AT14629U1 - Windkraftanlage mit senkrechter Drehachse - Google Patents

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AT14629U1
AT14629U1 ATGM37/2015U AT372015U AT14629U1 AT 14629 U1 AT14629 U1 AT 14629U1 AT 372015 U AT372015 U AT 372015U AT 14629 U1 AT14629 U1 AT 14629U1
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Abstract

Windkraftanlage mit senkrechter Drehachse und einem zylindrischen Rotor (1), der längliche, in Richtung der Drehachse verlaufende Flügel (2) aufweist, mit einem den Rotor (1) umgebenden, feststehenden Käfig, der außen liegende vertikale (5) und horizontale (6) Windleitelemente und innerhalb der Windleitelemente (5, 6) liegende längliche, vertikal stehende Windleitschaufeln (4) umfasst, wobei der Horizontalschnitt durch einen Flügel (2) des Rotors (1) im Wesentlichen die Form einer Schaufel aufweist, deren Sehne eine Flügelsehnenlänge (A) hat, gemessen in gerader Linie vom ersten bis zum zweiten Endpunkt des Horizontalschnittes des Flügels (2). Der Horizontalschnitt des Flügels (2) besteht aus einem geraden und drei gekrümmten Abschnitten, wobei der gerade Abschnitt von dem der Anströmkante des Flügels (2) entsprechenden ersten Endpunkt des Horizontalschnittes des Flügels (2) bis zum ersten gekrümmten Abschnitt verläuft, welcher an den geraden Abschnitt anschließt und einen ersten Krümmungsradius RI=A/(3,7 bis 3,9), vorzugsweise RI=A/3,8, aufweist, wobei an den ersten gekrümmten Abschnitt der zweite gekrümmte Abschnitt mit zweitem Krümmungsradius RII=A/(2,6 bis 2,8), vorzugsweise RII=A/2,7, anschließt, und wobei an den zweiten gekrümmten Abschnitt der dritte gekrümmte Abschnitt mit drittem Krümmungsradius RIII=A/(0.48 bis 0,52), vorzugsweise RIII=A/0,50, anschließt, wobei der Endpunkt des dritten gekrümmten Abschnittes mit dem zweiten Endpunkt des Horizontalschnittes des Flügels (2) übereinstimmt.

Description

Beschreibung
EINE WINDKRAFTANLAGE MIT WINDFÄNGERNTECHNISCHES GEBIET
[0001] Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit Windfängern mit einer an einem Mastangebrachten vertikalen Drehachse, für die mindestens ein zylindrischer Rotor mit länglichgeformten Flügeln vorgesehen ist, welcher mit einem Stromgenerator verbunden und in einemringförmigen Stator mit Windleitschaufeln einmontiert ist.
STAND DER TECHNIK
[0002] Der Stand der Technik für Windkraftanlagen mit einer vertikalen Drehachse ist für eineVielzahl von Arten bekannt. Z.B. besteht die Savonius-Anlage aus zwei, an einer vertikalenRotorachse angebrachten, waagrechten Kreisscheiben, zwischen denen zwei oder mehr halb¬kreisförmige, gebogene Schaufeln bzw. Flügel senkrechtstehend angebracht sind. Die Schau¬feln sind gegeneinander versetzt angeordnet, so dass ein Teil des Windes von den rechts undlinks gerade zur Strömung offenen Schaufelseiten umgeleitet wird und auf die Rückseite einerder dort konkaven Schaufeln einwirken kann. Die Wirkungsweise beruht sowohl auf dem aero¬dynamischem Auftrieb, als auch auf dem widerstandsbedingtem Vortrieb.
[0003] Die Schaufeln sind beim Savonius-Rotor aufgrund des ständigen Wechsels der Anstell¬winkel zur einwirkenden Strömung Lastwechseln ausgesetzt, die im Zusammenspiel mit denFliehkräften, Schwingungen oder Materialbelastungen verursachen können. Eine ausgeprägteUnwucht, aufgrund der zyklisch unterschiedlich starken Belastung durch die Strömung währendder Rotation, ist charakteristisch für den Savonius-Rotor, auch wenn die Gewichtsverteilungperfekt austariert ist. Der Nachteil ist auch der geringe Wirkungsgrad.
