DE3230072C2

DE3230072C2 - Windkraftanlage

Info

Publication number: DE3230072C2
Application number: DE19823230072
Authority: DE
Inventors: Gottfried 7968 Saulgau Weiß
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-08-12
Filing date: 1982-08-12
Publication date: 1986-03-06
Also published as: ATA287183A; AT381370B; DE3230072A1; CH660402A5

Abstract

Eine Windkraftlage umfaßt einen um eine horizontale Achse schwenkbaren, sich quer zur Windrichtung einstellenden Windflügel, welcher in Abhängigkeit der momentan angreifenden Windböe in Windrichtung entgegen Federkraft wegschwenkt und bei nachlassender Windböe durch die gespeicherte Federkraft in seine Ausgangslage zurückschwenkt. Sowohl die Wegschwenkbewegung als auch die Rückschwenkbewegung des Windflügels wird über ein Getriebe an einen Generator zur Stromerzeugung übertragen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Windkraftanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Windkraftanlage ist aus der US-PS 9 61 705 bekannt. Bei dieser bekannten Windkraftanlage führt der Windflügel alternativ Schwenkbewegungen um eine horizontale Achse und Rotationsbewegungen um eine vertikale Achse aus. Die Steuerung dieser Bewegungen erfordert einen relativ komplizierten konstruktiven Aufbau der Windkraftanlage. Der wesentliche Nachteil dieser bekannten Windkraftanlage besieht jedoch darin, daß die angreifenden Windkräfte nicht elastisch aufgefangen werden können und daher insbesondere bei starken Windböen und gleichzeitiger Windrichtungsänderung die Anlage in ihrer Funktion störungsanfälliger ist und außerdem die Gefahr einer Beschädigung der Anlage besteht.

Andere bekannte 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, müssen sie jedoch bei größeren Windstärken stillgesetzt werden oder mittels besonderer Vorichlungcn zumindest teilweise aus dem Wind genommen werden. Die Windräder sind auch gegen Windböen empfindlich.

Weiter bekannte Windkraftanlagen mit Propellerantrieb laufen schlecht an und nutzen schwache bis müßige Windstärken nicht aus. Bei mäßigen Windstärken müssen größere Anlagen dieser Art mit Hilfe eines Zusai/.-motors in Gang gebracht werden.

Alle bekannten Windkraflanlagen mit Windrädern oder Propellern haben den gemeinsamen Nachteil, daß sie je nach Konstruktion in irgendeiner Weise den Wind nur teilweise nutzen. Außerdem haben sie im Hinblick

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auf den erforderlichen Bauaufwand und die Herstelluicgskosten 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 10m Höhe um mehr als 8 m pro Sekunde ändert An böigen Tagen muß man in 10 m Höhe mit ca. 20 Windschwankungen pro Minute rechnen. In der Piaxis sind sprunghafte Windsiärkeänderungen von 0,1 —12m/sek keine Seltenheit. Solche Schwankungen sind für die bekannten Windräder ziemlich unzuträglich bzw. gefährlich. Auf der anderen Seite würde jedoch eine doppelte Windstärke eine 8fache Leistung ergeben.

Windkraftanlagen der eingangs genannten Art vermögen eine bessere Leistungsausbeute der herrschenden Windverhältnisse zu erzielen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine

Windkrafianlage der aus der US-PS 9 61 705 bekannten

,Art so zu gestalten, daß bei einer robusten, einfachen

Konstruktion eine störungsunanfäWge Funktion bei gro-' Bcr Windkraftausbeute erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß sowohl durch die kcnnzeichenden Merkmale des Anspruchs 1 als auch durch die kennzeichenden Merkmale des Anspruchs 2 gelöst.

