WO2011147939A2 - Vorrichtung zur elektrischen energiegewinnung mittels wind- und/oder wasserkraft - Google Patents

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WO2011147939A2 PCT/EP2011/058687 EP2011058687W WO2011147939A2 WO 2011147939 A2 WO2011147939 A2 WO 2011147939A2 EP 2011058687 W EP2011058687 W EP 2011058687W WO 2011147939 A2 WO2011147939 A2 WO 2011147939A2
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Definitions

  • the invention relates to a device for generating electrical energy by means of wind and / or water power, which consists of at least one impeller along the circumference of several wings are arranged on the wind or
  • Hydraulic forces act by which the impeller is set around a wave directed to the ground in a rotary motion. With wind turbines that rotate around a vertical axis, electrical energy can be obtained even at low wind speeds. In addition, in the
  • Wind speed is low and there, where only one
  • the vanes arranged on the impeller form a flow resistance through and around the impeller.
  • the forces acting on the wing surfaces cause the impeller to rotate.
  • the torques generated thereby also depend directly on the design of the wings.
  • size, shape and angle of attack play a role decisive role. It must be taken into account in particular that a wing that has accelerated the impeller in a first position, can decelerate in a second position, since in this second position, the wing is flown from the other direction.
  • Wing pivoted back in a movement against the wind direction in a substantially horizontal position, so that only a small flow resistance is generated.
  • the wings of the impellers also at least on their outer sides at least one
  • the construction of the wing construction according to the invention consists of a wing, on whose outer surfaces one or more recesses, the flow pockets, by means of suitable
  • Flow resistance of the wings can be increased, which move approximately in the flow direction.
  • Subject of the invention provides, several flow pockets in the flow direction behind the other on the wings
  • the outwardly directed flow pockets are configured substantially S-shaped.
  • the inwardly directed flow pockets can also be designed S-shaped.
  • the dimensions of the inwardly directed flow pockets are less than the dimensions of the outwardly directed flow pockets. In this way it can be achieved that between individual wings in the impeller inflowing air masses can also flow out of the impeller again.
  • Flow pockets favors the formation of a flow vortex in the interior of the impeller, resulting in further advantages in terms of achievable efficiency.
  • An expedient embodiment of the subject invention provides that the wings, the impellers and the Flow pockets can be interconnected by means of suitable fasteners at the site. This simple assembly and the structure of hard to reach places is easy to carry out, since the impellers can be spent in individual parts and only simple tools for assembly is needed.
  • the individual wings may be detachably connectable with the associated impeller. The individual wings can each be made separately and therefore manufactured inexpensively and with a low weight.
  • Hydropower plant provides, several impellers
  • impeller units may then be used e.g. used for the use of wind and water energy.
  • the impellers may for example have the same diameter, so that a
  • cylinder-like structure results or, for example, from the lower to the upper impeller decreasing diameter
  • Guy ropes are led from the top of the rig to the ground. For damping the occurring in the system
  • Angular momentum can be applied to the common axis with additional weights.
  • the system can be built inexpensively and with little additional weight and installation costs.
  • the system can also be erected on a round pedestal to better weight, especially for very large systems to distribute.
  • the system can also be mounted on wheels, which are guided in rails, for example.
  • a clutch can be a simultaneous
  • wind and water power can also be achieved by connecting a wind turbine rotary shaft with the armature of an electric generator and a hydraulic rotary shaft with the rotor of the electric generator such that the armature and the rotor have different directions of rotation.
  • the hydropower rotating shaft may also be connected to the armature and the wind power rotating shaft to the rotor.
  • Wheels are steered that always special
  • Coupling device is separable.
  • a further embodiment of the subject invention provides that when exceeding a predetermined upper speed of an impeller or a
  • Impeller by changing the angle of attack of the wings a significant influence on the flow resistance. Further details of the invention are described in the drawing with reference to schematically illustrated embodiments. This shows
  • Figure la is a plan view of an impeller with multiple wings
  • Figure lb shows an enlarged detail of the impeller shown in Fig. La
  • Figure 2a is a front view of a wing
  • FIG. 2b shows a rear view of a wing
  • FIG. 3 is a schematic representation of
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a combined wind and hydroelectric plant
  • Figure 5a is a plan view of a coupling device
  • FIG. 5b shows an enlarged detail of the coupling device illustrated in FIG. 5a
  • Figure 7 is a schematic front view of a
  • Figure 1 is a schematic plan view of a
  • Impeller shown. The impeller is in
  • the impeller spokes 3 can be pushed together telescopically for transport.
  • the wings 2 are in a central region 5 between a rear wing part 6 and a front wing part 7 with the impeller
  • Wing part 6 are curved and have in this
  • Embodiment different angles of attack 8 'and 8' '.
  • the different angles of attack 8 'and 8' ' are chosen so that a flow on one of the flow
  • Flow energy harnessed Due to the arrangement of the wings 2, a direction of rotation 9 is determined.
  • the wings 2 are designed such that a projection of the wings 2 on a rempligelradun results in a closed shell.
  • outer flow pockets 10 and inner flow pockets 11 are attached. In this
  • Embodiment are each attached to each of the eighteen wings 2 five outer flow pockets 10 in the flow direction one behind the other with respect to the rotation axis 4 outwardly directed wing side.
