WO2011003589A2 - Vertikalachsenrotor - Google Patents

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WO2011003589A2
WO2011003589A2 PCT/EP2010/004098 EP2010004098W WO2011003589A2 WO 2011003589 A2 WO2011003589 A2 WO 2011003589A2 EP 2010004098 W EP2010004098 W EP 2010004098W WO 2011003589 A2 WO2011003589 A2 WO 2011003589A2
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ring
wings
substructure
wing
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PCT/EP2010/004098
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WO2011003589A3 (de
Inventor
Ernst-Dieter Voigt
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Ernst-Dieter Voigt
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Publication date
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Publication of WO2011003589A2 publication Critical patent/WO2011003589A2/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D3/00—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor 
    • F03D3/005—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor  the axis being vertical
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D3/00—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor 
    • F03D3/06—Rotors
    • F03D3/062—Rotors characterised by their construction elements
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Definitions

  • the invention relates to a device for the conversion of wind energy in the form of a vertical axis rotor with a plurality of successively substantially vertically standing wings in the direction of rotation, which rotate by means of wind power on a substantially circular path about a central axis.
  • the vertical rotor essentially comprises a mast and a rotor mounted at its tip about a vertical axis of rotation.
  • the rotor consists of two triangular support structures per rotor blade, wherein the support structures are interconnected by struts. Rotor blades with a vertical longitudinal extent are arranged on the radial outer side of the support structures.
  • a conversion device for converting the kinetic energy of the rotor into electrical energy is arranged on the axis of rotation of the rotor.
  • the entire weight of the rotor including rotor blades is carried by the mast.
  • the mast for the rotor comprises three supporting legs, which run obliquely towards the top of the mast in the vertical direction and form a triangle in cross-section.
  • the mast has to absorb the entire weight of both the support structures and of the wings or rotor blades.
  • the supporting structures also transmit the weight of the wings to the area of the bearing of the rotor on the tip of the mast.
  • the wings also constantly changing pressure forces of the wind act, which also act on the said area.
  • Object of the present invention is therefore to provide a device for the conversion of wind energy in the form of a vertical axis rotor available, which is easy and inexpensive scalable and flexible in the manufacture and maintenance and in any size.
  • This object is achieved in a device for converting wind energy in the form of a vertical axis rotor with a plurality of circumferentially successive substantially perpendicular wings, which rotate by means of wind power on a substantially circular path around a central axis, solved by a central ring for the wing support and - storage is arranged, which receives substantially only the pressure forces acting on the wings of the wind.
  • a central ring for the wing support and storage which essentially absorbs only the compressive forces acting on the wings, permits a complete separation of the weight and air forces which act on the wing and which, as a matter of principle, are perpendicular to one another.
  • the central ring can be made extremely narrow in its cross-section and thus streamlined. Likewise, tilting of the vertical axis rotor by different loads on the wings in gusts of wind is largely avoided.
  • the construction of the vertical axis rotor is extremely flexible. If the vertical axis rotor to be increased, simply the diameter of the central ring and the number of blades is increased. At the same time decreases due to the larger radius of the orbit of the wing from the centrifugal acceleration of the rotating wings.
  • the vertical axis rotor according to the invention is thus arbitrarily scalable in terms of its size, power, etc. In order to be able to optimally transfer the pressure forces or centrifugal forces of the blades to the central ring and to facilitate or simplify maintenance work. times, it is advantageous if the central ring and the wings are connected at substantially half the height of the wing in particular detachably.
  • the wings thus optimally transfer the forces to the central ring; more complex or additional attachments of the wings on the central ring, for example, by additional struts, which must be arranged above and below half the wing height on the one hand and on the central ring on the other hand, account for it.
  • the central ring lies horizontally in the plane of the air flow of the wind. As a result, the air resistance of the central ring is low and the wings can be optimally flowed on the other side without much turbulence even when passing through the wind through the vertical axis rotor.
  • the axis of rotation of the central ring is mounted on the top of a central tower.
  • the weight of the central ring rests on the bearing of the wings.
  • the central tower is tensioned laterally for the discharge of forces. In this way, a maximum of stability of the central tower is achieved, so that even at high loads caused by gusts, storms, etc. a stable and reliable storage of the central ring is guaranteed at the central tower.
  • a base ring for receiving the weight forces of the wings is arranged in addition to the central ring.
  • the arrangement of a base ring makes it possible to dissipate the load by the weight of the wings and to distribute them evenly. As a result, the pressure forces of the wind on the wings and the weight forces of the wings are effectively separated from each other and unilateral forces avoided. At the same time this increases the uniformity of the rotational movement of the wings, which are arranged on the central ring and base ring.
  • the base ring is arranged at the lower end of the wing in the vertical direction. This ensures that no additional suspension is needed on the wings to absorb the weight forces of the wings.
  • the wings can do this over their entire height be flown in an optimal manner by the wind. The efficiency is thus improved or increased.
  • the active airfoil is placed in the inflow area, where the wind speed is no longer or hardly affected by the flow resistance of the substructure of the plant.
  • the wings thereby reach an area of higher wind speed.
  • the base ring is arranged in a particular U-shaped shell.
  • the dimensions of the particular U-shaped shell can be selected according to desired specifications. For example, wheels are arranged on the base ring, the dimensions of both the shell and the base ring can be chosen so that the wheels as far as possible completely in the base ring and further the base ring can be arranged as completely as possible in the U-shaped shell.
  • the shell is arranged on the substructure and in particular forms part of the supporting structure of the substructure.
  • the air resistance of the base ring and the device is lowered overall.
  • the wings can thus be flown smoothly from the air and the efficiency of the device is further improved.
  • the central ring and the base ring are connected to each other via particular obliquely running tension elements, in particular tie rods.
  • the propulsive force of the wing is transmitted from the center of gravity of the wings carrying support arms through the oblique, in particular down, current drawbars on the base ring. This increases the rigidity of the Bond between the base and central ring and at the same time ensures a uniform joint rotational movement of the base and central ring.
  • the wings of the vertical axis rotor are flowed by the wind during one revolution from the windward side, on the leeward side from the other side, it is expedient to provide a symmetrical cross-sectional profile of the wings.
  • the wings are arranged adjustable in terms of their angle of attack to the wind. Due to the adjustable arrangement of the wings, the wings can be optimally aligned with respect to the wind and thus be flown by the wind. The efficiency of the vertical axis rotor is thus further increased.
  • the servomotor allows on easy way to adjust the wings. In addition, it requires little space and is inexpensive to manufacture and maintain.
  • the servo motor can be arranged in particular in the base ring itself, because there is enough space, especially height available. Of course, the servo motor can also be arranged at another location, for example at the main bearing of the wings.
  • At least one probe for measuring the inflow velocity and / or the wind angle with respect to at least one wing.
  • the probe is arranged on the central ring or in front of the wing.
  • the probe measures the respective wind speed and the wind angle and forwards them, for example, to a control device, which in turn is connected to the servomotor.
  • the control device controls the servo motor so that the respective wing is optimally aligned with the wind. If several probes are arranged, a wind field, ie a distribution of direction and strength of the wind can be obtained in this way and the vertical axis rotor can be optimized to this effect.
  • a bracing and / or lateral guide wheels are arranged to hold the base ring in its orbit.
  • the lateral guide wheels can be arranged on the base or on the base ring itself. If the base ring held by a rotatable bracing in its orbit, can be dispensed with the guide wheels.
  • the bracing is then carried out, for example, between the main bearing of the central ring at the top of the central tower or with a lower tower at the central tower, for example, halfway up or down, arranged bearing and the base ring.
  • a base is designed such that the base ring is indirectly supported on the base and rotates on this around its axis.
  • the substructure can be used in particular side by side and opposite Overlying pillars comprise, which are interconnected at their upper ends, whereby a further solid and stable ring is formed.
  • wheels are arranged to roll the base ring on the base and / or on the base ring.
  • the mechanical energy of the base ring can then be tapped directly on the wheel axles of the wheels.
  • the base ring is mounted on the substructure by means of an air gap or by means of magnetic forces. At the same time while the wear of the wheel is reduced as well as the forces on the axis of the wheel accordingly; longer maintenance intervals are possible.
  • At least one generator in particular with an intermediate gear, which cooperates with at least one of the wheels. Due to the wind force on the wings, they rotate about their axis along the circumference of the central and base rings. The base ring rolls off indirectly on the wheels and also puts them into rotation. By rotating the generator is driven and can convert the mechanical energy into electrical energy.
