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Beschreibung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine zusammenlegbare Vertikalwindmühle,
insbesondere auf eine außerordentlich sichere vertikal zusammenlegbare Windmühle,
die eine selbststartende Funktion aufweist und in der Lage ist, starken Winden zu
widerstehen und ferner die Möglichkeit aufweist, eine Selbsteinstellung der Drehzahl
vorzunehmen, und zwar entsprechend dem ausgeübten Winddruck, und zwar geschieht
dies durch automatische Deformation einer Hauptflügelanordnung gemäß dem Moment
derselben.
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Widmühlen ermöglichen der Menschheit die Ausnutzung natürlicher Energien
in einfacher Weise. Wind wurde bislang bei der Entwicklung moderner Industrien und
deren Entwicklung in unterschiedlicher Weise ausgenutzt.
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Die Verwendung von Windmühlen, die Wind in Energie umwandeln, nahm
jedoch seit der Verwendung uDn auf Kohle, Petroleum, Gas usw. basierender elektrischer
und Dampfenergie ab, und auch mit der Entwicklung verschiedener Verbrennungsmaschinen.
Derzeit sind Windmühlen eher ein Anziehungspunkt für Touristen, als daß sie praktischen
Zwecken dienen würden.
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Infolge der Entwicklungen auf dem Gebiet der Energie werden verschiedene
alternative Energiequellen in Betracht gezogen und es besteht wiederum ein starkes
Interesse an der Ausnutzung der Windkräfte im Rahmen der gesamten Energievorräte.
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Es wurde bereits ein Verfahren zar Erhöhung der Luftströmungsgeschwindigkeit
vorgeschlagen, um so eine Ausgangsgröße oberhalb einer vorbestimmten Größe zu erreichen
und um eine Turbine unter Verwendung dieses Luftstroms mit
erhöhter
Geschwindigkeit anzutreiben (vgl. die japanische Patent-Veröffentlichung 51-41150).
Bei diesem Verfahren ist jedoch der Turbinenschaufelteil verhältnismäßig kompliziert
und dessen Wartung ist nicht einfach.
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Bei einer weiteren bekannten Windmühle der Vertikalbauart kann die
Abmessung der Mühle für die gleiche Ausgangsgröße vermindert werden (vgl. dazu die
japanische Patent-Veröffentlichung 53-44972). Bei dieser Struktur sind jedoch zu
viele bewegliche Komponenten vorhanden und eine Verbesserung ist notwendig hinsichtlich
des Einbaus und der Wartung in gebirgigen Gebieten.
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Hinsichtlich der Struktur der Windmühle wurden bereits verschiedene
Bauarten vorgeschlagen, und zwar einschließlich von Windmühlen mit horizontalen
Wellen, wie beispielsweise der Propeller- oder Turbinenbauart, eine Robinson-Schalenbauart,
eine Rotor-Bauart und eine Bauart unter Verwendung der Robinson-Schale. Alle diese
Bauarten haben Vor- und Nachteile. Nachteilig ist in diesen Fällen, daß es notwendig
ist, den Rotor in einer speziellen Richtung bezüglich der Windrichtung anzupassen
und daß es notwendig ist, den Rotor auf eine anfängliche Betriebsstufe zu beschleunigen.
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Bei einer konventionellen Darrieus-Windmühle (mit geradlinigen Flügeln)
ist es schwierig, den Start mit Windkräften zu bewirken, es ist daher notwendig,
diese Mühle mit einer Savonius-Windmühle zu kombinieren oder einen Elektromotor
einzubauen.
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Ferner sind Spoiler- oder Bremsmittel, wie beispielsweise eine elektromagnetische
Bremse!! oder eine manuelle Bremse notwendig, was zusätzliche Kosten zur Folge hat,
um die übermässige Drehung der Windmühle dann zu unterdrücken, wenn die vorherrschenden
Winde sehr stark sind (beispielsweise eine Luftgeschwindigkeit von 15 m/sec oder
mehr).
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Zusammenfassend sieht die Erfindung eine Windmühle hoher Sicherheit
vor, die einen selbststartenden Betrieb ermöglicht, die die Kapazität besitzt, starken
Winden zu widerstehen und die eine Selbsteinstellungsfunktion entsprechend der Windkraft
ermöglicht.
