei der nachfolgenden Windlücke
wird die gespeicherte Energie von den Federn 15 freigegeben, der Windflügel l in
die ursprüngliche Stellung zurückgedrückt und die gespeicherte Energie über das
Getriebe an den Generator 28 abgegeben. Der Windflügel 1 soll mit Segeltuch so gespannt
sein, daß es sich leicht bauchen kann, wie etwa Schiffsegel oder Vogelfedern. Bei
Schrägstellung des Windflügels 1 durch Sturmböen verkürzt sich die Windaufschlagfläche
selbsttätig und gefahrlos bis um 75. Der Windstaudruck beträgt bei Windstärken von
2 - lo etwa 0,4 - 50,5 kp/m². Bei Winden mit viel Bodenwirbel ist eine Windflügelfläche
von ca. io qm wirtschaftlich. Bei störungsfreien Winden, die sich mehr in ausgeglichenen
Interwallen bewegen, kann die Windflügelfläche bis loo qm betragen. Bei konventionellen
Windkraftanlagen steht das Windrad quer zur Windrichtung und seine Flügel stehen
unter einem schregen Winkel, Der Wind wird also am Rad durch den Flügel abgelenkt
und kann nur einen Xeil seiner Energie abgeben, abzüglich Verlust an hohem Lagerdruck
und Reibungsverlust.
-
Beim Erfindungsgegenstand steht der Windflügel im rechten Winkel zur
Windrichtung bei Beginn der Windböen und wird bei richtiger Einstellung der Federn
erst bei Sturmstärken um 50 - 70 ° von der vertikalen
Stellung
in Schrägstellung gedrückt. Der Windmotor ist nahezu wartungsfrei und leicht zu
bedienen, weil die technischen Teile sich in Bodennähe befinden und auf der Montageplatte
12 bquem zu arbeiten ist.
-
Bei der in den Fig. 6 und 7 dargestellten Windkraftanlage sind gleiche
Bauteile mit denselben Bezugsziffern wie in den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen
versehen. Der Windflügel i ist auf der Montageplatte 12 wie beim Ausführungsbeispiel
nach den Fig. l und 2 mit seiner Schwenkachse lo gegenüber der vertikalen Ebene
des Drehkopfes 2 seitlich versetzt gelagert. Die Montageplatte 12 ist außerdem mit
Windfahnen 14 versehen. Durch diese beiden Maßnahmen wird der Windflügel l frontal
gegen die Windrichtung gedreht. Eine Zugfeder 34 ist einerseits an der Montageplatte
12 befestigt, andererseits mit einem Zahnriemen 35 verbunden, welcher über eine
Leitrolle 37 führt und bei 36 am Windflügel i befestigt ist. Die Zugfeder 34 ist
so beschaffen, daß bei schwachen Windböen der Windflügel etwa io Grad gegen die
Lee seite gedrückt wird, bei Höchstwindst:ken bis 80 Grad zurückweicht. Weiter kann
der Windflügel l sich kaum neigen, weil der Winddruck durch die starke Schrägstellung
und der damit verbundenen Verkürzun-g der Aufschlagfläche nachläßt und die Bestreichung
der Lee seite durch den Wind eine stärkere Neigung behindert. Die Leitrolle 37 ist
mit einer Antriebsscheibe 38 starr verbunden.
-
Die Scheibe:~38 treibt über einen Zahnriemen 40 eine kleine Scheibe
39 an,welche ihrerseits mit einer Übersetzungsscheibe 41 starr verbunden ist und
dieselbe antreibt. Die Übersetzungsscheibe 4i treibt ihrerseits eine Scheibe 42
mittels eines Zahnriemens 43 an und diese wiederum einen Generator 44. An Stützen
45 der Montageplatte 12 ist jeweils ein elastischer Anschlag 46 für den Windflügel
1
vorgesshen. Der Windflügel 1 ist etwa in halber Höhe quer geteilt
und kann nach Belieben und Zweckmäßigkeit mittels Zwischenelemente höher gestellt
werden.
-
Anstelle der Windfahnen 14 können wieder Saveniusrotoren eingesetzt
werden.
-
Die Wirkungsweise ist folgende: Eine Windböe drückt den Windflügel
1 je nach Stärke gegen die Leeseite, wobei sich die Zugfeder 34 dehnt und der Zahnriemen
35 über die Leitrolle 37 gezogen wird und die damit verbundene Antriebsscheibe 38
mitsamt dem ganzen Getriebe 39-43 und Generator 44 in Gang gesetzt und Strom erzeugt
wird. Bis zur höchsten Überschreitung der Windböe wird etwa 50 % der gewonnenen
Windenergie an den Generator 44 abgegeben, der Rest wird in der Zugfeder 34 gespeichert
und während der nachfolgenden Windschwäche durch Zurückziehen des Zahnriemens 35
über die Leitrolle 37 in der anderen Drehrichtung an den Generator 44 abgegeben.
-
Leerseite