  • the generator in particular the gear, in particular comprises different gear diameters and corresponding toothed racks, and is optionally switched on in order to generate a sufficiently high rotational speed on the shaft of the generator at low wind speeds.
  • the generator is also fixedly arranged on the substructure; the base ring then rotates over or over these wheels.
  • the number of wheels is chosen to be greater than the number of blades; however, it can be the same or less.
  • the generator and / or at least one wheel offer as little air resistance during the circulation, it is expedient that the generator and / or at least one wheel at least partially comprise a diaphragm. This freeways the generator or the wheel in the air flow in particular especially during the circulation largely avoided; the efficiency of the device is thereby improved.
  • the generator is operated by interaction with other generators and / or different diameter of the wheels and / or arrangement of generators with different powers in its optimum power range.
  • the energy yield i. be optimized by the generator converted and generated electrical energy.
  • the rotational speed of the wheels can be changed and thus indirectly the rotational speed of the axis of the generator can be influenced. If the generator interacts with additional generators, this increases the resistance in picking up the force of the rotational movement via the wheels, since the latter are connected directly to the generator. Thus, more wind power is needed for the same rotational speed of the base ring and the generators are then operated in accordance with high wind power in their optimum power range.
  • the device is buoyant, in particular semi-submersible, is formed.
  • buoyancy bodies are usually arranged on the substructure, which consist of mutually braced large-volume pipes.
  • the substructure is mounted rotatably limited. At the wheels of the substructure, the propulsive force of the base ring is removed due to the wind forces on the wings. This creates a rotational momentum on the substructure, which compensated by the limited rotatable storage or is discharged to the bottom of a body of water or the sea.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention in a schematic form perpendicularly from above
  • FIG. 2 shows a device according to the invention according to FIG. 1 in a side view
  • Figure 3 a, b is a view according to Figure 2 with rolling base ring on wheels;
  • Figure 4 shows a wing in a schematic form perpendicular from above and a
  • Figure 5 a, b is a vertical or longitudinal section of a wing with wing bearing;
  • Figure 6 shows a central ring with attached wing in vertical section;
  • Figure 7 is a partial horizontal section of a base ring together with
  • Figure 7 a, b horizontal sections of a further embodiment of the present invention with respect to the base ring;
  • Figure 8 a, b different bearings of the wing together with base ring
  • Figure 9 a, b alternative bearings of the wing with base ring on the base;
  • Figure 10 is a side view of the device according to the invention in a schematic form;
  • FIG. 11 is a buoyant device according to the invention.
  • a device 1 according to the invention is shown in a schematic form vertically from above.
  • a central ring 2 are arranged perpendicular to the plane of wings 5, which are detachably connected to the central ring 2.
  • the wings 5 are arranged distributed at the same distance along the circumference of the central ring 2.
  • the central ring 2 is mounted rotatably about an axis D perpendicular to the plane of the drawing.
  • Next obliquely running tie rods 3 are arranged in the region of the connection between the central ring 2 and wing 5, which are connected to a base ring 7 (not shown in Figure 1).
  • the central ring 2 is furthermore designed torsion-resistant and forms by radially extending guy ropes 4 to the directly opposite side of a substantially rigid and horizontal wheel (in Figure 1 in the drawing plane) analogous to a bicycle rim.
  • the stable central ring 2 absorbs the pressure forces exerted by the wind on the rotating wings 5.
  • the central ring 2 is horizontal in the air flow of the wind and therefore has an extremely low air resistance.
  • a probe 5a is arranged on the central ring 2.
  • FIG. 2 shows a side view of the device according to the invention as shown in FIG.
  • the wings 5 are now oriented in the plane of the drawing. At the vertically lower ends of the wings 5, which take the form of
  • Holm stubs have 5a, a base ring 7 is arranged, which rotates about its axis, which coincides with the axis D of the central ring 2, on a substructure 8.
  • the substructure 8 is in turn fixedly arranged on a base 9.
  • the axis D of the central ring 2 is rotatably mounted on the tip 10b of a central tower 10 and is located on the connecting lines between the guy ropes 4 of the central ring 2.
  • the central tower 10 is laterally wide over guy ropes 10a for deriving forces.
  • the base ring 7 can rotate on the substructure 8 in two ways.
  • successive wheels 20a can be attached to the substructure 8 in the circumferential direction be fixedly mounted (see Figure 3a), which are rotatably mounted about its axis and on which the base ring 7 rotates.
  • the base ring 7 distributed in the circumferential direction wheels 20b have (see Figure 3b), which rest on the base and roll on this; the base ring 7 rotates in this way also about its vertical axis on the substructure.
  • FIG. 4 shows a horizontal cross section of a wing 5 in a schematic form.
  • the wing 5 is rotatably mounted (reference L) and has for this purpose in the region of the definition of the central ring 2 on the wing 5 for storage and suspension L of the wing 5 from inside to outside a Holmaufdickung 12, ball bearings for vertical and horizontal forces, a corresponding bearing cage and a plurality of circumferentially distributed elastic buffer 13 and an outer bearing ring L R with 3 holes for quick assembly of the wing 5 on the central ring 2.
  • the axis of rotation D F of the wing 5 is oriented perpendicular to the plane and passes through the aerodynamic neutral point of the wing 5.
  • the wing 5 is now on the central ring 2, which has a plurality of connectors 1 1 in the radial outer region in the direction of the wing 5, with Plug connections 1 1 'correspond to the outer bearing ring L R of the wing 5, fixed.
  • the vane 5 can be rotated about the axis D F by any angle W F for alignment with the wind. When starting the system, a 360 ° rotation is possible.
  • the wing 5 has horizontal or vertical bearings 16a, 16b at approximately medium height so that it can be rotated about its vertical axis into the optimum angular position in accordance with the wind force.
  • the bearings 16a and 16b are according to the invention not rigidly anchored to the central ring 2, but over at least horizontally effective elastic elements, in particular rubber buffer 13. These rubber buffers allow the wind forces induced deflection of the wings relative to the central ring 2 as well as thermally induced rotations. This gives a sufficiently stable, but also elastic pivot bearing of the wings in the region of the central ring 2 shown only schematically in FIG.
  • Figure 6 shows analogous to Figure 5, the attachment of the central ring 2 on the wing 5.
  • the wing 5 is arranged by means of a quick connector 17 in the form of a plug connection 1 1 on the central ring 2.
  • the stepper motor (not shown) is arranged on the mounting L of the wing 5 vertically below the quick connector 17, 11 of the central ring 2.
  • the central ring 2 consists of an annular hollow profile with radial guy ropes 4.
  • the hollow section has a wing-like aerodynamically optimized cross-section.
  • the central ring 2 and the guy ropes 4 are partially provided with an aerodynamically shaped shell 2a, so that they together form a torsion-resistant box, which is stiffened by intermediate webs.
  • the shell 2a is arranged on the wing 5 facing the radial side and optimized for a the air resistance of the central ring 2, on the other hand, it also increases its rigidity. Since the central ring 2 is arranged substantially at half the wing height of the wings 5, thereby additional mechanical components for the adjustment of the wings, such as expensive gear, omitted.
  • FIG 7 a portion of the base ring 7 is shown in a schematic form perpendicular from above.
  • the base ring 7 has a substantially triangular-shaped auxiliary box 18 on its radial inner side I.
  • the wing bearing 19 is arranged for the rotatable about its vertical axis wings 5.
  • the base ring 7 is held by arranged on its outside guide wheels 20c in its orbit.
  • the axes of the guide wheels 20c are rotatably mounted in the substructure 8.
  • a generator 21 and a cooperating with him transmission is also arranged. This in turn interacts with the axis of at least one impeller 20a.
  • FIGS. 7a and 7b respectively show a further embodiment of a device according to the invention in a schematic form in a plan view (FIG. 7a) or in cross section (FIG. 7b).
  • the base ring 7 runs with the arranged on the base ring 7 generator 21 and impeller 20a in a U-shaped shell 30, wherein the legs 30a, 30b of the shell 30 are arranged perpendicular to the plane of rotation of the base ring 7.
  • the horizontal leg 30c of the U-shaped shell 30 substantially corresponds to the diameter of the U-shaped shell 30 and the vertical legs 30a, 30b form the height of the U-shaped shell 30.
  • the diameter and the height of the shell 30 are oriented in the We sentlichen according to the dimensions of the generator 21, including gear, associated impeller 20a, etc., so that the base ring 7 substantially fully is constantly disposed within the shell 30.