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Zur Erreichung dieser Ziele sieht die Erfindung eine Windmühle vor,
die folgendes aufweist: eine Welle, vier Hauptflügel angeordnet in einer rhombischen
Form mit einem Paar von entgegengesetzten auf der Welle angepaßten Ecken, wobei
das obere Eckenpaar an der Welle über ein Lager angeordnet ist, welches sich längs
der Welle bewegen kann und wobei das andere entgegengesetzt liegende Eckenpaar der
rhombischen Struktur jeweils eine Anlenkstruktur aufweist, die die Winkelveränderung
ermöglicht, wobei ferner Hilfsflügel jeweils auf jedem der Hauptflügel angeordnet
sind.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
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Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich
aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung
zeigt: Fig. 1 eine schematische Vorderansicht der Hauptflügel einer erfindungsgemäßen
rhombischen Windmühle; Fig. 2 eine perspektivische Teilansicht einer Struktur mit
an den Hauptflügeln vorgesehenen Hilfsflügeln; Fig. 3 eine Teilvorderansicht der
Hauptflügel eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung; Fig. 4 eine Teildraufsicht
auf den Hauptflügelteil gemäß Fig. 3; Fig.5a und 6a Draufsichten eines Hauptflügels;
Fig.5b und 6b Seitenansichten des Hauptflügels; Fig. 7 eine perspektivische Teilansicht
des Hauptflügels;
Fig. 8 eine Teilbodenansicht des Hauptflügels;
Fig. 9 eine Draufsicht einer Sternanordnung aus drei Windmühlen; Fig.10 eine Vorderansicht
eines Teils der Anordnung gemäß Fig. 9; Fig.11 eine Seitenansicht der Anordnung
einer Vielzahl von Windmühlen in einer Reihe; Fig.12 eine Seitenansicht einer Windmühle
mit einem als Ausgleichselement verwendeten Gewicht; Fig.13 eine Seitenansicht einer
unabhängigen Federn verwendenden Windmühle; Fig.14 eine Seitenansicht einer auf
einem Turm angeordneten Windmühle; Fig.15 eine Vorderansicht einer Windmühle, die
nach oben zusammengefaltet werden kann; Fig.16 eine Draufsicht auf einer schwimmenden
Plattform installierten Windmühle; Fig.17 eine Seitenansicht der Windmühle gemäß
Fig. 16; Fig.18 eine Draufsicht auf eine Anordnung einer Vielzahl von Windmühlen
gemäß Fig. 16; Fig.19 eine Vorderansicht einer einen Ballon verwendenden Windmühle;
Fig.20 eine Vorderansicht einer Windmühle, die längs einer Mittelwelle zusammengefaltet
werden kann.
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Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Windmühle,
die folgendes aufweist: Hauptflügel 1 bis 4 angeordnet in einer rhombischen Form.
Die vertikal entgegengesetzt liegenden Ecken 7 und 8 des Rhombus sind drehbar an
einer Mittelwelle angeordnet.
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Die inneren Enden der Hauptflügel 1 bis 4 sind durch Gelenke an obere
und untere Ringe angelenkt. Der obere Ring ist längs der Welle gleitend, während
der untere Ring an einer festen Vertikalposition bezüglich der Welle gehalten ist.
Beide Ringe können jedoch gemeinsam miteinander verdreht werden, und zwar entsprechend
den Winkelveränderun-
gen der Hauptflügel.
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Die anderen Ecken 5 und 6 besitzen eine Gelenk- oder Angelstruktur,
die die Veränderung des Winkels ermöglicht.
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Wie in Fig. 2 gezeigt, ist jeder Hauptflügel 1 bis 4 mit einem wegragenden
Hilfsflügel 9 wie einer Flosse ausgestattet.
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Durch die Hilfsflügeln 9 kann ein Drehmoment beim Starten erzeugt
werden, ohne daß irgendeine andere Antriebskraft außer dem Wind erforderlich wäre.
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Die an jedem der Hauptflügel 1 bis 4 angeordneten Hilfsflügel 9 bestehen
vorzugsweise aus einem Material, welches eine ausreichend mechanische Festigkeit
besitzt, so daß es nicht durch den Wind zerbrochen wird, und ferner besitzt das
Material eine derartige Flexibilität, daß es wie eine Fahne im Wind flattert. Ein
Beispiel für ein ohne weiteres verfügbares Material ist Segeltuch oder wasserdichte
synthetische Harzflächenelemente (Kunstfasertücherj.
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Die Fig. 3 und 4 zeigen ein unterschiedliches Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein starrer Hilfsflügel 10 auf
jedem der Hauptflügel vorgesehen. Der Hilfsflügel 10 ist integral mit dem Hauptflügel
ausgebildet und kann aus dem gleichen oder einem unterschiedlichen Material gegenüber
dem Hauptflügel bestehen. Die Ecken 5 und 6 des Hauptflügelrhombus besitzen eine
Anlenkstruktur, welche die Winkelveränderung ermöglicht.