Durch die Erfindung ist die Windkraftanlage ohne großen Bauaufwand in der Lage, selbsttätig eine Anpassung an unterschiedliche Windböen vorzunehmen und diese zur Stromerzeugung zu nutzen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In den Zeichnungen ist der Erfindungsgegenstand dargestellt und nachfolgend erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Windkraftanlage in Seitenansicht,

F i g. 2 die Windkraftanlage nach F i g. 1 in Vorderen-

sieht,

l-'ig. 3 cine Windkraftanlage gemäß einer zweiten Ausführungsform in Seitenansicht,

Fig.4 die Windkraftanlage gemäß Fig. 3 in Draufsicht,

Fig. 5 die Windkraftanlage nach den Fig. 3 und F i g. 4 in Vorderansicht,

I·' i g. 6 eine dritte Ausführugnsform einer Windkraftiinlagc in Vorderansicht und

F i g. 7 die Windkraftanlage nach F i g. 6 in Seitenansieht.

Die in den F i g. 1 und 2 dargestellte Windkraftanlage umfaßt einen, einen Rahmen 18 umfassenden Windflügel 1, der mit horizontalem Abstand zur vertikalen Drehachse eines mit einem Standfuß 11 versehenen Drchkopl'es 2 horizontal um eine Schwenkachse 10 schwenkbar so angeordnet ist, daß er sich mit einer Siandsäulc 3, mit Antriebs- bzw. Arbeitsmitteln und einem Generator bzw. Dynamo dreht, sobald nur ein geringer Wind einsetzt. Der Windflügel 1 dreht sich dabei immer genau quer gegen den Wind auf die Leeseite und nimmt mil seiner großen Fläche schon bei schwächeren Böen erhebliche Energien auf. Oben ist der Windflügel 1 mit zwei Antriebsseilen 5 über gegebenenfalls verstellbare ßelestigungslager 5;; verbunden, welche bis zu einer Führung 6 getrennt laufen Nach der Führung 6 laufen die beiden Antriebsseile 5 dicht nebeneinander iihi-r die Antriebsscheibe des Generators 4, über eine obere Rolle 7 und eine untere Rolle T 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 untere Rolle T bis nahe zur oberen Rolle 7 erstrekken kann, so daß die ganze Kraft der Sturmböen aufgefangen wird, wobei der Windflügel 1 in eine ziemlich waagerechte Lage gedrückt wird, wie in F i g. 1 gestrichelt mit der Bezugsziffer 5' für die Seile dargestellt ist, 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 Antriebsseüe an den als Stromerzeuger dienenden Generator 4 ab. Ist der Höhepunkt der Böe überschritten, zieht sich der Gummistrang 8 wieder zusammen und gibt dabei die zweite Hälfte der empfangenen Energie an den Generator 4 ab, also bei Wind- und Windlücken- und Energieausgleich in Energieersparnis.

Ein Gummistrang 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 Übersetzung und schnelleren Lauf des Generators 4 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 Generator bei Linksdrehung gleichermaßen funktioniert wie bei Rechtsdrehung. Der Reibungsverlust ist im Vergleich zum Windrad und Propellerantrieb äußerst gering, weil sich der Windflügel weniger bewegt. Auch der Abnutzungsgrad 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 Generator bzw. 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 10 des Windflügels 1 gelagert ist. An der Montageplatte 12 sind zwei Windfahnen 14 parallel zueinander mit Abstand befestigt, welche den Windflügel 1 immer quer zur Windrichtung drehen. Statt der Anordnung der Windfahnen könnte die Schwenkachse 10 auch wie beim Ausführungsbeispiel nach der F i g. 1 —2 mit horizontalem Abstand zur vertikalen Drehachse des Drehkopfes 2 angeordnet sein oder es könnten sowohl die Versetzung der Schwenkachse 10 als auch die der 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 und ausgleichenden Stromgewinn ausgenützt werden. Zwei Schrauben bzw. 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 1 hat einen Ausschnitt 20 für ein Getriebe 22, 23 und die Montage-

