WO2011160688A1 - Windkraftmaschine - Google Patents

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WO2011160688A1
WO2011160688A1 PCT/EP2010/058907 EP2010058907W WO2011160688A1 WO 2011160688 A1 WO2011160688 A1 WO 2011160688A1 EP 2010058907 W EP2010058907 W EP 2010058907W WO 2011160688 A1 WO2011160688 A1 WO 2011160688A1
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WO
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generator
wind power
impeller
wind
housing
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Application number
PCT/EP2010/058907
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French (fr)
Inventor
Matthias Meissner
Original Assignee
Lightyears Holding Ag
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Publication date
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Priority to PCT/EP2010/058907 priority Critical patent/WO2011160688A1/de
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    • F03D3/061—Rotors characterised by their aerodynamic shape, e.g. aerofoil profiles
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
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    • Y02E10/727—Offshore wind turbines
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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 wind power machine for offshore use and for applications on buildings, on
  • the wind power machine comprises at least one impeller and a generator and a bearing of the rotor shaft of the generator resp. the paddle wheel according to the preamble of claim 1.
  • CN-A-2802113 discloses a turbulent flow wind generator wherein each rotating shaft is provided with a spiral.
  • the RU-C-2330989 shows a wind turbine whose annular to disc-shaped rotor is disposed above the sea water level.
  • On a circular ring is a variety of blades, possibly adjustable and stand-alone arranged.
  • Blades are disclosed in US-A-4468169.
  • US-A-3938907 discloses a wind turbine with two blade rings, which are arranged between two horizontal circular disks. The outside
  • Blade ring comprises fixed turbine blades, which are almost straight, while the blades of the inner ring are more bent and can also be designed to be adjustable.
  • Bearings also magnetic bearings for use, eg.
  • US-A-2009322172 inter alia U-shaped pole pieces
  • US-A-2010072846 rotary shaft with recesses for avoiding
  • the bearing arrangement according to WO-A-2010006859 has a magnetic radial bearing whose bearing housing is elastically suspended.
  • CN-A-2737979 it is proposed to electrically couple a plurality of windmills to increase the yield, while in CN-A-101465606 a converter for equalization is proposed.
  • switchable generator wherein arranged on a rotor shaft pole wheels with different diameters are fixed to the frame. Opposite each one pole wheel at the shaft ends, a central pole wheel has a larger diameter. The number of poles and the speed are variable.
  • the invention is based on the object
  • Equal wind turbine for offshore use such as for applications on buildings, on vehicle roofs, in ship and light poles u. a. to create that at
  • Wind speed ranges and wind direction independent be operational and ensures a compact design in different applications.
  • the wind from the main wing be directed to more copeeletnente.
  • so-called spoilers is created in the area of the axis of rotation
  • paddlewheel here denotes the
  • the blades are bent and are preferably made of an elastomeric material, EPDM or silicone with
  • Elastomer foam whose surface is ice-repellent.
  • the hardness of the blades can vary according to the stress.
  • the foam is quiet during operation and can be used over a wide temperature range due to a low coefficient of thermal expansion resp. a high
  • the housing is preferably pyramidal with octagonal outline and its shell wall is due to the slope suitable, an air flow to an active site, respectively. to lead to the paddle wheel, wherein the active site is preferably a cooling device of the generator.
  • Sheath angle is variable depending on customer requirements. Due to the slope of the housing wall is the plant
  • Metal or plastic are used, with an adaptation to the environment, eg. B. by means of turf or
  • Bridges be arranged, wherein the housing then comprises only a cooling and generator shell for the generator.
  • the axis of rotation can be vertical, oblique or horizontal
  • the generator shaft is in a floating state and is therefore virtually maintenance-free.
  • Frictional losses are also noticeably reduced, as well as the moment of inertia when starting and braking.
  • Paddle wheel and magnetic bearings are with a one to
  • the coils of each stage are individually switchable and moved in the generator around by adjusting the
  • the system output can range from approx. 25 KW to approx. 1 (4) MW each
  • Wind turbine vary.
  • Paddle wheel and generator also be designed differently.
