Diese Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit selbsttätig, bei wachsenden Windgeschwindigkeiten,
zunehmend kontinuierlich aus dem Wind schwenkendem Rotor mit tief liegendem Kraftangriffspunkt der
Rotorkräfte.This invention relates to a wind power plant with automatic, with increasing wind speeds,
rotor rotating continuously out of the wind with low-lying force application point
Rotor forces.
Die bekannten Windkraftanlagen haben die Nachteile, daß sie entweder gesteuert, bei großen Windstärken,
die Rotorblätter aus dem Wind schwenken müssen, oder daß die Rotorblätter so stabil gebaut
sein müssen, daß sie den Winddrücken standhalten und daß die Kraftangriffspunkte der jeweiligen
Rotoren sich relativ zur Windkraftanlagengröße sehr hoch über dem Erdboden befinden, sowie daß
die Rotordrehzahl relativ gering ist und daß diese Rotordrehzahl sich nicht selbsttätig mit der Windgeschwindigkeit
regelt.The known wind turbines have the disadvantages that they are either controlled at high wind speeds,
the rotor blades have to swing out of the wind, or that the rotor blades are built so stable
must be that they withstand the wind pressures and that the force application points of the respective
Rotors are very high above the ground relative to the size of the wind turbine, and that
the rotor speed is relatively low and that this rotor speed does not change automatically with the wind speed
regulates.
Dieser Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, diese Nachteile zu vermeiden. Die Lösung dieser
Aufgabe wird dadurch erreicht, daß ein, in der Regel mit einem Kardangelenk an einer meist senkrechten
Welle gekuppelter, mit spezifisch leichterem Gas als Luft gefüllter und dadurch nach oben
gerichteter, in allen Himmelsrichtungen schwenkbarer ballonartiger Rotor, von erheblicher Länge,
bei relativ geringem Durchmesser die Windenergie in Drehbewegung wandelt. Bei zunehmender
Windgeschwindigkeit schwenkt dieser nach oben gerichtete Rotor zunehmend zur Horizontalen hin.
Die von dem Rotor über das Kardangelenk angetriebene meist senkrechte Welle, kann über ein
Zahnradgetriebe, einem Riementrieb oder einem Reibradgetriebe einen Generator antreiben.
Es ist vorteilhafter, weil insbesondere mit geringeren Reibungsverlusten verbunden, einen Generator
mit der meist senkrechten Welle direkt anzutreiben. Dabei ist es wiederum vorteilhafter, wenn
dieser Generator einen sehr großen Rotordurchmesser aufweist. Da der Kraftangriffspunkt des Rotors
am Kardangelenk, relativ zu anderen Windkraftanlagen, sehr tief liegt und der Rotor bei starkem
Sturm weitgehend aus dem Wind schwenkt, ist der Material- und Bauaufwand für die Stützkonstruktion
gering. Der Rotor besteht aus weitgehend gasdichten, geschlossenen, mit spezifisch leichtem Gas
gefüllten Folienkörpern, die aus Folien bestehen können, die sowohl unverstärkt sein können, wie
auch gewebe- und faserverstärkt sein können. Diese geschlossenen Folienkörper sind mit einem Gas,
welches spezifisch leichter als Luft ist, gefüllt. Innerhalb der Folienkörper herrscht ein angepaßter
Überdruck. Die Form des Rotors wird durch einen zylindrischen Folienkörper und mehrere schwenkbare
Folienkörper gebildet. Die so gebildete Querschnittsform erstreckt sich teilweise oder ganz
über den größten Teil der Länge des Rotors. Das Gewicht des gesamten Rotormaterials ist geringer
als der gesamte, durch das spezifische leichte Gas verursachte, Auftrieb. Am unteren Ende des Rotors
ist der mittlere zylindrische Folienkörper mit einer großen Halbschale aus festerem Material gasdicht
verbunden. Diese festere Halbschale kann über eine kurze Verlängerung mit dem Kardangelenk verbunden
sein. Die Folienkörper sind in der Regel aus Folienteilen zusammengesetzt und in der Regel