  • the eighteen wings 2 five outer flow pockets 10 in the flow direction one behind the other with respect to the rotation axis 4 outwardly directed wing side.
  • Flow pockets 10 formed so that their from the wing 2 outwardly directed side is S-shaped. On the inward side of the wings 2 is one each inner flow pocket 11 and a flow guide element 11 'is provided.
  • FIG. 2a / 2b the inside 12 and outside 13 of the wings 2 are shown.
  • the front wing part 7 and the rear wing part 6 are configured flat in this embodiment. In this case, the front wing part 7 and the rear wing part 6 do not have different
  • Anstellwinkel 8 'and 8' ' On the inner side 12, an inner flow pocket 11 is shown. On the outer side 13, a plurality of outer flow pockets 10 are shown, each outwardly directed side is configured S-shaped. In this embodiment, the flow pockets are open on one side and three outwardly directed flow pockets 10 and one inner flow pocket 11 are arranged on the wing 2. On an impeller, depending on the size of the impeller and the individual wings 2, for example, eight, twelve or sixteen such wings 2 may be arranged along a circumference of the impeller.
  • FIG. 3 shows the flow conditions at an in
  • the flow direction at some distance in front of the impeller is indicated by the arrow 14.
  • the remaining arrows 15, 16, 17, 18, 18 y , 18 / y , 19, 20 show the flow conditions on and within the impeller.
  • the forces acting through the currents 15, 16, 17 on the flow pockets 10, 11 are directly to
  • Impeller is driven further.
  • the flow 19 is deflected by a flow pocket 10, 11 so that the flow is subsequently directed inwardly
  • Flow bag 11 hits and the impeller also drives.
  • Arrow 20 indicates a flow that can not be used to drive the impeller.
  • the flow line 18 ' shows how and where the flow leaves the wind turbine. Since this flow is strongly deflected at the back of the corresponding wing and the flow thereby exerts a force on the back of the wing and on the flow guide element 11 'in the direction of rotation, further flow energy can be used when leaving.
  • the wind 18 'flowing out of the impeller hardly counteracts the direction of rotation since the wind, as described in the flow 20, acts on the impeller
  • the flow lines 18 / y indicate
  • the system via an unillustrated electric motor, which is connected in the upper portion 22 with the electric motor rotary shaft 28 and with a diesel engine, not shown, with which the
  • Motor hollow shaft 31 is connected in the area 25, are driven.
  • the electric motor rotating shaft 28 rotates within a wind power hollow rotating shaft 29 connected to the wind turbine blade unit 23.
  • the rotating shafts are rotatably supported by ball bearings (not shown).
  • a hydraulic rotary shaft 30 connected to the hydrofoil unit 24 rotates within a diesel engine hollow shaft 31 connected to the diesel engine.
  • a swing arm 32 is fixed to each of a rotary shaft.
  • Electric motor rotary shaft 28 is longer than the
  • Rotary shafts each a pivot arm 32 can be attached.
  • the hydrodynamic rotary shaft 30 is longer than the diesel engine hollow shaft 31.
  • the end of the swivel arms 32 travels by means of a special wheel construction 33 in specially formed pivoting brace rails 34.
  • the wheel structure 33 is rotatably connected to the pivoting brace rails.
  • Wheel structures 33 are connected to the Schwenkarmschienen 34 that a torque from the rotary shaft 4 via the pivot arms 32 acts on the Schwenkarmschienen 34. From there, a corresponding torque acts over the Clutch wall 35 on a coupling shaft, a
  • Swing arms 32 is variable and is by the respective angle of the pivot arm 32 relative to the rotary shaft 4th
  • Schwenkarmschiene 34 is mounted and another end is mounted on the rotary shaft 4.
  • the angle of the pivot arm 32 with respect to the rotary shaft 4 is determined by the
  • the Schwenkarmschienen 34 bear against the coupling wall 35 and are arcuate. In this case, the Schwenkarmschienen 34 extend from the lower side 35 'of the truncated cone to the upper side 35 y '.
  • FIG. 5 shows a plan view of the coupling device 26 and, in detail, the wheel construction 33 in the pivoting arm rail 34.
  • the Schwenkarmschiene 34 is equipped with Schwenkarmschienenwellen 37.
  • Radkonstrutation 33 has three at the tips of a
  • FIG. 6 shows a cross section of an axis of rotation 4 at the point at which the pivot arm 32 is connected to the axis of rotation 4.
  • the pivot arm 32 is by means of a ring 41 around the circumference of the rotary shaft 4 with the rotary shaft 4th connected.
  • the ring 41 has a notch 42.
