AT403401B - DEVICE FOR GENERATING ELECTRIC ENERGY FROM WIND POWER - Google Patents

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Description

ΑΤ 403 401 ΒΑΤ 403 401 Β

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Windkraft, mit einem Mast, der über Fundamente im Boden verankert ist, einem Rotor, der drehbar gelagert ist, sowie mit einem bodennah angeordneten Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie, der mit dem Rotor verbunden ist.The present invention relates to a device for generating electrical energy from wind power, with a mast which is anchored in the ground via foundations, a rotor which is rotatably mounted, and with a generator arranged close to the ground for generating electrical energy which is connected to the rotor connected is.

Es sind Windkraftanlagen bekannt, die aus einem Mast bestehen, auf dem ein drehbares Gehäuse befestigt ist, in dem ein Generator angeordnet ist. Über ein entsprechendes Getriebe oder direkt mit dem Generator verbunden ist ein Windrad mit im wesentlichen waagrechter Achse. Nachteilig bei solchen Windkraftanlagen ist der relativ hohe Geräuschpegel und die Notwendigkeit, den Generator an der Spitze des Mastes vorsehen zu müssen. Die Belastung des Mastes wird auf die Weise zusätzliche zu der aus den Windkräften entstehenden Belastung vergrößert.Wind turbines are known which consist of a mast on which a rotatable housing is fastened, in which a generator is arranged. A wind turbine with an essentially horizontal axis is connected via a corresponding gear or directly to the generator. A disadvantage of such wind turbines is the relatively high noise level and the need to have to provide the generator at the top of the mast. The load on the mast is increased in addition to the load resulting from the wind forces.

Die DE 29 32 293 A1 zeigt eine Windkraftanlage mit einem bodennah angeordneten Generator, welcher am oder im Fuß des Tragmastes angeordnet ist. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß relativ aufwendige schalldämmende Maßnahmen erforderlich sind, um die vom Generator verursachte Lärmemission an die Umgebung zu mindern.DE 29 32 293 A1 shows a wind power plant with a generator arranged close to the ground, which is arranged on or in the foot of the mast. This arrangement has the disadvantage that relatively complex sound-absorbing measures are required in order to reduce the noise emissions to the environment caused by the generator.

Aus der DE-A 29 16 988 ist eine Windkraftanlage bekannt, bei der Schalenkreuze vorgesehen sind, die durch die Windkraft gedreht werden. Dabei ist vorgesehen, daß über eine sehr aufwendige und komplizierte Apparatur ein Schalenkreuz über ein Kardangelenk in Bezug auf eine Drehachse verschwenkt wird. Über die Ausbildung oder Anordnung eines Generators zur Erzeugung von Strom ist jedoch in diesem Stand der Technik nichts ausgesagt. Weiters betrifft die US-A 625 614 ein Windrad zum Antreiben einer Pumpe, bei dem ein Kurbeltrieb vorgesehen ist, um die Kraft auf die Pumpe zu übertragen.From DE-A 29 16 988 a wind power plant is known in which cup crosses are provided which are rotated by the wind power. It is provided that a shell cross is pivoted about a universal joint with respect to an axis of rotation via a very complex and complex apparatus. However, nothing is said in this prior art about the design or arrangement of a generator for generating electricity. Furthermore, US-A 625 614 relates to a wind turbine for driving a pump, in which a crank mechanism is provided in order to transmit the force to the pump.

Die US-A 4 115 032 betrifft ferner den Rotor eines Windrades, der kugelförmig ausgebildet ist.US-A 4 115 032 further relates to the rotor of a wind turbine which is spherical.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Windkraft zu schaffen, die leise, wirtschaftlich und leicht herstellbar ist.The object of the present invention is to provide a device for generating electrical energy from wind power which is quiet, economical and easy to produce.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der Generator im Bereich des Fundaments unter dem Bodenniveau angeordnet ist.According to the invention it is provided that the generator is arranged in the area of the foundation below the ground level.