durch Kleben oder Schweißen verbunden. Um den mittleren, oben halbkugelförmig verschlossenen
zylindrischen Folienkörper des Rotors sind mehrere schalenförmige Folienkörper, die ebenfalls mit
Gas gefüllt sein können, das heißt aber auch mit Luft gefüllt sein können, angebracht. Diese schwenkbaren
Folienkörper schwenken, bei Drehbewegung in Windrichtung, von der Rotorzylinder-Mittel-
Achse gesehen, nach außen und legen sich bei der Drehbewegung in Windrichtung weitgehend an
den Rotorzylinder an. Dadurch wird auf der Seite des Rotors mit den nach außen geschwenkten
schwenkbaren Folienkörpern die Strömungsgeschwindigkeit des Windes stärker reduziert, während
sich auf der Seite der anliegenden schwenkbaren Folienkörper, an den zylindrischen Folienkörper,
nur eine geringere Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit des Windes ergibt. Dies bewirkt ein
hohes Drehmoment und eine hohe Umfangsgeschwindigkeit am Rotorzylinder, der, auf Grund des
relativ geringen Rotordurchmessers und der beschleunigten Luftströmung bei der Umströmung des
zylindrischen Folienkörpers, für eine Windkraftanlage, eine relativ zur jeweiligen Leistung, sehr
hohe Drehzahl aufweist. Die schwenkbaren Folienkörper sind innen mit Zwischenwänden aus Folien
oder Geweben versehen, die dem Zweck dienen, daß diese schwenkbaren Folienkörper, bei innerer
Gasdruckbeaufschlagung weitgehend eine strömungstechnisch günstige, stabile Form erhalten. Statt
der schwenkbaren Folienkörper können auch ersatzweise feste Profile, wie zum Beispiel Strangpreßprofile
aus Kunststoff zur Anwendung kommen. Die Schwenkbewegung der schwenkbaren
Folienkörper, oder der diese schwenkbaren Folienkörper ersetzenden Profile, vom zylindrischen
Folienkörper nach außen, wird in der Regel durch Zugelemente, wie zum Beispiel Seile, begrenzt,
die an den ausgeschwenkten Seiten der schwenkbaren Folienkörper, oder den diese ersetzenden
Profilen, befestigt sind. Am anderen Ende sind diese Seile direkt oder indirekt am zylindrischen
Folienkörper befestigt. Am zylindrischen Folienkörper sind die schwenkbaren Folienkörper, oder
deren ersetzende Profile, schwenkbar befestigt. Dieses schwenkbare Befestigen der Folienkörper,
oder der diese ersetzenden Profile, miteinander kann zum Beispiel durch Gummielemente, durch
Filmscharniere oder durch Faltungen im zylindrischen Folienkörper erreicht werden. Die in der
Regel senkrechte Welle unterhalb des Kardangelenkes ist in einer Stützkonstruktion gelagert, die
in der Regel auch Getriebe, Riemenantrieb oder Reibradgetriebe mit Generator trägt oder nur den
Generator mit Zubehör, wenn die Welle den Generator direkt antreibt. Die Stützkonstruktion kann
für den Betrieb der selbstregelnden Windkraftanlage auf dem Land oder für den Betrieb auf See
ausgelegt werden. Auf See sind diese selbstregelnden Windkraftanlagen in besonders großer Ausführung
vorteilhaft, weil hier die Umweltverträglichkeit und Sozialverträglichkeit weitestgehend voll
gegeben sind und hier, insbesondere in hohen Luftschichten, durchschnittlich sehr hohe Windgeschwindigkeiten
herrschen. Es sind, für den Betrieb auf See, selbstregelnde Windkraftanlagen
machbar, die Rotorlängen von mehr als 500 m haben und hierdurch die höheren Windgeschwindigkeiten
in höheren Luftschichten nutzen. Bei geringen Windgeschwindigkeiten ist die Rotorneigung
zur Senkrechten gesehen nur gering und daher der Nutzungsgrad der Windenergie sehr hoch. Mit
zunehmender Windgeschwindigkeit wird die Neigung des Rotors stärker, um bei extremen Windgeschwindigkeiten
sich der Waagerechten zu nähern. Es wird hierdurch erreicht, daß die Luft bei
stärksten Winden im wesentlichen an dem zylindrischen Folienkörper und den schwenkbaren Folienkörpern
vorbei streicht und nur zu einem kleineren Teil eine Drehbewegung des Rotors bewirkt.