  • an aerodynamic fairing 27 is arranged to lower the air resistance of the U-shaped shell 30.
  • the width of the base ring 7, i. its horizontal extent can also correspond completely to the length of the leg 30c of the U-shaped shell 30. However, it can also correspond to only a fraction of the diameter of the U-shaped shell 30, as shown in FIG. 7a.
  • generator 21, impeller 20a and gear not fully accommodated in the base ring 7, these can be completed by means of a diaphragm 31 to avoid turbulence as possible. Of course, this can also be omitted.
  • FIG. 8a now shows a vertical section through the device in the area of the base ring 7.
  • the wing bearing 19 is (see FIG. 7) arranged on the radial inner side I of the base ring 7 and rotatably supports the lower wing spar 5a.
  • guide wheels 20 b are arranged, which are rotatably mounted with its axis on the substructure 8. These serve to stabilize the rotational movement of the base ring 7.
  • the base ring 7 does not have its own physical axis, but is guided by the guide wheels 20b on its orbit in the circumferential direction.
  • the base ring 7 runs on wheels 20 a, which are arranged on pillars 22, which form part of the substructure 8.
  • a generator 21 is further arranged, which converts the wind force, which is transmitted via the rotational movement of the wings 5 on the base ring 7, into electrical energy transforms.
  • the underside of the base ring 7 rolls off on the running surface 23 of the wheels 20a.
  • wing members 5a It is also located at the lower end of the wing members 5a and serves to control the rotational movement of the wings 5 about their vertical axis, so that they can be aligned optimally with respect to the wind in Fig. 8a and 8b.
  • the axis of the wheel 20a is connected to the generator 21 via a controllable transmission, in particular a toothed rack 24a, gears 24b and dog clutch 24c.
  • the generator 21 can each operate in its optimum power range by depending on the wind power and thus speed of the vertical axis rotor, the rotational speed of the axis of the wheel 20a via the gear 24a-c is controlled to fit the generator 21.
  • Multiple gears 24b must be arranged only on a few generators 21, since at low wind speed and little rotational energy is available. Additional generators 21 can then optionally be switched on at higher wind speeds.
  • 9a and 9b show an air-cushion or air-gap bearing 25 for the base ring 7 on the substructure 8.
  • This bearing 25 is wear-free and the wheels 20a or their axes are thereby relieved.
  • the decrease in the driving force of the base ring 7 can not take place via the support wheels 20a, but must be removed from the lateral guide wheels 20b, which are therefore in turn connected to a generator 21.
  • the lateral guide wheels 20b are rotatably mounted but fixedly arranged in the substructure 8.
  • the advantage here is that then the generator is stationary in the substructure connected to the guide wheels 20b.
  • Figure 9a shows an arranged on the radial inner side of the base ring 7 impeller 20a, whose axis cooperates with a generator 21 which is disposed directly on the axis of the impeller 20a.
  • a generator 21 which is disposed directly on the axis of the impeller 20a.
  • another with the guide wheels 20b cooperating generator 21 is arranged at the radial outer side of the base ring 7 adjacent to the guide wheels 20b vertical axis of rotation.
  • an air cushion 25 and below a waterbed 25a for supporting the base ring 7 on the substructure 8 is arranged.
  • the entire area of the lower vertical end of the wing 5 is provided together with the generator 21, wheels 20a, wing bearing 19, etc. with an aerodynamic fairing 27.
  • FIG. 9b now shows the opposite case.
  • the base ring 7 is again mounted on the substructure 8 via an air cushion 25 and a water bed 25a.
  • Next 8 rotatably mounted wheels 20a are now arranged in the substructure, which cooperate with a generator 21 via its axis.
  • the base ring 7 has in this case on its radial inner side a portion which corresponds to the running surface L R of the wheel 20 a and over which the base ring 7 rotates indirectly on the substructure 8.
  • the impeller 20a is rotated and the generator 21 connected to the axis of the impeller 20a generates electrical energy.
  • the base ring 7 is in turn mounted without wear on the air gap or water bed storage 25, 25 a on pillars 22 of the substructure 8.
  • FIG. 9 shows an alternative for power generation in that, instead of or in addition to the generator 21, a so-called linear generator 21 b is used.
  • This linear generator has a rotor coupled to the base ring 7 and a stator connected to the base 8. In the exemplary embodiment, the rotor is located above the stator.
  • This alternative has the advantage that the generator no gear must be upstream.
  • FIG. 10 shows a further embodiment of the device according to the invention.
  • the base ring 7 alone by means of braces 29a, 29b in its orbit.
  • the bracing 29 can be done in two ways. First, the base ring 7 by means of the bracing 29b ( Figure 10, right side) to the main bearing 28 at the top 10b of the central tower
  • the bracing 29a can also take place to a further bearing 28a, which is arranged deeper and optionally at a larger diameter of the central tower 10. Due to the two bracing 29a, 29b, the lateral guide wheels 20b on the substructure can be omitted.
  • a device according to the invention which is designed buoyant.
  • the vertical axis rotor is thus well suited for use in strong wind fields, for example on the Atlantic coast, etc. If the propulsion power of the wings for conversion into electrical energy at the wheels of the substructure removed, creates a different rotational moment between base 8 and 9 floor, which must be collected to fix the device in a predetermined position.
  • the device according to the invention comprises three gravity anchors 30 and loose anchorage ropes 32, which are connected to the substructure 8 and the rotational moments caused by wind power are tensioned. The wind and shaft pressure and the torque then establish a state of equilibrium.
  • the invention offers several advantages.
  • the device according to the invention allows almost complete separation of the weight and air forces acting on the wing.
  • the device according to the invention is also essentially freely scalable. The energy is released evenly.
  • the central tower is also free from torques acting on it.
  • the air resistance of the storage of the base ring is minimized to the substructure.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von Windenergie in Form eines Vertikalachsenrotors (1) mit mehreren in Umlaufrichtung aufeinanderfolgenden im Wesentlichen senkrecht stehenden Flügeln (5), welche mittels Windkraft auf einer im Wesentlichen kreisförmigen Bahn um eine zentrale Achse (10) rotieren. Dabei ist zumindest ein Zentralring (2) für die Flügelhalterung und -lagerung angeordnet, der im Wesentlichen nur die auf die Flügel wirkenden Druckkräfte des Windes aufnimmt.

Description

Vertikalachsenrotor
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von Windenergie in Form eines Vertikalachsenrotors mit mehreren in Umlaufrichtung aufeinander folgenden im Wesentlichen senkrecht stehenden Flügeln, welche mittels Windkraft auf einer im Wesentlichen kreisförmigen Bahn um eine zentrale Achse rotieren.
Derartige Vertikalachsenrotoren sind beispielsweise aus der DE 38 1 0 339 A1 bekannt. Der Vertikalrotor umfasst im Wesentlichen einen Mast und einen an dessen Spitze um eine vertikale Drehachse gelagerten Rotor. Der Rotor besteht aus jeweils zwei dreiecksförmigen Tragstrukturen pro Rotorblatt, wobei die Tragstrukturen über Verstrebungen miteinander verbunden sind. Auf der radialen Außenseite der Tragstrukturen sind Rotorblätter mit vertikaler Längserstre- ckung angeordnet. Unterhalb der Tragstrukturen ist an der Drehachse des Rotors eine Umwandlungseinrichtung zur Umwandlung der Bewegungsenergie des Rotors in elektrische Energie angeordnet. Die gesamte Gewichtskraft des Rotors samt Rotorblättern wird dabei durch den Mast getragen. Weiter umfasst der Mast für den Rotor drei Standbeine, die schräg auf die Mastspitze hin in vertika- ler Richtung zulaufen und im Querschnitt ein Dreieck bilden.
Nachteilig dabei ist, dass der Mast das gesamte Gewicht sowohl von den Tragstrukturen als auch von den Flügeln bzw. Rotorblättern aufnehmen muss. Dabei übertragen die Tragstrukturen neben ihrer eigenen Gewichtskraft auch die Ge- wichtskraft der Flügel auf den Bereich der Lagerung des Rotors auf die Spitze des Mastes. Zusätzlich wirken auf die Flügel auch noch stetig wechselnde Druckkräfte des Windes, die ebenfalls auf den genannten Bereich wirken.