Wesentlich an der vorliegenden Erfindung ist die Möglichkeit einer absoluten Geräuschdämmung, die durch die besondere Anordnung des Generators in leichter Weise möglich ist. Weitere besonders vorteilhafte Wirkungen der Erfindung bestehen darin, daß der Generator fast vollständig von schädlichen Umwelteinflüssen sicher ist. Es sind daher bei der Erfindung keine Probleme mit zu hohen oder zu niedrigen Temperaturen zu erwarten, die Gefahr des Blitzschlags kann minimiert werden und dgl.What is essential to the present invention is the possibility of absolute noise insulation, which is possible in a simple manner due to the special arrangement of the generator. Further particularly advantageous effects of the invention are that the generator is almost completely safe from harmful environmental influences. There are therefore no problems with too high or too low temperatures to be expected in the invention, the risk of lightning can be minimized and the like.

In einer besonders günstigen Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, daß der Rotor eine im wesentlichen waagrechte Drehachse aufweist und daß der Generator über ein Kegelradgetriebe und eine senkrecht im Mast angeordnete Welle angetrieben wird.In a particularly favorable embodiment of the invention it is provided that the rotor has an essentially horizontal axis of rotation and that the generator is driven via a bevel gear and a shaft arranged vertically in the mast.

Am Kopf des Mastes ist dabei nur der Rotor und das Kegelradgetriebe angeordnet. Der Mast kann daher relativ leicht ausgebildet werden, so daß eine wirtschaftliche Lösung erreicht wird. In einer anderen vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, daß der Rotor eine senkrechte Achse aufweist. Dadurch kann eine besonders günstige Ausnützung der Windkraft erreicht werden.Only the rotor and the bevel gear are arranged on the head of the mast. The mast can therefore be made relatively light, so that an economical solution is achieved. Another advantageous variant of the invention provides that the rotor has a vertical axis. This enables particularly favorable utilization of wind power to be achieved.

Weiters ist es im Sinne der Erfindung möglich, daß der Rotor eine im wesentlichen senkrechte Drehachse aufweist. Auf diese Weise kann eine besonders gute Ausnützung der Windkraft erreicht werden. Bei Rotoren mit waagrechter Achse kann nämlich naturgemäß nur ein kreisförmiger Arbeitsbereich der Windkraftanlage realisiert werden. Wenn nun mehrere Anlagen nebeneinander aufgestellt werden, so ergibt sich dabei entweder eine Überlappung, die die erforderliche Anzahl der Anlagen in unwirtschaftlicher Weise vergrößert, oder es bleiben Bereiche ungenützt. Insbesonders kann der Bodenbereich nur zu einem geringen Teil ausgenützt werden. Durch die obige bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung kann insbesonders ein im wesentlichen rechteckiger Strömungsbereich durch die Anlage abgedeckt werden. Dies ermöglicht eine besonders günstige Ausnützung der Windkraft.Furthermore, it is possible in the sense of the invention that the rotor has an essentially vertical axis of rotation. In this way, particularly good utilization of wind power can be achieved. With rotors with a horizontal axis, of course, only a circular working area of the wind power plant can be realized. If several systems are now set up side by side, there is either an overlap that increases the required number of systems in an uneconomical manner, or areas remain unused. In particular, only a small part of the floor area can be used. The above preferred embodiment variant of the invention can in particular cover an essentially rectangular flow area through the system. This enables particularly favorable utilization of wind power.

Eine besonders einfache und kostengünstige Ausführung kann dadurch erreicht werden, daß der Mast gemeinsam mit dem Rotor drehbar ausgeführt ist. Durch die Tatsache, daß der Mast gleichzeitig die Antriebswelle darstellt, wird eine Verringerung der Anzahl der erforderlichen Bauteile erreicht.A particularly simple and inexpensive design can be achieved in that the mast is made rotatable together with the rotor. The fact that the mast is also the drive shaft reduces the number of components required.