platte 12 einen Ausschnitt für eine Übersetzungsscheibe 21. Auf der Montageplatte 12 ist als Teil des Getriebes eine halbkreisförmige Schiene 22 angeordnet, auf der ein Zahnantriebsriemen 23 geführt ist, der mitten am Unterteil des Windflügels 1 bei 23a befestigt ist und über zwei Rollen 24, eine kleine Antriebsscheibe 25 und am lee-seitigen Vicrtclkrcis der Schiene 22 über kleine Gleitrollen 27 läuft. Die kleine Antriebsscheibe 25 ist mittels einer Welle mit der Übersetzungsscheibe 21 verbunden. Die Übersetzungsscheibe 21 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 1 mit etwa der halben Windgeschwindigkeit bei mäßigen bis kräftigen 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 1 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 Windfiügel 1 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 gei'ahrlos bis um 75%. Der Windstaudruck beträgt bei Windstärken von 2—10 etwa 0,4—50,5 kp/m². Bei Winden mit viel Bodenwirbeln ist eine Windflügelfläche von ca. 10 qm wirtschaftlich. Bei störungsfreien Winden, die sich mehr in ausgeglichenen Intervallen bewegen, kann die Windflügelfläche bis lOOqm betragen. Bei konventionellen Windkraftanlagen steht das Windrad quer zur Windrichtung und seine Flügel stehen unter einem schrägen Winkel. Der Wind wird also am Rad durch den Flügel abgelenkt und kann nur einen Teil seiner Energie abgeben, abzüglich Verlust an hohem Lagerdruck und Reibungsverlust.

Seim 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 bequem zu arbeiten ist.

Bei der in den F i g 6 und 7 dargestellten Windkraftanlage sind gleiche Bauteile mit denselben Bezugsziffern wie in den vorher beschriebenen Ausführungsbeispieien versehen. Der Windflügel 1 ist auf der Montageplatte 12 wie beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 mit seiner Schwenkachse 10 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 1 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 1 befestigt ist. Die Zugfeder 34 ist so beschaffen, daß bei schwachen Windböen der Windflügel 1 etwa 10 Grad gegen die Leeseite gedruckt wird, bei Höchstwindstärken bis 80 Grad zurückweicht. Weiter kann der Windflügel 1 kaum neigen, weil der Winddruck durch die starke Schrägstellung und der dami verbundenen Verkürzung der Aufschlagfläche nachläU und die Bestreichung der Leeseite durch den Wind eini stärkere Neigung behindert. Die Leitrolle 37 ist mit ei ner Antriebsscheibe 38 starr verbunden. Die Scheibe 31 treibt über einen Zahnriemen 40 eine kleine Scheibe 3^C an, welche ihrerseits mit einer Übersetzungsscheibe 41 starr verbunden ist und dieselbe antreibt. Die Übcrsei zungsscheibe 41 treibt ihrerseits eine Scheibe 42 mittel· eines Zahnriemens 43 an und diese wiederum einen Gc nerator 44. An Stützen 45 der Montageplatte 12 ist jeweils ein elastischer Anschlag 46 für den Windflügel I vorgesehen. Der Windflügel 1 ist etwa in halber Höht quer geteilt und kann nach Belieben und Zweckmäßig keit mittels Zwischenelementen höher gestellt werden Anstelle der Windfahnen 14 können wieder Saveniusro toren eingesetzt werden.

Die Wirkungsweise ist folgende:

