WO2017089047A1

WO2017089047A1 - Vertikale windkraftanlage

Info

Publication number: WO2017089047A1
Application number: PCT/EP2016/075324
Authority: WO
Inventors: Wolfgang PFLUG; Alexander Klupp
Original assignee: Groschopp Ag Drives & More
Priority date: 2015-11-25
Filing date: 2016-10-21
Publication date: 2017-06-01

Abstract

Die Erfindung betrifft eine vertikale Windkraftanlage zur Umwandlung von Windenergie eines Windes, aus einer Windrichtung (W) kommend, in mechanische Energie, mit einer zentralen vertikalen Drehachse (2), um die ein Rotor (3) mit einer Anzahl von von der Drehachse (2) beabstandeten Rotorblättern oder Flügeln(4) drehbar auf einer Kreisbahn gelagert ist, wobei zumindest ein Teil der Rotorblätter oder Flügel (4) an einer eigenen vertikalen Flügelachse (5) mit Hilfe von Stellelementen (6a, 6b) unabhängig von der Drehung um die zentrale vertikale Drehachse (2) drehbar sind und wobei die Rotorblätter oder Flügel (4) zwei Seiten mit Oberflächen (8, 8a, 8b) aufweisen, von denen wenigstens eine gekrümmt ist. Um den Wirkungsgrad der Anlage zu erhöhen, ist vorgesehen, dass zumindest auf einem Teilstück der Kreisbahn die Oberfläche (8a) der der zentralen vertikalen Drehachse (2) zugewandten Seite eine konkave und die Oberfläche (8b) der der zentralen Drehachse abgewandten Seite eine konvexe Krümmung aufweist oder umgekehrt.

Description

Vertikale Windkraftanlage

Die Erfindung betrifft eine vertikale Windkraftanlage zur Umwandlung von Windenergie eines Windes, aus einer Windrichtung kommend, in mechanische Energie, mit einer zentralen vertikalen Drehachse, um die ein Rotor, verbunden mit einer Anzahl von von der Drehachse

beabstandeten Rotorblättern oder Flügeln, drehbar gelagert ist, wobei zumindest ein Teil der Rotorblätter oder Flügel an einer eigenen vertikalen Flügelachse mit Hilfe von Stellelementen unabhängig von der Drehung um die vertikale Drehachse drehbar sind und wobei die

Rotorblätter oder Flügel zwei Seiten mit Oberflächen aufweisen, von denen wenigstens eine gekrümmt ist.

Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen vertikalen Windkraftanlage. Zur Vereinfachung der folgenden Beschreibung werden die als

Rotorblätter oder Flügel oder Segel oder Tragflächen oder mit ähnlichen Begriffen bezeichneten Elemente, an deren Flächen der Wind angreift, um die Windkraftanlage in Rotation zu versetzen, allgemein als Flügel bezeichnet.

Weiterhin wird zur Vereinfachung der Beschreibung und dem leichteren Verständnis der Figuren allgemein von einer gekrümmten Oberfläche gesprochen, bzw. ist diese so dargestellt. Diese können eine konkave oder konvexe Form haben. Der Begriff Krümmung sei hier so definiert, dass er auch von einer Kreisbogenform abweichen und beispielsweise polygonartig gestaltet sein kann. Vertikale Windkraftanlagen sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise wird in der DE 20 2007 014 366 U1 bereits vorgeschlagen,

Vertikalwindkraftanlagen nach dem Darrieus-H-Rotorprinzip so zu verbessern, dass jeder Flügel eine fliehkraftgesteuerte Drehbewegung ausführen kann, die über ein Federsystem reguliert wird und unabhängig von der Drehzahl um die zentrale vertikale Drehachse ist.

Auch in der DE 10 2005 021 390 A1 werden speziell ausgestaltete Flügel vorgeschlagen, die an Auslegern in Abhängigkeit von Ihrer momentanen Lage zur Windrichtung drehbar gelagert sind.