  • the system works autonomously, i. by using a small generator which in turn feeds a battery
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a
  • Fig. 2 a plan view of a paddle wheel
  • Fig. 4 a bearing ring of the magnetic bearing
  • Fig. 5 a three-stage generator.
  • An inventive wind power machine comprises a housing 1 in the form of a truncated pyramid, on the upper
  • Windeinleitötechnisch is provided, which automatically aligns with the wind direction.
  • the jacket wall 11 of the housing 1 does not explicitly show cooling slots for a generator 3 in the interior of the truncated pyramid. Due to the oblique shell wall, the wind load of incoming air 9 'is minimized and the air flow 9 also directly into the
  • the paddle wheel 2 can be sunk into the housing 1.
  • An unillustrated base plate of the housing 1 is designed to be sure-footed and in the non-visible access door a safety circuit is provided.
  • the impeller 2 comprises two horizontally arranged and spaced-apart outer rings 5 and inner rings 6, between which eight curved blades 4 are arranged with an area of 2.25 m2 each ( Figure 2). The ends of the blades 4 each extend over the outer wheel of the
  • controllable spoiler 12 which in the area of the axis of rotation. 8 use the resulting swirling and steer to drive on further (up to six) blades 4 (Fig. 3).
  • the effective torque can be increased by up to 50% (approx.).
  • the passing wind creates a suction and additional sockets 14 and / or side pipes are designed so that the suction is generated in the direction of rotation.
  • the wind line is carried on the "standing in the wind” blade 4 on the spoiler 12 to at least four others
  • Blades 4 which is a multiple use of wind power due to re-acceleration.
  • the impeller 2 has no central axis (rotor shaft), so that the air can pass unhindered from the main wing on more blades 4.
  • the basic construction of the paddle wheel 2 consists of
  • Aluminum materials and the blades 4 consist of an aluminum grid filled with elements of a foam plastic with membrane effect, which prevents icing, z. B. EPDM.
  • the Kunststoffeinsharm causes a low
  • the impeller 2 is located above the magnetic bearing 13 and is, in the embodiment, by 8 mm not
  • the paddle wheel 2 is by a non-contact
  • Wind turbine generated magnetic field which in turn
  • the magnetic bearing 13 includes two superimposed bearing rings 13 by moving and controlled permanent magnets and
  • Laser distance sensors keep the bucket 2 in suspension.
  • the laser sensors not shown, on the circumference of the
  • the barrel is laser-monitored and a backup by an emergency camp is given.
  • the generator 3 has three stages 10 on a generator shaft 7.
  • the steps 10 are fir shaped with upwards
  • Each stage contains a number of circumferentially arranged coils 15.
  • the stages 10 work dynamically and thus enable an optimal force resp. Moment experience.
  • the first, upper (and smallest in diameter) stage is already at a
  • Wind speeds of about 30 m / s becomes a brake
  • the minimum starting speed is approx. 0.5 m / s.
  • the coils 15 can be individually switched on by means of associated servo motors, so that a wide variety of load cases can be realized.
  • the three stages 10 are equipped with a total of 120 coils 15.
  • flow nozzles are arranged to the right of the opening, which guide wind in secondary inlets. At a first secondary inlet, the air flow passes completely through the opening, at a second secondary inlet passes the
  • the sheathing is on the one hand by a controller and an electric motor and on the other by a roof
  • the wind turbine is designed for a power of 500 KW / h.
  • the height is about 10 m
  • Paddle wheel 2 approx. 3.7 m (diameter less than 4 m).
  • the wind power machine can also be driven manually in certain situations and in case of danger, the parameters can be adjusted so that the paddle wheel 2 can also be retracted into the housing 1.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windkraftmaschine für Offshore-Einsatz sowie für Anwendungen auf Gebäuden, auf Fahrzeugdächern, in Schiffs- und Lichtmasten u. a., wobei Ausführungsformen für unterschiedliche Leistungswerte möglich sind und die bei vergleichsweise geringen Investitionskosten und kleinstmöglicher Umweltbeeinflussung anwendbar ist. Hierzu sind die Schaufeln (4) in Richtung auf eine Drehachse (8) des Schaufelrades (2) gerichtet zwischen zumindest je einem oberen und unteren Aussenring (5) und Innenring (6) so angeordnet, dass Luft ungehindert zwischen den Schaufeln (4) strömen kann und ein rückseitiger Luftdurchgang gegeben ist, was eine kompakte Bauweise gewährleistet und die Windkraftmaschine in grossen Windgeschwindigkeitsbereichen einsatzfähig ist.