Die Folge ist, dass Kippmomente entstehen, welche die gesamte Vorrichtung und insbesondere Getriebe, Lager, etc. mechanisch belasten und zu hohem Verschleiß führen. Weiterhin ist die Größe der Flügel bzw. Rotorblätter be- schränkt auf die Stabilität der Tragstruktur in Bezug auf den Abstand zwischen Drehachse und Flügel. Auch ist damit eine beliebige Erhöhung der Anzahl der Flügel, der Höhe der Flügel und des Radius der Umlaufbahn, auf der sich die Flügel bewegen, aus Stabilitätsgründen nicht möglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Umwandlung von Windenergie in Form eines Vertikalachsenrotors zur Verfügung zu stellen, welche einfach und günstig in der Herstellung und Wartung sowie beliebig in ihrer Größe skalierbar und flexibel einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Umwandlung von Windenergie in Form eines Vertikalachsenrotors mit mehreren in Umlaufrichtung aufeinander folgenden im Wesentlichen senkrecht stehenden Flügeln, welche mittels Windkraft auf einer im Wesentlichen kreisförmigen Bahn um eine zentrale Achse ro- tieren, dadurch gelöst, dass ein Zentralring für die Flügelhalterung und - lagerung angeordnet ist, der im Wesentlichen nur die auf die Flügel wirkenden Druckkräfte des Windes aufnimmt.
Die Anordnung eines Zentralringes für die Flügelhalterung und -lagerung, wel- eher im Wesentlichen nur die auf die Flügel wirkenden Druckkräfte aufnimmt erlaubt eine vollständige Trennung der Gewichts- und Luftkräfte, die auf den Flügel wirken und die prinzipbedingt senkrecht zueinander verlaufen. Dadurch kann der Zentralring in seinem Querschnitt äußerst schmal und damit strömungsgünstig ausgeführt werden. Ebenso wird ein Kippen des Vertikalachsenro- tors durch unterschiedliche Belastungen der Flügel bei Windböen weitestgehend vermieden.
Gleichzeitig ist die Konstruktion des Vertikalachsenrotors äußerst flexibel. Soll der Vertikalachsenrotor vergrößert werden, wird einfach der Durchmesser des Zentralringes und die Flügelanzahl erhöht. Gleichzeitig nimmt durch den größeren Radius der Umlaufbahn der Flügel die Zentrifugalbeschleunigung der umlaufenden Flügel ab. Der erfindungsgemäße Vertikalachsenrotor ist damit beliebig hinsichtlich seiner Größe, Leistung, etc. skalierbar. Um die Druckkräfte bzw. Zentrifugalkräfte der Flügel optimal auf den Zentralring übertragen zu können und um Wartungsarbeiten zu erleichtern bzw. zu verein- fachen, ist es vorteilhaft, wenn der Zentralring und die Flügel auf im Wesentlichen halber Flügelhöhe insbesondere lösbar miteinander verbunden sind. Die Flügel geben damit die Kräfte optimal an den Zentralring weiter; aufwendigere bzw. zusätzliche Befestigungen der Flügel am Zentralring, beispielsweise durch zusätzliche Streben, die oberhalb und unterhalb der halben Flügelhöhe an den Flügeln einerseits und am Zentralring andererseits angeordnet werden müssen, entfallen damit. Der Zentralring liegt dabei waagerecht in der Ebene des Luftstromes des Windes. Dadurch ist der Luftwiderstand des Zentralringes gering und die Flügel können auch beim Hindurchströmen des Windes durch den Verti- kalachsenrotor auf dessen anderer Seite ohne große Verwirbelungen optimal angeströmt werden.
Für eine einfache und momentenfreie Lagerung, ist es weiter vorteilhaft, wenn die Drehachse des Zentralrings auf der Spitze eines Zentralturms gelagert ist. Das Gewicht des Zentralrings ruht auf dem Lagern der Flügel.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Zentralturm zur Ableitung von Kräften seitlich abgespannt ist. Auf diese Weise wird ein Höchstmaß an Stabilität des Zentralturms erreicht, so dass auch bei hohen Belastungen durch Böen, Stürme, etc. eine stabile und zuverlässige Lagerung des Zentralrings an dem Zentralturm gewährleistet ist.
Vorteilhafterweise ist zusätzlich zum Zentralring ein Basisring zur Aufnahme der Gewichtskräfte der Flügel angeordnet. Die Anordnung eines Basisrings ermög- licht es, die Belastung durch die Gewichtskraft der Flügel abzuführen und gleichmäßig zu verteilen. Dadurch werden die Druckkräfte des Windes auf die Flügel sowie die Gewichtskräfte der Flügel voneinander wirkungsvoll getrennt und einseitige Kräfte vermieden. Gleichzeitig erhöht dies die Gleichmäßigkeit der Rotationsbewegung der Flügel, die am Zentralring und Basisring angeordnet sind.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der Basisring am in vertikaler Richtung unteren Ende der Flügel angeordnet ist. Dadurch ist sichergestellt, dass an den Flügeln keine zusätzliche Aufhängung zur Aufnahme der Gewichtskräfte der Flügel benötigt wird. Die Flügel können auf diese Weise über ihre gesamte Höhe in optimaler Weise vom Wind angeströmt werden. Der Wirkungsgrad wird damit verbessert bzw. erhöht.
Zur Verbesserung des Wirkungsgrades empfiehlt es sich, den Abstand der unte- ren Flügelenden vom Basisring dadurch zu vergrößern, dass die unteren Flügelenden durch Holmstummel verlängert sind, so dass das wirksame Flügelprofil erst ein Stück oberhalb des Basisringes beginnt. Dadurch wird das aktive Flügelprofil in den Anströmungsbereich gelegt, wo die Windgeschwindigkeit nicht mehr oder kaum noch durch den Strömungswiderstand des Unterbaues der An- läge beeinträchtigt wird. Außerdem gelangen dadurch die Flügel in einen Bereich höherer Windgeschwindigkeit.
Zur Reduzierung des Luftwiderstandes beim Umlauf und zur Vermeidung von Verschmutzung der Vorrichtung ist es zweckmäßig, daß der Basisring in einer insbesondere U-förmigen Schale angeordnet ist. Dabei können die Abmessungen der insbesondere U-förmigen Schale entsprechend gewünschten Vorgaben gewählt werden. Sind beispielsweise Räder am Basisring angeordnet, können die Abmessungen sowohl der Schale als auch des Basisrings so gewählt werden, sodaß die Räder soweit als möglich vollständig im Basisring und weiter der Basisring möglichst vollständig in der U-förmigen Schale angeordnet werden können.
Vorteilhafterweise ist die Schale am Unterbau angeordnet und bildet insbesondere einen Teil der Tragstruktur des Unterbaus. Dadurch können aufwendige zusätzliche Befestigungen der Schale vermieden werden. Gleichzeitig wird damit der Luftwiderstand des Basisrings bzw. der Vorrichtung insgesamt gesenkt. Die Flügel können damit störungsfreier von der Luft angeströmt werden und der Wirkungsgrad der Vorrichtung wird weiter verbessert. Um mögliche Verwindungen zwischen Basisring und Zentralring zu vermeiden, ist es zweckmäßig, dass der Zentralring und der Basisring über insbesondere schräg laufende Zugelemente, insbesondere Zugstangen miteinander verbunden sind. Die Vortriebskraft des Flügels wird vom Kräftemittelpunkt von die Flügel tragenden Tragarmen durch die schräg, insbesondere nach unten, laufenden Zugstangen auf den Basisring übertragen. Dies erhöht die Steifigkeit der Ver- bindung zwischen Basis- und Zentralring und sorgt gleichzeitig für eine gleichmäßige gemeinsame Drehbewegung von Basis- und Zentralring.
Da die Flügel des Vertikalachsenrotors während eines Umlaufs von der Luvseite von der einen, auf der Leeseite von der anderen Seite vom Wind her angeströmt werden, ist es zweckmäßig ein symmetrisches Querschnittsprofil der Flügel vorzusehen.