Vielfach wird bei derartigen Anlagen aus dem Stand der Technik versucht, das Prinzip, das auch bei Voith-Schneider-Rotoren für

Schiffsantriebe angewendet wird, bei Windenergieanlagen einzusetzen. Die Flügel des Voith-Schneider-Antriebs bewegen sich auf einer

Kreisbahn und führen dabei eine zusätzliche überlagerte

Schwenkbewegung aus.

In der Bachelor-Thesis von Meysam Soltnai aus dem August 2013, vorgelegt an der Fakultät Technik und Informatik der Hochschule für

Angewandte Wissenschaften Hamburg zur Erlangung des akademischen Grades Bachelor of Engineering (B.Eng.) im Studiengang Maschinenbau/ Entwicklung und Konstruktion, wird auf dieses Verfahren und im Grunde auch den gesamten Stand der Technik zu vertikalen Windkraftanlagen recht ausführlich eingegangen.

Demnach ist also bekannt, die Flügel in geeigneter Weise zum Wind zu stellen, um die zurzeit optimale Leistung aus einer Windkraftanlage gewinnen zu können. Der wahre Wind addiert sich zu dem Wind, welcher durch die Rotation des Windrades erzeugt wird, zu dem sogenannten scheinbaren Wind. Dieser erzeugt die Kraft, welche auf die Flügel wirkt. Diese Kenntnis wird von jedem Segler verlangt, der sein Segel setzt.

Um den Stand der Technik noch besser zu verdeutlichen, ist die Fig. 5 gestaltet worden. Beispielhaft ist ein vertikales Windrad 1 mit zwölf Flügeln 4 in der Draufsicht dargestellt. Diese Flügel 4 besitzen jeweils eine Flügelachse 5, um die sie in Abhängigkeit zu ihrer Stellung zur Windrichtung W optimal gedreht werden können. Die Flügelachsen 5 liegen auf einem Kreis um die zentrale vertikale Drehachse 2 und verlaufen in der Fig. 5 in die Blattebene hinein. Der wahre oder tatsächliche Wind kommt aus der Richtung, die hier einmal mit 12:00 Uhr bezeichnet sein soll, also ist die Windrichtung W in der Fig. 5 von oben senkrecht nach unten. Die Rotation der Anlage erfolgt im Uhrzeigersinn. Für jede Position gilt, dass die senkrechten strichpunktierten Linien den Windrichtungsvektor auf den Mittelpunkt der Flügel 1 1 beschreiben, während die tangential am Kreisumfang der Flügelachsen angreifenden Linien den Windvektor aus der Rotation 12 kennzeichnen. Die

durchgezogenen Linien entsprechen dann den Vektoren des

„scheinbaren Windes" 13. In der Fig. 5 sind die Flügel so angeordnet, dass diese den Wind in optimaler Weise nutzen.

Da die zum Wind gewandten Flügel die hinteren abschirmen, haben sich in der Praxis weniger Flügel als besser erwiesen. Die Darstellung der zwölf Flügel dient somit nur der Illustration der Flügelstellung.

Der deutsche Physiker Albert Betz hat 1919 ein Gesetz formuliert, wonach die optimale Leistung aus einem strömenden Medium geholt werden kann, wenn die Geschwindigkeit des Flügels 1/3 der

Strömungsgeschwindigkeit des Mediums beträgt. Dieses Gesetz gilt allerdings nur dann, wenn die Bewegungsrichtung und die

Strömungsrichtung gleich gerichtet sind. In dieser Darstellung in der 3:00 Uhr-Position. In der beschriebenen Anordnung beträgt die optimale Umfangsgeschwindigkeit etwa 45% der wahren Windgeschwindigkeit.

In Fig. 6, einem Diagramm, das ebenfalls noch dem Stand der Technik entspricht, ist zu erkennen, wie sich ein derartiges Windrad in seiner

Leistungsabgabe verhält. Auf der Abszisse ist der jeweilige Umfangspunkt des Flügels auf seiner Kreisbahn um die zentrale Drehachse in Grad angegeben. Die Ordinate gibt dazu die prozentuale Leistungsabgabe im Verhältnis zu seinem Maximalwert an. Man erkennt, dass das Windrad zwischen 8:00 Uhr und 10:00 Uhr kaum oder keine Leistung erzeugt, da hier der Flügel gegen den scheinbaren Wind geführt werden müsste. An diesen Positionen wird der Flügel deshalb parallel zum scheinbaren Wind geführt. Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Leistung einer vertikalen

Windkraftanlage zu erhöhen.

