DE102010024170B4

DE102010024170B4 - Windkraftanlage mit senkrechter Rotorachse und variabler Rotorflügelgeometrie

Info

Publication number: DE102010024170B4
Application number: DE201010024170
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2012-11-29
Anticipated expiration: 2030-06-18
Also published as: DE102010024170A1

Abstract

Windkraftanlage mit einem Rotor, dessen Rotorachse senkrecht und zugleich senkrecht zur Windrichtung angeordnet ist, mit mehreren Rotorflügeln, die jeweils paarweise gelenkig durch eine senkrecht zur Rotorachse verlaufende Schwenkachse miteinander verbunden sind, wobei die einem oberen freien Ende des Rotors zugewandten Rotorflügel des Rotorflügelpaares an einem radial innen liegenden Ende durch senkrecht zur Rotorachse in einer axialen Ebene verlaufende Drehachsen mit der Rotorachse drehbeweglich verbunden sind, und wobei die jeweils paarweise gelenkig miteinander verbundenen Rotorflügel einen sich entgegen der Drehrichtung des Rotors und gegen den Wind öffnenden Winkel bilden, dessen Winkelöffnung durch eine Verstelleinrichtung verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die dem oberen freien Ende des Rotors (1) zugewandten Rotorflügel (2) der Rotorflügelpaare an einem von der Schwenkachse (4) abgewandten Ende durch erste Drehachsen (5) mit der Rotorachse (6) drehbeweglich verbunden sind, dass die dem unteren axialen Ende des Rotors (1) zugewandten Rotorflügel (3) der Rotorflügelpaare an einem radial innen liegenden und...

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem Rotor, dessen Rotorachse senkrecht und zugleich senkrecht zur Windrichtung angeordnet ist, mit mehreren Rotorflügeln, die jeweils paarweise gelenkig durch eine senkrecht zur Rotorachse verlaufende Schwenkachse miteinander verbunden sind, wobei die einem oberen freien Ende des Rotors zugewandten Rotorflügel des Rotorflügelpaares an einem radial innen liegenden Ende durch senkrecht zur Rotorachse in einer axialen Ebene verlaufende Drehachsen mit der Rotorachse drehbeweglich verbunden sind, und wobei die jeweils paarweise gelenkig miteinander verbundenen Rotorflügel einen sich entgegen der Drehrichtung des Rotors und gegen den Wind öffnenden Winkel bilden, dessen Winkelöffnung durch eine Verstelleinrichtung verstellbar ist.
Eine derartige Windkraftanlage ist durch die JP 3 000 976 A bekannt. Bei dieser bekannten Windkraftanlage sind die zum oberen freien Ende des Rotors weisenden Flügel der scharnierartig miteinander verbundenen Rotorflügelpaare durch Drehachsen in einem mit der Rotorachse fest verbundenen Flansch drehbar gelagert. Die dem unteren axialen Ende des Rotors zugewandten Rotorflügel sind mit einem Hebelgestänge verbunden, welches die Winkelöffnung der Rotorflügel bei der Drehung des Rotors in der Weise steuert, dass die Rotorflügepaare sich entgegen der Drehrichtung des Rotors bei einer Lage der Drehachsen senkrecht zu Windrichtung auf der dem Wind zugewandten Seite maximal öffnen und sich auf der diametral gegenüberliegenden Seite des Rotors bis auf eine minimale Winkelöffnung schließen. Dadurch soll erreicht werden, dass die Rotorflügel bei der Bewegung entgegen der Windrichtung einen möglichst geringen Strömungswiderstand und bei der Bewegung mit der Windrichtung eine möglichst große Flügelfläche bieten. Dies wird jedoch durch eine aufwendige und verschleißanfällige Verstelleinrichtung realisiert, die im Dauerbetrieb der Windkraftanlage einen hohen Wartungsaufwand erwarten lässt. Eine variable Verstellung der Winkelöffnung der Rotorflügel zur Anpassung an die Windstärke und den Leistungsbedarf ist bei dieser bekannten Windkraftanlage nicht vorgesehen.