Zweckmäßigerweise sind die Flügel hinsichtlich ihrer Anstellwinkel zum Wind verstellbar angeordnet. Durch die verstellbare Anordnung der Flügel können die Flügel jeweils in optimaler Weise bezüglich des Windes ausgerichtet und damit vom Wind angeströmt werden. Der Wirkungsgrad des Vertikalachsenrotors wird damit weiter erhöht. Vorteilhafterweise wird die Anzahl der. Flügel NFL mittels folgender Formel NFL = d/(TFL■ SL2■ ca ■ cp) festgelegt, wobei TFL der Flügeltiefe, SL der Schnelllaufzahl, ca dem Auftriebs- beiwert, cp dem Leistungsbeiwert und d dem Durchmesser des Vertikalachsenrotors entspricht. Der Durchmesser d entspricht dabei dem doppelten Abstand von Flügelachse zur Drehachse des Vertikalachsenrotors. Da sowohl die Anzahl der Flügel NFL als auch die Flügeltiefe TFL, mithin also die Flächendichte FDL = NFL• TFL konstant ist, wird somit bei größerer Flügeltiefe TFL die Anzahl der Flügel entsprechend kleiner und umgekehrt. Da andererseits die Flügelstreckung, d. h. das Verhältnis von Flügelhöhe zu Flügeltiefe bestimmten Grenzen unterworfen ist, wirkt sich die Flächendichte bzw. die Flügelstreckung und - höhe direkt auf die Konstruktion bzw. Dimensionierung des Unterbaus aus. Sind wenige, aber schwere Flügel angeordnet, muss der Unterbau für stärkere Belas- tungen ausgelegt sein als für eine Vielzahl kleinerer leichterer Flügel. Wird also die Flügelanzahl gemäß obiger Formel festgelegt, wird auf einfache Weise eine optimale Flügelanzahl für die Energieumwandlung für den Vertikalachsenrotor bestimmt und überflüssige Kosten werden dadurch vermieden. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn zumindest ein Stellmotor zur Verstellung des Anstellwinkels der Flügel angeordnet ist. Der Stellmotor ermöglicht auf einfache Weise eine Verstellung der Flügel. Zudem benötigt er wenig Platz und ist in seiner Herstellung bzw. Wartung kostengünstig. Der Stellmotor kann insbesondere dabei im Basisring selbst angeordnet sein, denn dort steht genügend Platz, insbesondere Bauhöhe zur Verfügung. Selbstverständlich kann der Stell- motor auch an einer anderen Stelle, beispielsweise am Hauptlager der Flügel angeordnet sein.
Um die Kraft des Windes, die auf die Flügel wirkt, möglichst optimal ausnutzen zu können, ist es vorteilhaft, zumindest eine Sonde zur Messung der Anström- geschwindigkeit und/oder des Windwinkels in Bezug auf zumindest einen Flügel anzuordnen. Die Sonde ist dabei am Zentralring oder vor dem Flügel angeordnet. Die Sonde misst dann die jeweilige Windgeschwindigkeit sowie den Windwinkel und gibt diese beispielsweise an eine Steuerungsvorrichtung weiter, die wiederum mit dem Stellmotor verbunden ist. Die Steuerungsvorrichtung steuert dann den Stellmotor derart, so dass der jeweilige Flügel optimal zum Wind ausgerichtet ist. Werden mehrere Sonden angeordnet, kann auf diese Weise ein Windfeld, d.h. eine Verteilung von Richtung und Stärke des Windes erhalten werden und der Vertikalachsenrotor dahingehend optimiert werden. Wenn der Basisring keine eigene physikalische Achse aufweist, ist es vorteilhaft, dass eine Abspannung und/oder seitliche Führungsräder angeordnet sind, um den Basisring auf seiner Umlaufbahn zu halten. Die seitlichen Führungsräder können dabei am Unterbau oder am Basisring selbst angeordnet sein. Wird der Basisring durch eine drehbare Abspannung auf seiner Umlaufbahn gehalten, kann auf die Führungsräder verzichtet werden. Die Abspannung erfolgt dann beispielsweise zwischen dem Hauptlager des Zentralrings an der Spitze des Zentralturms oder mit einem am Zentralturm weiter unten, beispielsweise auf halber Höhe oder tiefer, angeordneten Lager und dem Basisring. Zweckmäßigerweise ist ein Unterbau derart ausgebildet, dass der Basisring sich auf dem Unterbau mittelbar abstützt und auf diesem um seine Achse rotiert. Damit wird nicht nur eine gleichmäßige Ableitung der Gewichtskräfte von Basisring und damit auch der Flügel auf den Unterbau gewährleistet, sondern es wird eine gleichmäßigere Gesamtbewegung der Flügel des Vertikalachsenrotors er- möglicht. Der Unterbau kann dabei insbesondere nebeneinander und gegenü- berliegende Pfeiler umfassen, die an ihren oberen Enden miteinander verbunden sind, wodurch ein weiterer fester und stabiler Ring gebildet wird.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn am Unterbau und/oder am Basisring Räder zum Abrollen des Basisrings angeordnet sind. Auf einfache Weise und ohne größere Reibungsverluste wird damit eine Drehbewegung des Basisrings gegenüber dem Unterbau erreicht. Auch kann die mechanische Energie des Basisringes dann direkt an den Radachsen der Räder abgegriffen werden. Um hohe Belastungen der Räder zu vermeiden, ist es besonders vorteilhaft, wenn der Basisring auf dem Unterbau mittels eines Luftspaltes oder mittels magnetischer Kräfte gelagert ist. Gleichzeitig wird dabei die Abnutzung des Rades ebenso wie die Kräfte auf die Achse des Rades entsprechend verringert; längere Wartungsintervalle sind damit möglich.
Um die Windkräfte, die auf die Flügel wirken, in elektrische Energie umzuwandeln, ist es vorteilhaft, zumindest einen Generator mit insbesondere zwischengeschaltetem Getriebe vorzusehen, der mit zumindest einem der Räder zusammenwirkt. Durch die Windkraft auf die Flügel rotieren diese um ihre Achse ent- lang des Umfangs des Zentral- und Basisringes. Dabei rollt der Basisring mittelbar auf den Rädern ab und versetzt diese ebenfalls in Rotation. Durch deren Rotation wird der Generator angetrieben und kann die mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln. Der Generator, insbesondere das Getriebe, um- fasst dabei insbesondere verschiedene Zahnraddurchmesser und entsprechen- de Zahnstangen, und wird wahlweise eingeschaltet, um bei geringen Windgeschwindigkeiten eine genügend hohe Drehzahl an der Welle des Generators zu erzeugen. Sind die Räder zum Abrollen des Basisrings am Unterbau angeordnet, ist der Generator auch fest am Unterbau angeordnet; der Basisring rotiert dann über diese Räder hinweg bzw. auf diesen ab. Um Schwingungen der Vor- richtung zu vermeiden, wird insbesondere die Anzahl der Räder größer als die Anzahl der Flügel gewählt; sie kann jedoch auch gleich oder kleiner sein.
Damit der Generator und/oder zumindest ein Rad möglichst wenig Luftwiderstand während des Umlaufs bieten, ist es zweckmäßig, daß der Generator und/oder zumindest ein Rad zumindest teilweise eine Blende umfassen. Dadurch wird ein Freistehen des Generators oder des Rades im Luftstrom insbe- sondere während des Umlaufs weitestgehend vermieden; der Wirkungsgrad der Vorrichtung wird dadurch verbessert.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, dass der Generator durch Zusammenwirken mit weiteren Generatoren und/oder unterschiedlichem Durchmesser der Räder und/oder Anordnung von Generatoren mit unterschiedlichen Leistungen in seinem optimalen Leistungsbereich betrieben wird. Durch eine geeignete Kombination eines oder mehrerer vorstehend genannter Möglichkeiten kann die Energieausbeute, d.h. die vom Generator umgewandelte und erzeugte elektrische E- nergie, optimiert werden. Anhand des Durchmessers der Räder kann die Umdrehungsgeschwindigkeit der Räder verändert und damit mittelbar die Rotationsgeschwindigkeit der Achse des Generators beeinflusst werden. Wirkt der Generator mit zusätzlichen Generatoren zusammen, erhöht dies den Widerstand beim Abgriff der Kraft der Rotationsbewegung über die Räder, da letztere direkt mit dem Generator verbunden sind. Damit ist für eine gleiche Umlaufgeschwindigkeit des Basisrings mehr Windkraft nötig und die Generatoren werden dann entsprechend bei hoher Windkraft in ihren optimalen Leistungsbereich betrieben. Schließlich ist es auch möglich, Generatoren mit unterschiedlichen Leistungen vorzusehen. Damit ist es möglich, dass zumindest ein Generator in sei- nen optimalen Leistungsbereich betrieben wird. Ändert sich die Windkraft und damit die Umlaufgeschwindigkeit, wird der Generator nicht mehr in seinen optimalen Leitungsbereich betrieben; dieser wird dann abgeschaltet und ein anderer Generator übernimmt dann die Energieumwandlung, der bei der geänderten Umlaufgeschwindigkeit seinen optimalen Leistungsbereich hat.