[0004] Bei den Darrieus-Windkraftanlagen kreisen die Rotorblätter auf der Mantellinie einergeometrischen Rotationsfigur mit senkrechter Drehachse. Die geometrische Form der Rotor¬blätter ist dadurch kompliziert und aufwendig in der Herstellung. Darrieus- Rotoren werden wieHorizontalachsen-Rotoren vorzugsweise mit zwei oder drei Rotorblättern gebaut. Darrieus-Windkraftanlagen sind unfähig, von alleine anzulaufen.
[0005] US 7329965 offenbart eine Windkraftanlage mit vertikaler Drehachse, die einen Rotorund einen Stator mit vertikalen profilierten Schaufeln zur Verfügung stellt. Die geteilten undverschobenen Rotorblätter haben eine horizontale Querschnittsbogenform in Richtung derMitte, die sich bis zu den Rändern verengt. Die Schaufeln des Stators sind auf der einer Seiteflach und auf der anderen konvex. Die Rotorblätter und der Stator werden oben und unten aufkonzentrischen Kreisringen montiert. Der Nachteil dieser Lösung sind erhebliche Kosten bei derHerstellung von verschobenen Schaufeln und Turbulenzen in der Windkraftanlage, die zu einerVerringerung der Effizienz der Windkraftanlage führen.
[0006] Die Erfindung hat die Aufgabe eine ähnliche Art der Windkraftanlage vorzuschlagen, indenen bei niedrigeren Produktionskosten weniger Lärm sowie weitaus höhere Leistung, durchdie Anordnung und Form der neuen Flügel, der Windleitschaufeln und Windfänger, erreichtwerden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
[0007] Die Erfindung umfasst eine aerodynamische Vertikalachsen-Windkraftanlage, die einenRotor mit vertikalen Flügeln, einen käfigförmigen Stator mit Windleitschaufel und eine käfigför¬mige Windfänger-Kombination besitzt, welche die Energieerzeugung durch optimierte Flügel,Windleitschaufeln und Windfänger, durch die Erhöhung der Windgeschwindigkeit und Druckohne Rückdruck und die Verbesserung der Laminarströmung des Windes sowohl um als auchdurch die Vorrichtung, optimiert. Der Rotor ist mit einem Stromgenerator verbunden.
[0008] Der eine horizontale Rotorflügelquerschnitt hat die Formel für die Kurvensegmentbe¬rechnung, deren Endpunkte mit den Endpunkten des Segments der Flügel mit A zusammenfal¬len.
[0009] Die Kurvensegment-Berechnung beginnt bei der Zeichnung einer xy-Achse. Aus demSchnittpunkt 0 der xy-Achse wird senkrecht eine Linie mit Länge A gezeichnet, dann der Krüm¬mungsradius RI = A / 3,7 bis 3,9 bis zum Schnittpunkt mit der x-Achse, dann der Krümmungs¬radius Rll = A / 2.6 bis 2,8 bis zu Schnittpunkt mit RI und dann der Krümmungsradius Rill = A /0,48 bis 0,52 bis zum Schnittpunkt mit Rll und dem Schnittpunkt mit dery-Achse.
[0010] Der Horizontalschnitt der Windleitschaufeln hat die Form eines Kreissegments, dessenEndpunkte mit den Endpunkten des Segments der Länge B zusammenfallen - der Radius desKreises ist R = B /1,08 bis 1,14.
[0011] In einer bevorzugten Ausführungsform befinden sich zwei in entgegengesetzter Dreh¬richtung angeordnete Windkraftanlagen übereinander und treiben einen Generator an. Dieobere Windkraftanlage ist mit dem Generator-Rotor verbunden und die untere Windkraftanlagemit dem Generator-Stator.
[0012] Um eine höhere Leistung erreichen zu können müssen die Windkraftanlagen übereinan¬der in Form eines Turmes aufgebaut werden. Bereits zwei Türme können durch vertikale Stahl¬strukturen verbunden sein und mit Solarmodulen bestückt werden.