Damit ist das gesamte System der selbstregelnden Windkraftanlage, nämlich der Rotor, das Kardangelenk,
die Welle, die Stützkonstruktion, Getriebe oder Riementrieb oder Reibradgetriebe, der
Generator und die Stromleitungen selbsttätig automatisch vor Überlastung geschützt. Es gibt viele
Möglichkeiten von selbstregelnden Windkraftanlagen nach dieser Erfindung, insbesondere viele
Möglichkeiten der Stützkonstruktionen, die entweder für den Betrieb der selbstregelnden Windkraftanlagen
auf dem Land, oder für den Betrieb auf See geeignet sind. Um Gasverluste im Rotor, durch
Diffusion durch die Folien zu vermeiden, können die Folien des Rotors mit weitestgehend gasundurchlässigen
dünnen Folienschichten, wie zum Beispiel extrem dünnen Glasschichten, verbunden
sein. Um Gasverluste zu kompensieren, kann ein Schlauch durch die in der Regel senkrechte Welle
und das Kardangelenk zu den Folienkörpern geführt werden, der zum Auffüllen der Gasverluste
dient. Die für die Herstellung des Rotors verwendeten Folien werden durch Kleben, Schweißen oder
Nähen gasdicht verbunden.The object of this invention is to avoid these disadvantages. The solution to this
Task is achieved in that a, usually with a universal joint on a mostly vertical
Shaft coupled, filled with gas that is specifically lighter than air and therefore upwards
Directed, swiveling in all directions, balloon-like rotor, of considerable length,
with a relatively small diameter, the wind energy converts to rotary motion. With increasing
This upward-facing rotor increasingly swings wind speed towards the horizontal.
The mostly vertical shaft driven by the rotor via the universal joint can be driven by a
Gear drive, belt drive or friction gear drive a generator.
A generator is more advantageous because it is associated in particular with lower friction losses
to drive directly with the mostly vertical shaft. It is again more advantageous if
this generator has a very large rotor diameter. Because the force application point of the rotor
on the universal joint, relative to other wind turbines, is very low and the rotor is strong
Storm swings largely out of the wind, is the material and construction costs for the support structure
low. The rotor consists of largely gas-tight, closed, with specifically light gas
filled film bodies, which can consist of films that can be both unreinforced, such as
can also be fabric and fiber reinforced. These closed film bodies are with a gas,
which is specifically lighter than air. There is an adapted inside the film body
Overpressure. The shape of the rotor is determined by a cylindrical foil body and several swiveling ones
Foil body formed. The cross-sectional shape thus formed extends partially or entirely
over most of the length of the rotor. The weight of the entire rotor material is less
than all the buoyancy caused by the specific light gas. At the bottom of the rotor
the middle cylindrical film body with a large half-shell made of stronger material is gas-tight
connected. This firmer half shell can be connected to the universal joint via a short extension
be. The film bodies are usually composed of film parts and usually
connected by gluing or welding. Around the middle, hemispherically closed at the top
cylindrical foil body of the rotor are several bowl-shaped foil body, which also with
Can be filled with gas, but can also be filled with air. This swivel
Swivel the film body from the rotor cylinder center when rotating in the wind direction.
