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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Windkraftwerk mit einem Rotor mit mehreren Rotorblättern, wobei der Rotor einen Abtriebsteil antreibt und der Abtriebsteil eine vertikale Drehachse aufweist und wobei der Rotor von einer Windkraft drehbar und über den Abtriebsteil ein Generator antreibbar ist.
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Windkraftwerke mit einem sich um eine vertikale Drehachse drehenden Abtriebsteil werden auch als Vertikalläufer bezeichnet. Dabei verlaufen die Rotorblätter eines Rotors zumeist ebenfalls in vertikaler Richtung. Vertikalläufer haben den Vorteil, dass der Rotor an einer vertikalen Welle angeordnet ist und somit unabhängig von der Windrichtung arbeitet. Bei Vertikalläufern besteht grundsätzlich das Problem, dass bei einem Umlauf des Rotors in einem Abschnitt des Rotors befindliche Rotorblätter eine Windangriffszone bilden, um den Rotor drehend anzutreiben und in einem anderen Abschnitt die Rotorblätter nach Verlassen der Windangriffszone entgegen der Windrichtung rückgeführt werden. Ein Vertikalläufer ist daher nur dann funktionstüchtig, wenn der Strömungswiderstand, den die Rotorblätter bei der Rückführung aufgrund der Windkraft bilden, geringer ist als die von dem Wind in der Windangriffszone auf die Rotorblätter ausgeübte Kraft.
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Bei bekannten Vertikalläufern wird das genannte Problem durch besondere Geometrien gelöst, die bei der Rückführung einen möglichst geringen Strömungswiderstand besitzen.
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Bekannte Vertikalläufer besitzen jedoch einen strömungstechnisch komplizierten Aufbau und haben darüber hinaus teilweise einen sehr großen Platzbedarf.
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Seit der Entwicklung der bekannten Vertikalläufer beschränken sich Weiterentwicklungen weitestgehend auf eine Wirkungsgradoptimierung und Verringerung von Laufgeräuschen.
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US 2011/0101694 A1 offenbart ein Windkraftwerk mit einem Rotor, der eine Propelleranordnung besitzt, wobei im Betrieb der gesamte Rotor mit starr an dem Rotor angeordneten Rotorblättern verschwenkt wird.
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Bekannte Windkraftwerke werden ferner zumeist als separate Kraftwerke errichtet. Die Nutzung von vorhandenen Strukturen, wie beispielsweise Gebäuden, wird selten verwendet.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Windkraftwerk der erstgenannten Art zu schaffen, das von einfachem Aufbau ist und einen relativ geringen Platzbedarf besitzt. Darüber hinaus soll das Windkraftwerk möglichst vorhandene Strukturen nutzen können.
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Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Das erfindungsgemäße Windkraftwerk weist einen Rotor mit mehreren Rotorblättern auf, wobei der Rotor einen Abtriebsteil antreibt und der Abtriebsteil eine vertikale Drehachse aufweist. Der Rotor ist von einer Windkraft drehbar und über den Antriebsteil ist ein Generator antreibbar. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter mit einem Ende verschwenkbar an dem Rotor befestigt sind, wobei die Rotorblätter gewölbt und in einem Anstellwinkel zum Bilden einer Windangriffsfläche an der Unterseite der Rotorblätter angeordnet sind, wobei die Rotorblätter während eines Umlaufs durch Windeinwirkung auf die Windangriffsfläche innerhalb einer Windangriffszone in eine Aufstellposition und nach Verlassen der Windangriffszone schwerkraftbedingt in eine Einklappposition verschwenkbar sind.
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Die Rotorblätter werden somit während einer Umdrehung des Rotors vom Wind erfasst und in die Aufstellposition verschwenkt. Dabei bewirkt der Anstellwinkel der gewölbten Rotorblätter, dass die Rotorblätter einen Auftrieb erhalten und um eine im Wesentlichen in horizontaler Richtung verlaufende Schwenkachse in einer Aufstellposition verschwenkt werden. Die Windkraft übt eine horizontale Kraftkomponente auf die Rotorblätter aus, so dass eine Drehbewegung des Rotors erfolgen kann. Der Bereich während eines Umlaufs des Rotors, bei dem eine Windeinwirkung auf die Windangriffsfläche erfolgt, wird im Rahmen der Erfindung als Windangriffszone bezeichnet.