Description

Windkraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Windkraftmaschine für Offshore- Einsatz sowie für Anwendungen auf Gebäuden, auf
Fahrzeugdächern, in Schiffs- und Lichtmasten u. a., wobei
Ausführungsformen für unterschiedliche Leistungswerte möglich sind. Die Windkraftmaschine umfasst zumindest ein Schaufelrad und einen Generator sowie eine Lagerung der Rotorwelle des Generators resp. des Schaufelrades gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Windkraftmaschinen, insbesondere dreiflüglige
Propelleranordnungen sind bekannt und werden im industriellen Massstab angewendet. Nachteilig sind jedoch die hohen
Investitionskosten, eine vergleichsweise grosse Abhängigkeit von den Witterungsbedingungen, z. B. Windgeschwindigkeit oder Eisbildung und nachteilige Wirkungen auf das Landschaftsbild sowie psychische Beeinträchtigen in unmittelbarer Umgebung von Propelleranlagen.
Die CN-A-2802113 offenbart einen Windgenerator für turbulente Strömungen, wobei jede drehende welle mit einer Spirale versehen ist.
Bekannt sind auch vertikal angeordnete Rotoren in
Wasserkraftwerken, in Schiffsmasten oder hohen Gebäuden. So zeigt die RU-C-2330989 eine Windkraftanlage, deren kreisring- bis scheibenförmiger Rotor oberhalb des Meereswasserspiegels angeordnet ist. Auf einem Kreisring ist eine Vielzahl von Schaufeln, ggf. verstellbar und einzeln stehenden angeordnet. Ein ähnliches und selbsteinstellendes Windrad, mit fünf horizontal und gleichmässig beabstandet angeordneten
Schaufeln sind in der US-A-4468169 offenbart.
Weitergehend offenbart die US-A-3938907 eine Windradturbine mit zwei Schaufelkränzen, die zwischen zwei horizontal liegenden Kreisscheiben angeordnet sind. Der äussere
Schaufelkranz umfasst fest angeordnete Turbinenschaufeln, die nahezu gerade sind, während die Schaufeln des inneren Kranzes stärker gebogen sind und auch anstellbar ausgebildet sein können.
Bekannt sind ebenfalls Tornadotürme mit in Achsrichtung festen oder verstellbaren Flügeln im Aussenmantel sowie auch Vortex Tower mit grosser Bauhöhe.
Zur Minderung oder Meidung von Reibungsverlusten bei linearen oder rotierenden Bewegungen kommen neben Wälz- und
Gleitlagern auch Magnetlagerungen zur Anwendung, z. B. gemäss der US-A-2009322172 (u. a. U-förmige Polschuhe) , US-A- 2010072846 (Drehwelle mit Vertiefungen zur Meidung von
Wirbelströmen an der Wellenoberfläche) , US-A-20090322095 und US-A-20090324383 (magnetisch gelagerte Windturbine mit horizontaler oder vertikaler Achse und räumlich sehr
umfangreichen Windleiteinrichtungen) , US-B-7303369 (Abhebung mittels Permanentmagnet) oder US-A-20100026120 (Rotor in Kronenform mit lediglich magnetischer Schulter, ohne Magnet) . Zur berührungslosen Lagerung einer horizontal angeordneten Rotorwelle einer Turbomaschine weist die Lageranordnung gemäss der WO-A-2010006859 ein magnetisches Radiallager auf, dessen Lagergehäuse elastisch aufgehängt ist.
Propeller- und Turbinenräder sind mit Generatoren zur
Stromerzeugung gekoppelt, wobei eine optimale
Energieerzeugung an bestimmte Drehzahlbereiche gebunden ist. In der CN-A-2737979 wird vorgeschlagen, mehrere Windräder elektrisch zu koppeln um die Ausbeute zu erhöhen, während in der CN-A-101465606 ein Konverter zur Vergleichmässigung vorgeschlagen wird.