  • Rotary shaft 4 are a driver 43 and a spring 44th
  • Figure 7 is a view of a wind turbine
  • the wind turbine consists of a
  • Vane unit braced against the ground
  • the anchor is designed as a ground screw. In this way, the system can be built with a low additional weight, so that even in hard to reach places a simple installation is guaranteed. Instead of the armature 49 and more guy ropes can be used for backup. In this way, the system can be automatically aligned vertically. As a result, the rotary shafts and the generator are always aligned vertically. This poses
  • Underground surface example of a glacier is a particular advantage.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrischen Energiegewinnung mittels Wind- und/oder Wasserkraft. Die Vorrichtung besteht aus mindestens einem Flügelrad (45), längs dessen Umfangs mehrere Flügel (2) angeordnet sind, auf die Wind- oder Wasserkräfte wirken. Dadurch wird das Flügelrad (45) um eine zum Erdboden gerichtete Welle (4) in Drehbewegung versetzt. Die Flügel (2) weisen an ihren Innenseiten (12) jeweils mindestens eine Strömungstasche (11) auf. Die Flügel können auch an ihren Außenseiten (13) Strömungstaschen (10) aufweisen. Diese Strömungstaschen können zum Beispiel S-förmig ausgebildet sein. Darüberhinaus ist es möglich mehrere Strömungstaschen (10, 11) an den Flügeln (2) anzubringen. Dabei können die Strömungstaschen (10, 11) beispielsweise hintereinander angebracht sein oder auch auf unterschiedlichen Seiten (12, 13) der Flügel (2). Die Flügel (2), die Flügelräder (45) und die Strömungstaschen (10, 11) können mittels geeigneter Verbindungselemente am Aufstellungsort miteinander verbunden werden. Außerdem können mehrere Flügelräder (45) übereinander um eine gemeinsame Achse angeordnet sein und so eine Flügelradeinheit bilden. Mehrere Flügelräder (45) beziehungsweise Flügelradeinheiten können gemeinsam mit zum Beispiel einem Dieselmotor (25) und einem Elektromotor (22) über eine spezielle Kupplungsvorrichtung (26) einen gemeinsamen elektrischen Generator (27) antreiben.

Description

Vorrichtung zur elektrischen Energiegewinnung mittels Wind- und/oder Wasserkraft
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrischen Energiegewinnung mittels Wind- und/oder Wasserkraft, die aus mindestens einem Flügelrad besteht, längs dessen Umfang mehrere Flügel angeordnet sind, auf die Wind- oder
Wasserkräfte wirken, durch die das Flügelrad um eine zum Erdboden gerichtete Welle in eine Drehbewegung versetzt wird . Mit Windkraftanlagen, die sich um eine vertikale Achse drehen, kann auch bei geringen Windgeschwindigkeiten elektrische Energie gewonnen werden. Zudem kann, im
Gegensatz zu Windkraftanlagen, die sich um eine horizontale Achse drehen, die Bauhöhe deutlich reduziert werden. Daher eignet sich der Einsatz solcher Windkraftanlagen zum
Beispiel dort, wo nicht oder nur eingeschränkt auf andere Energiequellen zurückgegriffen werden kann, wenn die
Windgeschwindigkeit gering ist und dort, wo nur ein
begrenzter Bauraum zur Verfügung steht.
Bei derartigen Anlagen bilden die am Flügelrad angeordneten Flügel einem durch und um das Flügelrad strömenden Fluid einen Strömungswiderstand. Durch die Kräfte, die dabei auf die Flügelflächen wirken, wird das Flügelrad in Rotation versetzt. Die dadurch erzeugten Drehmomente hängen dabei auch unmittelbar von der Ausgestaltung der Flügel ab. So spielen unter anderem Größe, Form und Anstellwinkel eine entscheidende Rolle. Dabei muss insbesondere berücksichtigt werden, dass ein Flügel, der das Flügelrad in einer ersten Position beschleunigt hat, in einer zweiten Position abbremsen kann, da in dieser zweiten Position der Flügel aus der anderen Richtung angeströmt wird.
Aus der CN 101 27 0721 A ist eine Flügelradvorrichtung bekannt, bei der Flügel schwenkbar gelagert sind. Auf Grund der Formgebung der schwenkbar gelagerten Flügel werden diese bei einer Bewegung in Windrichtung aufgeklappt und bewirken einen erhöhten Strömungswiderstand, der zu einer Drehbewegung des Flügelrads führt. Dagegen werden die
Flügel bei einer Bewegung gegen die Windrichtung wieder in eine im Wesentlichen horizontale Stellung zurückgeschwenkt, so dass lediglich ein geringer Strömungswiderstand erzeugt wird .
Eine andere Flügelradvorrichtung ist zum Beispiel auch aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 43 05 600 AI bekannt. Bei der dort beschriebenen Vorrichtung wird ein
Anstellwinkel von Luftschaufeln bei Vertikalachsenrotoren über eine entsprechende Mechanik verändert.
Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrads solcher Anlagen wird durch die Verwendung mehrerer Flügelräder mit einer gemeinsamen vertikalen Achse erreicht. Eine derartige
Anordnung ist z.B. aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 37 30 401 AI bekannt. Die Verwendung verstellbarer Klappen stellt allerdings eine hohe Anforderung an die Mechanik und/oder die verwendeten Aktoren. Dies erhöht die Fehleranfälligkeit und den Montageaufwand. Darüberhinaus haben Experimente gezeigt, dass durch eine Veränderung der Flügelform ein höherer Strömungswiderstand, der zu einem höheren Drehmoment in Drehrichtung führt, erzeugt werden kann. Insbesondere wird bei den ausgeführten Flügelformen keine optimale Nutzung der Strömungsenergie in allen Winkellagen bezüglich der Strömungsrichtung bis zu einem Winkel von 90Grad in
Strömungsrichtung erreicht. Ein weiterer Nachteil der beschriebenen Kraftwerksanlagen ist die auf Grund des hohen Montageaufwands schwierige Montage an schwer zugänglichen Orten, sowie auf Häusern beziehungsweise Hochhäusern. Dabei erschwert insbesondere das hohe Gewicht der Anlagen den Montageaufwand . Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Wind- und/oder Wasserkraftanlage der eingangs beschriebenen Art zu entwickeln, die die Nutzung der vorhandenen
Strömungsenergie verbessert, leicht zu transportieren und leicht zu montieren ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Flügel der Flügelräder an ihren Innenseiten jeweils
mindestens eine Strömungstasche aufweisen.
Vorteilhafterweise weisen die Flügel der Flügelräder auch an ihren Außenseiten jeweils mindestens eine
Strömungstasche auf.
Der erfindungsgemäße Aufbau der Flügelkonstruktion besteht aus einem Flügel, an dessen Außenflächen eine oder mehrere Ausnehmungen, die Strömungstaschen, mittels geeigneter
Verbinder angebracht sind. Diese Strömungstaschen sorgen dafür, dass der Strömungswiderstand erhöht wird. Darüberhinaus kann durch die Anordnung der Strömungstaschen die Strömungsenergie über einen größeren Drehbereich des Flügelrads genutzt werden. Durch die feste Verbindung der Strömungstaschen mit den Flügeln einerseits und der Flügel mit den Flügelrädern andererseits ist eine einfache Montage gewährleistet. Zudem wird dadurch die Fehleranfälligkeit reduz iert .
Eine vorteilhafte Ausbildung des Erfindungsgegenstands sieht vor, dass eine vom Flügel aus nach außen gerichtete Seite der mindestens einen Strömungstasche S-förmig
ausgebildet ist. Experimente haben gezeigt, dass durch die S-förmige Ausbildung ein besonders vorteilhaftes
Strömungsverhalten erzielt werden kann, insbesondere wenn sich der entsprechende Flügel entgegen der
Strömungsrichtung bewegt. In diesem Fall wirkt entgegen dem strömenden Material nur ein sehr geringer
Strömungswiderstand .
Es ist außerdem vorteilhaft, jeweils mindestens zwei
Strömungstaschen an den Flügeln anzuordnen. Experimente haben gezeigt, dass dadurch insbesondere der
Strömungswiderstand der Flügel erhöht werden kann, die sich annähernd in Strömungsrichtung bewegen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des
Erfindungsgegenstands sieht vor, mehrere Strömungstaschen in Strömungsrichtung hintereinander auf den Flügeln
anzuordnen. Dadurch wird der Strömungswiderstand weiter erhöht, wenn sich der Flügel näherungsweise in
Strömungsrichtung bewegt, da jede der hintereinander angeordneten Strömungstaschen einen Teil der Strömung in die jeweilige Strömungstasche lenkt. Dagegen bleibt der Strömungswiderstand nahezu unverändert, wenn sich der
Flügel gegen die Strömungsrichtung bewegt, da sich die hintereinander angeordneten Strömungstaschen gegenseitig verdecken. Untersuchungen haben ergeben, dass insbesondere die Anordnung von zwei oder drei Strömungstaschen
hintereinander an der vom Flügel aus nach außen gerichteten Seite des Flügels vorteilhaft ist, während oftmals bereits eine Strömungstasche an der nach innen gerichteten Seite des Flügels ausreicht, um die angestrebte Verbesserung des Wirkungsgrads zu erreichen.
Einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass die nach außen gerichteten Strömungstaschen im Wesentlichen S-förmig ausgestaltet sind. Die nach innen gerichteten Strömungstaschen können ebenfalls S-förmig ausgestaltet sein.
Zweckmäßigerweise sind die Abmessungen der nach innen gerichteten Strömungstaschen geringer als die Abmessungen der nach außen gerichteten Strömungstaschen. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass zwischen einzelnen Flügeln in das Flügelrad einströmende Luftmassen auch wieder aus dem Flügelrad ausströmen können. Zudem wird durch eine geeignete S-förmige Formgebung der einzelnen
Strömungstaschen die Ausbildung eines Strömungswirbels im Innenraum des Flügelrads begünstigt, wodurch sich weitere Vorteile hinsichtlich des erreichbaren Wirkungsgrads ergeben .
Eine zweckmäßige Ausgestaltung des Erfindungsgegenstands sieht vor, dass die Flügel, die Flügelräder und die Strömungstaschen mittels geeigneter Verbindungselemente am Aufstellungsort miteinander verbunden werden können. Durch diese einfache Montage wird auch der Aufbau an schwer erreichbaren Orten leicht durchführbar, da die Flügelräder in Einzelteilen verbracht werden können und nur einfaches Werkzeug zur Montage benötigt wird. Die einzelnen Flügel können lösbar verbindbar mit dem zugeordneten Flügelrad ausgestaltet sein. Die einzelnen Flügel können jeweils separat angefertigt und deshalb kostengünstig und mit einem geringen Eigengewicht hergestellt werden.
