DE10340112A1

DE10340112A1 - Windkraftanlage

Info

Publication number: DE10340112A1
Application number: DE10340112A
Authority: DE
Inventors: Till Grueneberg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-08-30
Filing date: 2003-08-30
Publication date: 2005-03-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage, bestehend aus einem um eine vertikale Drehachse umlaufenden kraftübertragenden Grundkörper, wobei an dem Grundkörper mindestens ein Flügel angeordnet ist, aus einem Generator und einer Verbindung zwischen Generator und Grundkörper. Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstig und einfach herzustellende Windkraftanlage bereitzustellen, die bei schwachen als auch starken Winden effizient und kontinuierlich einsetzbar ist. Die Windkraftanlage soll ebenfalls bei wechselnden Windgeschwindigkeiten und Windrichtungen schnell auf diese ausrichtbar sein. Die Erfindung besteht darin, dass der Flügel eine Windangriffsfläche aufweist, die vertikal auf einer (gedachten) von der Drehachse ausstrahlenden radialen Linie fest angeordnet ist und dass die Größe der Windangriffsfläche an dem fest am Grundkörper montierten Flügel veränderbar ist. Die Angriffsfläche des Windes kann derart am fest an dem Grundkörper montierten Flügel verändert werden. Bei geringer Windstärke kann eine vergleichsweise große Fläche zur Verfügung gestellt werden und bei hohen Windgeschwindigkeiten kann die Fläche entsprechend verkleinert werden. Diese Möglichkeit der Veränderung der Windangriffsfläche eines Flügels macht die Windkraftanlage bei verschiedensten Windstärken kontinuierlich zur Energiegewinnung einsetzbar. Aufwändige Montagen verschiedenster Flügelgrößen oder Stillstandszeiten der Anlage entfallen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage, bestehend aus einem um eine vertikale Drehachse umlaufenden kraftübertragenden Grundkörper, wobei an dem Grundkörper mindestens ein Flügel angeordnet ist, aus einem Generator und einer Verbindung zwischen Generator und Grundkörper.

Windkraftanlagen werden meist in Form einer auf einem Mast angeordneten Propellerturbine ausgeführt, bei der ein ein- oder mehrflügeliger Propeller um eine horizontale Achse umläuft. Zur Energiegewinnung wird hier der Auftrieb ausgenutzt, der an den vom Wind umströmten Rotorblättern entsteht. Nachteilig an dieser Entwicklung ist es, dass diese Anlagen durch Bau von immer größeren Rotorradien an ihre Stabilitätsgrenze stoßen. Bei zu starkem Wind sind die Windkraftanlagen aus Sicherheitsgründen nicht zu betreiben. Bei nur geringen Windgeschwindigkeiten liegen diese Windkraftanlagen still, weil keine effektive Energiegewinnung aufgrund eines zu geringen Auftriebes möglich ist.

Es sind ebenfalls Windkraftanlagen bekannt geworden, bei der Windfänger um eine vertikal ausgerichtete Achse umlaufen. Diese Anordnung vermindert die statischen Probleme der Anlage bei hohen Windgeschwindigkeiten. Dennoch sind diese Windkraftanlagen ebenfalls von der Stärke des Windes abhängig und können nicht effizient und kontinuierlich bei verschiedenen Windstärken eingesetzt werden.

Die vorliegende Erfindung vermeidet die Nachteile des Standes der Technik. Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstig und einfach herzustellende Windkraftanlage bereitzustellen, die bei schwachen als auch starken Winden effizient und kontinuierlich einsetzbar ist. Die Windkraftanlage soll ebenfalls bei wechselnden Windgeschwindigkeiten und Windrichtungen schnell auf diese ausrichtbar sein.

Die Erfindung besteht darin, dass der Flügel eine Windangriffsfläche aufweist, die vertikal auf einer (gedachten) von der Drehachse ausstrahlenden radialen Linie fest angeordnet ist und dass die Größe der Windangriffsfläche an dem fest am Grundkörper montierten Flügel veränderbar ist. Die Angriffsfläche des Windes kann derart am fest an dem Grundkörper montierten Flügel verändert werden. Bei geringer Windstärke kann eine vergleichsweise große Fläche zur Verfügung gestellt werden und bei hohen Windgeschwindigkeiten kann die Fläche entsprechend verkleinern werden. Diese Möglichkeit der Veränderung der Windangriffsfläche eines Flügels macht die Windkraftanlage bei verschiedensten Windstärken kontinuierlich zur Energiegewinnung einsetzbar. Aufwendige Montagen verschiedenster Flügelgrößen oder Stillstandszeiten der Anlage entfallen.