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Die erfindungsgemäße rhombische Windmühle besitzt ein wichtiges Merkmal
in der oben erwähnten Anlenkstruktur.
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Den Ecken 5 und 6 werden Kräfte erteilt, die bestrebt sind, diese
auszubreiten, d. h. ihren Winkel zu erhöhen, und zwar
mittels Federn,
die auf eine vorbestimmte Spannung eingestellt sind oder mittels anderer Glieder,
die die gleiche Funktion besitzen.
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Wenn die Drehzahl der durch die Windkräfte gedrehten Windmühle ansteigt,
so werden die durch das Drehmoment auftretenden Zentrifugalkräfte erhöht. Wenn die
Zentrifugalkraft die Spannung der Federn übersteigt, so reduziert die rhombische
Struktur der Windmühle deren Höhe (d. h.
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der Abstand zwischen entgegengesetzten angelenkten Ecken wird erhöht)
wie dies durch die gestrichelten Linien in Fig. 1 dargestellt ist, um den Einfluß
des Windes zu minimieren. Im umgekehrten Fall bewirkt die Struktur eine Vergrößerung
der Höhe,um insgesamt eine ausreichende Windkraft aufzunehmen.
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Die Mittelwelle 12 kann mit einem Ringstopper 30 ausgestattet sein,
um eine untere Grenze der Höhe der Windmühle vorzusehen.
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Die erfindungsgemäße rhombische Windmühle ist für eine automatische
Einstellung der Drehzahl geeignet, und sie wird mit einer hohen Drehzahl mit einer
ausgefahrenen Höhe bis zu einer konstanten Windgeschwindigkeit rotiert, wenn aber
die Windgeschwindigkeit über die konstante Geschwindigkeit erhöht wird, so vermindert
sie allmählich ihre Höhe,um die Sicherheit beizubehalten. Die Windmühle kann somit
sehr stark winden (beispielsweise den in einem Taifun auftretenden Winden widerstehen
).
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Die erfindungsgemäße Windmühle hat prinzipiell die oben beschriebene
Konstruktion, kann aber in abgewandelter Form Verwendung finden.
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Wenn beispielsweise die Windmühle von kleiner Bauart insgesamt ist,
so können die Hauptflügel 1, 4 (oder 2, 3)
gemäß Fig. 2 eine gleichförmige
Breite aufweisen, wie dies in Fig. 5a gezeigt ist, und auch eine gleichförmige Dicke,
wie dies in Fig. 5b gezeigt ist. Wenn jedoch die Windmühlengröße erhöht wird, so
besteht die Möglichkeit, daß der untere Hauptflügel 4(oder 3) infolge der hohen
auf ihn ausgeübten Last verdreht wird.
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Um mit diesem Problem fertig zu werden, sind die Hauptflügel 1 bis
4 zweckmäßigerweise sowohl in ihrer Breite wie auch Dicke verjüngt, wie dies in
den Fig.6a und 6b gezeigt ist. Wenn die Hauptflügel eine solche verjüngte Form besitzen,
so kann das Gewicht eines oberen Teils der Windmühle und somit das Gewicht der Gesamtwindmühle
vermindert werden.
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In den Fig. 5 und 6 sind strichpunktiert die Hilfsflügel 9 der Klappenbauart
dargestellt. Obwohl der Hilfsflügel 9 in der in Fig. 3 gezeigten Weise angebracht
sein kann, so ist doch üblicherweise der flexible Hilfsflügel 9 auf einer Hilfsflügel-Tragplatte
11 gemäß Fig. 7 angebracht.
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Fig. 8 zeigt den Hilfsflügel 9, der auf dem Hauptflügel in der beschriebenen
Weise angeordnet ist, in seinem Betriebszustand.
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Experimente haben gezeigt, daß zufriedenstellende Ergebnisse einfach
dadurch erhalten werden, daß man den Hilfsflügel 9 mit der Hilfsflügel-Tragplatte
11 verbindet oder verklebt, und zwar über eine Fläche desselben hinweg, die der
Hälfte der Breite derselben entspricht.
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Erfindungsgemäß kann eine Vielzahl der Windmühlen mit der obigen Konstruktion
in Kombination verwendet werden.