Seen axis, to the outside and largely put on the rotational movement in the wind direction
the rotor cylinder. As a result, on the side of the rotor with the pivoted outwards
swiveling film bodies reduces the flow velocity of the wind more strongly while
on the side of the adjacent swiveling film body, on the cylindrical film body,
there is only a smaller reduction in the flow velocity of the wind. This does one
high torque and high peripheral speed on the rotor cylinder, which, due to the
relatively small rotor diameter and the accelerated air flow when flowing around the
cylindrical film body, for a wind turbine, one relative to the respective output, very much
has high speed. The swiveling film bodies are made of film on the inside with partitions
or provided fabrics that serve the purpose that these swiveling film body, at inner
Gas pressurization largely obtained a stable, aerodynamically favorable shape. Instead of
the swiveling film body can also replace fixed profiles, such as extruded profiles
plastic are used. The swiveling movement of the swiveling
Foil body, or the profiles replacing these pivotable foil body, from the cylindrical
Foil body to the outside, is usually limited by tension elements, such as ropes,
those on the swung-out sides of the swiveling film bodies, or those replacing them
Profiles are attached. At the other end, these ropes are directly or indirectly on the cylindrical one
Foil body attached. On the cylindrical film body are the pivotable film body, or
their replacing profiles, pivotally attached. This pivotable attachment of the film body,
or the profiles replacing them, for example with rubber elements
Film hinges or by folding in the cylindrical film body can be achieved. The in the
Normal vertical shaft below the universal joint is supported in a support structure that
usually also carries gear, belt drive or friction gear with generator or only the
Generator with accessories if the shaft drives the generator directly. The support structure can
for the operation of the self-regulating wind turbine on land or for operation at sea
be interpreted. These self-regulating wind turbines are particularly large in size at sea
advantageous because the environmental and social compatibility are largely full
are given and here, especially in high air layers, very high wind speeds on average
to rule. They are self-regulating wind turbines for operation at sea
feasible, the rotor lengths of more than 500 m and thus the higher wind speeds
use in higher air layers. The rotor pitch is at low wind speeds
seen only slightly to the vertical and therefore the degree of utilization of wind energy is very high. With
increasing wind speed, the inclination of the rotor becomes stronger at extreme wind speeds
to approach the horizontal. It is thereby achieved that the air at
strongest winds essentially on the cylindrical film body and the pivotable film bodies
sweeps past and only to a small extent causes a rotary movement of the rotor.
So the entire system of the self-regulating wind turbine, namely the rotor, the universal joint,
the shaft, the support structure, gear or belt drive or friction gear, the
The generator and the power lines are automatically protected against overload. There are many
Possibilities of self-regulating wind turbines according to this invention, especially many
Possibilities of support structures, either for the operation of self-regulating wind turbines
in the country or suitable for operation at sea. To gas losses in the rotor
To avoid diffusion through the foils, the foils of the rotor can be largely gas impermeable
thin film layers, such as extremely thin glass layers, connected
be. In order to compensate for gas losses, a hose can pass through the generally vertical shaft
and the cardan joint to the film bodies are used to fill up the gas losses
serves. The foils used for the manufacture of the rotor are made by gluing, welding or
Sewing connected gastight.
Diese Erfindung wird beispielsweise dargestellt durchThis invention is exemplified by
Fig. 1 als schematische Darstellung der selbstregelnden Windkraftanlage für eine Verwendung auf
dem Land. Fig. 1 shows a schematic representation of the self-regulating wind turbine for use in the country.
Fig. 2 als schematische Darstellung der selbstregelnden Windkraftanlage für eine Verwendung auf
See. Fig. 2 shows a schematic representation of the self-regulating wind turbine for use at sea.
Fig. 3 Querschnitt eines Rotors. Fig. 3 cross section of a rotor.
Der Rotor 1 ist in seinem zylindrischen Folienkörper 10, der oben und unten in der Regel halbkugelförmig
geschlossen ist, mit spezifisch leichtem Gas, wie zum Beispiel trockenem Erdgas, gefüllt.
