DE3918184A1 - Windrad - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Windrad für die Umwandlung von Windenergie in mechanische Drehenergie mit einer drehbar gela­ gerten vertikalen Abtriebswelle, mehreren am oberen Ende der Welle angebrachten horizontalen Armen, an den Armen angeordneten, von dem Wind beaufschlagten Platten und einem Windrichtungsgeber.

Es sind vertikale Windräder bekannt, deren horizontale Welle etwa am oberen Ende eines langen Ständers gelagert ist. Dieser Windradtyp hat mehrere Nachteile:

• 1. Da die Welle des Windrades horizontal liegt, muß die Drehenergie über ein Winkelgetriebe auf eine vertikale Welle übertragen werden, wenn der Energieverbraucher, z.B. der Generator, in geringerer Höhe, z.B. am Boden, angeord­ net werden soll. Ohne eine derart gebrochene Abtriebswelle müßte der Energieverbraucher ebenfalls in der Höhe ange­ ordnet sein, was eine entsprechend starke Ständerkonstruk­ tion zur Folge hat.
• 2. Die Ständerkonstruktion muß dem Gewicht des Windrades und seines Lagers entsprechend stark ausgebildet sein, und sie muß auch genügend hoch sein (Growian-Rotordurchmesser 100 m).
• 3. Das vertikale Windrad mit seiner Lagerung muß auf die Windrichtung ausgerichtet sein. Bei wechselnden Windrich­ tungen ist die Nachführung des Windrades aufwendig. Da bei kommerziellen Windanlagen die zu drehenden Massen be­ trächtlich sind, ergibt sich zwangsläufig eine erhebliche Trägheit und Verzögerung bei der Nachführung, was zu einer Minderung der Ausnutzung der tatsächlich verfügbaren Windenergie führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Windrad zur Umwandlung von Windenergie in mechanische Drehenergie zu schaffen, das die aufgezeigten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll das Rad bei stark wechselnden Windrichtungen eine maximale Ausnutzung der verfügbaren Windenergie, d.h. eine fast verzögerungsfreie Ein­ stellung des Windrades auf die jeweilige Windrichtung ermöglichen. Darüber hinaus soll der Aufwand für die Anlage, insbesondere für die Ständerkonstruktion verringert werden, so daß sich insgesamt beträchtliche Einsparungen in der Anlage ergeben.

Die Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Windrad erfindungs­ gemäß dadurch gelöst, daß jede Platte an ihrem Arm um eine zur Welle des Windrades parallele Achse drehbar ist und die Drehlagen der Platten so gesteuert werden, daß die Windangriffsflächen der Plat­ ten auf fast dem gesamten Bahnumfang in derselben Drehrichtung wirksam sind und in Windrichtung gesehen auf der einen Seite der Bahn größer als auf der anderen Seite der Bahn sind. Durch diese Plattendrehung wird erreicht, daß auf die Abtriebswelle des Wind­ rads immer ein Drehmoment in einer Drehrichtung wirkt und dement­ sprechend die Welle rotiert. Dabei geht auch die Windrichtung in die Plattensteuerung ein derart, daß auch bei einer neuen geänderten Windrichtung das Drehmoment in derselben Richtung bleibt. Da die Abtriebswelle vertikal verläuft, kann sie am Erdboden oder jeden­ falls in Bodennähe abgefangen werden. Dadurch wird die Ständerkon­ struktion vereinfacht, und diese kann ohnehin niedriger sein als bei einem vertikalen Windrad.

Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Platten um zur Abtriebswelle parallele Achsen drehbar und ihre Drehgeschwindigkeiten bei konstanter Windrichtung halb so groß wie die der Welle. Bei Annahme eines Windrads mit vier Armen und dementsprechend vier windbeaufschlagten Platten drehen sich die Platten um ihre Achsen um 45°, wenn sich die Abtriebswelle um 90° dreht. Steht das Windrad gerade so, daß zwei Arme genau in die bzw. gegen die Windrichtung zeigen und die beiden anderen Arme einen Winkel von 90° zur Windrichtung bilden, wird die Platte auf der einen Seite genau in Windrichtung eingestellt sein, während die gegenüberliegende Platte auf der anderen Seite der Welle senkrecht zur Windrichtung steht. Die beiden Platten auf den in der Windrich­ tung und entgegen der Windrichtung liegenden Armen haben eine 45°- Lage zur Windrichtung, so daß sich deren Drehmomentanteile summie­ ren. Entsprechend verbleibt auch bei allen anderen Drehlagen der Arme immer eine in derselben Drehrichtung wirkende Drehmomentsumme, so daß eine dauernde Rotation des Rades gewährleistet ist. Bei dieser Ausführungsform hat das Verhältnis der Drehgeschwindigkeit der Platten zu der Drehgeschwindigkeit der Abtriebswelle einen kon­ stanten Wert v _p /v _w = 0,5, wobei diese Geschwindigkeiten im allge­ meinen stetig sind und sich nur mit der Windgeschwindigkeit ändern. Dieses konstante Geschwindigkeitsverhältnis läßt sich z.B. durch mechanische Kopplung von Wellendrehung und Plattendrehung reali­ sieren.

Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Drehlagen der Platten von der Drehlage der Abtriebswelle und vom Windrichtungsgeber gesteuert. Ein wesentlicher Vorteil des erfin­ dungsgemäßen Windrads besteht darin, daß auch bei veränderlichen und umlaufenden Windrichtungen eine maximale Ausnutzung der Wind­ energie erreicht wird. Daher ist es wichtig, daß die Windrichtung als Einflußgröße in die Drehlagensteuerung der Platten eingeht, damit die hohe Plattenbeaufschlagung unabhängig von der Windrich­ tung erhalten bleibt.

Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Windrads ist die Welle des Winrichtungsgebers koaxial über der Welle des Windrades angeordnet, jede Platte mit einer horizontalen Scheibe fest verbunden und sind alle Scheiben mit der Welle des Windrich­ tungsgebers durch Kopplungsmittel drehmäßig so verbunden, daß eine Drehung des Windrichtungsgebers in eine Drehung der Scheiben und damit der Platten umgesetzt wird. Durch diese einfache mecha­ nische Kopplung zwischen Windrichtungsgeber und Drehlage der Plat­ ten wird eine praktisch momentane Anpassung des Windrads an vari­ able Windrichtungen erreicht. Es ist daher nicht wie bei vertikalen Windrädern das gesamte Rad einschließlich seiner Lagerung und wei­ terer Bauteile in die Windrichtung zu drehen, was nur mit beträcht­ licher Verzögerung möglich und bei schnell wechselnden Windrichtun­ gen nicht praktikabel ist. Zweckmäßigerweise sind die Kopplungs­ mittel bei dieser Ausführungsform Perlenbänder und sind ferner auf der Welle des Windrichtungsgebers und auf den Scheiben Umfangs­ nuten mit den Perlen entsprechenden Ausnehmungen ausgebildet. Die Perlenbänder bestehen aus einem endlosen, unelastischen oder wenig elastischen Kunststoffband, auf das in konstanten Abständen Kunst­ stoffkugeln fest aufgereiht sind. Dementsprechend sind die Ausneh­ mungen in den Umfangsnuten der Welle des Windrichtungsgebers und der Scheiben z.B. etwa halbkugelförmig ausgebildet. Der Vorteil dieser Kopplungsmittel besteht darin, daß sie nicht nur geradlinig, z.B. zwischen Scheiben und Welle verlaufen können, sondern mit Hilfe von am Umfang entsprechend ausgeformten Rollen in beliebigen Winkeln geführt werden können. Das erfindungsgemäße Windrad ist jedoch nicht auf diese Art der Kopplungsmittel beschränkt.

Bei einer anderen, großtechnischen Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Windrads liefert der Windrichtungsgeber, der von dem Windrad entfernt aufgestellt sein kann, ein elektronisches Steuer­ signal für einen elektrischen Stellmotor, ist der Stellmotor an eine Steuerwelle innerhalb der Abtriebswelle des Windrads angeschlos­ sen und ist die Steuerwelle über Winkelgetriebe und Steuerwellen innerhalb der Arme an die Wellen der Platten angeschlossen. Hier­ bei ist die Abtriebswelle des Windrads als Hohlwelle ausgebildet, welche die an den Windrichtungsgeber angeschlossene Steuerwelle enthält. Auch die Arme sind als Rohre ausgebildet, die jeweils die Steuerwellen enthalten, die einerseits über Zahnrad-Winkelgetriebe an die zentrale Steuerwelle und andererseits über Zahnrad-Winkel­ getriebe an die Wellen der drehbaren Platten angeschlossen sind. Die Getriebe sind dabei so ausgelegt, daß bei einer Relativdrehung zwischen der Abtriebswelle des Windrads und der zentralen Steuer­ welle um den Winkel β die Platten um den Winkel β/2 gedreht werden.