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Fig. 9 zeigt eine Draufsicht auf das Verwendungskonzept einer Vielzahl
von beispielsweise drei Windmühlen als einem
Satz. In diesem Falle
sind die drei Windmühlen an entsprechenden Tragdrähten 13 angeordnet, die von einem
Mittelpol oder einer Mittelstange 12 aus sich in einer radial gleichförmigen Abstands
beziehung bezüglich einander erstrecken.
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Fig. 10 ist eine Seitenansicht einer der in Fig. 9 gezeigten Windmühlen.
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Fig. 11 zeigt ein unterschiedliches Anordnungs-beispiel einer Vielzahl
von Windmühlen. In diesem Falle ist eine Vielzahl von Windmühlen an entsprechenden
Tragdrähten 13 angeordnet, die von einem Verbindungsdraht 15 aus erstreckend verlaufen,
wobei der Verbindungsdraht 15 eine Vielzahl von in einer Reihe errichteten Stangen
14 verbindet. Die Pole, Stangen oder Pylone brauchen nicht in einer Reihe angeordnet
sein, sie können auch zick-zackförmig, kreisförmig oder in irgendeiner anderen gewünschten
Form angeordnet sein, um den geographischen Bedingungen oder anderen Bedingungen
zu entsprechen.
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Fig. 12 zeigt ein Beispiel einer großen Windmühle, wobei eine Vielzahl
dieser Windmühlen in der gleichen Weise wie in Fig. 11 gezeigt angeordnet werden
können.
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In diesem Falle erstreckt sich ein horizontaler Verbindungsdraht 15
zwischen zwei Stangen oder Masten 4 (es kann sich dabei um Elektrizitätsmasten handeln)
und ein Antiverdrehglied ist am Draht 15 an einem Mittelpunkt angeordnet. Ein Wellendraht
13 (oder eine schaftartige oder stangenartige Welle) ist an einem Ende mit dem Antiverdrehglied
befestigt und am anderen Ende mit einem stationären Flansch 7 eines Universalgelenks
16, und zwar derart, daß ein straffgezogener Zustand herrscht. Das untere Ende der
Windmühle ist an dem stationären Flansch 17 angelenkt.
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Bei dieser Anordnung werden Windmühle und Welle gemeinsam miteinander
verdreht.
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Das obere vertikal bewegliche Ende der Windmühle ist mit einer Scheibe
(ähnlich einer Riemenscheibe) 18 ausgestattet, mit der ein Draht gekuppelt ist,
der ein Gewicht 19 am anderen Ende aufweist. Das Gewicht 19 dient als ein Gegengewicht
bezüglich einer Vertikalversetzung eines Gleitflansches 21 hervorgerufen durch eine
Erhöhung oder Verminderung der Drehzahl.
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In diesem Fall würden Schwingungen der Windmühle,die zu diesem Zeitpunkt
auftreten, durch den Horizontalverbindungsdraht 15 und den Wellendraht 14 absorbiert,
um den Einfluß auf die Ausgangsscheibe 22 zu vermindern.
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Während im Falle der Fig. 12 das Gewicht 19 vorgesehen ist, um ein
Gleichgewicht bezüglich einer Änderung der Form der Windmühle entsprechend der Drehzahl
derselben zu erreichen, kann der gleiche Effekt auch mit Federn 23 erreicht werden,
wie dies in Fig. 13 gezeigt ist, wo ein Beispiel einer unabhängigen Windmühle dargestellt
ist.
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Ferner kann der gleiche Effekt mittels Blattfedern erreicht werden.
Fig. 14 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches einen Turm oder
eine ähnliche Struktur 24 verwendet Bei diesem Falle einer Windmühle ist es erforderlich,
eine schmale und hohe Gestalt vorzusehen.
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Bei dieser Windmühle sind die Hauptflügel mit einer Stahlrohrwelle
25 gekuppelt, die gemeinsam mit der Windmühle rotieren kann. Erfindungsgemäß wird
die Stahlrohrwelle nur an zwei unteren Positionen durch Lager getragen und es wird
kein Tragdraht benötigt.
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Die Hauptflügel der Windmühle brauchen nicht stets nach unten gefaltet
zu sein. Fig. 15 zeigt ein Beispiel einer Windmühle, bei dem das obere Ende stationär
ist. Ob das obere oder untere Ende als stationär ausgewählt wird, hängt
von
den Konstruktionsbedingungen ab. Eine weitere Ausbildung der Windmühle gemäß der
Erfindung kann auf einem seegängigen Gebilde, wie beispielsweise einer schwimmenden
Plattform, eingebaut sein.
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Die Fig. 16 und 17 zeigen ein spezielles Beispiel einer solchen Windmühlenbauart.