[0013] Durch die vertikale Ausrichtung von mehreren Windkraftanlagen übereinander, in Formvon Windkraftsäulen und die Einstellung mehrerer Windkraftsäulen in Einzel-, Doppel-, Dreieck-,Trapez-Rhombus- oder Vielfachform (Fig.8), können die Konstruktionen versteifen und die Kraftdes Windes optimal nutzen.
[0014] U m eine höhere Leistung zu erreichen können, werden die Solarmodule an einer Dreh¬rahmen-Unterkonstruktion aus Stahl montiert. Diese Sonderunterkonstruktion mit Modulen wirdmit der Hilfe des vertikalen und horizontalen Drehachsenaufbaus am Windkraftanlagenmastmontiert. Der Antrieb der einzelnen Achsen ist jeweils mit einem kleinen Elektromotor und einerSteuerung mit Hilfe von GPS ausgestattet. Ein Elektromotor wird dazu verwendet, um aus dervertikalen Position eine horizontale einzustellen (je nach der Höhe der Sonne). Der zweiteElektromotor folgt der Sonne im Laufe des Tages von Sonnenaufgang bis Sonnenuntergang.Nach Sonnenuntergang geht der Drehrahmen automatisch in die horizontale Position und war¬tet bis am Morgen, wo es sich in östlicher Richtung zur Sonne stellt. Bei starkem Wind schaltetder Drehrahmen automatisch in die horizontale Position. Diese Erfindung ermöglicht eine opti¬male Nutzung der Energie der Sonne und des Windes.
[0015] Eine höhere Leistung kann erzielt werden, wenn auf dem Mast der Windkraftanlage einedrehbare bzw. schwenkbare Platte angebracht wird, die mit Solarmodulen bestückt ist. DiePlattenhalterung ist mit Antrieben ausgestattet, um in eine horizontale bzw. vertikale Lage posi¬tioniert zu werden und um den Mast herumdrehen zu können.
ERKLÄRUNG DER ZEICHNUNGEN
[0016] Die Erfindung wird weiter anhand der Zeichnungen erläutert: In (Fig.1) wird eine per¬spektivische Ansicht einer vorteilhafter Ausführungsform einer Windkraftanlage nach der Erfin¬dung dargestellt; in (Fig.2) ist eine Draufsicht auf die Windkraftanlage gemäß der Ausführungs¬form der (Fig. 1) sichtbar; (Fig.3) verdeutlicht die Geometrie des Rotorflügels; (Fig.4) verdeutlichtdie Geometrie der Windleitschaufeln; (Fig.5) und (Fig.6) sind beispielhafte Anordnungen derWindenergieanlagen und mit vertikalen und horizontalen Strukturen verbunden; (Fig.7) ist eineandere Draufsicht auf die Windkraftanlagenanordnung; (Fig.8) ist eine perspektivische Ansichteiner Ausführungsform der Windkraftanlage mit zwei Rotoren; (Fig.9) ist eine Kombination auseiner Windkraftanlage mit einer Kippplatte, die mit Solarmodulen ausgerüstet ist; (Fig. 10) isteine Seitenansicht der Anordnung von (Fig.9); (Fig.11) zeigt die Luftströmung in der Windkraft¬anlage an; (Fig. 12) und (Fig. 13) zeigen eine zusätzliche Windkonzentration auf der Oberflächevon Solarmodulen aus zwei unterschiedlichen Windrichtungen, die zur einen oder anderen
Windkraftanlage zugeführt wird; (Fig.14) zeigt die zugeführte Menge des zusätzlichen, kompri¬mierten Windes (die gestrichelte Linie) zum Rotorflügel.