Die Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung, also der vertikalen

Windkraftanlage, gemäß den im Oberbegriff von Anspruch 1

angegebenen Merkmalen dadurch gelöst, dass zumindest auf einem Teilstück der Kreisbahn die Oberfläche der der zentralen Drehachse zugewandten Seite eine konkave und die Oberfläche der der zentralen Drehachse abgewandten Seite eine konvexe Krümmung aufweist oder umgekehrt.

Das Profil des Flügels im Querschnitt ist also bogenförmig gekrümmt. Dadurch entstehen Windkräfte auf den Flügel, die proportional der Windgeschwindigkeit hoch 2,4 sind. Diese bogenförmige Krümmung des Flügels wird nun erfindungsgemäß für eine Windkraftanlage genutzt. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass zumindest bei einem der Flügel auch die Krümmung der Oberfläche einstellbar ist.

Mit der Erfindung erfolgt die Steigerung des Wirkungsgrades einer vertikalen Windkraftanlage durch eine geeignete Kombination von einstellbarer Flügelstellung, was der Drehung um die Flügelachse entspricht, und einem einstellbarem Flügelprofil, was der Krümmung der Oberfläche des Flügels entspricht. Damit werden aerodynamische Zusammenhänge gezielt genutzt, um die optimale Umfangskraft aus dem Flügel des Rotors herauszuholen. Auf seiner Kreisbahn kann dem Flügel dabei an unterschiedlichen Punkten eine andere Krümmung und Stellung zum Wind zugeordnet werden.

Unter einer erfindungsgemäßen Krümmung werden auch solche

Strukturen verstanden, welche von einer Kreisbogenform abweichen und eine gewisse Dicke aufweisen, welche für die Funktion, aus

Steifigkeitsgründen, erforderlich ist. Insbesondere sind hier weitgehend ebene Elemente gemeint, welche über ein Polygon der Bogenform angepasst werden. Für diese letztgenannte Ausführung sind mindestens zwei Flügelelemente erforderlich, die über ein Drehgelenk miteinander verbunden sind.

Mit Vorteil ist vorgesehen, dass bei allen Rotorblättern oder Flügeln die Krümmung ihrer Oberfläche separat einstellbar ist.

Damit wird die Leistungssteigerung durch alle vorhandenen Flügel bewirkt. Tatsächlich haben Versuche gezeigt - und technische

Berechnungen bestätigen diese Entwicklung -, dass der Wirkungsgrad, der in der Fachliteratur bei vertikalen Windkraftanlagen als deutlich schlechter als bei horizontalen Windkraftanlagen angegeben wird (nämlich bei etwa 25%) auf den gleichen Wert gesteigert werden kann und somit etwa 50% entspricht.

Bevorzugt weist die vertikale Windkraftanlage 2 bis 4 Rotorblätter oder Flügel auf.

Bei mehr als vier Flügeln wird bei einem Rotor ein Teil der Flügel von anderen hinsichtlich des auftreffenden Windes abgeschirmt. Außerdem kommt es zu Verwirbelungen, die die Effizienz der Windkraftanlage wieder einschränken. Nur einen Flügel einzusetzen würde zwar theoretisch auch funktionieren, führt in der Praxis aber zu Unrundheiten im Rotationsverhalten und einer starken dynamischen Beanspruchung der Strukturen. Vorteilhafterweise sind die Rotorblätter oder Flügel in mit dem Rotor um die zentrale vertikale Drehachse verbundenen Auslegern um ihre

Flügelachse drehbar gelagert.

Die Ausleger bilden, die Windkraftanlage von oben betrachtet, eine einfache sternförmige Konstruktion, die mit dem Rotor in drehfester

Verbindung steht. Werden von den Auslegern zwei in unterschiedlicher Höhe eingesetzt, so kann zwischen einem oberen und einem unteren Ausleger ein Flügel eingepasst und drehbar gelagert werden. Mit Vorteil weisen die Rotorblätter oder Flügel einen flachen und krümmbaren Grundkörper auf.