Eine vorteilhafte Ausbildung der Wind- und/oder
Wasserkraftanlage sieht vor, mehrere Flügelräder
übereinander um eine gemeinsame Achse anzuordnen, die so eine Flügelradeinheit bilden. Mehrere Flügelradeinheiten können dann z.B. zur Nutzung von Wind- und Wasserenergie benutzt werden. Dabei können die Flügelräder beispielsweise den gleichen Durchmesser besitzen, so dass sich ein
zylinderähnlicher Aufbau ergibt oder beispielsweise vom unteren zum oberen Flügelrad abnehmende Durchmesser
aufweisen, so dass sich ein pyramidenähnlicher Aufbau ergibt. Es ist bekannt, dass bei einem solchen Aufbau erhebliche Kräfte auf die Gesamtkonstruktion wirken. Zur Stabilisierung der Anlage können beispielsweise
Abspannseile von der Spitze der Anlage zum Erdboden geführt werden. Zur Dämpfung der in der Anlage auftretenden
Drehimpulse können an der gemeinsamen Achse zusätzliche Gewichte angebracht werden. Auf diese Weise kann die Anlage kostengünstig und mit geringem zusätzlichen Gewicht und Montageaufwand errichtet werden. Beispielsweise kann die Anlage auch auf einem runden Sockel errichtet werden, um insbesondere bei sehr großen Anlagen das Gewicht besser zu verteilen. Um die Transportabilität besonders großer und schwerer Anlagen zu gewährleisten, kann die Anlage auch auf Rädern montiert sein, die zum Beispiel in Schienen geführt werden .
Es ist von besonderem Vorteil, wenn ein Flügelrad oder eine Flügelradeinheit zur Nutzung von Windkraft und/oder ein Flügelrad oder eine Flügelradeinheit zur Nutzung von
Wasserkraft und/oder ein Elektromotor und/oder ein
Verbrennungsmotor über eine Kupplungsvorrichtung einen gemeinsamen Generator antreiben. Auf diese Weise können sowohl Wind- als auch Wasserkraft in einem gemeinsamen Kraftwerk genutzt werden. Der Elektromotor kann eingesetzt werden, um die Flügelräder beziehungsweise
Flügelradeinheiten vom Stillstand bis zu einer unteren Betriebsdrehzahl zu schleppen. Für den Fall, dass die aus Wind- und/oder Wasserkraft gewonnene Energie nicht
ausreicht, ist es möglich, zusätzlich einen
Verbrennungsmotor beziehungsweise Dieselmotor hinzu
zuschalten und bei Bedarf in Benutzung zu nehmen.
Alternativ zu einer Kupplung kann eine gleichzeitige
Nutzung von Wind- und Wasserkraft auch dadurch erreicht werden, dass eine Windkraftdrehwelle mit dem Anker eines elektrischen Generators und eine Wasserkraftdrehwelle mit dem Rotor des elektrischen Generators so verbunden werden, dass Anker und Rotor unterschiedliche Drehrichtungen aufweisen. Alternativ kann die Wasserkraftdrehwelle auch mit dem Anker und die Windkraftdrehwelle mit dem Rotor verbunden werden. Bei der Nutzung von Wasserkraft kann eine Wasserströmung durch spezielle Leitflächen zusätzlich so auf die
Flügelräder gelenkt werden, dass immer besonders
vorteilhafte Strömungsverhältnisse auch bei
unterschiedlichen Gezeiten an den Flügelrädern
gewährleistet sind.
Erfindungsgemäß wird weiter vorgeschlagen, dass bei
Unterschreiten einer vorgebbaren unteren Geschwindigkeit eines Flügelrads oder einer Flügelradeinheit, dieses
Flügelrad oder diese Flügelradeinheit von der
Kupplungsvorrichtung trennbar ist.