Um die Vorrichtung auch im Wasser nutzen zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung schwimmfähig, insbesondere halbtauchend, ausgebildet ist. Hierzu sind üblicherweise Auftriebskörper am Unterbau angeordnet, die aus untereinander verstrebten großvolumigen Rohren bestehen. Ist die Vorrichtung halbtauchend ausgebildet, wird diese weniger von den Wellen beaufschlagt und liegt ruhiger im Wasser. Damit die Vorrichtung auf einfache Weise im Wesentlichen an ihrer vorbestimmten Schwimmposition verbleibt, ist es weiter vorteilhaft, wenn der Unterbau begrenzt drehbar gelagert ist. An den Rädern des Unterbaus wird die Vortriebskraft des Basisrings auf Grund der Windkräfte auf die Flügel abgenommen. Dadurch entsteht am Unterbau ein Rotationsmoment, welches durch die begrenzte drehbare Lagerung kompensiert bzw. auf den Boden eines Gewässers oder Meeres abgeleitet wird.
Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn die in Umfangsrichtung begrenzte drehbare Lagerung des Unterbaus durch zumindest ein Verankerungsseil, das mit dem Unterbau einerseits und mit zumindest einem Schwerkraftanker andererseits verbunden ist, erfolgt. Dadurch wird auf einfache und kostengünstige Weise das Rotationsmoment ausgeglichen und gleichzeitig verbleibt die Vorrichtung im Wesentlichen an ihrer vorher bestimmten Schwimmposition. Bei stärker werdendem Wind entsteht ein größeres Rotationsmoment, das zumindest eine Verankerungsseil wird stärker gespannt und die Schwimmposition wird damit bei stärkerem Wind durch das größere Rotationsmoment stärker fixiert.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgen- den Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen.
Dabei zeigt Figur 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Form senkrecht von oben
Figur 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Figur 1 in einer Seitenansicht;
Figur 3 a, b eine Ansicht gemäß Figur 2 mit abrollendem Basisring auf Rädern; Figur 4 einen Flügel in schematischer Form senkrecht von oben und einen
Ausschnitt eines Zentralringes;
Figur 5 a, b einen Vertikal- bzw. Längsschnitt eines Flügels mit Flügellagerung; Figur 6 einen Zentralring mit angeschlossenem Flügel im Vertikalschnitt;
Figur 7 einen teilweisen Horizontalschnitt eines Basisrings zusammen mit
Flügellagerung und einem Hilfskasten;
Figur 7 a, b Horizontalschnitte einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bzgl. des Basisrings;
Figur 8 a, b verschiedene Lagerungen des Flügels zusammen mit Basisring und
Laufrad in schematischer Form;
Figur 9 a,b alternative Lagerungen des Flügels mit Basisring auf dem Unterbau; Figur 10 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Form;
Figur 11 eine schwimmfähige erfindungsgemäße Vorrichtung. In Figur 1 ist in schematischer Form senkrecht von oben eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gezeigt. Entlang des Umfangs eines Zentralringes 2 sind senkrecht zur Zeichenebene Flügel 5 angeordnet, die mit dem Zentralring 2 lösbar verbunden sind. Die Flügel 5 sind in gleichem Abstand entlang des Umfangs des Zentralrings 2 verteilt angeordnet. Der Zentralring 2 ist dabei senkrecht zur Zei- chenebene um eine Achse D drehbar gelagert.
Weiter sind schräg laufende Zugstangen 3 im Bereich der Verbindung zwischen Zentralring 2 und Flügel 5 angeordnet, die mit einem Basisring 7 (in Figur 1 nicht gezeigt) verbunden sind. Der Zentralring 2 ist weiterhin verwindungsfest ausgeführt und bildet durch radial verlaufende Abspannseile 4 zur direkt gegenüberliegenden Seite ein im Wesentlichen steifes und waagrechtes Rad (in Figur 1 in der Zeichenebene) analog zu einer Fahrradfelge. Der stabile Zentralring 2 nimmt dabei die Druckkräfte auf, die der Wind auf die umlaufenden Flügel 5 ausübt. Weiterhin liegt der Zentralring 2 waagerecht im Luftstrom des Windes und weist daher einen äußerst geringen Luftwiderstand auf. Zur Messung der Anströmgeschwindigkeit und des Windwinkels ist an dem Zentralring 2 eine Sonde 5a angeordnet.
In Figur 2 ist eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fi- gur 1 gezeigt. Die Flügel 5 sind dabei jetzt in der Zeichenebene orientiert. An den in vertikaler Richtung unteren Enden der Flügel 5, die die Form von
Holmstummeln 5a aufweisen, ist ein Basisring 7 angeordnet, der um seine Achse, die mit der Achse D des Zentralrings 2 übereinstimmt, auf einem Unterbau 8 rotiert. Der Unterbau 8 ist wiederum auf einem Boden 9 fest angeordnet. Die Achse D des Zentralringes 2 ist dabei auf der Spitze 10b eines Zentralturms 10 drehbar gelagert und liegt auf den Verbindungslinien zwischen den Abspannseilen 4 des Zentralrings 2. Der Zentralturm 10 ist über Abspannseile 10a zur Ableitung von Kräften seitlich breit abgespannt. Der Basisring 7 kann auf dem Unterbau 8 auf zweierlei Art rotieren. Zum einen können an dem Unterbau 8 in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Räder 20a fest montiert angeordnet sein (siehe Figur 3a), die um ihre Achse drehbar gelagert sind und auf denen der Basisring 7 umläuft. Umgekehrt kann auch der Basisring 7 in Umfangsrichtung verteilt Räder 20b aufweisen (siehe Figur 3b), die auf dem Unterbau aufliegen und auf diesem abrollen; der Basisring 7 rotiert auf diese Weise ebenfalls um seine vertikale Achse auf dem Unterbau.
In Figur 4 ist ein waagrechter Querschnitt eines Flügels 5 in schematischer Form gezeigt. Der Flügel 5 ist dabei drehbar gelagert (Bezugszeichen L) und weist hierzu im Bereich der Festlegung des Zentralringes 2 am Flügel 5 zur La- gerung und Federung L des Flügels 5 von innen nach außen eine Holmaufdickung 12, Kugellager für vertikale und horizontale Kräfte, einen entsprechenden Lagerkäfig sowie mehrere umfänglich verteilte elastische Puffer 13 und einen äußeren Lagerring LR mit 3 Bohrungen für eine Schnellmontage des Flügels 5 am Zentralring 2 auf. Die Drehachse DF des Flügels 5 ist dabei senkrecht zur Zeichenebene orientiert und geht durch den aerodynamischen Neutralpunkt des Flügels 5. Der Flügel 5 wird nun am Zentralring 2, der im radialen Außenbereich in Richtung auf den Flügel 5 mehrere Steckverbindungen 1 1 aufweist, die mit Steckverbindungen 1 1 ' am äußeren Lagerring LR des Flügels 5 korrespondieren, festgelegt. Der Flügel 5 kann zur Ausrichtung gegenüber dem Wind um beliebi- ge Winkel WF um die Achse DF gedreht werden. Beim Anfahren der Anlage ist eine Drehung um 360° möglich.
Wie Figur 5a und 5b zeigt, weist der Flügel 5 auf etwa mittlerer Höhe waagerechte bzw. senkrechte Lager 16a, 16b auf, damit er entsprechend der Wind- stärke um seine vertikale Achse in die optimale Winkellage gedreht werden kann. Die Lager 16a und 16b sind erfindungsgemäß nicht starr am Zentralring 2 verankert, sondern über zumindest in Horizontalrichtung wirksame elastische Elemente, insbesondere Gummipuffer 13. Diese Gummipuffer erlauben es, die durch Windkräfte ausgelöste Durchbiegung der Flügel relativ zum Zentralring 2 wie auch thermisch bedingte Drehungen aufzunehmen. Man erhält dadurch eine hinreichend stabile, aber auch elastische Drehlagerung der Flügel im Bereich des in Figur 5 nur schematisch dargestellten Zentralringes 2.