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Nach Verlassen der Windangriffszone werden die Rotorblätter durch die Drehbewegung des Rotors in einen Bereich verschwenkt, in dem keine Windeinwirkung auf die Windangriffsfläche erfolgt. Schwerkraftbedingt können die Rotorblätter nunmehr in eine Einklappposition zurückgeschwenkt werden. Das Windkraftwerk kann beispielsweise eine Tragstruktur mit einer vertikalen Achse aufweisen. In der Einklappposition schmiegen sich die Rotorblätter in diesem Fall an die Tragstruktur an. Durch die gewölbte Ausbildung der Rotorblätter und den Anstellwinkel wird erreicht, dass nach Verlassen der Windangriffszone und während der Rückführung der Wind nicht an die Windangriffsfläche an der Unterseite der Rotorblätter gelangt, wodurch kein Auftrieb der Rotorblätter erreicht wird und die Rotorblätter in der Einklappposition verbleiben. Der Wind wird über die gewölbte Außenseite der Rotorblätter geführt und kann ferner bewirken, dass die Rotorblätter durch die Windkraft auf die Außenseite der Rotorblätter in die Einklappposition gedrückt werden. Durch die spezielle Formung der Rotorblätter wird erreicht, dass die in der Windangriffszone auf die Rotorblätter ausgeübte Kraft wesentlich größer ist als die während der Rückführung der Rotorblätter entstehende Strömungswiderstand durch die Rotorblätter, so dass durch die Drehbewegung des Rotors in vorteilhafter Weise ein Drehmoment zum Antrieb des Generators entstehen kann.
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Durch die Neigung des Rotors kann ein besonders großer Anstellwinkel der Rotorblätter erreicht werden, wodurch aufgrund der dadurch entstehenden großen Windangriffsfläche eine hohe Energieausbeute erreicht werden kann.
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Die Erfindung ermöglicht einen einfachen Aufbau eines Windkraftwerks, wobei als Tragstruktur des Windkraftwerkes beispielsweise bereits vorhandene Türme verwendet werden können. Somit ist das erfindungsgemäße Windkraftwerk in vorteilhafter Weise in vorhandene Strukturen integrierbar.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass benachbarte Rotorblätter sich in der Einklappposition überlappen. Dadurch kann eine Oberfläche mit besonders geringem Strömungswiderstand außerhalb der Windangriffszone erreicht werden. Die Rotorblätter weisen in der Aufstellposition hingegen eine verglichen zu der Oberfläche in der Einklappposition sehr große Windangriffsflächen auf, so dass eine Drehbewegung des Rotors in besonders vorteilhafter Weise entstehen kann.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Rotor gegenüber dem Abtriebsteil neigbar ist, wobei in der geneigten Position des Rotors die Rotorachse schräg zu der vertikalen Drehachse des Abtriebsteils verläuft. Durch die Neigung des Rotors kann erreicht werden, dass die während des Durchlaufens der in der Angriffszone von der Unterseite der Rotorblätter gebildete Windangriffsfläche in vorteilhafter Weise in Richtung des Windes angestellt ist, so dass die Windkraft in vorteilhafter Weise in den Rotor einleitbar ist. Durch die Neigung des Rotors werden somit die Rotorebene und die sich in dieser drehende Rotorblätter verändert. Der Rotor wirkt somit in Art einer Traumelscheibe. Der Rotor kann beispielsweise als runde Platte ausgebildet sein, wobei die Rotorblätter am Plattenrand gelenkig befestigt sind. Die Erfindung kann vorsehen, dass die Neigung des Rotors in unterschiedlicher Richtung erfolgen kann, so dass eine Anpassung des Rotors an die Windrichtung erfolgen kann.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rotorblätter eine Anschlagvorrichtung zur Begrenzung der Schwenkbewegung aufweisen. Über die Anschlagvorrichtung ist somit die Aufstellposition der Rotorblätter definiert. Die Anschlagsvorrichtung kann auch verstellbar ausgebildet sein, so dass die Aufstellposition der Rotorblätter veränderbar ist.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass der Neigungswinkel des Rotors veränderbar ist. Dadurch lässt sich der Rotor in vorteilhafter Weise in Bezug auf eine Windeinwirkung einstellen.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass der Rotor durch die Windeinwirkung auf die Windangriffsfläche der Rotorblätter neigbar ist. Mit anderen Worten: Der bei Windeinwirkung auf die Windangriffsflächen der Rotorblätter erzeugte Auftrieb der Rotorblätter wird, beispielsweise nach Erreichen der Anschlagsvorrichtung, auf den Rotor übertragen, so dass der Rotor geneigt wird. Dadurch erfolgt eine Ausrichtung des Rotors und insbesondere der Neigung des Rotors in Bezug auf den Wind automatisch durch die Windeinwirkung auf die Windangriffsflächen.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Begrenzungsvorrichtung die Neigung des Rotors begrenzt. Die Begrenzungsvorrichtung kann beispielsweise zwischen dem Rotor und dem Abtriebsteil wirken. Die Begrenzungsvorrichtung kann auch an einer Stützstruktur des Windkraftwerks angeordnet sein. Beispielsweise können Führungslager, zum Beispiel Führungsrollen, vorgesehen sein, auf die der Rotor in der geneigten Stellung aufliegt.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Rotorwelle über ein Kardangelenk mit dem Abtriebsteil verbunden ist. Der Abtriebsteil kann beispielsweise als Abtriebswelle ausgebildet sein. Über das Kardangelenk ist eine Neigung des Rotors gegenüber dem Abtriebsteil in vorteilhafter Weise möglich, wobei ferner erreicht wird, dass die Drehbewegung des Rotors weiterhin auf das Abtriebsteil übertragen wird.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Rotorwelle über eine flexible Welle mit dem Abtriebsteil verbunden ist.