Eine Windkraftanlage ähnlicher Bauart ist durch die DE 143 826 A bekannt. Dort werden ebenfalls paarweise angeordnete Rotorflügel bei der Drehung des Rotors durch eine aufwendige Verstelleinrichtung in der Weise gesteuert, dass sich die Rotorflügel auf der Seite des Rotors, auf der die Windrichtung mit der momentanen Drehrichtung übereinstimmt, maximal öffnen und auf der diametral gegenüberliegenden Seite des Rotors schließen.
In der GB 2 158 886 A ist eine weitere Windkraftanlage mit senkrechter Rotorachse und daran paarweise angeordneten Rotorflügeln beschrieben, wobei die Rotorflügel jedes der Rotorflügelpaare sowohl miteinander als auch mit der Rotorachse gelenkig verbunden sind, und wobei eine Verstelleinrichtung für das Verändern der Winkelöffnung der Rotorflügelpaare vorgesehen ist. Die Ausbildung der gelenkigen Verbindung ist jedoch nicht näher beschrieben. Es ist deshalb nicht ersichtlich, wie auf diese Weise auch großflächige Rotorflügel bei einem entsprechend großen Winddruck in einer stabilen Lage an der Rotorachse gehalten werden können.
Eine Windkraftanlage mit senkrechter Rotorachse und daran winkelverstellbar angeordneten Rotorflügeln beschreibt auch die US 1 443 912 A . Dort sind allerdings die Rotorflügel nicht paarweise gelenkig miteinander verbunden sondern einzeln schwenkbar an der Rotorachse angeordnet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Windkraftanlage vereinfachter Bauart zu schaffen, die eine variable Verstellung der Flügelgeometrie zuläßt.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale in der Weise, dass bei einer Windkraftanlage der im Oberbegriff angegebenen Bauart die dem oberen freien Ende des Rotors zugewandten Rotorflügel der Rotorflügelpaare an einem von der Schwenkachse abgewandten Ende durch erste Drehachsen mit der Rotorachse drehbeweglich verbunden sind, wobei die dem unteren axialen Ende des Rotors zugewandten Rotorflügel der Rotorflügelpaare an einem radial innen liegenden und von der Schwenkachse abgewandten Ende durch senkrecht zur Rotorachse in einer axialen Ebene verlaufende zweite Drehachsen mit der Rotorachse drehbeweglich verbunden sind, und wobei die Verstelleinrichtung die Lage der ersten und/oder zweiten Drehachsen in axialer Richtung verändert, wodurch die Winkelöffnung der Rotorflügelpaare variabel verstellbar ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 angegeben.
Die erfindungsgemäße Windkraftanlage zeichnet sich durch eine besonders einfache und kompakte Bauweise aus und ist für den mobilen und stationären Einsatz insbesondere als Kleinanlage oder Anlage mittlerer Größe geeignet. Zugunsten einer einfachen und kostengünstigen Bauweise wird hierbei auf eine strömungsmäßige Optimierung der Rotorflügel verzichtet. Dennoch sind Drehzahl und Leistung durch die Verstellung der Winkelöffnung der Rotorflügelpaare regulierbar. Durch die Verstellbarkeit der Winkelöffnung der paarweise gelenkig miteinander verbundenen Rotorflügel in einem Winkelbereich von 0 bis 180 Grad ist ein anwendungsspezifischer Betrieb der Windkraftanlage möglich. Wegen des Strömungswiderstandes auf der diametral gegenüberliegenden Seite des Rotors, wo die Windrichtung der Drehrichtung entgegen gerichtet ist, ist jedoch eine Begrenzung des Winkelbereichs auf unter 180 Grad sinnvoll. Ein optimaler Arbeitsbereich ergibt sich bei einer Winkelöffnung im Bereich von 30 bis 120 Grad. Eine weite Öffnung der Rotorflügelpaare ermöglicht den Betrieb der Windkraftanlage auch bei Schwachwind, während andererseits die Drehzahl bis auf Null bei einer Winkelöffnung von 0 Grad insbesondere zur Sturmsicherung der Anlage reduzierbar ist. Bei steigender Drehzahl entsteht zugleich ein Unterdruckeffekt an den nachlaufenden Rotorflügeln, wobei die Windströmung nicht gebremst und das an der Rotorachse erzeugte Drehmoment erhöht wird. Wegen der kompakten Flügelgeometrie zeichnet sich die erfindungsgemäße Windkraftanlage zudem durch eine geringe Geräuschentwicklung aus, auch ein Schlagschatten tritt nicht auf.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Windkraftanlage wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht des Rotors,
2 die gelenkige Verbindung des Rotorflügelpaares mit der Rotorachse,
3 in perspektivischer Ansicht den auf der Rotorachse axial verschiebbar angeordneten Flansch mit der Verstelleinrichtung und