In der DE-A-102006046962 ist hingegen ein mehrstufig
schaltbarer Generator offenbart, wobei auf einer Rotorwelle Polräder mit unterschiedlichem Durchmesser gestellfest angeordnet sind. Gegenüber je einem Polrad an den Wellenenden weist ein mittleres Polrad einen grösseren Durchmesser auf. Die Polzahl und die Drehzahl sind variierbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Windkraftmaschine gleichennassen für einen Offshore-Einsatz wie für Anwendungen auf Gebäuden, auf Fahrzeugdächern, in Schiffs- und Lichtmasten u. a. zu schaffen, die bei
vergleichsweise geringen Investitionskosten und
kleinetmöglicher Umweltbeeinflussung Ausführungsformen für unterschiedliche Einsatzgebiete und Leistungswerte
ermöglicht.
Die Aufgabe ist mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass die Schaufeln in Richtung auf eine Drehachse des Schaufelrades gerichtet zwischen zumindest je einem oberen und unteren Aussenring und Innenring (6) so angeordnet sind, dass Luft ungehindert zwischen den Schaufeln strömen kann und ein rückseitiger Luftdurchgang gegeben ist, kann die Windkraftmaschine in grossen
Windgeschwindigkeitsbereichen und windrichtungsunabhängig einsatzfähig sein und gewährleistet eine kompakte Bauweise in unterschiedlichen Einsatzgebieten. Durch den Entfall einer festen Mittelachse/Achswelle kann der Wind vom Hauptflügel auf weitere Flügeleletnente geleitet werden. Über sogenannte Spoiler wird die im Bereich der Drehachse entstehende
Verwirbelung genutzt und zum Antrieb in weitere Flügel geleitet .
Die Bezeichnung Schaufelrad kennzeichnet hierbei den
grundsätzlichen Aufbau anhand eines bekannten technischen Begriffs, ohne dabei die Gestaltungsmöglichkeiten
einzuschränken resp. abschliessend zu charakterisieren. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen
Ansprüchen offenbart.
So sind die Schaufeln gebogen und bestehen bevorzugt aus einem elastomeren Werkstoff, EPDM oder Silikon mit
angepasster Shore-Härte, insbesondere aus einem
Elastomerschaum, dessen Oberfläche eisabweisend ist. Die Härte der Schaufeln kann beanspruchungsgerecht variieren. Zudem ist der Schaumstoff im Betrieb geräuscharm und über grosse Temperaturbereiche hinweg einsetzbar aufgrund eines geringen Wärmedehnungskoeffizienten resp. einer hohen
Elastizität. Weiterhin ragen die Enden der Schaufeln über Innenring und/oder Aussenring hinaus.
Das Schaufelrad ist vorteilhaft in Richtung der Drehachse verschiebbar auf einem Gehäuse der Windkraftmaschine
angeordnet und kann bei Bedarf in dieses verfahren werden und/oder kann selbst gegen oben abgedeckt und zum Teil von einem Mantel umgeben sein. Für eine optimale Ausnutzung der Windkraft können Windleiteinrichtungen, Sidepipes (Nutzung von Saugeffekten) u. a. vorgesehen sein.
Das Gehäuse ist vorzugsweise pyramidenförmig mit achteckigem Grundriss und dessen Mantelwand ist aufgrund der Schräge geeignet, eine Luftströmung zu einer Wirkstelle resp. auf das Schaufelrad zu führen, wobei die Wirkstelle bevorzugt eine Kühleinrichtung des Generators ist . Der Winkel der
Mantelschräge ist je nach Kundenwunsch variabel. Durch die Schräge der Gehäusewand wird die Anlage
Bodenverankerung an den Boden gedrückt .
Für den Mantel können unterschiedliche Werkstoffe, z. B.
Metall oder Kunststoff verwendet werden, wobei auch eine Anpassung an das Umfeld, z. B. mittels Rollrasen oder
Dachziegellook, möglich ist.