Dieses spezifisch leichtere Gas als Luft befindet sich unter einem etwas höheren Druck als die umgebende
Luft. Der zylindrische Folienkörper 10 besteht aus gewebeverstärkter Folie. Am Umfang des zylindrischen
Folienkörpers 10 sind mehrere schwenkbare Folienkörper 12 schwenkbar angebracht. Diese
schwenkbaren Folienkörper 12 sind mit unter Überdruck stehendem Gas gefüllt. Es ist sinnvoll, daß die
schwenkbaren Folienkörper 12 mit dem gleichen Gas gefüllt sind, wie die zylindrischen Folienkörper
10. Die schwenkbaren Folienkörper 12 sind in der Regel mittels der schwenkbaren Befestigungen
13 an dem zylindrischen Folienkörper 10 befestigt. Die schwenkbaren Befestigungen 13
können zum Beispiel aus T-förmigen Gummiprofilen bestehen, die mit dem zylindrischen Folienkörper
10 und den schwenkbaren Folienkörpern 12 verklebt sind und Ösen, für die Befestigung der
Zugelemente 11, aufweisen. Die Zugelemente 11 sind jeweils an einem Ende an den Ösen und am
anderen Ende außen an den schwenkbaren Folienkörpern 12 befestigt. Die Zugelemente 11 können
zum Beispiel Seile sein und durch ihre minimale Biegesteifigkeit das Schwenken der schwenkbaren
Folienkörper 12 ermöglichen. Die Zugelemente 11 begrenzen das nach außen Schwenken der
schwenkbaren Folienkörper 12. Die schwenkbaren Folienkörper 12 sind innen mit Zwischenwänden
aus Folien oder Geweben versehen, die den schwenkbaren Folienkörpern 12, bei Innendruckbeaufschlagung,
die stabile schalenförmige Form verleihen. Der zylindrische Folienkörper 10
ist unten durch zum Beispiel eine halbkugelförmige Schale, aus einer Aluminiumlegierung bestehend,
verschlossen. Unmittelbar, oder über eine Verlängerung 5, schließt an der halbkugelförmigen Schale
ein ausreichend dimensioniertes Kardangelenk 2 nach unten an, das wiederum mit der in der
Regel senkrechten Welle 3 verbunden ist, die die Drehbewegung des Rotors 1 auf das Getriebe
oder auf den Riementrieb oder auf den Reibantrieb oder direkt auf den Generator überträgt.
Getriebe, Riementrieb oder Reibradantrieb treiben jeweils, falls vorgesehen, einen Generator 4,
der dann in der Regel eine höhere Drehzahl aufweist als der Rotor 1. Die Welle 3 ist in einer
Stützkonstruktion 7 gelagert, die einmal für die Verwendung auf dem Land oder zum anderen
für die Verwendung auf See ausgelegt sein kann. Der Rotor 1 wird durch den Auftrieb, den
die spezifisch leichte Gasfüllung bewirkt, bei Windstille senkrecht nach oben gerichtet und, insbesondere
bei einem Direktantrieb eines Generators, schon bei relativ sehr geringen Windgeschwindigkeiten,
in eine drehende Bewegung versetzt. Diese Drehbewegung wird, durch das
wechselseitige Ausschwenken und Anlegen der schwenkbaren Folienkörper 12, optimal unterstützt.
Hierdurch greift, auf der einen Seite des zylindrischen Folienkörpers 10, die Luftströmung
in die ausgeschwenkten schwenkbaren Folienkörper 12 und treibt diese an, während
auf der Gegenseite die anliegenden schwenkbaren Folienkörper 12 nur geringfügig, im
wesentlichen durch Luftströmungsreibung, gebremst werden. Mit zunehmender Windgeschwindigkeit
neigt sich der Rotor 1 zur Windrichtung hin. Das bewirkt, daß nur ein geringerer
Anstieg der Luftströmung in Umfangsrichtung des zylindrischen Folienkörpers 10 erfolgt,
als bei einem senkrecht bleibenden Rotor 1. Dafür nimmt aber der Anteil der Luftströmung
in Längsrichtung des Rotor 1, mit zunehmender Windgeschwindigkeit, zunehmend zu. Es
sind zylindrische Folienkörper 10 von über 20 m Durchmesser und über 500 m Länge
sinnvoll, weil hiermit die stärkeren Windströmungen in großen Höhen über die Meere genutzt
werden können. Der verhältnismäßig geringe Durchmesser der Rotoren 1 bewirkt jeweils eine
relativ hohe Rotordrehzahl. Der niedrige Kraftangriffspunkt des Rotor 1 an der Stützkonstruktion
ermöglicht einen sehr geringen Materialbedarf und einen geringen Herstellungsaufwand für die
Stützkonstruktion 7.The rotor 1 is filled in its cylindrical film body 10 , which is usually hemispherical at the top and bottom, with specifically light gas, such as dry natural gas. This specifically lighter gas than air is at a slightly higher pressure than the surrounding air. The cylindrical film body 10 consists of fabric-reinforced film. A plurality of pivotable film bodies 12 are pivotably attached to the circumference of the cylindrical film body 10 . These pivotable film bodies 12 are filled with gas under pressure. It makes sense that the pivotable film body 12 is filled with the same gas as the cylindrical film body 10 . The pivotable film bodies 12 are generally fastened to the cylindrical