Ein flaches Blech oder ein flaches Composite-Material, das als Flügel vorgesehen ist, kann durch äußere Krafteinwirkung vereinfacht gebogen werden. Damit werden tragflügelähnliche Konturen erzeugt, an die der Wind besser angreifen kann. Um die Biegung bei ausreichender

Steifigkeit zu vereinfachen, kann auch ein elastischer Füllstoff zwischen zwei dünnen flachen Materialien angeordnet sein. Vorzugsweise ist die Drehung des Rotorblattes oder Flügels über

Stellelemente einleitbar. Die Stellelemente müssen mit dem Rotor umlaufen und wirken auf die Stellung des Flügels ein. Besonders bevorzugt werden dazu relativ kleine Stellmotoren verwendet. Zu den Stellmotoren werden hier alle Arten von elektrischen Stellantrieben, hydraulische und pneumatische Antriebe (beispielsweise Zylinder-Kolben- Anordnungen) gezählt. Und ganz besonders bevorzugt sind die gleichen Stellelemente auch für die Krümmung der Oberfläche einsetzbar. Das heißt, dass man beispielsweise an den Flügelkanten eines Flügels, der an einer senkrechten Flügelachse in der Mitte des Flügels gelagert ist, jeweils einen oder mehrere Zylinder-Kolben-Anordnungen angreifen lässt, um den Flügel einerseits um die Flügelachse zu drehen und andererseits zu profilieren.

Mit Vorteil ist vorgesehen, dass an dem oberen und/oder unteren Ende der Rotorblätter oder Flügel oder in deren mittleren Bereich jeweils zwei Stellelemente angeschlossen sind.

Hierdurch ergibt sich eine besonders einfache Konstruktion. So können die beschriebenen Stellelemente, insbesondere doppelt wirkende

Zylinder-Kolben-Anordnungen, beispielsweise an den ebenfalls

beschriebenen Auslegern befestigt werden und auf die Flügelstellung bzw. -kontur einwirken.

Mit besonderem Vorteil ist die Krümmung der Oberfläche des Flügels sowohl konvex als auch konkav einstellbar. Damit wird der Tatsache Rechnung getragen, dass bei vorgegebener Windrichtung und der Drehung des Rotors und der mit ihm in Verbindung stehenden Flügel, die Flügel auf dem halben Kreisumfang eher den Wind im Rücken haben, während sie auf den anderen 180° eine

Windkomponente gegen sich gerichtet haben. Es ist dann mit großem Vorteil möglich, in dem Augenblick, wo ein Flügelausleger im

Wesentlichen senkrecht zur Windrichtung steht, von einer konvexen in eine konkave Profilierung des Flügelblattes umzuwechseln und somit die Kraftübertragung durch den Wind zu optimieren. Die Begriffe konvex und konkav beziehen sich im Übrigen auf eine Blickrichtung von der zentralen vertikalen Drehachse aus.

Die Möglichkeit, die Flügelstellung und -krümmung im richtigen Moment auf der Kreisbahn der Flügel anzupassen, erfolgt bevorzugt mit einem Steuerungssystem, das die Ansteuerung der Stellelemente in

Abhängigkeit von der Rotorstellung und/oder der Windrichtung

überwacht. Dazu können in bekannter Weise Sensoren eingesetzt werden, die die Stellung des Rotors, ggf. seine Rotationsgeschwindigkeit ermitteln.

Zudem muss die Windrichtung und ggf. die Windgeschwindigkeit gemessen werden und bekannt sein. Der Steuerungsvorgang kann danach aus einem Steuerungsprogramm erfolgen, das die genannten Parameter berücksichtigt und die Flügelstellung und -krümmung über die Stellelemente vornimmt.

Hinsichtlich des Verfahrens zum Betreiben einer vertikalen

Windkraftanlage gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 13 wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass man die Krümmung der Oberfläche in Abhängigkeit von der Stellung des Rotorblattes oder Flügels und/oder der Windrichtung ständig verändert.

Durch das Einstellen von Flügelstellung und -krümmung über den

Rotationsumfang kann der Wirkungsgrad der Windkraftanlage deutlich erhöht werden.