Dabei ist es besonders günstig, wenn die Rotorblätter im wesentlichen schalenförmig ausgebildet sind. Ein besonders hoher Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Anlagen kann erreicht werden, wenn das Profil der schalenförmigen Rotorblätter einen konvexen Abschnitt aufweist, der beiderseits von konkaven Abschnitten umgeben ist. Durch diese Ausführung kann über einen weiten Bereich des Drehwinkels eine große Antriebskraft erzeugt werden.It is particularly advantageous if the rotor blades are essentially bowl-shaped. A particularly high efficiency of the systems according to the invention can be achieved if the profile of the cup-shaped rotor blades has a convex section which is surrounded on both sides by concave sections. With this design, a large driving force can be generated over a wide range of the rotation angle.

In einer weiteren besonders begünstigten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, daß die Rotorblätter entlang einer Schraubenlinie verdreht sind. Es hat sich insbesonders herausgestellt, daß das Drehmoment, das vom Wind auf den Rotor ausgeübt wird, einer Schwankung unterworfen ist, deren Frequenz bei einem dreiflügeligen Rotor der dreifachen Drehzahl des Rotors entspricht. Dies beruht auf der 2In a further particularly advantageous embodiment variant of the invention it is provided that the rotor blades are rotated along a helix. In particular, it has been found that the torque which is exerted on the rotor by the wind is subject to a fluctuation, the frequency of which in a three-bladed rotor corresponds to three times the speed of the rotor. This is based on the 2nd

Claims (8)