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In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Generator als Kugelgenerator ausgebildet ist, wobei das Abtriebsteil eine Rotorkugel des Generators bildet. Eine Neigung des Rotors ist bei diesem Ausführungsbeispiel durch eine entsprechende Rollbewegung der Rotorkugel in dem Generator möglich. Ein Kugelgenerator ist ein Generator, der vergleichbar mit einem Kugelmotor eine Rotorkugel mit die Rotorkugel umgebende Statoren ist.
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An dem Rotor kann eine Abdeckscheibe vorgesehen sein, die die Enden der Rotorblätter und die Gelenke, über die die Rotorblätter mit dem Rotor verbunden sind, abdeckt und gegenüber Umwelteinflüssen schützt.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Prinzipdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Windkraftwerks,
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2 eine schematische Draufsicht auf einen Rotor eines erfindungsgemäßen Windkraftwerks,
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3 eine schematische Prinzipdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Windkraftwerks und
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4 eine schematische Prinzipdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Windkraftwerks.
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In 1 ist eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Windkraftwerks 1 schematisch dargestellt. Das Windkraftwerk 1 weist eine Tragstruktur 3 auf, die eine vertikale Achse 5 besitzt. Die Tragstruktur 3 kann beispielsweise ein Turm sein. Am oberen Ende der Tragstruktur ist ein Rotor 7 angeordnet, der aus einem plattenförmigen Rotorkörper 9 mit daran angelenkten Rotorblättern 11 besteht. Der Rotor 7 treibt einen Abtriebsteil 13 drehend an. Der Abtriebsteil 13 weist eine vertikale Drehachse 15 auf, die mit der vertikalen Achse 5 der Tragstruktur 3 fluchtet. Über den Abtriebsteil 13 ist ein Generator 17 antreibbar.
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Der Rotor 7 weist eine Rotorwelle 19 auf, die über ein Kardangelenk mit dem Abtriebsteil 13 verbunden ist. Der Abtriebsteil 13 kann beispielsweise eine Abtriebswelle sein.
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Die Rotorblätter 11 sind über Gelenke 23 an den Randbereichen des Rotorkörpers 9 angelenkt. Die Rotorblätter 11 sind in einem Anstellwinkel geneigt. Dadurch wird an der Unterseite 11a eine Windangriffsfläche 25 gebildet. Wind, der bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel beispielsweise aus Richtung des Betrachters kommen kann, trifft auf die Windangriffsfläche 25. Die Rotorblätter 11 werden aufgrund ihrer Anstellung nach oben in die in 1 auf der rechten Bildseite gezeigte Aufstellposition gedrückt. Gleichzeitig erfolgt eine Kraft in tangentialer Richtung zu dem Rotor 7, so dass eine Kraft von den Rotorblättern 11 auf den Rotor 7 übertragen wird und der Rotor in eine Drehbewegung 7 versetzt wird. In dem Gelenk 23 ist eine nicht dargestellte Anschlagvorrichtung zur Begrenzung der Verschwenkbewegung des Rotorblatts 11 angeordnet. Nach Erreichen der Anschlagsvorrichtung wird die durch den Wind an dem Rotorblatt 11 erzeugte Auftriebskraft auf den Rotor 7 übertragen, so dass dieser gegenüber dem Abtriebsteil 13 geneigt wird. Dazu erfolgt eine Beugung des Kardangelenkes 21.