Schließlich sieht eine weitere Ausbildung des Gegenstands der Erfindung vor, dass bei Überschreiten einer vorgebbaren oberen Geschwindigkeit eines Flügelrads oder einer
Flügelradeinheit, dieses Flügelrad oder diese
Flügelradeinheit bremsbar ist. Dadurch werden zu hohe
Geschwindigkeiten der Flügelräder beziehungsweise
Flügelradeinheiten vermieden, die die Stabilität der Anlage gefährden können. Beispielsweise können die Flügel
schwenkbar am Flügelrad befestigt sein. Durch Veränderung des Anstellwinkels der Flügel bezüglich des Flügelrads, kann der durch das Flügelrad der Strömung entgegengesetzte Strömungswiderstand variiert werden. Dabei hat die
Veränderung der Strömungsverhältnisse innerhalb des
Flügelrads durch Veränderung des Anstellwinkels der Flügel einen wesentlichen Einfluss auf den Strömungswiderstand. Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in der Zeichnung anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben . Hierbei zeigt
Figur la eine Draufsicht auf ein Flügelrad mit mehreren Flügeln und
Figur lb einen vergrößerten Ausschnitt des in Fig. la dargestellten Flügelrads, Figur 2a eine Vorderansicht eines Flügels und
Figur 2b eine Rückansicht eines Flügels,
Figur 3 eine schematische Darstellung der
Strömungsverhältnisse an dem in Figur la gezeigten
Flügelrad,
Figur 4 eine schematische Darstellung einer kombinierten Wind- und Wasserkraftanlage,
Figur 5a eine Draufsicht auf eine Kupplungsvorrichtung und
Figur 5b einen vergrößerten Ausschnitt aus der in Fig. 5a dargestellten KupplungsVorrichtung,
Figur 6 einen Querschnitt einer Drehwelle an der Stelle, an der der Schwenkarm befestigt ist und
Figur 7 eine schematische Vorderansicht einer
Windkraftanlage. In Figur 1 ist eine schematische Draufsicht auf ein
Flügelrad dargestellt. Das Flügelrad besteht im
Wesentlichen aus einem oberen Metallring 1 und einem nicht dargestellten unteren Metallring, zwischen denen achtzehn Flügel 2 befestigt sind. Die Metallringe sind mittels
Flügelradspeichen 3 mit einer Drehwelle 4 verbunden. Die Flügelradspeichen 3 können zum Transport teleskopartig zusammengeschoben werden. Die Flügel 2 sind in einem mittleren Bereich 5 zwischen einem hinteren Flügelteil 6 und einem vorderen Flügelteil 7 mit dem Flügelrad
verbunden. Der vordere Flügelteil 7 und der hintere
Flügelteil 6 sind gekrümmt und besitzen in dieser
Ausführungsform unterschiedliche Anstellwinkel 8 ' und 8 ' ' . Die unterschiedlichen Anstellwinkel 8 ' und 8 ' ' sind so gewählt, dass eine Strömung auf einer der Strömung
zugewandten Seite des Flügelrads in den inneren Bereich des Flügelrads einströmt und dort in Umfangsrichtung abgelenkt wird. Auf diese Weise wird ein größerer Anteil der
Strömungsenergie nutzbar gemacht. Durch die Anordnung der Flügel 2 wird eine Drehrichtung 9 bestimmt. Die Flügel 2 sind so ausgestaltet, dass eine Projektion der Flügel 2 auf einen Flügelradumfang eine geschlossene Hülle ergibt. An den Flügeln 2 sind äußere Strömungstaschen 10 und innere Strömungstaschen 11 angebracht. In diesem
Ausführungsbeispiel sind an jedem der achtzehn Flügel 2 je fünf äußere Strömungstaschen 10 in Strömungsrichtung hintereinander an der bezüglich der Drehachse 4 nach außen gerichteten Flügelseite befestigt. Dabei sind die
Strömungstaschen 10 so ausgebildet, dass ihre vom Flügel 2 aus nach außen gerichtete Seite S-förmig ist. Auf der nach innen gerichteten Seite der Flügel 2 ist jeweils eine innere Strömungstasche 11 und ein Strömungsführungselement 11 ' vorgesehen.
In Figur 2a/2b sind die Innenseite 12 und Außenseite 13 der Flügel 2 dargestellt. Das vordere Flügelteil 7 und das hintere Flügelteil 6 sind in diesem Ausführungsbeispiel eben ausgestaltet. Dabei besitzen der vordere Flügelteil 7 und der hintere Flügelteil 6 unterschiedliche nicht
dargestellte Anstellwinkel 8 ' und 8 ' ' . An der Innenseite 12 ist eine innere Strömungstasche 11 dargestellt. An der Außenseite 13 sind mehrere äußere Strömungstaschen 10 abgebildet, deren jeweils nach außen gerichtete Seite S- förmig ausgestaltet ist. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Strömungstaschen einseitig offen ausgebildet und drei nach außen gerichtete Strömungstaschen 10 und jeweils eine innere Strömungstasche 11 an dem Flügel 2 angeordnet. An einem Flügelrad können je nach Größe des Flügelrads und der einzelnen Flügel 2 beispielsweise acht, zwölf oder sechzehn derartige Flügel 2 längs eines Umfangs des Flügelrads angeordnet sein.