Vorteilhaft ist es, wenn die Größe der Windangriffsfläche des Flügels innerhalb einer Umdrehung des Grundkörpers derart veränderbar ist, dass in dem Kreisbogensegment, in dem die Drehrichtung des Grundkörpers gleich der Windrichtung ist, die Flügelfläche größer ist, als in dem Kreisbogensegment, in dem die Windrichtung entgegen der Drehrichtung des Grundkörpers angreift. Hierdurch ist erreicht, dass in dem Kreisbogensegment, in dem die Windrichtung gleich der Drehrichtung ist, die umlaufende Flügelfläche eine größere Angriffsfläche bietet als in dem weiteren Kreisbogensegment, in dem die Drehrichtung entgegen der Windrichtung wirkt. Es ist ein Energie /Kraftüberschuss in Umlaufrichtung bewirkt, der ein kontinuierliches Umlaufen des Grundkörpers um die vertikale angeordnete Achse zur Energiegewinnung ermöglicht.

Die Windkraftanlage ist ohne großen konstruktiven Aufwand unter Beibehaltung der Stabilität bei geringen Windgeschwindigkeiten nutzbar.

Es ist zweckmäßig, wenn der Flügel aus einer Windangriffsfläche und diese tragenden Trägern besteht.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Flügel ein Segel ist, welches innerhalb von Führungsschienen geführt ist und welches ein-/ und ausrollbar oder faltbar ist. Das Segel kann an der von dem Grundkörper abgewandten Seite ein-/ und ausrollbar sein, oder das Segel kann sowohl an der von dem Grundkörper abgewandten Seite als auch an der dem Grundkörper zugewandten Seite ein-/ und ausrollbar sein und in einem zentralen vertikal verlaufenden Bereich des Tuches fest an Führungsschienen angeordnet sein. Diese Flügelkonstruktion ist besonders einfach und kostengünstig herzustellen. Aufwendige und kostenintensive Werkzeuge zur Herstellung von Propellerturbinen entfallen.

Eine weitere Möglichkeit zur Größenveränderung der Windangriffsfläche liegt darin, dass die Windangriffsfläche aus mindestens zwei gegeneinander verschiebbaren Flächen besteht, welche in Führungen geführt sind und dass die verschiebbaren Flächen Platten und/oder Segel sind. Um die Windangriffsfläche des Flügels zu vergrößern, wird wenigstens eine Platte in den Führungen derart verschoben, dass die Platten nahezu nebeneinander oder leicht überlappend liegen. Um die Windangriffsfläche des Flügel zu verkleinern wird eine Platte gegen die andere Platte oder werden die Platten derart gegeneinander verschoben, dass sie teilweise oder vollständig hintereinander liegen. Die Verschiebung der Platten gegeneinander kann in vertikaler Richtung oder in horizontaler Richtung erfolgen. Ein Flügel braucht nicht nur aus zwei Platten und den Führungsschienen aufgebaut zu sein, sondern es sind eine Vielzahl gegeneinander verschiebbarer Platten möglich.

Vorteilhaft ist es, wenn die Größe der Windangriffsfläche des Flügels durch einen von der Stärke der Windkraft abhängig steuerbaren Motor veränderbar ist. Dieser Motor ermöglicht eine exakte Steuerung der Größe der Flügelfläche auf die vorherrschende Windstärke, so dass eine effiziente Energiegewinnung ermöglicht ist. Die Veränderung der Flügelfläche erfolgt sowohl innerhalb einer Umdrehung als auch aufgrund der vorherrschenden Windgeschwindigkeit.

Zweckmäßig ist eine Verschalung in Form eines Kreisbogensehments um den Grundkörper, welche außerhalb des Bewegungsradius der Flügel herum angeordnet ist. Die Verschalung schirmt das Kreisbogensegment vor angreifender Windenergie am Flügel ab, welches entgegen der Drehrichtung des Grundkörpers liegt.

Vorteilhaft ist es, wenn ein Windleitwerk an der Verschalung angeordnet ist, welches die Verschalung in der Stellung zur Windrichtung hält, in der die Drehrichtung des Grundkörpers entgegen der Windrichtung abzuschirmen ist.

Für eine einfache Wartung der Windkraftanlage ist es zweckmäßig, wenn der Generator am Fuß des Mastes angeordnet ist und über eine vertikal verlaufende Welle mit dem umlaufenden, an der Mastspitze angeordneten Grundkörper in Verbindung steht.