4 Verstelleinrichtung und Flansch gemäß 3 in Seitenansicht und Draufsicht.
Der in 1 dargestellte Rotor 1 der Windkraftanlage mit senkrechter Rotorachse 6 weist Rotorflügel 2, 3 auf, die jeweils paarweise gelenkig durch eine senkrecht zur Rotorachse 6 verlaufende freie Schwenkachse 4 miteinander verbunden sind. Bei den Rotorflügeln 2, 3 handelt es sich um einfach herzustellende, im wesentlichen ebene Bauteile. Die dem oberen freien Ende des Rotors 1 zugewandten Rotorflügel 2 sind endseitig radial innen durch senkrecht zur Rotorachse 6 verlaufende erste Drehachsen 5 mit der Rotorachse drehbeweglich verbunden, während die dem unteren axialen Ende des Rotors 1 zugewandten Rotorflügel 3 der Rotorflügelpaare am axial entgegengesetzten Ende radial innen durch senkrecht zur Rotorachse 6 verlaufende zweite Drehachsen 7 mit der Rotorachse 6 drehbeweglich verbunden sind. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind insgesamt vier Rotorflügelpaare an der Rotorachse 6 angeordnet. Es kann aber auch eine andere Anzahl der Rotorflügelpaare gewählt werden.
Die durch die Schwenkachse 4 paarweise miteinander verbundenen Rotorflügel 2, 3 bilden jeweils einen Winkel, dessen Winkelöffnung entgegen der Drehrichtung des Rotors 1 dem Wind zugewandt ist und auf der diametral gegenüberliegenden Seite der Rotorachse 6 entsprechend vom Wind abgewandt ist. Durch die Anströmung der dem Wind zugewandten Winkelöffnungen der Rotorflügelpaare und durch den geringen Strömungswiderstand der vom Wind abgewandten Winkelöffnungen auf der diametral gegenüberliegenden Seite des Rotors 1 wird somit ein Drehmoment an der Rotorachse 6 erzeugt. Je nach Lage der Winkelöffnungen in Bezug auf die Rotorachse 6 und die Windrichtung kann hierbei ein rechtsdrehendes oder linksdrehendes Drehmoment erzeugt werden. Bei steigender Drehzahl entsteht zudem an den jeweils nachlaufenden Rotorflügeln ein Unterdruckeffekt, der das Drehmoment erhöht. Das von der Windkraft erzeugte und auf die Rotorachse 6 übertragene Drehmoment kann für den Antrieb eines elektrischen Generators zur Stromerzeugung in einem Kleinkraftwerk oder zum direkten Antrieb einer Arbeitsmaschine, zum Beispiel einer Pumpe genutzt werden.