Figur 3 zeigt die Strömungsverhältnisse an einem in
Aufsicht dargestelltem Flügelrad mit sechzehn Flügeln 2, die jeweils vier äußere 10 und eine innere Strömungstasche 11 aufweisen. Die Strömungsrichtung in einiger Entfernung vor dem Flügelrad ist durch den Pfeil 14 gekennzeichnet. Die übrigen Pfeile 15, 16, 17, 18, 18y, 18/ y, 19, 20 zeigen die Strömungsverhältnisse am und innerhalb des Flügelrads. Die Kräfte, die durch die Strömungen 15, 16, 17 auf die Strömungstaschen 10, 11 wirken, werden unmittelbar zur
Erzeugung der Rotationsbewegung 21 genutzt. Die Strömung 18 strömt zunächst durch das Flügelrad hindurch. Bevor die Strömung dieses wieder verlässt, trifft sie auf die nach innen gerichtete Strömungstasche 11. Dadurch tritt auch hier eine Kraft in Drehrichtung 9 auf, wodurch das
Flügelrad weiter angetrieben wird. Die Strömung 19 wird durch eine Strömungstasche 10, 11 so abgelenkt, dass die Strömung anschließend auf eine nach innen gerichtete
Strömungstasche 11 trifft und das Flügelrad ebenfalls antreibt. Pfeil 20 kennzeichnet eine Strömung, die nicht zum Antrieb des Flügelrads genutzt werden kann. Diese
Strömung wird mit einem geringen Strömungswiderstand am
Flügelrad vorbeigelenkt. Die Strömungslinie 18 ' zeigt, wie und wo die Strömung das Windrad verlässt. Da diese Strömung an der Rückseite des entsprechenden Flügels stark umgelenkt wird und die Strömung dadurch eine Kraft auf die Rückseite des Flügels und auf das Strömungsführungselement 11 ' in Drehrichtung ausübt, kann weitere Strömungsenergie beim Verlassen genutzt werden. Der aus dem Flügelrad strömende Wind 18 ' wirkt kaum entgegen der Drehrichtung, da der Wind, wie bei der Strömung 20 beschrieben, am Flügelrad
vorbeigeführt wird. Die Strömungslinien 18/ y deuten
Strömungen an, aus denen im weiteren zeitlichen Verlauf Strömungen analog zu 18 und 18 ' entstehen. Die besonderen Strömungsverhältnisse innerhalb des Flügelrads sind auf die spezielle Ausgestaltung der Flügel und Flügeltaschen zurückzuführen. Der Wind wird innerhalb des Flügelrads in eine Rotationsbewegung versetzt und wie die Strömung 18 ' aus dem Flügelrad herausgeführt. So können große Teile der Strömungsenergie durch die inneren Strömungstaschen 11 genutzt werden.
In Figur 4 ist eine Anordnung mit einer
Windkraftflügelradeinheit 23 zur Gewinnung von Windkraft und einer Wasserkraftflügelradeinheit 24 zur Gewinnung von Wasserkraft dargestellt, die über eine Kupplungsvorrichtung 26 einen schematisch dargestellten Generator 27 antreiben. Zusätzlich zu der Windkraftflügelradeinheit 23 und der Wasserkraftflügelradeinheit 24 kann die Anlage über einen nicht dargestellten Elektromotor, der in dem oberen Bereich 22 mit der Elektromotordrehwelle 28 verbunden ist und mit einem nicht dargestellten Dieselmotor, mit dem die
Dieselmotorhohlwelle 31 in dem Bereich 25 verbunden ist, angetrieben werden. Die Elektromotordrehwelle 28 dreht sich innerhalb einer mit der Windkraftflügelradeinheit 23 verbundenen Windkrafthohldrehwelle 29. Die Drehwellen sind durch nicht dargestellte Kugellager drehbar gelagert.
Ebenso dreht sich eine mit der Wasserkraftflügelradeinheit 24 verbundene Wasserkraftdrehwelle 30 innerhalb einer mit dem Dieselmotor verbundenen Dieselmotorhohlwelle 31. An je einer Drehwelle ist ein Schwenkarm 32 befestigt. Die
Elektromotordrehwelle 28 ist länger als die
Windkrafthohldrehwelle 29, so dass am Ende beider
Drehwellen je ein Schwenkarm 32 befestigt werden kann.
Ebenso ist die Wasserkraftdrehwelle 30 länger als die Dieselmotorhohlwelle 31. Das Ende der Schwenkarme 32 läuft mittels einer speziellen Radkonstruktion 33 in speziell ausgeformten Schwenkarmschienen 34. Die Radkonstruktion 33 ist drehbar mit den Schwenkarmschienen verbunden. Diese Schwenkarmschienen 34 sind mit einer näherungsweise
kegelstumpfförmigen, drehbar gelagerten Kupplungswand 35 verbunden. Die Schwenkarme 32 sind mittels der
Radkonstruktionen 33 so mit den Schwenkarmschienen 34 verbunden, dass ein Drehmoment von der Drehwelle 4 über die Schwenkarme 32 auf die Schwenkarmschienen 34 wirkt. Von dort wirkt ein entsprechendes Drehmoment über die Kupplungswand 35 auf eine Kupplungswelle, die einen
elektrischen Generator 27 antreibt. Die Länge der
Schwenkarme 32 ist variabel und wird durch den jeweiligen Winkel des Schwenkarms 32 relativ zur Drehwelle 4
vorgegeben, da ein Ende des Schwenkarms 32 in der
Schwenkarmschiene 34 gelagert ist und ein anderes Ende an der Drehwelle 4 gelagert ist. Der Winkel des Schwenkarms 32 bezüglich der Drehwelle 4 wird durch die
Drehgeschwindigkeit der zugehörigen Drehwelle 4 und dem Schwenkarmgewicht 36 bestimmt. Die Schwenkarmschienen 34 liegen an der Kupplungswand 35 an und sind bogenförmig ausgebildet. Dabei verlaufen die Schwenkarmschienen 34 von der unteren Seite 35 ' des Kegelstumpfs zur oberen Seite 35y ' .