Das Wesen der Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen die:
1 eine Ansicht des oberen Bereiches der Windkraftanlage
2 eine Aufsicht auf Windangriffsflächen der Flügel in einem Umlauf die vertikale Drehachse
3 eine Ansicht auf zwei gegenüberliegende Flügel
4 eine weitere Ansicht auf zwei gegenüberliegende Flügel
5 ein Diagramm über die Abhängigkeit der Windkraft auf die Windangriffsfläche von der Winkelstellung.
In der 1 ist eine Ansicht des oberen Bereiches einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage dargestellt. Die Windkraftanlage 1 besteht aus einem Generator (nicht dargestellt), aus einem Mast 2 und einem auf diesen Mast 2 aufgesetzten, um eine vertikale Drehachse 5 umlaufenden Grundkörper 3, an dem die Flügel 4 der Windkraftanlage 1 angeordnet sind. Die Flügel 4 sind vertikal radialstrahlig ausgerichtet und fest an dem Grundkörper 3 angeordnet. Die Flügel weisen Flächen 6 auf, die in radialstrahlig von der Drehachse 5 ausgerichteten Führungsschienen 7 geführt sind und die als Windangriffsflächen dienen. Eine Windangriffs- Fläche 6 wird von zwei vertikal beabstandet übereinander angeordneten Führungsschienen 7 geführt. Die Größe der Windangriffs- Fläche 6 ist an dem fest montierten Flügel veränderbar. Die Windangriffsflächen 6 können beispielsweise als Segel oder Platten ausgebildet sein. Die Windrichtung weist in die Zeichenblattebene hinein und dreht den Grundkörper 3 mit den an dem Grundkörper 3 angeordneten Flügeln entgegen des Uhrzeigersinnes.
Die 2 zeigt eine Aufsicht auf den Grundkörper 3 und den an diesem Grundkörper 3 angeordneten Flügeln, schematisiert auf die Windangriffs flächen 6, deren Längsstirnseiten radialstrahlig von der vertikalen Drehachse weg verlaufenden Geraden liegen. Die Windrichtung ist durch strichpunktierte Pfeile dargestellt. Die Umlaufrichtung des Grundkörpers 3 und der Flächen 6 ist entgegen des Uhrzeigersinnes.
Die Windangriffsflächen 6 weisen in dem Kreisbogensegment eine größere Fläche auf, in dem die Windrichtung gleich der Umlaufrichtung des Grundkörpers 3 ist (rechter Halbkreis). In dem gegenüberliegenden Kreisbogensegment (linker Halbkreis) sind die Größe der Windangriffsflächen 6 kleiner und bieten dem Wind, der in diesem Kreisbogensegment entgegen der Umlaufrichtung des Grundkörpers 3 angreift, eine geringere Angriffsfläche. Es verbleibt ein Energieüberschuß in Drehrichtung.
In der 3 ist eine Ansicht auf Flügel 4 dargestellt, die an dem um eine vertikale Drehachse 5 umlaufenden Grundkörper 3 angeordnet sind. Die Windrichtung weist in die Zeichenblattebene hinein und dreht den Grundkörper 3 mit den an dem Grundkörper 3 angeordneten Flügeln 4 entgegen des Uhrzeigersinnes. Um die Größe der Windangriffsfläche 6 verändern zu können, besteht der Flügel 4 aus zwei Führungsschienen 7, die teleskopartig verlänger- und verkürzbar sind. Zwischen den vertikal übereinander beabstandeten Führungsschienen 7 eines Flügels 4 ist ein Segeltuch 9 als Fläche 6 angeordnet. Dieses ist bei dem rechts an dem Grundkörper 3 angeordneten Flügel 4a, bei dem die Drehrichtung gleich der Windrichtung ist, groß aufgespannt, während sie bei dem links an dem Grundkörper abgebildeten Flügel 4b, bei dem die Drehrichtung entgegen der Windrichtung ist, klein aufgespannt ist. Die Verkleinerung der Windangriffsfläche 4 ist durch Aufrollung oder Faltung einer oder beider Stirnseiten 8 der Segeltuchenden erreicht.
In der 4 ist eine Ansicht auf die Flügel 4 dargestellt, die an dem um eine vertikale Drehachse 5 umlaufenden Grundkörper 3 angeordnet sind. Die Wind richtung weist in die Zeichenblattebene hinein und dreht den Grundkörper 3 mit den an dem Grundkörper 3 angeordneten Flügeln 4 entgegen des Uhrzeigersinnes. Um die Größe der Windangriffsfläche 6 verändern zu können, besteht der Flügel 4 aus zwei Führungsschienen 7, die teleskopartig in ihrer Länge veränderbar sind und zwischen diesen Führungsschienen 7 angeordneten Platten 10. Die Platten 10 können aus Kunststoff oder Metall gefertigt sein. Die Platten 10 sind innerhalb der Führungsschienen 7 gegeneinander verschiebbar gelagert. Bei dem rechts an dem Grundkörper 3 angeordneten Flügel 4a, bei dem die Drehrichtung gleich der Windrichtung ist, ist die Windangriffsfläche durch zwei nebeneinander oder nur geringfügig überlappende Platten 10 groß, während sie bei dem links an dem Grundkörper abgebildeten Flügel 4b, bei dem die Drehrichtung entgegen der Windrichtung ist, durch die hintereinander lagernden Platten klein aufgespannt. Dabei kann ebenfalls die näher am Grundkörper 3 angeordnete Platte hinter diejenige Platte verschoben werden, die von Grundkörper 3 weiter entfernt liegt. Es können beide Platten gegeneinander verschiebbar sein, oder nur eine Platte kann fest angeordnet sein, während nur die weitere Platte eines Flügel verschiebbar ist.
In der 5 ist ein Diagramm gezeigt, welches die Abhängigkeit der Größe der Windangriffsfläche von der Winkelstellung innerhalb einer vollständigen Umdrehung des Grundkörpers darstellt. Auf der Abszisse ist die Winkelstellung bis 360°, auf der Ordinate ist die auf die Größe der Windangriffsfläche aufgetragen. Die Größe der Windangriffsfläche verändert sich innerhalb einer Umdrehung, um im den Kreisbogensegment, in dem die Windrichtung gleich der Drehrichtung ist, eine größtmögliche Windangriffsfläche bieten zu können und in dem Kreisbogensegment, in dem die Windrichtung entgegen der Drehrichtung ist, eine geringmögliche Angriffsfläche zu bieten.