2 zeigt beispielhaft ein Rotorflügelpaar mit der radial außen angeordneten gemeinsamen Schwenkachse 4, wobei der axial obere Rotorflügel 2 radial innen durch eine erste Drehachse 5 mit einem am oberen freien Ende der Rotorachse 6 befestigten Flansch 10 drehbeweglich verbunden ist. Der andere Rotorflügel 3 des Rotorflügelpaares ist radial innen durch eine zweite Drehachse 7. mit einem am unteren Ende der Rotorachse 6 angeordneten Flansch 9 drehbeweglich verbunden. Dieser am unteren axialen Ende der Rotorachse 6 angeordnete Flansch 9 ist in diesem Ausführungsbeispiel auf der Rotorachse 6 axial verschiebbar. Mittels einer Verstelleinrichtung 8, die durch einen mechanischen, elektrischen, hydraulischen oder pneumatischen Stellantrieb betätigt werden kann, wird durch das Verschieben de Flansches 9 auf der Rotorachse 6 die zwischen den Rotorflügeln 2, 3 des Rotorflügelpaares gebildete Winkelöffnung verändert. Der Verstellbereich der Winkelöffnung liegt dabei zwischen nahezu 0 und 180 Grad, was einer minimalen und maximalen Anströmung der Rotorflügel 2, 3 entspricht.
In den 3 und 4 wird nochmal die drehbewegliche Verbindung der Rotorflügel 3 mit dem am unteren Ende der Rotorachse 6 axial verschiebbaren Flansch 9 sowie die Anordnung der Verstelleinrichtung 8 verdeutlicht. Die zweiten Drehachsen 7 verlaufen senkrecht zur Rotorachse 6 und sind in diesem Ausführungsbeispiel am Flansch 9 befestigt. Die Rotorflügel 2 sind drehbar auf den zweiten Drehachsen 7 gelagert. Ebenso ist eine Befestigung der zweiten Drehachsen 7 an den Rotorflügeln 2 und eine drehbare Lagerung der zweiten Drehachsen 7 am Flansch 9 möglich. Dasselbe gilt für die drehbare Verbindung der ersten Drehachsen 5 mit der Rotorachse 6 an dem am oberen freien Ende der Rotorachse 6 angeordneten Flansch 10.
Der auf der Rotorachse 6 axial verschiebbare Flansch 9 kann auf der Rotorachse 6 drehfest angeordnet sein, wofür die Rotorachse 6 und der Flansch 9 im axialen Verstellbereich des Flansches 9 in der Art einer Keilwellenverbindung oder einer anderen geeigneten Wellen-Nabenverbindung ausgebildet sind. Eine solche drehfeste Verbindung ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, da die Windkraft auch allein über das Drehgelenk der ersten Drehachse 5 und den am oberen freien Ende der Rotorachse 6 befestigten Flansch 10 auf die Rotorachse 6 übertragen werden kann.
Die Versteileinrichtung 8 weist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen stationären Flansch auf, in welchem die Rotorachse 6 drehbar angeordnet ist. Der Flansch weist vorzugsweise ein Axiallager auf, über welches die axiale Verstellbewegung auf den axial verschiebbaren und sich mit der Rotorachse 6 drehenden Flansch 9 übertragen wird.
Alternativ zur axialen Verstellbarkeit des am unteren Ende der Rotorachse 6 angeordneten Flansches 9 kann der am oberen freien Ende der Rotorachse 6 angeordnete Flansch 10 durch eine Verstelleinrichtung 8 auf der Rotorachse 6 axial verschiebbar sein. Auch eine axiale Verstellbarkeit sowohl des am oberen freien Ende als auch des am unteren Ende der Rotorachse 6 angeordneten Flansches ist möglich, sofern zumindest einer der Flansche zur Drehmomentübertragung mit der Rotorachse 6 drehfest verbunden ist. Dies gilt ebenso bei der Anordnung mehrerer Sätze von Rotorflügelpaaren axial übereinander auf einer gemeinsamen Rotorachse 6. Zumindest einer der oberen, unteren oder Zwischenflansche muß zur Drehmomentübertragung mit der Rotorachse 6 drehfest verbunden sein.