DIE TECHNISCHE AUFGABE DER ERFINDUNG
[0017] Die Windkraftanlage mit senkrechter Drehachse, deren grundlegende Ausführungsformin (Fig.1) und (Fig.2) gezeigt ist, hat einen zylindrischen Rotor (1) mit in spezieller Form gebo¬genen Flügeln (2), welcher mit einem Stromgenerator verbunden ist. Der Rotor dreht sich ineinem ringförmigen Stator (3). Der Stator (3) weist einen oberen und unteren Kragen auf, andem Windleitschaufeln (4) symmetrisch um den Umfang des Stator (3) angeordnet sind, um denWind symmetrisch in die Mitte der Flügel (2) bzw. des Rotors (1) zu lenken, und somit als einSystem zur Erhöhung der Menge und zusätzlichen Kompression des Windes zu dienen. DiesesSystem besteht aus vertikalen (5) und horizontalen Windfängern (6), die am Stator eingebautsind. Der Windfänger besteht aus Teilen der oberen und unteren Windfänger mit einer Neigungder Kegelfläche von 45°, die einander zugewandt und miteinander mit den vertikalen Windfän-gern verbunden sind. Dieses System erhöht die Windmenge (Fig.14) und verstärkt stark dieGeschwindigkeit und den Winddruck auf den Flügeln (2) des Rotors (1). Diese Konstruktionermöglicht die Windkraftanlage ihre Produktivität um 30% zu steigern. Diese Erfindung kann dieKraft des Windes durch die optimierte Flügelform besser nutzen, leitet unter Druck eine größereMenge von Wind zur Windkraftanlage, ermöglicht eine höhere Geschwindigkeit und erhöhtdadurch stark die Effizienz der Windkraftanlage. Die Windkraftanlage ist sehr ruhig, ca. 35 DB,und geeignet für die Montage in der Nähe von Gebäuden sowie auf Dächern von Wohnhäu¬sern. Diese Windkraftanlagenkonstruktion ermöglicht es ihre Arbeit bereits bei einer Windge¬schwindigkeit von weniger als 1 m/s zu starten.
[0018] Ein wichtiger Aspekt der Erfindung ist die Form der Rotorflügel (2) und der Windleit¬schaufeln (4).
[0019] Wie aus (Fig.3) ersichtlich ist, die eine bevorzugte Geometrie des Rotorflügels (2) dar¬stellt, hat eine horizontale Querschnittsform des Rotorflügels (2) ein Kurvensegment, dessenEndpunkte (X), (Y) sich mit den Endpunkten des Segments der Länge A decken.
[0020] Die Kurvensegment-Berechnung beginnt bei der Zeichnung einer xy-Achse. Aus demSchnittpunkt 0 der xy-Achse wird senkrecht eine Linie mit der Länge A gezeichnet, dann derKrümmungsradius RI = A / 3,8 bis zum Schnittpunkt mit der x-Achse, dann der Krümmungsra¬dius Rll = A / 2.7 bis zu Schnittpunkt mit RI und dann der Krümmungsradius Rill = A / 0,5 bis zuSchnittpunkt mit Rll und dem Schnittpunkt mit dery-Achse.
[0021] Der Horizontalschnitt der Windleitschaufeln hat die Form eines Kreissegments, dessenEndpunkte mit den Endpunkten des Segments der Länge B zusammenfallen - der Radius desKreises ist R = B /1,11.
[0022] Solche spezifizierten Formen der Flügel (2) und Windleitschaufeln (4) ermöglichen an¬hand der Werte A und B proportional große Flügel und Windleitschaufeln für Windkraftanlagenin unterschiedlichen Maßen.
[0023] Diese Konfiguration der Flügel (2) und Windleitschaufeln (4) mit der beschriebenenGeometrie zusammen mit den vertikalen (5) und horizontalen (6) Windfängern in Form eineszylindrischen Korbs schafft optimale Voraussetzungen zur Konzentration der Windströmung unddes Luftstroms in der Windkraftanlage für die maximale Nutzung der Windenergie, wie in(Fig.11) und (Fig.14) dargestellt wird.
[0024] Die Grundkonstruktion der Windkraftanlage von (Fig.1) kann als ein Modul des Bausat¬zes dienen. Ein Beispiel eines solchen Windkraftanlagenverbundes aus fünf Modulen wird in(Fig.5) und (Fig.6) dargestellt.
[0025] So übereinander angeordnete Windkraftanlagen können einen einzigen Stromgeneratoroder jede Windkraftanlage kann ihren eigenen Stromgenerator separat antreiben.