Ebenso kann die Windkraftmaschine hängend, z. B. unter
Brücken angeordnet sein, wobei das Gehäuse dann lediglich einen Kühl- und Generatormantel für den Generator umfasst . Die Drehachse kann vertikal, schräg oder horizontal
ausgerichtet sein und das Schaufelrad/Generatorwelle ist auf bzw. in einem Permanent-Magnetlager aufgenommen, wobei eine „reibungsfreie" Verbindung zum Generator unter Einschluss des Magnetlagers, einer Magnetkup lung und/oder eines
Magnetgetriebes besteht. Die Generatorwelle befindet sich in einem Schwebezustand und ist somit nahezu wartungsfrei .
Reibungsverluste werden zudem spürbar reduziert, ebenso das Trägheitsmoment beim Anfahren und Bremsen.
Schaufelrad und Magnetlager sind mit einem ein- bis
sechsstufigen Generator, insbesondere einem drei- oder vierstufigen Generator gekoppelt, dessen Stufen einzeln, insbesondere last- oder windgeschwindigkeitsabhängig
schaltbar sind.
Ebenso sind die Spulen jeder Stufe einzeln schaltbar und in sich im Generator verfahrbar um durch Anpassung des
Widerstandes eine konstante Drehzahl zu ermöglichen. Die Anlagenleistung kann je nach Baugrösse und Einsatzgebiet im Bereich von ca. 25 KW bis ca. 1 (4) MW je
Windkraftmaschine variieren.
Denkbar sind daher auch sehr kleine Ausführungsformen für Klimaanlagen (mit horizontal gelagertem Rotor) , in
innenbelüfteten Dachstühlen von z. B. Einfamilienhäusern, in hohlen Tragmasten (Sog-Druck Thermik) einer
Strassenbeleuchtung o. dgl., auf dem Fahrerhaus von LKWs, in Abluftrohren, Kaminen oder in Masten von Booten oder
kleineren Schiffen für eine autarke Stromerzeugung in
Verbindung mit geeigneten Energiespeichern, somit auch für Hybrid-Antriebe . Für solche Anwendungsfälle können
Schaufelrad und Generator auch abweichend gestaltet sein. Die Anlage funktioniert autark, d.h. durch den Einsatz eines Kleingenerators der wiederum einen Akku speist, werden
Steuerung und Elektromotoren sowie auch die Magnetkupplungen gespeist. Dieser Kleingenerator ist über der ersten
Generatorstufe angeordnet und wird durch ein Permanent- Magnetgetriebe unterstützt (berührungslose Übertragung) .
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand einer Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen Fig. 1: eine schematische Darstellung einer
erfindungsgemässen Windkraftmaschine
Fig. 2: eine Draufsicht auf ein Schaufelrad, mit
Innenwindführung,
Fig. 3: eine Prinzipdarstellung des Schaufelrades,
Fig. 4: einen Lagerring des Magnetlagers Fig. 5: einen dreistufigen Generator.
Eine erfindungsgemässe Windkraftmaschine umfasst ein Gehäuse 1 in Form eines Pyramidenstumpfes, auf dessen oberer
Plattform ein Schaufelrad 2 um eine vertikale Drehachse 8 drehbar und in Richtung der Drehachse 8 verschiebbar
angeordnet ist (Fig. 1) . Ggf. kann auch das Schaufelrad 2 noch teilweise umhüllt sein, wobei dann eine
Windeinleitöffnung vorgesehen ist, die sich selbsttätig zur Windrichtung ausrichtet.
Im Bereich der oberen Plattform weist die Mantelwand 11 des Gehäuses 1 nicht explizit dargestellte Kühlschlitze für einen Generator 3 im Innern des Pyramidenstumpfes auf. Aufgrund der schrägen Mantelwand wird die Windlast anströmender Luft 9' minimiert und die Luftströmung 9 zudem direkt in die
Kühlschlitze geleitet.
Insbesondere in Gefahrensituationen kann das Schaufelrad 2 in das Gehäuse 1 versenkt werden.
Eine nicht dargestellte Grundplatte des Gehäuses 1 ist trittsicher ausgelegt und in der nicht sichtbaren Zugangstür ist eine Sicherheitsschaltung vorgesehen.