In Figur 5 ist eine Aufsicht auf die Kupplungsvorrichtung 26 und im Detailausschnitt die Radkonstruktion 33 in der Schwenkarmschiene 34 dargestellt. Die Schwenkarmschiene 34 ist mit Schwenkarmschienenwellen 37 ausgestattet. Die
Radkonstruktion 33 besitzt drei an den Spitzen eines
Dreiecks angeordnete Räder 38, wobei die beiden Räder an der Basis des Dreiecks durch eine starre Achse 39 verbunden sind und das dritte Rad über eine Federachse 40 mit der starren Achse 39 verbunden ist. Dadurch ist der Abstand der Räder 38 zueinander variabel und die Radkonstruktion kann das entsprechende Drehmoment auf die Schwenkarmschiene 34 übertragen .
Figur 6 zeigt einen Querschnitt einer Drehachse 4 an der Stelle, an der der Schwenkarm 32 mit der Drehachse 4 verbunden ist. Der Schwenkarm 32 ist mit Hilfe eines Rings 41 um den Umfang der Drehwelle 4 mit der Drehwelle 4 verbunden. Der Ring 41 besitzt eine Kerbe 42. In der
Drehwelle 4 sind ein Mitnehmer 43 und eine Feder 44
angeordnet. Befindet sich der Mitnehmer 43 in der Kerbe 42, wird der Schwenkarm 32 durch die Drehwelle angetrieben und besitzt die gleiche Drehgeschwindigkeit. Übersteigt
hingegen die Drehgeschwindigkeit des Schwenkarms 32 die Drehgeschwindigkeit der Drehwelle 4, wird der Mitnehmer 43 zurückgeschoben und Drehwelle 4 und Schwenkarm 32 drehen unabhängig voneinander.
In Figur 7 ist eine Ansicht einer Windkraftanlage
dargestellt. Die Windkraftanlage besteht aus einer
Flügelradeinheit mit 10 Flügelrädern 45, einer schematisch dargestellten Kupplungsvorrichtung 46 und einem schematisch dargestellten Generator 27. Zur Stabilisierung wird die vor Ort montierbare Flügelradeinheit mittels dreier Stahlseile 47 von einer sternförmig ausgebildeten Spitze 48 der
Flügelradeinheit gegen den Erdboden abgespannt und
zusätzlich mit einem Anker 49 gesichert. Der Anker ist als Bodenschraube ausgebildet. Auf diese Weise kann die Anlage mit einem geringen zusätzlichen Gewicht errichtet werden, so dass auch an schwer zugänglichen Orten eine einfache Montage gewährleistet ist. Anstelle des Ankers 49 können auch weitere Abspannseile zur Sicherung verwendet werden. Auf diese Weise kann die Anlage automatisch senkrecht ausgerichtet werden. Dadurch sind die Drehwellen und der Generator immer senkrecht ausgerichtet. Dies stellt
insbesondere bezüglich einer sich ändernden
Untergrundoberfläche beispielsweise eines Gletschers einen besonderen Vorteil dar. Mit Hilfe des Gewichtsrads 50, das die Trägheit der Flügelradeinheit erhöht, werden
Drehimpulse gedämpft.

Claims

Vorrichtung zur elektrischen Energiegewinnung mittels Wind- und/oder Wasserkraft P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Vorrichtung zur elektrischen Energiegewinnung mittels Wind- und/oder Wasserkraft, die aus mindestens einem Flügelrad (45) besteht, längs dessen Umfang mehrere Flügel (2) angeordnet sind, auf die Wind- oder
Wasserkräfte wirken, durch die das Flügelrad (45) um eine zum Erdboden gerichtete Welle (4) in eine
Drehbewegung (9) versetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (2) der Flügelräder (45) an ihren
Innenseiten (12) jeweils mindestens eine
Strömungstasche (11) aufweisen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (2) der Flügelräder (45) an ihren
Außenseiten (13) jeweils mindestens eine
Strömungstasche (10) aufweisen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine vom Flügel (2) aus nach außen gerichtete Seite der mindestens einen Strömungstasche (10) S-förmig ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mindestens zwei
Strömungstaschen (10, 11) an den Flügeln (2) angeordnet sind . Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Strömungstaschen (10, 11) in
Strömungsrichtung (14) hintereinander auf den Flügeln (2) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (2), die
Flügelräder (45) und die Strömungstaschen (10, 11) mittels geeigneter Verbindungselemente am
Aufstellungsort miteinander verbunden werden können.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Flügelräder (45) übereinander um eine gemeinsame Achse angeordnet sind und so eine Flügelradeinheit bilden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flügelrad (45) oder eine Flügelradeinheit zur Nutzung von Windkraft (23) und/oder ein Flügelrad (45) oder eine Flügelradeinheit zur Nutzung von Wasserkraft (24) über eine
Kupplungsvorrichtung (26) einen gemeinsamen Generator (27) antreiben.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektromotor (22) und/oder ein
Verbrennungsmotor (25) über die Kupplungsvorrichtung (26) den gemeinsamen Generator (27) antreiben. 10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten einer
vorgebbaren unteren Geschwindigkeit eines Flügelrads (45) oder einer Flügelradeinheit die Wirkverbindung zwischen diesem Flügelrad (45) oder dieser
Flügelradeinheit und der Kupplungsvorrichtung (26) trennbar ist .
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten einer
vorgebbaren oberen Geschwindigkeit eines Flügelrads (45) oder einer Flügelradeinheit dieses Flügelrad (45) oder diese Flügelradeinheit bremsbar ist.
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