Es ist für den Fachmann verständlich, daß das Windrad nicht nur zwei bis vier, sondern auch mehr als vier Arme tragen kann und daß jeder Arm eine Platte oder eine Doppelplatte tragen kann.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Kleinanlage des erfindungsgemäßen Windrads mit Windrichtungsanzeiger;

Fig. 2 eine Draufsicht des Windrads nach der Linie II-II der Fig. 1; und

Fig. 3 eine Teildarstellung einer technischen Ausführungs­ form des erfindungsgemäßen Windrads, teilweise im Schnitt.

Nach den Fig. 1 und 2 sind an einer zentralen Abtriebs­ welle 7 vier Paare radiale Arme 6 fest angebracht. Zwischen je zwei vertikal übereinander stehenden Armen 6 ist eine vertikale Welle 3 angeordnet, die in den Armen 6 drehbar gelagert ist und über den oberen Arm 6 ein Stück hinausragt. An diesem oberen Ende der Plattenwelle 3 ist eine Scheibe 4 fest angebracht. Die Welle 3 trägt zwischen den Armen 6 eine Platte 7, deren Windangriffsfläche variiert werden kann. Insgesamt trägt die Welle 1 vier derartige Armpaare 6 und dementsprechend vier Platten 7.

Auf einem Zapfen 9 ist ein Windrichtungsgeber 2 mit seiner Welle 8 drehbar gelagert. Auf der Welle 8 sind überein­ ander vier Umfangsrillen vorgesehen; auch die vier entsprechend den Umfangsrillen der Welle 8 unterschiedlich hoch angeordneten Scheiben 4 weisen Umfangsrillen auf (nicht dargestellt). Die Welle 8 des Windrichtungsgebers ist durch vier Kopplungsmittel 5, von denen in Fig. 1 nur zwei dargestellt sind, mit den vier Schei­ ben kinematisch verbunden sind, so daß eine Änderung der Windrich­ tung über die Kopplungsmittel 5 und die Scheiben 4 eine Änderung der Drehstellung der Platten 7 zur Folge hat. Die Kopplungsmittel 5 sind im vorliegenden Fall endlose Perlenbänder, die um die Welle 8 und jeweils eine Scheibe 4 geführt sind. Die Perlenbänder bestehen aus einem wenig elastischen oder unelastischen Kunststoffband, auf dem in bestimmten konstanten Abständen Kunststoffkugeln fest ange­ bracht sind. Entsprechend sind in den Rillen der Welle 8 und der Scheiben 4 Ausnehmungen (nicht dargestellt), so daß ein Rutschen des Kopplungsmittels auf der Welle 8 und den Scheiben 4 nicht mög­ lich ist und jeder Winkeldrehung der Welle 8 eine bestimmte Win­ keldrehung der Scheiben 4 bzw. der Platten 7 zugeordnet ist. In Fig. 2 ist nur ein Perlenband dargestellt, jedoch sind die drei anderen Kopplungsmittel ebenfalls als Perlenbänder vorgesehen. Selbstverständlich können auch andere Kopplungsmittel Verwendung finden. Um bei der Rotation der Abtriebswelle 1 eine möglichst große Windbeaufschlagung der Platten 7 zu erreichen, beträgt das Durchmesserverhältnis der Welle 8 zu den Scheiben 4 1:2. Dies hat zur Folge, daß bei konstanter Windrichtung 19 die Drehgeschwindigkeit der Platten 7 nur halb so groß wie die Drehgeschwindigkeit der Welle 1 ist. Demzufolge trägt in der in Fig. 2 dargestellten Stellung die obere Platte 7 zum Gesamtdrehmoment der Welle 1 praktisch nichts bei, während die untere Platte 7 vom Wind voll beaufschlagt wird und somit das maximale Drehmoment liefert. Die beiden Platten 7 auf der Luv- und Leeseite des Windes addieren sich in ihrer Drehmomentwirkung. Auch bei sämtlichen anderen Dreh­ stellungen der Arme 6 bleibt infolge der Drehung der Platten 7 dieses Drehmoment erhalten. Bei einer Winddrehung dreht sich die Welle 8 entsprechend und bewirkt dadurch eine gleichzeitige Neu­ einstellung der Platten 7 auf die neue Windrichtung.