1: Windkraftanlage
2: Verbindung (hier: Mast)
3: Grundkörper
4: Flügel
5: Vertikale Drehachse
6: Fläche
7: Führungsschiene
8: Stirnseite
9: Segeltuch
10: Platte

Claims

Windkraftanlage, bestehend aus einem um eine vertikale Drehachse umlaufenden kraftübertragenden Grundkörper, wobei an dem Grundkörper mindestens ein Flügel angeordnet ist, aus einem Generator und einer Verbindung zwischen Generator und Grundkörper, dadurch gekennzeichnet, dass der Flügel eine Windangriffsfläche aufweist, die vertikal auf einer (gedachten) von der Drehachse ausstrahlenden radialen Linie fest angeordnet ist und dass die Größe der Windangriffsfläche an dem fest am Grundkörper montierten Flügel veränderbar ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Windangriffsfläche des Flügels innerhalb einer Umdrehung des Grundkörpers derart veränderbar ist, dass in dem Kreisbogensegment, in dem die Drehrichtung des Grundkörpers gleich der Windrichtung ist die Flügelfläche größer ist, als in dem Kreisbogensegment, in dem die Windrichtung entgegen der Drehrichtung des Grundkörpers angreift.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flügel aus einer Windangriffsfläche und diese tragenden Trägern besteht.
Windkraftanlage nach Anspruch 1,3, dadurch gekennzeichnet, dass der Flügel ein Segel ist, welches innerhalb von Führungsschienen geführt ist und welches ein-/ und ausrollbar ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Segel an der von dem Grundkörper abgewandten Seite ein-/ und ausrollbar ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Segel sowohl an der von dem Grundkörper abgewandten Seite als auch an der dem Grundkörper zugewandten Seite ein-/und ausrollbar ist und in einem zentralen vertikal verlaufenden Bereich des Tuches fest an Führungsschienen angeordnet ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 1,3, dadurch gekennzeichnet, dass die Windangriffsfläche aus mindestens zwei gegeneinander verschiebbaren Flächen besteht, welche in Führungen geführt sind und dass die verschiebbaren Flächen Platten und/oder Segel sind.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schwungrad angeordnet ist, welches beim Umlaufen des Grundkörpers mitantreibbar ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verschalung in Form eines Kreisbogensegmentes um den Grundkörper außerhalb des Bewegungsradius der Flügel herum angeordnet ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Windleitwerk an der Verschalung angeordnet ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator am Fuß der Verbindung zwischen Grundkörper und Generator angeordnet ist und über eine vertikal verlaufende Welle mit dem umlaufenden, an der Mastspitze angeordneten Grundkörper in Verbindung steht.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Größenveränderung der Windangriffsfläche des Flügels durch einen Motor bewirkt ist.