Dabei wird bevorzugt die Krümmung der Oberfläche bei gleichen

Drehwinkeln des Rotorblattes oder des Flügels gleich eingestellt.

Mit einer geeigneten Steuerungsvorrichtung, wie bereits in dem

beschreibenden Teil zu den Vorrichtungsansprüchen erwähnt, ist dies problemlos möglich. Mit der vorgenommenen Drehstellung des Flügels und seiner Krümmung kann immer die optimale aerodynamische Form für die Umsetzung der Windenergie in das maximale Drehmoment des Rotors erzeugt werden.

Mit Vorteil wird die Umfangsgeschwindigkeit auf 120 bis 180% der Windgeschwindigkeit eingestellt.

Überraschend hat sich gezeigt, dass bei dem angewendeten Verfahren die Umfangsgeschwindigkeit größer sein sollte als die

Windgeschwindigkeit. Dies ist durch die einstellbare Krümmung der Flügel auch realisierbar. Man beachte, dass die Flügel demnach niemals direkten Rückenwind haben, sondern der Wind aus der Rotation die größere Rolle spielt, um den scheinbaren Wind, der ursächlich die Kraft auf den/die Flügel hervorruft, zu bestimmen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen Figur 1 eine vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage in der Draufsicht,

Figur 2 Diagramm zur Leistungsabgabe an einem Flügel in

Abhängigkeit vom Drehwinkel des Rotors bei einer Windkraftanlage gemäß der Erfindung

Figur 3a, 3b, 3c eine schematische Darstellung der Flügelverstellung Figur 4a und 4b Flügel in der Draufsicht, deren Krümmung über Gelenke einstellbar ist

Figur 5 eine vereinfachte Darstellung einer Windkraftanlage aus dem Stand der Technik in der Draufsicht

Figur 6 Diagramm zur Leistungsabgabe an einem Flügel in

Abhängigkeit vom Drehwinkel des Rotors bei einer Windkraftanlage nach dem Stand der Technik Figur 1 zeigt die Draufsicht einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage. Der Wind kommt in der Zeichnung gemäß Pfeil W vom oberen Rand in Richtung Windkraftanlage 1 , also aus der 12:00 Uhr-Position. Im Zentrum der Windkraftanlage 1 befindet sich die zentrale vertikale Drehachse 2. In jeder Stundenposition des umlaufenden Rotors 3 ist ein Flügel 4 dargestellt. Die erfindungsgemäße Windkraftanlage besitzt aber nicht zwingend zwölf Flügel. Vielmehr sind nur deshalb zwölf Flügel dargestellt, um den Ablauf der Veränderungen in der Stellung und ggf. der Krümmung des Flügels darstellen zu können. Tatsächlich haben sich zwei bis vier Flügel 4 sogar als tauglicher herausgestellt, da im Falle einer höheren Anzahl von Flügeln der Wind in manchen Flügelpositionen durch andere Flügel 4 abgeschirmt wird.

In jeder Position ist die Stellung der Flügel zum Wind, gedreht um die Flügelachse 5, und in dem Ausführungsbeispiel auch die Krümmung des Flügels 4 anders justiert. Im letztgenannten Punkt unterscheidet sich die erfindungsgemäße Windkraftanlage von der bereits im Beschreibungsteil zu dem Stand der Technik bereits erläuterten Fig. 5, zu der die