Eine Windböe drückt den Windflügel 1 je nach Stärk« gegen die Leeseite, wobei sich die Zugfeder 34 dehn und der Zahnriemen 35 über die Leitrolle 37 gezogei wird und die damit verbundene Antriebsscheibe 38 mil samt dem ganzen Getriebe 39—43 und Generator 44 ii Gang gesetzt und Strom erzeugt wird. Bis zur höchslei Überschreitung der Windböe wird etwa 50% der gc wonnenen Windenergie an den Generator 44 abgege ben, der Rest wird in der Zugfeder 34 gespeichert um während der nachfolgenden Windschwäche durch Zu rückziehen des Zahnriemens 35 über die Leitrolle 37 ii der anderen Drehrichtung an den Generator 44 abgege ben.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Windkraftanlage mit einem um eine horizontale Achse drehbaren, aus einem segelbespannten Rahmen bestehenden Windflügel, welcher mit seinem unten liegenden Ende über eine horizontale Schwenkachse an einer um eine vertikale Achse drehbaren Standsäule befestigt ist und mit einer Einrichtung zur automatischen Ausrichtung des Windflügels quer zur Windrichtung gekoppelt ist, wobei der segelbespannte Rahmen mit Antriebsmitteln für eine Arbeitsmaschine gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsmittel von einem elastischen Kraftspeicher (8,34) umfassenden einenends mit radialen Abstand von der Schwenkachse (JO) am Rahmen (18) befestigten und anderenends ortsfest an der Standsäule (3) gehaltenen Zugmittel (5,35) gebildet sind, welches zwischen seinen beiden Enden über ein Antriebsrad (38) eines an der Standsäule (3) befestigten, als Arbeitsmaschine dienenden Generator(4,44) geführt ist.

2. Windkraftanlage nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsmittel von einem einenends mit radialen Abstand von der Schwenkachse auf der einen Seite am Rahmen (18) bzw. Segel befestigten Zugmittel (23) gebildet sind, welches auf die andere Seite des Rahmens (18) bzw. des Segels geführt und dort anderenends mit Abstand von der Schwenkachse (10) befestigt ist und welches zwischen seinen beiden Enden über ein Antriebsrad (25) eines an der Standsäule (3) befestigten als Antriebsmaschine dienenden Generator (28) geführt ist, und daß dem Rahmen (18) und der Standsäule (3) ein Kraftspeicher (15) zugeordnet ist.

3. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zugmittel von wenigstens einem Seil (5) gebildet ist, in dessen Verlauf der elastische Kraftspeicher (8) eingeschaltet ist.

4. Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Kraftspeicher (8) aus einem Gummistrang, einer Zugfeder oder ähnlichem besteht.

5. Windkraftanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Seile (5) mit horizontalem Abstand an dem segelbespannten Rahmen (18) befestigt sind.

6. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche

3 — 5. dadurch gekennzeichnet, daß das Seil (5) bzw. die Seile (5) über wenigstens eine an der Standsäule (3) befestigte Umlenkrolle (7, T) geführt ist bzw. sind.

7. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche

3 — 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Seil (5) bzw. die Seile (5) an dem segelbespannten Rahmen (18) mittels horizontal verstellbarer Lager (Sa) befestigt ist bzw. sind.

8. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Standsäule (3) mittels eines an ihrem äußeren Ende angeordneten Drehkopfes (2) drehbar ist.

9. Windkraftanlage nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zugmittel von einem Zahnriemen (23,35) gebildet ist. M

10. Windkraftanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Zahnriemen (23) längs einer an der Standsäulc (3) befestigten bogenförmigen Schiene (22), gegebenenfalls über Führungsrollen (24,27) geführt ist.

11. Windkraftanlage nach Anspruch 2 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftspeicher von wenigstens einer Torsionsfeder (15) gebildet ist, welche an der Standsäule (3) mit horizontal liegender Federachse befestigt ist und mit einem Torsionsschenkel (17) an dem segeltuchbespannten Rahmen (18) angreift

12. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen das Zugmittel (23,35) und dem Generator (28, 44) ein Obersetzungsgetriebe geschaltet ist.

13. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur automatischen Ausrichtung der Windflügel quer zur Windrichtung von wenigstens einer Windfahne (14) oder einem Savoniusrolor (30) gebildet ist.

14. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 — 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur automatischen Ausrichtung des Windflügels quer zur Windrichtung durch eine Anordnung der Schwenkachse (10) des segelbespannten Rahmens mit horizontalem Abstand zur Drehachse der Standsäule (3) gebildet ist.

15. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine an der Standsäule (3) befestigte Montageplattforni (12).