Figur 6 zeigt analog zu Figur 5 die Befestigung des Zentralringes 2 am Flügel 5. Der Flügel 5 ist dabei mittels eines Schnellanschlusses 17 in Form einer Steckverbindung 1 1 am Zentralring 2 angeordnet. Der Schrittmotor (nicht gezeigt) ist dabei an der Lagerung L des Flügels 5 vertikal unterhalb des Schnellanschlusses 17, 11 des Zentralringes 2 angeordnet. Der Zentralring 2 besteht aus einem ringförmigen Hohlprofil mit radialen Abspannseilen 4. Das Hohlprofil hat einen tragflügelähnlichen aerodynamisch optimierten Querschnitt. Der Zentralring 2 und die Abspannseile 4 sind teilweise mit einer aerodynamisch geformten Schale 2a versehen, so dass diese zusammen einen verwindungsfesten Kasten bilden, der durch Zwischenstege ausgesteift ist. Die Schale 2a ist auf der dem Flügel 5 zugewandten radialen Seite angeordnet und optimiert zum einen den Luftwiderstand des Zentralringes 2, zum anderen erhöht sie auch dessen Steifigkeit. Da der Zentralring 2 im Wesentlichen auf halber Flügelhöhe der Flügel 5 angeordnet ist, können dabei weitere mechanische Komponenten für die Verstellung der Flügel, wie beispielsweise aufwendige Getriebe, entfallen.
In Figur 7 ist in schematischer Form ein Teil des Basisringes 7 senkrecht von oben gezeigt. Der Basisring 7 weist dabei an seiner radialen Innenseite I einen im Wesentlichen dreiecksförmigen Hilfskasten 18 auf. Im Hilfskasten 18, also zwischen Innenseite des Basisringes 7 und der dem Basisring 7 zugewandten Innenseite des Hilfskastens 18 ist die Flügellagerung 19 für den um seine vertikale Achse drehbaren Flügel 5 angeordnet. Der Basisring 7 wird dabei von auf seiner Außenseite angeordneten Führungsrädern 20c auf seiner Umlaufbahn gehalten. Die Achsen der Führungsräder 20c sind im Unterbau 8 drehbar gelagert. Im Basisring 7 ist ebenfalls ein Generator 21 und ein mit ihm zusammenwirkendes Getriebe angeordnet. Dieses wiederum wirkt mit der Achse zumindest eines Laufrades 20a zusammen.
In den Figuren 7a bzw. 7b ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Form in einer Draufsicht (Figur 7a) bzw. im Querschnitt (Figur 7b) gezeigt. Der Basisring 7 läuft dabei mit dem am Basisring 7 angeordneten Generator 21 und Laufrad 20a in einer U-förmigen Schale 30 ab, wobei die Schenkel 30a, 30b der Schale 30 senkrecht zur Drehebene des Basisrings 7 angeordnet sind. Der waagrechte Schenkel 30c der U-förmigen Schale 30 entspricht im Wesentlichen dem Durchmesser der U-fömrigen Schale 30 und die senkrechten Schenkel 30a, 30b bilden die Höhe der U-förmigen Schale 30. Der Durchmesser und die Höhe der Schale 30 richten sich im We- sentlichen nach den Abmessungen des Generators 21 samt Getriebe, damit verbundenem Laufrad 20a, etc., so daß der Basisring 7 im Wesentlichen voll- ständig innerhalb der Schale 30 angeordnet ist. Außen an der U-förmigen Schale 30 ist eine aerodynamische Verkleidung 27 angeordnet, um den Luftwiderstand der U-förmigen Schale 30 zu senken. Durch das Abrollen des Basisrings 7 mittels des Laufrades 20a auf dem waagrechten Schenkel 30c innerhalb der U-förmigen Schale 30 wird der Luftwiderstand des Basisrings 7 beim Drehen wesentlich herabgesetzt. Weiterhin bilden die senkrechten Schenkel 30a, 30b der U-förmigen Schale 30 tragende Elemente des Unterbaus 8. Insgesamt ist die äußere Gesamtbauhöhe aus Unterbau 8 und Basisring 7 so gering wie möglich.
Die Breite des Basisrings 7, d.h. seine horizontale Erstreckung kann dabei auch vollständig der Länge des Schenkels 30c der U-förmigen Schale 30 entsprechen. Er kann allerdings auch nur einem Bruchteil des Durchmessers der U- förmigen Schale 30 entsprechen, wie dies in der Figur 7a dargestellt ist. Sind Generator 21 , Laufrad 20a und Getriebe nicht vollständig in den Basisring 7 aufnehmbar, können diese mittels einer Blende 31 abgeschlossen werden, um Verwirbelungen möglichst zu vermeiden. Selbstverständlich kann diese auch weggelassen werden.
Figur 8a zeigt nun einen Vertikalschnitt durch die Vorrichtung im Bereich des Basisrings 7. Die Flügellagerung 19 ist dabei (siehe Figur 7) auf der radialen Innenseite I des Basisringes 7 angeordnet und nimmt dabei den unteren Flügelholm 5a drehbar auf. Auf der radialen Außenseite A des Basisringes 7 sind Füh- rungsräder 20b angeordnet, welche mit ihrer Achse drehbar am Unterbau 8 gelagert sind. Diese dienen zur Stabilisierung der Rotationsbewegung des Basisrings 7. Der Basisring 7 hat dabei keine eigene physikalische Achse, sondern wird durch die Führungsräder 20b auf seiner Umlaufbahn in Umfangsrichtung geführt.
Auf der Unterseite des Basisrings 7 in Richtung auf den Unterbau 8 läuft der Basisring 7 auf Laufrädern 20a ab, welche an Pfeilern 22 angeordnet sind, die einen Teil des Unterbaus 8 darstellen. An der Achse des Rades 20a ist weiterhin ein Generator 21 angeordnet, welcher die Windkraft, die über die Drehbe- wegung der Flügel 5 auf den Basisring 7 übertragen wird, in elektrische Energie umwandelt. Die Unterseite des Basisringes 7 rollt dabei auf der Lauffläche 23 der Räder 20a ab.
Außerdem erkennt man in Figur 8a und 8b einen Stell- bzw. Schrittmotor 14. Er ist am unteren Ende der Flügelholmen 5a angeordnet und dient zur Steuerung der Drehbewegung der Flügel 5 um deren vertikale Achse, damit sie optimal gegenüber dem Wind ausgerichtet werden können.
In Figur 8b ist die Achse des Rades 20a über ein regelbares Getriebe, insbe- sondere eine Zahnstange 24a, Zahnräder 24b und Klauenkupplung 24c, mit dem Generator 21 verbunden. Auf diese Weise kann der Generator 21 jeweils in seinem optimalen Leistungsbereich arbeiten, indem je nach Windkraft und damit Drehzahl des Vertikalachsenrotors die Drehzahl der Achse des Rades 20a über das Getriebe 24a-c passend für den Generator 21 geregelt wird. Mehrfache Zahnräder 24b müssen dabei nur an wenigen Generatoren 21 angeordnet sein, da bei niedriger Windgeschwindigkeit auch nur wenig Rotationsenergie vorhanden ist. Zusätzliche Generatoren 21 können dann bei höherer Windgeschwindigkeit ggf. zugeschaltet werden, Figur 9a bzw. 9b zeigt eine Luftkissen- bzw. Luftspaltlagerung 25 für den Basisring 7 auf dem Unterbau 8. Diese Lagerung 25 ist verschleißfrei und die Räder 20a bzw. deren Achsen werden dabei entlastet. Die Abnahme der Vortriebskraft des Basisrings 7 kann dabei aber nicht über die Tragräder 20a erfolgen, sondern muss von den seitlichen Führungsrädern 20b abgenommen werden, die deshalb wiederum mit einem Generator 21 verbunden sind. Die seitlichen Führungsräder 20b sind dabei drehbar gelagert aber ortsfest in dem Unterbau 8 angeordnet. Der Vorteil dabei ist, dass dann auch der Generator ortsfest im Unterbau mit den Führungsrädern 20b verbunden ist. Es ist allerdings auch möglich, den Generator 21 am Basisring 7 anzuordnen ebenso wie die Lagerung der Füh- rungsräder 20b, um dann dort die Drehbewegung des Basisrings 7 in elektrische Energie umzuwandeln (siehe Figur 7).
Figur 9a zeigt ein auf der radialen Innenseite des Basisringes 7 angeordnetes Laufrad 20a, dessen Achse mit einem Generator 21 , der direkt an der Achse des Laufrades 20a angeordnet ist, zusammenwirkt. Gleichzeitig oder alternativ ist an der radialen Außenseite des Basisringes 7 neben den Führungsrädern 20b mit vertikaler Drehachse, ein weiterer mit den Führungsrädern 20b zusammenwirkender Generator 21 angeordnet. Zwischen der Unterseite des Basisringes 7 und Unterbau 8 ist ein Luftkissen 25 und darunter ein Wasserbett 25a zur Lagerung des Basisringes 7 auf dem Unterbau 8 angeordnet. Durch unterschiedliche Befüllung des Wasserbettes kann der Anpressdruck an das Laufrad 20a verändert werden. Damit ist eine verschleißfreie Lagerung des Basisringes 7 auf dem Unterbau 8 möglich. Weiterhin ist der gesamte Bereich des unteren vertikalen Endes des Flügels 5 zusammen mit Generator 21 , Laufrädern 20a, Flügellagerung 19, etc. mit einer aerodynamischen Verkleidung 27 versehen.