Bezugszeichen nicht gewechselt wurden. Die zusätzliche Krümmung der Flügel 4 mit einer konkaven Oberfläche 8a der der zentralen vertikalen Drehachse 2 zugewandten Seite des Flügels 4 und einer konvexen Oberfläche 8b der der zentralen vertikalen Drehachse abgewandten Seite des Flügels 4 (siehe 5:00-Uhr-Position in Fig. 1 ) hat einen enorm positiven Einflussfaktor auf den Wirkungsgrad der Windkraftanlage 1 . Genauso verhält es sich mit der der zentralen vertikalen Drehachse 2 zugewandten konvexen Oberfläche des Flügels in der 12:00-Uhr-Position. Je nach Position des Flügels 4 auf der Kreisbahn um die zentrale vertikale Drehachse 2 kann jedoch die Konvexität, genauso wie die Konkavität der Oberfläche 8, 8a, 8b von der der zentralen vertikalen Drehachse 2 zugewandten Seite des Flügels 4 auf die der zentralen Drehachse 2 abgewandten Seite des Flügels 4 wechseln. D. h., der Flügel besitzt zumindest auf einem Teilumfang seiner Kreisbahn eine Krümmung oder Biegung eines flachen Grundkörpers 10, der Bestandteil des Flügels 4 ist, so dass von den beiden Flügeloberflächen 8a, 8b eine konvex und die andere konkav ist. Der Wechsel schließt ein, dass der Flügel in bestimmten Positionen auch flach sein muss. In dem

Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ist dies die 3:00-Uhr- und 9:00-Uhr- Position. Schematisiert ist in der Fig. 1 der Rotor 3 dargestellt, dessen Drehachse die vertikale zentrale Drehachse 2 ist. Ebenso ist nur ein Ausleger 9 für den Flügel in der 3:00-Uhr-Position angedeutet und geschnitten

dargestellt. An seinem nicht dargestellten Ende ist der Flügel 4 mit seiner Flügelachse 5 drehbar gelagert. Dazu ist vorgesehen, für jeden Flügel 4 an dessen Mitte jeweils einen Ausleger 3 vorzusehen. Bei längeren Flügeln ist es von Vorteil diesen an mehreren Stellen an der zentrale Drehachse abzustützen und an den Stützstellen drehbar zu lagern.

Wie bereits bei der vorangegangenen Beschreibung der Fig. 5 erfolgt die Rotation der Anlage im Uhrzeigersinn. Für jede Position gilt in der dreieckförmigen Darstellung, dass die senkrechten strichpunktierten Linien den Windrichtungsvektor auf den Mittelpunkt der Flügel 1 1 beschreiben, während die tangential am Kreisumfang der Flügelachsen angreifenden Linien den Windvektor aus der Rotation 12 kennzeichnen. Die durchgezogenen Linien entsprechen auch den Vektoren des

„scheinbaren Windes" 13. Zusätzlich ist in dieser Fig. 1 aber noch der jeweilige Kraftvektor K auf den Flügel angedeutet. Diese Vektoren wurden beispielhaft in den Flügelpositionen 5:00-Uhr und 12:00-Uhr mit

Bezugszeichen versehen.

In der in Fig. 1 beschriebenen Anordnung beträgt die optimale

Umfangsgeschwindigkeit etwa 155% der wahren Windgeschwindigkeit W. Dadurch kommt es zu dem irritierenden Zustand, dass der Flügel 4 zu keinem Zeitpunkt direkten Rückenwind hat. Er muss in der 3:00-Uhr- Positon sogar aus dem Wind gedreht werden, um die Windkraftanlage nicht zu bremsen.

Fig. 2 der erfindungsgemäßen Ausführung ist ebenfalls mit Fig. 6, die den Stand der Technik erläutert, vergleichbar. Wieder ist auf der Abszisse der jeweilige Umfangspunkt des Flügels auf seiner Kreisbahn um die zentrale Drehachse in Grad angegeben (Windauftreffpunkt bei 0°). Die Ordinate gibt dazu die prozentuale Leistungsabgabe im Verhältnis zu seinem Maximalwert bei konstanter Winkelgeschwindigkeit an. Abgesehen davon, dass die Leistung hier, im Vergleich zu dem in Fig. 6 genannten

Verfahren, hoch ist, kommt es nur in zwei sehr kleinen Winkelbereichen, um 90° und etwa zwischen 250° und 290°, zu einer Situation in welcher der Flügel gegen den scheinbaren Wind geschoben werden muss und somit nicht für einen Antrieb sorgt. Durch die Verwendung von beispielsweise drei Flügeln kommt es zu einer Vergleichmäßigung aber nicht zu einer konstanten Leistungsabgabe. Sollte sich dies als unvorteilhaft erweisen, so sind die

Leistungsschwankungen durch geeignete elektrische oder elektronische Maßnahmen auszugleichen. Dafür kommen Akkumulatoren,