In diesem Falle sind drei Maste 14 auf einer schwimmenden Plattform 26 errichtet.
Drei Tragdrähte 15 erstrecken sich von den entsprechenden Masten 15 aus und sind
durch eine Sternverbindung derart verbunden, daß der Verbindungspunkt sich in der
Mitte eines gleichseitigen Dreiecks befinden, wobei die Scheitel den Masten entsprechen.
Ein Wellendraht 13, der die Windmühle trägt, ragt vom Sternverbindungspunkt aus
nach unten und ist mit der schwimmenden Plattform 26 am anderen Ende verbunden.
Die schwimmende Plattform mit der Windmühle kann zu einem gewünschten Platz entfernt
vDn der Küste transportiert werden und dort mittels Ankerketten 27 verankert werden.
Mit 28 ist Ballast der schwimmenden Plattform 26 bezeichnet.
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Die Fig. 18 ist eine Draufsicht einer Anordnung einer Vielzahl von
schwimmenden Plattformen 26 mit Windmühlen.
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Fig. 19 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Windmühle. Bei diesem Beispiel wird ein Ballon 29 verwendet. Dieses Ausführungsbeispiel
erfordert nicht die Verwendung des Mittelmasts 14, der Masten 14, der Drähte 15
und des Gewichts 19,und zwar wegen des als Ausgleichselement wirkenden Ballons 29.
Diese Windmühle ist daher sehr einfach im Aufbau, zweckmäßig und auch effektiv.
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So lange der ausgeübte Winddruck innerhalb des Konstruktionswinddruckbereichs
liegt, kann der Ballon 29 schweben, so daß selbst dann, wenn der Wellendraht 13
zu jeder Ober-
fläche vorgesehen ist, die von der Windmühle empfangene
Drehenergie vollständig durch das Universalgelenk 16 auf die Ausgangs- oder Abgabescheibe
22 übertragen werden kann und zur Leistungserzeugung oder zu anderen Zwecken verwendet
werden kann. Der Wellendraht zwischen dem Ballon 29 und der Windmühle muß mit einem
Antiverdrehglied ausgestattet sein, welches leichter sein soll als die Hauptflügel.
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Fig. 20 zeigt ein letztes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Windmühle. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Hauptflügel längs der Mittelwelle
12 gefaltet.
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In diesem Falle ist es wiederum möglich, die Windaufnahmefläche zu
reduzieren. Zudem kann diese Windmühle dort verwendet werden, wo nur begrenzter
oder langgestreckter Raum verfügbar ist.
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Die Hauptflügel der Windmühle können dadurch abgesenkt werden, daß
man einen Aufhängring herunterzieht, und zwar im Falle einer großen Windmühle mittels
einer Winde.
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Bei der erfindungsgemäßen zusammenlegbaren vertikalen Windmühle ist
es möglich, die Vertikalabmessung entsprechend der Windgeschwindigkeit zu ändern,
ohne die grundsätzlich rhombische Form zu ändern. Die Windmühle gemäß der Erz in
dung kann somit in effektiver Weise in Horizontalrichtungen blasenden Wind aufnehmen
und auch in schrägen Richtungen oder vertikalen Richtungen blasenden Wind. Durch
diese Richtungswirksamkeit der Windmühle bezüglich der Winde kann die erfindungsgemäße
Windmühle schräg oder sonstwie ohne beträchtlichen Verlust der Windaufnahmefläche
eingebaut werden, und-in einem extremen Fall kann die Windmühle derart eingebaut
sein, daß sich die Mittelwelle horizontal erstreckt.
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Da die Höhe der gesamten Windmühle gemäß der Erfindung
verändert
werden kann, kann die Reparatur-und Wartungsarbeit sicher durchgeführt werden, und
zwar durch Festlegen der gesamten rhombischen Struktur auf einer sicheren und bequemen
Höhe.
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Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor: Es wird eine zusammenlegbare
Vertikalwindmühle beschrieben, die vier Hauptflügel angeordnet in einer rhombischen
Form aufweist, und zwar mit einem Paar von entgegengesetzten Ecken angeordnet an
einer Welle und mit Hilfsflügeln jeweils vorgesehen auf jedem der Hauptflügel. Das
obere Paar von Ecken an der Welle ist mit einem Lager ausgestattet, welches zu einer
Bewegung längs der Wellen geeignet ist. Das andere Paar von entgegengesetzt liegenden
Ecken der rhombischen Struktur hat jeweils eine Gelenkstruktur, die zu einer Winkelvariation
in der Lage ist.
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