Das Schaufelrad 2 umfasst je zwei horizontal angeordnete und voneinander beabstandete Aussenringe 5 und Innenringe 6, zwischen denen acht gebogene Schaufeln 4 mit einer Fläche von je 2,25 m2 angeordnet sind (Fig. 2) . Die Enden der Schaufeln 4 erstrecken sich jeweils über den Aussenrades des
Aussenringes 5 und denn Innenradius des Innenringes 6 hinaus. Innerhalb des Innenringes bilden sie bewegliche und
steuerbare Spoiler 12, die die im Bereich der Drehachse 8 entstehende Verwirbelung nutzen und zum Antrieb auf weitere (bis zu sechs) Schaufeln 4 lenken (Fig. 3) . Dadurch kann infolge der Sogwirkung das wirksame Drehmoment um bis zu 50% (ca.) erhöht werden.
Der vorbei- und durchziehende Wind erzeugt einen Sog und zusätzliche Stutzen 14 und/oder Sidepipes sind so ausgelegt, dass der Sog in Drehrichtung erzeugt wird.
Die Windleitung erfolgt auf die „im Wind" stehende Schaufel 4 weiter über die Spoiler 12 zu wenigstens vier weiteren
Schaufeln 4, was eine mehrfache Ausnutzung der Windkraft infolge nochmaliger Beschleunigung.
Das Schaufelrad 2 weist keine Mittelachse (Rotorwelle) auf, so dass die Luft ungehindert vom Hauptflügel auf weitere Schaufeln 4 gelangen kann.
Die Grundkonstruktion des Schaufelrades 2 besteht aus
Aluminiumwerkstoffen und die Schaufeln 4 bestehen aus einem Aluminiumgitter gefüllt mit Elementen aus einem Schaum- Kunststoff mit Membraneffekt, der eine Vereisung verhindert, z. B. EPDM. Der Kunststoffeinsätz bewirkt ein geringes
Gewicht der Schaufeln 4 und einen niedrigen Geräuschpegel . Das Schaufelrad 2 befindet sich über dem Magnetlager 13 und ist dabei, im Ausführungsbeispiel, um 8 mm aus nicht
dargestellten Notlauflagern herausgehoben.
Das Schaufelrad 2 ist durch eine berührungslose
Magnetkupplung des Permanent-Magnetlagers 13 sowie ein
Magnetgetriebe mit dem Generator 3 verbunden. Die
Kraftübertragung vom Schaufelrad 2 zum Generator 3 erfolgt durch ein, durch die eigene Energiegewinnung der
Windkraftmaschine erzeugtes Magnetfeld, das wiederum
drehzahlabhängig angesteuert wird. Das Magnetlager 13 umfasst zwei übereinanderliegende Lagerringe 13 die durch bewegliche und gesteuerte Permanentmagneten sowie
Laserabstandssensoren das Schaufelrad 2 in der Schwebe halten.
Dazu sind auch in den Innenringen 6 Magnetelemente
integriert .
Die nicht dargestellten Lasersensoren am Umfang des
Magnetlagers 13 überwachen deren Funktion und den
Schwebezustand.
Mit Hilfe von Stellmotoren erfolgt eine Trimmung der
Permanentmagnete des Magnetlagers 13, was eine hohe
Rundlaufgenauigkeit von max. 0,2 mm Abweichung ermöglicht. Durch eine Winkeleinstellung der einzelnen Permanentmagnete wird in Drehrichtung eine weitere Kraft infolge der
Abstossungswirkung eingebracht.
Der Lauf ist laserüberwacht und eine Sicherung durch ein Notlager ist gegeben.
Der Generator 3 weist drei Stufen 10 auf einer Generatorwelle 7 auf. Die Stufen 10 sind tannenförmig mit nach oben
abnehmendem Durchmesser angeordnet. Jede Stufe enthält eine Anzahl auf dem Umfang angeordnete Spulen 15.
Die Stufen 10 arbeiten dynamisch und ermöglichen so eine optimale Kraft- resp. Momentnutzung. Die erste, obere (und im Durchmesser kleinste Stufe) wird bereits bei einer
Wellendrehzahl von 4 U/min. zugeschaltet. Durch eine nicht dargestellte Schwungradanordnung kann die Drehzahl um ein Vielfaches gesteigert werden. Bei den zwei grösseren Stufen 10 ist keine Drehzahlerhöhung mittels Schwungrad vorgesehen. In einer vierten, nicht dargestellten Stufe könnten Spulen 15 mit deutlich grösserer Nennleistung angebracht sein. Diese vierte Stufe ist zugleich Bremsstufe bei
Windgeschwindigkeiten grösser 25 m/s. Bei
Windgeschwindigkeiten von ca. 30 m/s wird eine Bremse
zugeschaltet und der Generator wird abgekoppelt. Die minimale Anlaufgeschwindigkeit beträgt ca. 0,5 m/s.