Kondensatoren oder ähnliche Speicher in Frage. Eine Schwungmasse ist ebenfalls denkbar. Berechnungen haben gezeigt, dass durch die

Anwendung dieser Erfindung die Leistungsfähigkeit eines vertikalen Windrades um den Faktor 2,5 gesteigert werden können. Zur veränderlichen Drehung und Erzeugung der Krümmung der Flügel sind Stellelemente 6a, 6b vorgesehen. In Fig. 3 ist schematisch und stark vereinfacht in drei Teilfiguren 3a, 3b und 3c gezeigt, wie diese

Stellelemente arbeiten können. Als Stellelemente 6a, 6b sind dabei zwei doppeltwirkende Zylinder-Kolben-Anordnungen 7a, 7b beispielhaft eingesetzt. Die zylinderseitigen Aufhängungen sind an dem Rotor 3 befestigt, so dass die Zylinder im Betriebszustand der Windkraftanlage 1 mitrotieren. Die kolbenseitigen Enden der Zylinder-Kolben-Anordnungen 7a, 7b greifen an den Längskanten der Flügel an und können diese um die Flügelachse 4 drehen und/oder die Krümmung der Flügel einstellen. Die Figuren 3a bis 3c zeigen also drei unterschiedliche Stellungen der Zylinder-Kolben-Anordnungen 7a, 7b und somit unterschiedliche

Krümmungen der Flügel 4.

Die Stellelemente 6a, 6b sorgen damit pro Umdrehung des Rotors 3 und somit der Flügel 4 für einen sich wiederholenden Bewegungsablauf hinsichtlich der Drehung um die Flügelachse 5 und die

Krümmungseinstellung des Flügels 4. Überwacht und gesteuert wird der Vorgang mit Hilfe der Steuerungsvorrichtung 14. Fig. 4a und Fig. 4b stellen eine alternative mögliche einfache Ausführung eines über Gelenke profilierbaren Flügels 4 dar. Beide Abbildungen zeigen den gleichen Flügel 4 in unterschiedlicher Profilierung, in Fig 4a symmetrisch, in Fig. 4b unsymmetrisch gekrümmt. In diesen Figuren 4a und 4b sind beispielhaft drei über Drehachsen 15 miteinander

verbundene Elemente 16a, 16b, 16c dargestellt, wobei für die Funktion mindestens zwei Elemente erforderlich sind, es aber durchaus auch deutlich mehr sein können.

Das zentrale Element 16b ist beispielhaft über die Flügelachse 5 drehbar gelagert. Die Profilierung der Flügel erfolgt über das Schwenken der Elemente 16a und 16c an den Seiten des Flügels 4 um die Drehpunkte zur Flügelprofilierung 15. Es ist von Vorteil, wenn die Aktuatoren zur Profilierung mit dem zentralen Element 16b verbunden sind.

Bezugszeichenliste

1 Windkraftanlage

2 zentrale vertikale Drehachse

3 Rotor

4 Flügel oder Rotorblatt

5 Flügelachse

6a, 6b Stellelement, Stellmotor

7a, 7b Zylinder-Kolben-Anordnung

8, 8a, 8b Oberfläche

9 Ausleger

10 Grundkörper

1 1 tatsächlicher Windvektor auf Mittelpunkt des Flügels

12 Windvektor aus der Rotation

13 Vektor des scheinbaren Windes

14 Steuerung

15 Drehpunkt zur Flügelprofilierung

16a, 16b, 16c (Flügel-)Elemente

K Kraftrichtung

W Windrichtung

Claims

Patentansprüche

1 . Vertikale Windkraftanlage zur Umwandlung von Windenergie eines Windes, aus einer Windrichtung (W) kommend, in mechanische Energie, mit einer zentralen vertikalen Drehachse (2), um die ein Rotor (3), verbunden mit einer Anzahl von von der Drehachse (2) beabstandeten Rotorblättern oder Flügeln (4), drehbar auf einer Kreisbahn gelagert ist, wobei zumindest ein Teil der Rotorblätter oder Flügel (4) an einer eigenen vertikalen Flügelachse (5) mit Hilfe von Stellelementen (6a, 6b) unabhängig von der Drehung um die zentrale vertikale Drehachse (2) drehbar sind und wobei die Rotorblätter oder Flügel (4) zwei Seiten mit Oberflächen (8, 8a, 8b) aufweisen, von denen wenigstens eine gekrümmt ist,