[0026] Vom Standpunkt der Nutzung der Windenergie ist die Einstellung der zwei Windkraftan-

Claims (6)

  1. lagensäulen wie in (Fig.5) und die Verbindung der einen mit der anderen mit Stahlprofilen (7)sowie dem Abdecken mit Platten oder Solarmodulen (8) vorteilhaft. Die resultierende Flächeerfüllt die Funktion zusätzlicher Windfänger und leitet zusätzlichen Wind zu der einen oderanderen Windkraftanlage (Fig. 12, 13). [0027] Beispiele zweier, dreier und mehrerer solcher Konfigurationen zeigen (Fig.5, 6, 7 und 8). [0028] Das Zusammenführen von Windkraftanlagen stärkt die Statik und schafft zusätzlicheWindfänger und Luftstrom. Die Vertikalstruktur (7) kann auch mit Solarmodulen (8) ausgestattetsein, wie aus den (Fig. 5 bis 7) ersichtlich ist. [0029] Das Windkraftanlagengrundmodul aus (Fig.1 und 2) wird für eine weitere Ausführungs¬form eingesetzt (Fig. 8). [0030] Bei dieser Anordnung von zwei Grundmodulen wird der Rotor vom oberen Grundmodulmit dem Rotor des Generators und der Rotor vom unteren Grundmodul wird mit dem Stator vomGenerator verbunden, sodass die Modulrotoren sich spiegelbildlich zueinander befinden. Diesbedeutet, dass die Rotoren (1) von Modul (5) und (6) in (Fig.8) in entgegengesetzte Richtungendrehen. Der Rotor und Stator sind ein Teil des Stromgenerators und drehen sich in entgegen¬gesetzte Richtungen, welches die relative Geschwindigkeit und damit die elektrische Leistungerhöht. Die Windkraftanlage in dieser Ausführungsform beginnt schon bei geringen Windge¬schwindigkeiten von etwa 0,5 bis 1 m/s. Die Installation eignet sich besonders in Regionen mitniedrigen Windgeschwindigkeiten. [0031] In einer anderen Ausführungsform ist die Windkraftanlage am Mast montiert, auf welchereine Kippplatte (Fig.10) mit Solarmodulen befestigt ist und diese Oberfläche zu der Windturbinezusätzlichen Wind lenkt. [0032] Die Kippplatte (Fig.10) ist auf einer Stahlhalterung (11) fixiert, welche drehbar an einemTurbinen Mast (9) angebracht ist. [0033] Die Stahlhalterung (11) ist mit einem Antrieb zum horizontalen und vertikalen Drehen derSchwenkplatte (10) um den Mast (9) ausgestattet. Die Schwenkplatte (10) ist mit Solarmodulen (8) ausgestattet. Die Position der Kippplatte (10) kann sowohl in Bezug auf die Windrichtung alsauch relativ zu der Position der Sonne angepasst werden. Die Steuerung dieser Anlage ist mitSensoren augestattet und so programmiert, dass selbst mit GPS- Hilfe die optimale Varianteder Einstellungen in Richtung der Sonne oder der Windrichtung eingestellt werden kann. [0034] Wenn mehr Energie von der Windkraftanlage kommt als von den Solarmodulen, dannstellt sich die Kippplatte in Windrichtung und lenkt so viel Wind wie möglich in die Windkraftan¬lage. [0035] Wenn die Sonne stark scheint und der Wind schwach ist, stellt die Kippplatte ihre Positi¬on zur Sonne und geht mit der Sonne den ganzen Tag mit. Wenn der Wind zu stark ist, stelltsich die Kippplatte in eine horizontale Position. Wenn der Wind nachlässt, stellt sich die Kipp¬platte in die entsprechenden Sollpositionen. Die Windkraftanlage ermöglicht nach der Erfindungeine bessere Nutzung der Windenergie, teils durch optimale Form und Einstellung der Flügel,teilweise durch optimale Form und Einstellung der Windleitschaufeln, teilweise durch die Wind¬fänger, welche den Wind komprimieren und die Windgeschwindigkeit am Flügel erhöhen.Dadurch erhöht sich die Rotorgeschwindigkeit und die Effizienz der Windenergie. Die Wind¬kraftanlage ist mit einem Geräuschpegel von 35 dB sehr ruhig und daher dafür geeignet, in derNähe von Gebäuden oder auf den Dächern von Wohngebäuden installiert zu werden. Sie