DE4331073C1 - Windenergiekonverter mit einer vorzugsweise vertikal verlaufenden Drehachse als freier Kreisel - Google Patents

Description

Stand der Technik

Windenergiekonverter mit vertikaler Drehachse werden mit geraden Blättern in offener Form als sogenannter H-Darrieus oder mit gebogenen Blättern in geschlossener Form entsprechend dem original Darrieus Fig. 1 gebaut.

Windenergiekonverter in der Form des H-Darrieus haben eine Mittellagerung, die in verschiedenen Ausführungen die Blätter trägt.

Windenergiekonverter in geschlossener Form sind aufgebaut aus Blättern, einer Mittelachse, Fuß- und Kopflager. Beide Lager sind nach dem Stand der Technik in starrer Lage. Das Kopflager wird durch aufwendige Konstruktionen, in der Regel mit Seilabspannungen, in einer festen Stellung gehalten.

Ein erheblicher Aufwand ist notwendig, um bei fast starrer Lage des Kopflagers die Kräfte aufzunehmen, die an einem Windenergiekonverter entstehen.

Dabei werden die an den Blättern entstehenden Kräfte aus aerodynamischen Belastungen und Fliehkräften hauptsächlich als Zugkräfte und Drehmomente im Kopf- und Fußpunkt auf die Mittelachse übertragen.

Der Windenergiekonverter in geschlossener Bauform nach Fig. 1 ist in seinem Laufverhalten ein Kreisel entsprechend Fig. 2, der angetrieben wird. Dazu wird er von der Windbelastung wechselnd stark zur Seite gedrückt. Wenn sein Schwerpunkt wegen Ungleichheiten in der Bauform außerhalb des Stützpunktes liegt, kommt ein Moment aus der Schwerkraft hinzu.

Bei fest eingespanntem Fußpunkt würde die Achse eines sonst freien Kreisels entsprechend den Kreiseltheorien die in Fig. 2 dargestellten sich überlagernden Bewegungen ausführen. Diese Bewegungen sind mit einem fest angeordnetem Kopflager nicht möglich. Die Kopflagerbefestigung nimmt die erheblichen Kräfte aus den Kreiselbewegungen auf. Dies führt zu hohen Belastungen und das System neigt zum Schwingen.

Aufgabe

Mit der vorliegenden Erfindung wird das Ziel angestrebt, einen geschlossenen Vertikalachsenwindenergiekonverter soweit zu verbessern, daß die aufwendige Konstruktion der Kopflagerbefestigung entfallen kann.

Lösung

Um das beschriebene Ziel zu erreichen, wird die in Patentanspruch 1 angegebene Erfindung vorgeschlagen.

Vorteile

Windenergiekonverter mit senkrechter Achse wären auf engerem Raum aufzubauen, da die weit ausladenden Befestigungskonstruktionen entfielen.

Der Gesamtaufbau würde wesentlich einfacher und damit wesentlich kostengünstiger.

Alle Verschleißteile ließen sich im Fußpunkt und damit wesentlich leichter zugänglich bauen.

Die aus den Kreiselbewegungen entstehenden Belastungen müßten vom Gesamtsystem nicht aufgenommen werden.

Der Windkonverter hätte einen freien Kreiselgang, d. h. der Scheitelpunkt bliebe ohne jede Befestigung nach außen.

Die Achse könnte den sich überlagernden Kreiselbewegungen folgen, wobei sich die Rotationskegel wegen der unstetig zugeführten Windenergie nicht symmetrisch ausbilden würden. Dazu müßte der Fußpunkt die Achsbewegungen ohne Belastungsaufnahme ermöglichen, d. h. er würde als Kardangelenk oder elastisch ausgebildet sein, mit den notwendigen Schwingungsdämpfern gegen kritische Betriebszustände.

Für die Achseinbindung in das System ergäben sich drei Möglichkeiten, einmal nach Fig. 3 eine mit dem System rotierende Achse, ein Kopflager wäre dann überflüssig. Zum Zweiten eine im System nicht mitrotierende Achse nach Fig. 4. Dabei wäre ein Kopflager erforderlich, das nur von der Achse getragen würde. Die Achse müßte im Fußpunkt den Bewegungsabläufen folgen können. Als drittes könnte die Achse in das System mit zwei eigenen Lagern eingebunden nach Fig. 5 frei stabilisierend mit eigener Drehzahl rotieren.

Da die Achse nur noch die Funktion der Ableitung der Kräfte aus den Blättern hätte, könnte bei entsprechender Ausbildung der Blätter die mechanische Achse entfallen. Es würde sich dann nur noch eine theoretische Figurenachse in der Bewegung des Windenergiekonverters ausbilden.

Die zur Leistungsaufnahme und Umwandlung notwendigen Maschinenanlagen, z. B. Getriebe, Generator oder Pumpe, könnten entweder über bewegungsausgleichende Kupplungen angeschlossen und fest stationiert sein, Fig. 7, oder ganz oder teilweise in das Schwingungs- und Kreiselsystem, Fig. 8, eingebunden sein.

Erläuterung der Erfindung an Skizzen

Anhand der Fig. 1 bis 8 wird die Erfindung im folgenden erläutert.

Dabei geht es um die Darstellung der Zusammenarbeit und nicht um die maschinenbautechnischen Details.

Es zeigt

Fig. 1 Übersichtsplan eines Vertikalachsenwindenergiekonverters als freier Kreisel mit Hauptteilen (1 bis 16).

Fig. 2 Kreisel und das Zusammenspiel der Drehbewegungen.

Fig. 3 Blattabschnitt eines Windenergiekonverters mit rotierender Achse.