dadurch gekennzeichnet,

dass zumindest auf einem Teilstück der Kreisbahn die Oberfläche (8a) der der zentralen vertikalen Drehachse (2) zugewandten Seite eine konkave und die Oberfläche (8b) der der zentralen Drehachse abgewandten Seite eine konvexe Krümmung aufweist oder

umgekehrt.

2. Vertikale Windkraftanlage gemäß Anspruch 1 , dadurch

gekennzeichnet, dass zumindest bei einem der Rotorblätter oder Flügel (4) auch die Krümmung der Oberfläche (8, 8a, 8b) einstellbar ist.

3. Vertikale Windkraftanlage gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch

gekennzeichnet, dass bei allen Rotorblättern oder Flügeln (4) die Krümmung ihrer Oberfläche (8, 8a, 8b) separat einstellbar ist.

4. Vertikale Windkraftanlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Windkraftanlage (1 ) zwei bis vier Rotorblätter oder Flügel (4) aufweist.

5. Vertikale Windkraftanlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter oder Flügel (4) in mit dem Rotor (3) um die zentrale vertikale Drehachse (2) verbundenen Auslegern (9) um ihre Flügelachse (5) drehbar gelagert sind.

6. Vertikale Windkraftanlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter oder Flügel (4) einen flachen und krümmbaren Grundkörper (10) aufweisen. .

7. Vertikale Windkraftanlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, dass die Drehung des Rotorblattes oder Flügels (4) über Stellelemente (6a, 6b) einleitbar ist.

8. Vertikale Windkraftanlage gemäß Anspruch 7, dadurch

gekennzeichnet, dass die die Stellelemente (6a, 6b) Stellmotoren sind.

9. Vertikale Windkraftanlage gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch

gekennzeichnet, dass die Stellelemente (6a, 6b) auch für die

Krümmung der Oberfläche (8, 8a, 8b) einsetzbar sind.

10. Vertikale Windkraftanlage gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9,

dadurch gekennzeichnet, dass an dem oberen und/oder unteren Ende der Rotorblätter oder Flügel (4) oder in deren mittleren Bereich jeweils zwei Stellelemente (6a, 6b) angeschlossen sind.

1 1 . Vertikale Windkraftanlage gemäß einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung der Oberfläche (8, 8a, 8b) des Flügels (4) sowohl konvex als auch konkav einstellbar ist.

12. Vertikale Windkraftanlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungsvorrichtung (14) vorgesehen ist, das die Ansteuerung der Stellelemente (6a, 6b) in Abhängigkeit von der Rotorstellung und/oder der Windrichtung (W) überwacht.

13. Verfahren zum Betreiben einer vertikalen Windkraftanlage (1 ) zur Umwandlung von Windenergie eines Windes, aus einer Windrichtung (W) kommend, in mechanische Energie, mit einer zentralen vertikalen Drehachse (2), um die beabstandet eine Anzahl von Rotorblättern oder Flügeln (4) drehbar gelagert ist, wobei zumindest ein Teil der Rotorblätter oder Flügel (4) an einer eigenen vertikalen Flügelachse (5) mit Hilfe von Stellelementen (6a, 6b) unabhängig von der Drehung um die zentrale vertikale Drehachse (2) gedreht werden,

dadurch gekennzeichnet,

dass man die Krümmung der Oberfläche (8, 8a, 8b) in Abhängigkeit von der Stellung des Rotorblattes oder Flügels (4) und/oder der Windrichtung (W) ständig verändert.

14. Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung der Oberfläche (8, 8a, 8b) bei gleichen Drehwinkeln des Rotorblattes oder des Flügels (4) gleich eingestellt wird.

15. Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsgeschwindigkeit auf 120 bis 180% der

Windgeschwindigkeit (W) eingestellt wird.