funk¬tioniert auch bei einer Windgeschwindigkeit von 1 m/s bis zu Geschwindigkeiten bei Gewitter¬bedingungen. Die Erfindung ermöglicht den Bau von Windkraftanlagen verschiedener Art hori¬zontaler und vertikaler Energie Parks und durch eine Multiplikation ist es möglich, jede Leistungzu erreichen. Ansprüche 1. Windkraftanlage mit senkrechter Drehachse, wobei die Windkraftanlage vorzugsweise aufeinem Mast (9) angebracht ist, mit mindestens einem zylindrischen Rotor (1), der längliche,in Richtung der Drehachse verlaufende Flügel (2) aufweist und mit einem Stromgeneratorverbunden ist, mit einem den Rotor (1) umgebenden, feststehenden Käfig, der außen lie¬gende vertikale (5) und horizontale (6) Windleitelemente und innerhalb der Windleitelemen¬te (5,6) liegende längliche, vertikal stehende Windleitschaufeln (4) umfasst, wobei der Ho¬rizontalschnitt durch einen Flügel (2) des Rotors (1) im Wesentlichen die Form einerSchaufel aufweist, deren Sehne eine Flügelsehnenlänge (A) hat, gemessen in gerader Li¬nie vom ersten bis zum zweiten Endpunkt des Horizontalschnittes des Flügels (2),dadurch gekennzeichnet, dass der Horizontalschnitt des Flügels (2) aus einem geradenund drei gekrümmten Abschnitten besteht, wobei der gerade Abschnitt von dem der An-strömkante des Flügels (2) entsprechenden ersten Endpunkt des Horizontalschnittes desFlügels (2) bis zum ersten gekrümmten Abschnitt verläuft, welcher an den geraden Ab¬schnitt anschließt und einen ersten Krümmungsradius RI=A/(3,7 bis 3,9), vorzugsweiseRI=A/3,8, aufweist, wobei an den ersten gekrümmten Abschnitt der zweite gekrümmte Ab¬schnitt mit zweitem Krümmungsradius RII=A/(2,6 bis 2,8), vorzugsweise RII=A/2,7, an¬schließt, und wobei an den zweiten gekrümmten Abschnitt der dritte gekrümmte Abschnittmit drittem Krümmungsradius RIII=A/(0,48 bis 0,52), vorzugsweise RIII=A/0,50, anschließt,wobei der Endpunkt des dritten gekrümmten Abschnittes mit dem zweiten Endpunkt desHorizontalschnittes des Flügels (2) übereinstimmt.
  2. 2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Horizontalschnittder Windleitschaufeln (4) die Form eines Kreisbogens aufweist, welcher Kreisbogen eineWindleitschaufelsehnenlänge (B) hat, gemessen in gerader Linie vom ersten bis zum zwei¬ten Endpunkt des Horizontalschnittes der Windleitschaufel (4), wobei der Radius desKreisbogens R=B/(1,08 bis 1,14), vorzugsweise R=B/1,11, ist.
  3. 3. Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Rotoren (1) samt Windleitkäfigen übereinander angeordnet sind, die beiden Rotoren (1) gegenläufigdrehen und der obere Rotor (1) mit einem ersten drehenden Teil und der untere Rotor (1)mit einem zweiten, gegenläufig drehenden Teil eines Stromgenerators verbunden sind(Fig.8).
  4. 4. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass aufeinem die Windkraftanlage tragenden Mast (9) eine Halterung (11) angeordnet ist, welcheeine Schwenkplatte (10) mit Solarmodulen (8) trägt, und wobei die Halterung (11) mit An¬trieben zum Drehen der Schwenkplatte (10) um eine horizontale und eine vertikale Achseausgestattet ist (Fig. 9, 10).
  5. 5. Windpark mit mindestens zwei Windkraftanlagen nach einem der Ansprüche 1 bis 3,dadurch gekennzeichnet, dass die Windkraftanlagen durch vertikale Strukturen (7) je¬weils paarweise miteinander verbunden sind (Fig. 5-7).
  6. 6. Windpark nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikalen Strukturen (7)mit Solarmodulen (8) bestückt sind. Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
ATGM37/2015U 2015-01-16 2015-02-02 Windkraftanlage mit senkrechter Drehachse AT14629U1 (de)

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