Das in den Fig. 1 und 2 modellartig dargestellte Windrad wird großtechnisch in anderer Weise ausgeführt. Fig. 3 zeigt eine mögliche Ausführungsform im Detail, bei der die Abtriebswelle 1 ebenfalls mehrere Arme 6 trägt, von denen jedoch nur einer voll­ ständig dargestellt ist. Die Abtriebswelle 1 und der Arm 6 sind rohrförmig ausgebildet und dienen zur Aufnahme der Steuerkette von dem Stellmotor 11 zur Plattenwelle 3. Der Windrichtungsgeber 2 steuert zunächst einen Stellmotor 11, der seinerseits die Steuer­ welle 10 in der Abtriebswelle 1 einstellt. Die Abtriebswelle 1 treibt den Generator 18. In dem Getriebekasten 12 am oberen Ende der Welle 1 ist ein Kegelrädergetriebe untergebracht. Die Steuer­ welle 10 trägt am oberen Ende das Kegelrad 13, das die Kegelräder 14, von denen in Fig. 3 nur zwei dargestellt sind, im Drehzahl­ verhältnis 1:2 dreht. Das Kegelrad 14 sitzt an dem einen Ende der Steuerwelle 15, die innerhalb des Arms 6 verläuft und am anderen Ende das Kegelrad 16 trägt. Das Kegelrad 16 treibt ein auf der Plattenwelle 3 sitzendes Kegelrad 17 im Drehzahlverhältnis 4:1, so daß eine Relavivdrehung der Wellen 1 und 10 um den Winkel β eine Drehung der Welle 3 um den Winkel β/2 bewirkt.

Claims (6)

1. Windrad für die Umwandlung von Windenergie in mechanische Drehenergie mit einer drehbar gelagerten vertikalen Abtriebswelle (1), mehreren am oberen Ende der Welle (1) angebrachten horizon­ talen Armen (6), an den Armen (6) angeordneten, von dem Wind be­ aufschlagten Platten (7) und einem Windrichtungsgeber (2), dadurch gekennzeichnet, daß jede Platte (7) an ihrem Arm (6) um eine zur Welle (1) parallele Achse drehbar ist und die Drehlagen der Plat­ ten (7) so gesteuert sind, daß die Windangriffsflächen der Platten (7) auf fast dem gesamten Bahnumfang in derselben Drehrichtung wirken und in Windrichtung gesehen auf der einen Seite der Kreis­ bahn größer als auf der anderen Seite der Kreisbahn sind.

2. Windrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (7) um zur Welle (1) parallele Achsen drehbar sind und ihre Drehgeschwindigkeiten bei konstanter Windrichtung halb so groß wie die der Welle (1) sind.

3. Windrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehlagen der Platten (7) von der Drehlage der Welle (1) und vom Windrichtungsgeber (2) gesteuert sind.

4. Windrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Welle (8) des Windrichtungsgebers (2) koaxial über der Welle (1) des Windrades angeordnet ist, jede Platte (7) mit einer Scheibe (4) fest verbunden ist und alle Scheiben (4) mit der Welle (8) des Windrichtungsgebers (2) durch Kopplungs­ mittel (5) drehmäßig so verbunden sind, daß eine Drehung des Wind­ richtungsgebers (2) im Verhältnis 2:1 in eine Drehung der Scheiben (4) und der Platten (7) umgesetzt wird.

5. Windrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsmittel (5) Perlenbänder sind und auf der Welle (8) des Windrichtungsgebers (2) und auf den Scheiben (4) Umfangsnuten mit den Perlen entsprechenden Ausnehmungen ausgebildet sind.

6. Windrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der wahlweise entfernt angeordnete Windrichtungs­ geber (2) ein elektronisches Steuersignal für einen elektrischen Stellmotor (11) liefert, der Stellmotor (11) an eine Steuerwelle (10) innerhalb der Abtriebswelle (1) des Windrads angeschlossen ist und die Steuerwelle (10) über Winkelgetriebe (13, 14; 16, 17) und Steuerwellen (15) innerhalb der Arme (6) an die Wellen (3) der Plat­ ten (7) angeschlossen ist.