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An der Oberseite der Tragstruktur 3 ist eine Begrenzungsvorrichtung 27 angeordnet, die als Führungslager mit mehreren Führungsrollen ausgebildet ist. Die Begrenzungsvorrichtung begrenzt die Neigung des Rotors 7.
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Wie am besten aus 2 ersichtlich ist, stellen sich die Rotoren 11 beim Eintritt in eine Windangriffszone 100 in ihre Aufstellposition auf, indem der Wind auf die beiliegenden Angriffsflächen der Rotoren 11 trifft. In 2 ist der Übersichtlichkeit halber nur ein Teil der Rotoren 11 dargestellt. Nach Verlassen der Angriffszone 100 werden die Rotorblätter 11 schwerkraftbedingt in eine Einklappposition verschwenkt. Die Einklappposition ist in den 1 und 2 auf der linken Seite dargestellt. In der Einklappposition schmiegen sich die Rotorblätter 11 an die Tragstruktur 3 an und überlappen einander. Beim Rückführen der Rotorblätter 11 während der Umdrehung des Rotors 7 streicht der Wind über die Außenseite 11b der Rotorblätter, wobei diese einen relativ geringen Strömungswiderstand bieten. Dazu kann die Oberfläche der Außenseite 11b der Rotorblätter 11 eine spezielle Oberflächenstruktur zur Verringerung des Strömungswiderstandes aufweisen. Der Strömungswiderstand wird ferner durch die Überlappung der Rotorblätter 11 beim Rückführen weiter reduziert. Dadurch ist die in der Windangriffszone 100 auf die Rotorblätter 11 und somit auf den Rotor 7 aufgebrachte Kraft wesentlich größer als der Strömungswiderstand der Rotorblätter 11 beim Rückführen entgegen der Windrichtung, so dass die Drehbewegung des Rotors 7 erfolgen kann. Die Strömungsrichtung des Windes ist in 2 schematisch durch Pfeile dargestellt. Zur Verbesserung der aerodynamischen Eigenschaften kann vorgesehen sein, dass die Windangriffsfläche 11a eine Oberflächenstruktur mit hohem Strömungswiderstand aufweist.
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Bei der Neigung des Rotors 7 kann es erforderlich sein, dass ein Ausgleich in vertikaler Richtung erfolgt. Dazu kann sich der Antriebsteil 13 beispielsweise in Bezug auf den Generator 17 und der Generator 17 in Bezug auf die Tragstruktur 3 in vertikaler Richtung bewegen.
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In den 3 und 4 sind zwei weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Windkraftwerkes 1 schematisch in einer Prinzipdarstellung gezeigt. Die beiden weiteren Ausführungsbeispiele unterscheiden sich von dem Ausführungsbeispiel der 1 lediglich in der Anbindung des Rotors 7 an den Abtriebsteil 13 und der Ausgestaltung des Generators 17.
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Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Generator 17 als Kugelgenerator ausgebildet, wobei der Abtriebsteil 13 eine Rotorkugel des Generators 17 bildet. Die Rotorkugel wird innerhalb von Statoren 17a um die vertikale Drehachse 15 gedreht, wobei gleichzeitig ein Verschwenken der Rotorachse 19 gegenüber dem Generator 17 verschwenkbar ist, so dass der Rotor 7 gegenüber der vertikalen Drehachse 15 des Abtriebsteils 13 geneigt ist.
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Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Rotor 7 mit der Rotorachse 19 über eine flexible Welle 29 mit dem Abtriebsteil 13 verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Abtriebsteil 13 als Abtriebswelle ausgebildet. Über die flexible Welle lässt sich der Rotor in vorteilhafter Weise gegenüber der vertikalen Drehachse 15 des Abtriebsteils 13 neigen.
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Beim erfindungsgemäßen Kraftwerk 1 kann der Rotor 7 eine Abdeckscheibe 31 aufweisen, die den Rotor 7 und die Anlenkungen der Rotorblätter 11 gegenüber Umwelteinflüssen schützen kann.
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Bei Windstille sind alle Rotorblätter 11 aufgrund der Schwerkraft in die Einklappposition verschwenkt. Ferner befindet sich der Rotor 7 in einer gegenüber der vertikalen Drehachse 15 des Abtriebsteils 13 nicht geneigten Position, sondern die Rotorachse fluchtet mit der vertikalen Drehachse 15 des Abtriebsteils 13.