AT 403 401 B Tatsache, daß sich der Anstellwinkel während der Drehung des Rotors ändert, und daher auch die Kraft, die in jeder Winkelstellung auf den Rotor ausgeübt wird, unterschiedlich ist. Zusätzlich dazu schwankt der Abstand des Angriffspunktes der resultierenden Windkraft von der Achse des Rotors. In vielen Fällen ist eine solche periodische Schwankung des Drehmoments unerwünscht. Durch die schraubenförmige Ausbildung der Rotorblätter kann eine vollständige Glättung der Drehmomentlinie erreicht werden. In vielen Anwendungsfällen stellt sich heraus, daß die durchschnittliche Windgeschwindigkeit in unterschiedlichen Höhen vom Boden an gerechnet ein gewisses Profil aufweist. Wenn dies festgestellt werden kann, ist es besonders günstig, wenn die Rotorblätter in senkrechter Richtung eine unterschiedliche Breite aufweisen. In der Folge wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsvarianten näher erläutert. Die Figuren schematisch: Fig. 1 eine erste Ausführungsvariante der Erfindung in einem senkrechten Schnitt; die Fig. 2 eine Abänderung der Ausführungsvariante von Fig. 1; die Fig. 3 eine weitere Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung; die Fig. 4 und 5 abgeänderte Rotorgeometrien; und die Fig. 6, 7 und 8 Beispiele für mögliche Rotorprofile. Die Vorrichtung von Fig. 1 besteht aus einem Fundament 1, in dem ein Generator 2 eingeschlossen ist. Der Generator 2 ist unterhalb eines Bodenniveaus 3, in dem das Fundament 1 angeordnet ist, gelagert. Am Fundament 1 ist weiters ein Mast 4 befestigt, der sich senkrecht nach oben erstreckt. Innerhalb des Mastes 4 ist drehbar eine Antriebswelle 5 gelagert. Das obere Ende der Antriebswelle 5 ist mit einem Kegelrad 6 versehen, das mit einem Ritzel 7 in Eingriff steht. An dem Ritzel 7 ist eine Nabe 8 befestigt, die einen nur teilweise dargestellten dreiflügeligen Rotor 9 trägt. Das aus den Kegelrädern 6 und 7 bestehende Getriebe ist in einem Gehäuse 10 untergebracht, das drehbar am Mast 4 befestigt ist, um den Rotor 9 jeweils in der optimalen Richtung ausrichten zu können. Aus der Fig. 1 ist ersichtlich, daß im Gehäuse 10 nur das Kegelradgetriebe 6, 7 angeordnet ist. Der Mast 4 kann dementsprechend wesentlich leichter gebaut sein als bei herkömmlichen Anlagen, bei denen der Generator und die gesamte Steuerung in dem Gehäuse an der Spitze des Mastes untergebracht sein muß. Die Anordnung des Generators 2 unterhalb des Bodenniveaus 3 ermöglicht einerseits eine optimale Geräuschdämmung und andererseits gewährleistet sie einen Schutz des Generators 2 vor jeglichen Umwelteinflüssen, wie beispielsweise Kälte oder Hitze. Die Ausführungsvariante nach Fig. 2 ist ähnlich der von Fig. 1 und die gleichen Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Unterschiedlich ist jedoch, daß die Antriebswelle 5 gleichzeitig als tragende Struktur für das Gehäuse 10 ausgebildet ist. Es ist offensichtlich, daß die Festigkeit der Antriebswelle 5 dementsprechend vergrößert sein muß, wobei jedoch die entsprechenden Berechnungen für den Fachmann in einfacher Weise ausführbar sind. Bei dieser Ausführungsvariante ist eine zusätzliche Lagerung 12 im Bereich des Fundaments 1 und eine Lagerung 13 im Bereich des Gehäuses 10 vorgesehen. Die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsvariante, bei der Rotorblätter 14, von denen nur eines dargestellt ist, direkt an der senkrechten Welle 5 angebracht sind. Die Anordnung des Generators 2 im Fundament 1 entspricht der der Ausführungsvarianten von Fig. 1 und 2. In den Fig. 4 und 5 sind weitere Ausführungsvariante von Rotorblättern 15 bzw. 16a und 16b dargestellt. Die Fig. 6, 7 und 8 zeigen unterschiedliche Geometrien der Rotorblätter in der Form eines Schnittes, wie er beispielsweise entlang der Linie X - X in der Fig. 3 genommen wird. Besonders hervorzuheben ist dabei die Ausbildung nach Fig. 8, bei der ein konvexer Bereich 17 zwischen zwei konkaven Bereichen 18 und 19 angeordnet ist. Diese Ausführungsvariante ergibt einen besonders hohen Wirkungsgrad. Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Schaffung von Windkraftanlagen mit besonders hohen Wirkungsgraden und geringer Geräuschemission. Insbesonders ist es vorteilhaft, daß schon bei geringsten Windgeschwindigkeiten Energie erzeugt werden kann. Dabei kann in besonders günstiger Weise eine je nach Umgebungsbedingungen vorliegende Luftschichtung ausgenützt werden. Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Windkraft mit einem Mast (4, 5), der über Fundamente (1) im Boden verankert ist, einem Rotor (9, 14, 15, 16), der drehbar gelagert ist, sowie mit einem bodennah angeordneten Generator (2) zur Erzeugung von elektrischer Energie, der mit dem Rotor (9, 14, 15, 16) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (2) im Bereich des Fundaments (1) unter dem Bodenniveau (3) angeordnet ist. 3 AT 403 401 BAT 403 401 B The fact that the angle of attack changes during the rotation of the rotor, and therefore the force that is exerted on the rotor in every angular position is different. In addition, the distance between the point of application of the resulting wind power and the axis of the rotor fluctuates. In many cases, such a periodic fluctuation in the torque is undesirable. Due to the helical design of the rotor blades, a complete smoothing of the torque line can be achieved. In many applications it turns out that the average wind speed at different heights has a certain profile when calculated from the ground. If this can be determined, it is particularly advantageous if the rotor blades have a different width in the vertical direction. The invention is explained in more detail below on the basis of the embodiment variants shown in the figures. The figures are schematic: FIG. 1 shows a first embodiment variant of the invention in a vertical section; 2 shows a modification of the embodiment variant from FIG. 1; 3 shows a further embodiment variant of the present invention; 4 and 5 modified rotor geometries; and FIGS. 6, 7 and 8 examples of possible rotor profiles. 