film body 10 by means of the pivotable fasteners 13 . The pivotable fasteners 13 can, for example, consist of T-shaped rubber profiles which are glued to the cylindrical film body 10 and the pivotable film bodies 12 and have eyelets for fastening the tension elements 11 . The tension elements 11 are each attached at one end to the eyelets and at the other end to the outside of the pivotable film bodies 12 . The tension elements 11 can, for example, be ropes and, due to their minimal bending stiffness, allow the pivotable film bodies 12 to be pivoted. The tension elements 11 limit the outward pivoting of the pivotable film bodies 12 . The pivotable film bodies 12 are provided on the inside with partitions made of films or fabrics, which, when subjected to internal pressure, give the pivotable film bodies 12 the stable, shell-like shape. The cylindrical film body 10 is closed at the bottom by, for example, a hemispherical shell consisting of an aluminum alloy. Immediately, or via an extension 5 , an adequately dimensioned universal joint 2 adjoins the hemispherical shell, which in turn is connected to the generally vertical shaft 3 , which rotates the rotor 1 onto the transmission or belt drive or transmits the friction drive or directly to the generator. Gear units, belt drives or friction wheel drives each drive a generator 4 , if provided, which then generally has a higher speed than the rotor 1 . The shaft 3 is mounted in a support structure 7 which can be designed for use on land or for use at sea. The rotor 1 is directed vertically upwards when there is no wind due to the buoyancy caused by the specifically light gas filling and, in particular in the case of a direct drive of a generator, is set into a rotating movement even at relatively low wind speeds. This rotary movement is optimally supported by the mutual pivoting out and positioning of the pivotable film body 12 . As a result, on one side of the cylindrical film body 10 , the air flow engages and drives the pivoted-out pivotable film body 12 , while on the opposite side the adjacent pivotable film body 12 is braked only slightly, essentially by air flow friction. As the wind speed increases, the rotor 1 tilts towards the wind direction. This has the effect that there is only a smaller increase in the air flow in the circumferential direction of the cylindrical film body 10 than in the case of a rotor 1 which remains vertical. However, the proportion of air flow in the longitudinal direction of the rotor 1 increases with increasing wind speed. Cylindrical film bodies 10 with a diameter of more than 20 m and a length of more than 500 m are expedient because the stronger wind currents can be used at great heights over the seas. The relatively small diameter of the rotors 1 causes a relatively high rotor speed. The low force application point of the rotor 1 on the support structure enables a very low material requirement and a low production outlay for the support structure 7 .
Dieser selbstregelnden Windkraftanlagen, insbesondere der Ausführungen für die Nutzung der
Windenergie über die Meere, kommt die Bedeutung zu, daß, auf Grund des relativ sehr geringen
Materialeinsatzes im Verhältnis zur erzeugbaren Stromleistung, der relativ einfachen hier
erforderlichen Techniken, der Nutzung der weitgehend ganzjährigen hohen Windgeschwindigkeiten
über die Meere, insbesondere der noch höheren durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten
in größeren Höhen eine baldige Verdrängung der heutigen Stromerzeugung mit fossilen
Brennstoffen oder Kernenergie ermöglicht wird.These self-regulating wind turbines, especially the versions for the use of the
The importance of wind energy over the seas is that, due to the relatively very low
Material use in relation to the power output that can be generated, the relatively simple here
required techniques, the use of the largely year-round high wind speeds
over the seas, especially the even higher average wind speeds
at higher altitudes, current fossil fuel generation will soon be replaced
Fuels or nuclear energy is made possible.
BezugszeichenlisteReference list
1 Rotor
2 Kardangelenk
3 Welle
4 Generator
5 Verlängerung
6 Bodenverankerung
7 Stützkonstruktion
8 Schwimmer
9 Verbindung
10 zylindrischer Folienkörper
11 Zugelement
12 schwenkbarer Folienkörper
13 schwenkbare Befestigung 1 rotor
2 universal joint
3 wave
4 generator
5 extension
6 floor anchoring
7 support structure
8 swimmers
9 connection
10 cylindrical foil bodies
11 tension element
12 swiveling film bodies
13 swiveling attachment