Die Spulen 15 sind mittels jeweils zugeordnetem Stellmotor einzeln zuschaltbar, so dass unterschiedlichste Lastfälle realisierbar sind. Im Beispiel sind die drei Stufen 10 mit insgesamt 120 Spulen 15 bestückt.
Aufgrund der überwachten und gesteuerten Zuschaltung der einzelnen Spulen 15 kann das Trägheitsmoment des Generators 3 nahezu auf „0" gehalten werden.
Weiterhin sind rechts von der Öffnung Strömungsstutzen angeordnet, die in Nebeneinlässe Wind leiten. Bei einem ersten Nebeneinlass gelangt der Luftstrom komplett durch die Öffnung, bei einem zweiten Nebeneinlass passiert der
Luftstrom sechs Stutzen, und bei einem dritten Nebeneinlass sechs Luftstromstutzen. 90°links zur Windöffnung befinden sich wiederum 90° zur Windrichtung stehend zwölf Stutzen bzw. Rohre, wobei ein Venturi Effekt durch den vorbeiziehenden Wind erzeugt wird und durch diesen Effekt der Nebeneinlass vor dem erneuten Windeintritt geleert wird.
Die Ummantelung wird zum einen durch eine Steuerung und einen Elektromotor und zum anderen durch eine auf dem Dach
befindliche Windleitfahne, automatisch der Windrichtung angepasst . Im Beispiel ist die Windkraftmaschine für eine Leistung von 500 KW/h ausgelegt. Die Bauhöhe beträgt ca. 10 m
(Schaufelrad 2 und Gehäuse 11 mit Generator 3) , die
erforderliche Grundfläche ca. 11x11 m und die Höhe des
Schaufelrades 2 ca. 3,7 m (Durchmesser kleiner 4 m) .
Die Windkraftmaschine kann in bestimmten Situationen auch manuell gefahren werden und bei Gefahr können die Parameter so eingestellt werden, dass das Schaufelrad 2 auch in das Gehäuse 1 eingefahren werden kann. Die gesamten
Investitionskosten betragen nur ca. 1/3 im Vergleich zu einer konventionellen Turmanlage mit Propeller.
Liste der Bezugszeichen
1 Gehäuse
2 Schaufelrad
3 Generator
4 Schaufel
5 Aussenring
6 Innenring
7 Generatorwelle
8 Drehachse
9 Luftströmung
10 Stufe
11 Mantelwand
12 Spoiler
13 Magnetlager
13' Lagerring
14 Stutzen
15 Spule

Claims

Patentansprüche
1. Windkraftmaschine, geeignet für einen Offshore-Einsatz sowie für Anwendungen auf Gebäuden, auf Fahrzeugdächern, in Schiffs- und Lichtmasten u. a., umfassend zumindest ein
Schaufelrad (2) und einen Generator (3) sowie eine Lagerung der Rotorwelle des Generators (3) resp. des Schaufelrades (2) , wobei Schaufelrad (2) und Generator (3) gekoppelt sind und dass Schaufeln (4) des Schaufelrades (2) zwischen
parallel angeordneten, kreis- oder ringförmigen Elementen aufgenommen sind,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (4) in Richtung auf eine Drehachse (8) des Schaufelrades (2) gerichtet sind und zwischen zumindest je einem oberen und unteren Aussenring (5) und Innenring (6) so angeordnet sind, dass Luft
ungehindert zwischen den Schaufeln (4) strömen kann und ein rückseitiger Luftdurchgang gegeben ist.
2. Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (4) gebogen sind und bevorzugt aus einem elastomeren Werkstoff bestehen.
3. Windkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elastomere Werkstoff ein EPDM oder Silikon mit angepasster Shore-Härte ist.
4. Windkraftmaschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelrad (2) in Richtung der Drehachse (8) verschiebbar auf bzw. in einem Gehäuse (1) der Windkraftmaschine angeordnet ist.
5. Windkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei hängender Anordnung unter Brücken o. a. das Gehäuse (1) lediglich den Kühl- und Generatormantel umfasst.
6. Windkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) pyramidenförmig ist, bevorzugt achteckig und geeignet ist, eine Luftströmung (9) zu einer Wirkstelle zu führen, wobei die Wirkstelle bevorzugt eine
Kühleinrichtung des Generators (3) ist und dass durch die
Schräge der Gehäusewände die Windkraftmaschine zusätzlich zu einer Bodenverankerung nach unten gedrückt wird.
7. Windkraftmaschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Schaufeln
(4) über Innenring
und beim Innenring (6) als Spoiler (12) ausgebildet sind.
8. Windkraftmaschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (8)
vertikal, schräg oder horizontal ausgerichtet ist.
9. Windkraftmaschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelrad (2) auf bzw. in einem Permanent-Magnetläger (13) gelagert ist und durch eine berührungslose Magnetkupplung des Magnetlagers (13) und/oder ein Magnetgetriebe mit dem Generator (3) verbunden ist.
10. Windkraftmaschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Schaufelrad (2) und Magnetlager mit einem ein- oder mehrstufigen Generator (3) gekoppelt sind, dessen einzelne Spulen und Stufen (10) einzeln, insbesondere windgeschwindigkeitsabhängig schaltbar sind.
11. Windkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, dass der Generator (3) e
ist.
12. Windkraftmaschine, geeignet für einen Offshore-Einsatz sowie für Anwendungen auf Gebäuden, auf Fahrzeugdächern, in Schiffs- und Lichtmasten u. a., umfassend zumindest ein Schaufelrad (2) und einen Generator (3) sowie eine Lagerung der Rotorwelle des Generators (3) resp. des Schaufelrades (2) , wobei Schaufelrad (2) und Generator (3) gekoppelt sind und dass Schaufeln (4) des Schaufelrades (2) zwischen parallel angeordneten, kreis- oder ringförmigen Elementen aufgenommen sind,
dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (3) ein- oder mehrstufig ist, wobei der Durchmesser der Polräder jeder Stufe (10) in Richtung auf das Schaufelrad (2) abnimmt.
13. Windkraftmaschine nach Anspruch 12 , dadurch
gekennzeichnet, dass die Stufen (10) einzeln, insbesondere last- resp. windqeschwindiqkeitsabhängig schaltbar sind.
14. Windkraftmaschine nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass Spulen (15) der Stufen (10) in sich beweglich verfahrbar sind.
15. Windkraftmaschine nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (3) ein- bis sechsstufig ist.
16. Windkraftmaschine, geeignet für einen Offshore-Einsatz sowie für Anwendungen auf Gebäuden, auf Fahrzeugdächern, in
Schiffs- und Lichtmasten u. a., umfassend zumindest ein Schaufelrad (2) und einen Generator (3) sowie eine Lagerung der Rotorwelle des Generators (3) resp. des Schaufelrades (2) , wobei Schaufelrad (2) und Generator (3) gekoppelt sind und zumindest der Generator (3) in einem Gehäuse aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1)
pyramidenförmig ist, dessen Mantelwand (11) geeignet ist, eine Luftströmung (9) zu einer Wirkstelle zu führen und dass durch die Schräge der Gehäusewände die Windkraftmaschine zusätzlich zu einer Bodenverankerung nach unten gedrückt wird.
17. Windkraftmaschine nach Anspruch 16, dadurch
gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) die Grundform eines Pyramidenstumpfes, bevorzugt achteckig aufweist, auf dessen Dach das Schaufelrad (2) angeordnet ist.
18. Windkraftmaschine nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelrad (2) in das Gehäuse (1) absenkbar angeordnet ist.
19. Windkraftmaschine nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelrad (2) gegen oben abgedeckt und zumindest teilweise von einem Mantel umgeben ist und im Mantel eine Windeinleitöffnung vorgesehen ist, wobei
rechts von der Öffnung Strömungsstutzen angeordnet sind, die in weitere Kammern Wind leiten.
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