1 consists of a foundation 1 in which a generator 2 is enclosed. The generator 2 is mounted below a floor level 3, in which the foundation 1 is arranged. A mast 4 is also attached to the foundation 1 and extends vertically upwards. A drive shaft 5 is rotatably mounted within the mast 4. The upper end of the drive shaft 5 is provided with a bevel gear 6 which meshes with a pinion 7. A hub 8 is attached to the pinion 7 and carries a three-bladed rotor 9, which is only partially shown. The gear consisting of the bevel gears 6 and 7 is accommodated in a housing 10 which is rotatably attached to the mast 4 in order to be able to align the rotor 9 in the optimum direction. From Fig. 1 it can be seen that only the bevel gear 6, 7 is arranged in the housing 10. The mast 4 can accordingly be built much lighter than in conventional systems in which the generator and the entire control system must be accommodated in the housing at the top of the mast. The arrangement of the generator 2 below the floor level 3 enables optimum noise insulation on the one hand and on the other hand ensures that the generator 2 is protected against any environmental influences, such as cold or heat. 2 is similar to that of FIG. 1 and the same parts are designated by the same reference numerals. What is different, however, is that the drive shaft 5 is simultaneously designed as a supporting structure for the housing 10. It is obvious that the strength of the drive shaft 5 must be increased accordingly, but the corresponding calculations can be carried out in a simple manner for the person skilled in the art. In this embodiment variant, an additional bearing 12 is provided in the area of the foundation 1 and a bearing 13 in the area of the housing 10. 3 shows an embodiment variant in which rotor blades 14, only one of which is shown, are attached directly to the vertical shaft 5. The arrangement of the generator 2 in the foundation 1 corresponds to that of the embodiment variants of FIGS. 1 and 2. In FIGS. 4 and 5, further embodiment variants of rotor blades 15 or 16a and 16b are shown. 6, 7 and 8 show different geometries of the rotor blades in the form of a section, such as is taken along the line X - X in FIG. 3. 8, in which a convex region 17 is arranged between two concave regions 18 and 19. This variant results in a particularly high degree of efficiency. The present invention enables the creation of wind turbines with particularly high efficiencies and low noise emissions. It is particularly advantageous that energy can be generated even at the lowest wind speeds. An air stratification depending on the ambient conditions can be used in a particularly favorable manner. 1. Device for generating electrical energy from wind power with a mast (4, 5) which is anchored in the ground via foundations (1), a rotor (9, 14, 15, 16) which is rotatably mounted, and with a generator (2) arranged close to the ground for generating electrical energy, which is connected to the rotor (9, 14, 15, 16), characterized in that the generator (2) in the region of the foundation (1) below the ground level (3 ) is arranged. 3 AT 403 401 B 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (9) eine im wesentlichen waagrechte Drehachse (11) aufweist und daß der Generator (2) über ein Kegelradgetriebe (6, 7) und eine senkrecht im Mast (4) angeordnete Welle (5) angetrieben wird.2. Device according to claim 1, characterized in that the rotor (9) has a substantially horizontal axis of rotation (11) and that the generator (2) via a bevel gear (6, 7) and a shaft arranged vertically in the mast (4) (5) is driven. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (14, 15, 16) eine im wesentlichen senkrechte Drehachse (11) aufweist.3. Device according to claim 1, characterized in that the rotor (14, 15, 16) has a substantially vertical axis of rotation (11). 4. Vorrichtung nach einem der Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß der Mast (4) einstückig mit dem Rotor (5) drehbar ausgeführt ist.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the mast (4) is designed to be rotatable in one piece with the rotor (5). 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet daß die Rotorblätter (14, 15, 16) im wesentlichen schalenförmig ausgebildet sind.5. Device according to one of claims 3 or 4, characterized in that the rotor blades (14, 15, 16) are substantially shell-shaped. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß das Profil der schalenförmigen Rotorblätter (14, 15, 16) einen konvexen Abschnitt (17) aufweist, der beiderseits von konkaven Abschnitten (18, 19) umgeben ist.6. The device according to claim 5, characterized in that the profile of the cup-shaped rotor blades (14, 15, 16) has a convex portion (17) which is surrounded on both sides by concave portions (18, 19). 7. Vorrichtung nach einem Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter (14, 15, 16) entlang einer Schraubenlinie verdreht sind.7. Device according to one of claims 3 to 6, characterized in that the rotor blades (14, 15, 16) are rotated along a helix. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter (14, 15, 16) in senkrechter Richtung eine unterschiedliche Breite aufweisen. Hiezu 4 Blatt Zeichnungen 48. Device according to one of claims 3 to 7, characterized in that the rotor blades (14, 15, 16) have a different width in the vertical direction. Including 4 sheets of drawings 4
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