Fig. 4 Blattabschnitt eines Windenergiekonverters mit nicht rotierender Achse.

Fig. 5 Blattabschnitt eines Windenergiekonverters mit in zwei Lagern frei rotierender Achse.

Fig. 6 Blattabschnitt eines Windenergiekonverters ohne Achse.

Fig. 7 Blattabschnitt eines Windenergiekonverters mit fest stationiertem Maschinenteil.

Fig. 8 Blattabschnitt eines Windenergiekonverters mit in die Systembewegungen integriertem Maschinenteil.

Fig. 2 zeigt die theoretischen Grundlagen eines Kreisels, auf denen erfindungsgemäß ein Windenergiekonverter mit vertikaler Achse ohne Befestigung im Scheitelpunkt und mit festem Fußpunkt aufbaut. Statt der jetzt üblichen Befestigung des Kopflagers am Ende der Figurenachse und der Ableitung der Drehmomente und Kreiselkräfte in Haltesysteme kann der Windenergiekonverter nach vorgeschlagener Erfindung seine Achse entsprechend der momentanen Drehachse unbehindert ausrichten. Obwohl die Achse des Windenergiekonverters dann ständig ihre Lage unter dem Einfluß der von außen einwirkenden Kräfte ändert, ist das Kreiselsystem in sich stabil und die Schwankungsbreite nicht sehr groß.

Vorraussetzung für die freie Kreiselbewegung des Systems ist ein fester Drehpunkt am Fuß und die allseits bewegliche also kardanische oder elastische Einspannung.

Dabei kann der Windenergiekonverter mit einer Achse gebaut werden, die nach den Fig. 3, 4, 5 in das System integriert wird. Die Blätter können, wie bisher in der Technik üblich, etwa nach der Seillinie geformt sein, damit sie überwiegend auf Zug beansprucht werden. Ob man sich dabei für eine feststehende, eine mit dem System rotierende oder eine frei rotierende Achse entscheidet, ist für die erfindungsgemäße Ausbildung des Scheitelpunktes ohne Außenbefestigung unerheblich.

In einem Vertikalachsenwindkonverter ohne Befestigung des Scheitelpunktes ist ein Kopflager nicht mehr zwingend erforderlich. Damit entfällt auch der Zwang zu einer Achse entsprechend Fig. 6. Dann ändert sich allerdings die Belastungsverteilung im Windenergiekonverter.

Der Vertikalachsenwindkonverter braucht neben dem vorstehend beschriebenen vom Wind angetriebenen Teil auch den Maschinenteil, an den die aufgenommene Leistung weitergegeben wird. Dieser Maschinenteil ist grundsätzlich unabhängig vom Windenergiekonverter. Zwischen beiden Systemen muß daher immer eine bewegungsausgleichende Kupplung eingesetzt werden. Der Aufbau entspricht dann im Grundsatz Fig. 7.

Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Maschinenteile ganz oder teilweise nach Fig. 8 in das Schwingungssystem zu integrieren. Das belastet die elastischen Elemente zwar höher, führt aber zu einer völlig anderen Massenverteilung des gesamten Schwingungssystems.

Bezugszeichenliste

Vertikalachsenwindkonverter als freier Kreisel
Hauptteile

 1 Vertikalachs-Rotor
 2 Kopflager
 3 Kopfhalterung mit Blattanschlüssen, Scheitelpunkt
 4 Rotorblatt
 5 Fußhalterung mit Blattanschlüssen
 6 Bremssystem
 7 Hauptlager
 8 Schwingungssystem, allseits beweglich gedämpft
 9 Kupplung
10 Getriebe
11 Generator
12 Aufstellung, Mast
13 Mittelachse
14 Achslager, frei Mittelachslager
15 Fundamente
16 Elektroausgang

Claims (8)

1. Windkonverter mit Vertikalachs-Rotor,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Kopflager (2) bzw. der Scheitelpunkt (3) nicht von außen gehalten wird und Rotor (1) und Achse (13) am Fuße feststehen, aber allseits beweglich oder elastisch so gelagert sind, daß sie Kreiselbewegungen ausführen können.

2. Windkonverter mit Vertikalachs-Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (13) und das Blattsystem am Fuße allseits beweglich oder elastisch gelagert sind und Feder- und Dämpfungselemente (9) Resonanzschwingungen und kritische Betriebszustände verhindern.

3. Windkonverter mit Vertikalachs-Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (13) und das Blattsystem am Fuße allseits beweglich oder elastisch gelagert sind, die Achse ein Kopflager (2) trägt und nicht mitrotiert.

4. Windkonverter mit Vertikalachs-Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (13) und das Blattsystem am Fuße allseits beweglich oder elastisch gelagert sind und die Achse in das System festeingebunden mit der Systemdrehzahl rotiert.

5. Windkonverter mit Vertikalachs-Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (13) und das Blattsystem am Fuße allseits beweglich oder elastisch gelagert sind und die Achse in das System mit zwei Lagern (2, 7) eingebunden ist, und angeregt über die Lagerreibung als Trag- und Stabilisierungsachse frei rotiert.

6. Windkonverter mit Vertikalachs-Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß keine Mittelachse vorhanden ist und das Blattsystem einen rotationssymmetrischen Körper bildet, der mit seiner Symmetrieachse den Kreiselbewegungen folgt.

7. Windenergiekonverter mit Vertikalachs-Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der angetriebene Maschinensatz fest stationiert ist und über eine bewegungsausgleichende Kupplung (9) angeschlossen ist.

8. Windenergiekonverter mit Vertikalachs-Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der angetriebene Maschinensatz ganz oder teilweise in das Schwingungs- und Kreiselsystem eingebunden ist.