Claims

Windkraftanlage mit einem Rotor, dessen Rotorachse senkrecht und zugleich senkrecht zur Windrichtung angeordnet ist, mit mehreren Rotorflügeln, die jeweils paarweise gelenkig durch eine senkrecht zur Rotorachse verlaufende Schwenkachse miteinander verbunden sind, wobei die einem oberen freien Ende des Rotors zugewandten Rotorflügel des Rotorflügelpaares an einem radial innen liegenden Ende durch senkrecht zur Rotorachse in einer axialen Ebene verlaufende Drehachsen mit der Rotorachse drehbeweglich verbunden sind, und wobei die jeweils paarweise gelenkig miteinander verbundenen Rotorflügel einen sich entgegen der Drehrichtung des Rotors und gegen den Wind öffnenden Winkel bilden, dessen Winkelöffnung durch eine Verstelleinrichtung verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die dem oberen freien Ende des Rotors (1) zugewandten Rotorflügel (2) der Rotorflügelpaare an einem von der Schwenkachse (4) abgewandten Ende durch erste Drehachsen (5) mit der Rotorachse (6) drehbeweglich verbunden sind, dass die dem unteren axialen Ende des Rotors (1) zugewandten Rotorflügel (3) der Rotorflügelpaare an einem radial innen liegenden und von der Schwenkachse (4) abgewandten Ende durch senkrecht zur Rotorachse (6) in einer axialen Ebene verlaufende zweite Drehachsen (7) mit der Rotorachse (6) drehbeweglich verbunden sind, und dass die Verstelleinrichtung (8) die Lage der ersten und/oder zweiten Drehachsen (5, 7) in axialer Richtung verändert, wodurch die Winkelöffnung der Rotorflügelpaare variabel verstellbar ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Drehachsen (5) mit der Rotorachse (6) fest verbunden sind, und dass die zweiten Drehachsen (7) durch die Verstelleinrichtung (8) in axialer Richtung in ihrer Lage zur Rotorachse (6) verstellbar sind.
Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Drehachsen (7) mit einem Flansch (9) fest verbunden sind, der auf der Rotorachse (6) axial verschiebbar und nicht drehbar angeordnet ist, und der mit der Verstelleinrichtung (8) gekoppelt ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorachse (6) im axialen Verstellbereich des Flansches (9) in der Art einer Keilwelle ausgebildet ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sätze von Rotorflügelpaaren axial übereinander auf der Rotorachse (6) angeordnet sind, wobei die ersten Drehachsen (5) der dem oberen freien Ende des Rotors (1) zugewandten Rotorflügel (2) mit der Rotorachse (6) fest verbunden sind, während die ersten und zweiten Drehachsen (5, 7) der Rotorflügel (2, 3) der sich in Richtung des unteren axialen Endes des Rotors (1) anschließenden Sätze von Rotorflügelpaaren jeweils mit einem Flansch (9) fest verbunden sind, der auf der Rotorachse (6) nicht drehbar und axial verschiebbar angeordnet ist, wobei der dem unteren axialen Ende des Rotors (1) zugewandte letzte Flansch (9) mit der Verstelleinrichtung (8) gekoppelt ist.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (8) einen mechanischen, elektrischen, hydraulischen oder pneumatischen Stellantrieb aufweist.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelöffnung der durch die Schwenkachse (4) paarweise gelenkig miteinander verbundenen Rotorflügel (2, 3) im Bereich von 0 bis 180 Grad variabel verstellbar ist.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorachse (6) einen elektrischen Generator zur Stromerzeugung für ein Kleinkraftwerk oder eine Arbeitsmaschine antreibt.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass je nach Anordnung der Winkelöffnung der paarweise gelenkig miteinander verbundenen Rotorflügel (2, 3) auf der dem Wind zugewandten Seite des Rotors (1) rechts oder links von der Rotorachse (6) ein Rechts- oder Linkslauf der Rotorachse (6) vorsehbar ist.