Figur 9b zeigt nun den umgekehrten Fall. Der Basisring 7 ist dabei wieder über ein Luftkissen 25 und ein Wasserbett 25a auf dem Unterbau 8 gelagert. Weiter sind nun im Unterbau 8 drehbar gelagerte Räder 20a angeordnet, welche mit einem Generator 21 über ihre Achse zusammenwirken. Der Basisring 7 weist dabei auf seiner radialen Innenseite einen Abschnitt auf, der mit der Lauffläche LR des Rades 20a korrespondiert und über den der Basisring 7 mittelbar auf dem Unterbau 8 rotiert. Bei Rotation des Basisrings 7 wird das Laufrad 20a in Rotation versetzt und der mit der Achse des Laufrades 20a verbundene Generator 21 erzeugt elektrische Energie. Gleichzeitig ist der Basisring 7 wiederum verschleißfrei über die Luftspalt- bzw. Wasserbettlagerung 25, 25a auf Pfeilern 22 des Unterbaus 8 gelagert.
Außerdem zeigt Figur 9 eine Alternative für die Stromerzeugung, indem anstelle oder zusätzlich zu dem Generator 21 ein so genannter Lineargenerator 21 b ein- gesetzt wird. Dieser Lineargenerator weist einen Läufer auf, der mit dem Basisring 7 gekoppelt ist und einen Stator, der mit dem Unterbau 8 verbunden ist. Im Ausführungsbeispiel befindet sich der Läufer oberhalb des Stators. Diese Alternative hat den Vorteil, dass dem Generator kein Getriebe vorgeschaltet sein muss.
Figur 10 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Anstelle der radial abstützenden Führungsräder 20b in den Figuren 8a bzw. 8b wird gemäß Figur 10 der Basisring 7 allein mittels Abspannungen 29a, 29b auf seiner Umlaufbahn gehalten. Die Abspannung 29 kann dabei auf zwei- erlei Art erfolgen. Zum einen kann der Basisring 7 mittels der Abspannung 29b (Figur 10, rechte Seite) zum Hauptlager 28 an der Spitze 10b des Zentralturms 10 hin erfolgen, zum anderen kann die Abspannung 29a auch zu einem weiteren Lager 28a erfolgen, das tiefer und gegebenenfalls bei einem größeren Durchmesser des Zentralturms 10 angeordnet ist. Durch die beiden Abspannungen 29a, 29b können jeweils die seitlichen Führungsräder 20b am Unterbau entfal- len.
In Figur 1 1 ist schließlich eine erfindungsgemäße Vorrichtung gezeigt, welche schwimmfähig ausgebildet ist. Der Vertikalachsenrotor eignet sich damit gut zur Nutzung in Starkwindfeldern, beispielsweise an der Atlantikküste, etc. Wird die Vortriebskraft der Flügel zur Umwandlung in elektrische Energie an den Rädern des Unterbaus abgenommen, entsteht ein unterschiedliches Rotationsmoment zwischen Unterbau 8 und Boden 9, welches aufgefangen werden muss, um die Vorrichtung an einer vorgegebenen Position zu fixieren. Hierzu umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung drei Schwerkraftanker 30 und lockere Veranke- rungsseile 32, die mit dem Unterbau 8 verbunden sind und die durch Windkraft bedingte Rotationsmomente gespannt werden. Der Wind- und Wellendruck sowie das Drehmoment stellen dann einen Gleichgewichtszustand her. Ist keine Windkraft vorhanden, wirkt auch kein Rotationsmoment und der Mittelpunkt der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann sich innerhalb der Fläche 33, die im We- sentlichen durch die Länge der Verankerungsseile 32 bestimmt wird, verschieben. Die Position der Anlage wird unabhängig von der Windrichtung umso stärker fixiert, je höher die Windstärke und damit das Rotationsmoment zwischen Unterbau 8 und Boden 9 ist. Dadurch werden die Seile 32 immer stärker gespannt und fixieren bei stärker werdendem Wind auch die Position der Vorrich- tung dementsprechend.
Zusammenfassend bietet die Erfindung mehrere Vorteile. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine nahezu vollständige Trennung der Gewichts- und Luftkräfte, die auf den Flügel wirken. Weiterhin ist die erfindungsgemäße Vor- richtung auch im Wesentlichen frei skalierbar. Die Energieabgabe erfolgt gleichmäßig. Der Zentralturm ist darüber hinaus auch frei von auf ihn wirkenden Drehmomenten. Zudem wird der Luftwiderstand der Lagerung des Basisrings am Unterbau minimiert.

Claims

Ansprüche
1 . Vorrichtung zur Umwandlung von Windenergie in Form eines Vertikalach- senrotors (1 ) mit mehreren in Umlaufrichtung aufeinander folgenden im
Wesentlichen senkrecht stehenden Flügeln (5), welche sich mittels Windkraft auf einer im Wesentlichen kreisförmigen Bahn um eine zentrale Achse rotieren,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein Zentralring (2) für die Flügelhalterung und -lagerung angeordnet ist, der im Wesentlichen nur die auf die Flügel (5) wirkenden Druckkräfte des Windes aufnimmt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Zentralring (2) und die Flügel (5) auf im Wesentlichen halber Flügelhöhe insbesondere lösbar miteinander verbunden sind.
3. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Drehachse (D) des Zentralringes (2) auf der Spitze eines Zentralturms (10) gelagert ist.
4. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
zusätzlich zum Zentralring (2) ein Basisring (7) zur Aufnahme der Gewichtskräfte der Flügel (5) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Basisring (7) am in vertikaler Richtung unteren Ende der Flügel (5) angeordnet ist und dass insbesondere der Abstand der unteren Flügelenden vom Basisring durch verlängerte Holmstummel (5a) vergrößert wird.
6. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Basisring (7) in einer insbesondere im Wesentlichen U-förmigen Schale (30) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schale (30) am Unterbau (8) angeordnet ist und insbesondere einen Teil der Tragstruktur des Unterbaus (8) bildet.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Zentralring (2) und der Basisring (7) über insbesondere schräg laufende Zugelemente (3), insbesondere Zugstangen miteinander verbunden sind.
9. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
Stellmotoren (14) zur Verstellung der jeweiligen Anstellwinkel der Flügel (5) angeordnet ist, und die Stellmotoren (14) im Bereich des Basisringes (7) und/oder im Bereich des Zentralrings (2) und/oder am Flügel (5) angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eine Sonde (5a) zur Messung der Anströmgeschwindigkeit und/oder des Windwinkels in Bezug auf zumindest einen Flügel (5) angeordnet ist.
1 1 . Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Abspannung (29a, 29b) oder seitliche Führungsräder (20b) angeordnet sind, um den Basisring (7) auf seiner Umlaufbahn zu halten.
12. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Unterbau (8) derart ausgebildet ist, dass der Basisring (7) sich auf dem Unterbau (8) mittelbar abstützt und auf diesem um seine Achse rotiert.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
am Unterbau (8) und/oder am Basisring (7) Räder (20a, 20b) zum Abrollen und zur vertikalen und/oder horizontalen Führung des Basisrings (7) angeordnet sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Basisring (7) auf dem Unterbau (8) über mindestens ein Luftlager o- der ein magnetisches Lager (25) gelagert ist.
15. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein Generator (21 ) mit insbesondere zwischengeschaltetem Getriebe (24a, 24b, 24c) angeordnet ist, der mit zumindest einem der Rä- der (20a, 20b) zusammenwirkt.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Generator (21 ) mittels Zuschaltung weiterer Generatoren (21 ) und/oder unterschiedlichem Durchmesser der Räder (20a, 20b) und/oder
Anordnung von Generatoren mit unterschiedlichen Leistungen in seinem optimalen Leistungsbereich betrieben wird.
17. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung (1 ) schwimmfähig insbesondere halbtauchend ausgebildet ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, dass der Unterbau (8) in Umfangsrichtung begrenzt drehbar gelagert ist, indem zumindest ein Verankerungsseil (32) mit dem Unterbau (8) einerseits und mit zumindest einem Schwerkraftanker (30) andererseits verbunden ist.
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