DE202011003442U1

DE202011003442U1 - Vorrichtung zur Nutzung von Windkraft mit mindestens einem Rotor

Info

Publication number: DE202011003442U1
Application number: DE202011003442U
Authority: DE
Original assignee: G & S World Bridge Trading AG; G&S WORLD BRIDGE TRADING AG
Current assignee: Schmitt Siegfried Ch
Priority date: 2011-03-02
Filing date: 2011-03-02
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2021-03-03
Also published as: EP2681447A1; DE112012001056A5; US20140050588A1; CN103649527A; CA2828599A1; KR20140014185A; JP2014510225A; BR112013022441A2; WO2012116678A1

Abstract

Vorrichtung zur Nutzung von Windkraft mit mindestens einem Rotor, wobei der Rotor eine Rotorwelle mit vertikal angeordneter Drehachse aufweist, an der Rotorwelle wenigstens drei Tragrahmen mit jeweils mindestens einer Rotorschaufel angeordnet sind und die Rotorschaufeln in Drehrichtung des Rotors jeweils um den gleichen Winkel versetzt zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorschaufeln (3) zu der Rotorwelle radial beabstandet angeordnet sind, wobei zwischen der Rotorwelle und den Rotorschaufeln (3) jeweils mindestens ein Winddurchlass (9) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nutzung von Windkraft mit mindestens einem Rotor, wobei der Rotor eine Rotorwelle mit vertikal angeordneter Drehachse aufweist, an der Rotorwelle wenigstens drei Tragrahmen mit jeweils mindestens einer Rotorschaufel angeordnet sind und die Rotorschaufeln in Drehrichtung des Rotors jeweils um den gleichen Winkel versetzt zueinander angeordnet sind.
Aufgrund von gegenüber anderen Ausführungsformen höheren Wirkungsgraden haben sich Windkraftanlagen mit in Windrichtung liegender Drehachse des Rotors, sogenannte Horizontalachsenrotoren, weitestgehend gegen solche mit vertikaler Drehachse des Rotors durchgesetzt. Jedoch kommen mit zunehmender Verbreitung der Horizontalachsenrotoren auch deren Nachteile, wie ein periodischer Schattenwurf der bewegten Rotorblätter und eine insbesondere durch die hohen Umlaufgeschwindigkeiten der äußeren Flügelspitzen hervorgerufene Geräuschentwicklung, zum Tragen. Sowohl der Schattenwurf als auch die Geräuschentwicklung dieser Windkraftanlagen werden insbesondere in der Nähe von Siedlungsgebieten von Anwohnern oft als störend empfunden, wodurch Genehmigungsverfahren für neue Anlagen häufig erschwert werden.
Neben der Errichtung von Offshore-Anlagen mit Horizontalachsenrotoren, könnte ein Ansatz zur Vermeidung von Problemen in der Verwendung von als Widerstandsläufer ausgelegten Rotoren mit vertikaler Drehachse liegen. Während die meisten als Auftriebsläufer konstruierten Vertikalachsenrotoren ähnlich den verbreiteten Horizontalachsenrotoren Lärm und periodischen Schattenwurf verursachen, sind diese Nachteile bei Widerstandsläufern meist nicht von Bedeutung. Die bekannten widerstandsangetriebenen Vorrichtungen mit vertikaler Drehachse weisen jedoch einen sehr geringen Wirkungsgrad auf, welcher einem wirtschaftlichen Betrieb bisher entgegensteht. Der geringe Wirkungsgrad ist häufig dadurch bedingt, dass der auf die Rotorschaufeln auftreffende Wind neben den Anströmflächen der Rotorschaufeln auch immer auf die dem Wind entgegen drehenden Rückseiten der Rotorschaufeln drückt und nur unzureichend an diesen abströmt. Es wird daher unter anderem versucht, die Luftströmung mit teilweise um die Rotoren angeordneten Gehäusen entsprechend um- beziehungsweise abzuleiten, jedoch besteht dabei der Nachteil, dass der Wind nur noch aus einer Richtung eingefangen werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Nutzung von Windkraft mit vertikaler Drehachse bereitzustellen, bei der die genannten Nachteile vermieden sind und die einen höheren Wirkungsgrad gegenüber bisherigen Widerstandsläufern mit vertikaler Drehachse aufweist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einer Vorrichtung gemäß Schutzanspruch 1. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 2 bis 11 angeführt.
Bei einer Vorrichtung zur Nutzung von Windkraft mit mindestens einem Rotor, wobei der Rotor eine Rotorwelle mit vertikal angeordneter Drehachse aufweist, an der Rotorwelle wenigstens drei Tragrahmen mit jeweils mindestens einer Rotorschaufel angeordnet sind und die Rotorschaufeln in Drehrichtung des Rotors jeweils um den gleichen Winkel versetzt zueinander angeordnet sind, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Rotorschaufeln zu der Rotorwelle radial beabstandet angeordnet sind, wobei zwischen der Rotorwelle und den Rotorschaufeln jeweils mindestens ein Winddurchlass ausgebildet ist. Mit den Winddurchlässen ist erreicht, dass der dem Wind von den rückseitig angeströmten Rotorschaufeln entgegengesetzte Widerstand bei Betrieb der Vorrichtung gegenüber an der Rotorwelle anliegenden Rotorschaufeln verringert ist. Der auf die rückseitig angeströmten Rotorschaufeln auftreffende Wind kann dann günstigerweise beidseitig, dass heißt sowohl an der zu der Rotorwelle zugewandten Seite als auch an der von der Rotorwelle abgewandten Seite der Rotorschaufel, abströmen. Da der auf die in Windrichtung drehenden Rotorschaufeln auftreffende Wind unverändert von diesen „eingefangen” wird, weist der erfindungsgemäße Rotor ein insgesamt verbessertes Strömungsprofil an den Rotorschaufeln mit einem besonders günstigen Verhältnis von Druck zu Gegendruck auf. Der Wirkungsgrad der Vorrichtung ist dadurch besonders günstig.
Um zu gewährleisten, dass die Winddurchlässe ausreichend bemessen sind, ist vorgesehen, dass deren Flächeninhalte zwischen den Rotorschaufeln und der Rotorwelle jeweils wenigstens ein Viertel der Flächeninhalte der Rotorschaufeln, insbesondere jeweils wenigstens die Hälfte der Flächeninhalte der Rotorschaufeln, betragen. Mit diesen Abmessungen ist sichergestellt, dass die von den rückseitig angeströmten Rotorschaufeln abgelenkte Luftmenge in optimaler Weise und ohne Stauungen der Luft von den Rotorschaufeln ableitbar ist.
In vertikaler Erstreckung werden die zwischen den Rotorschaufeln und der Rotorwelle ausgebildeten Winddurchlässe vorteilhafterweise jeweils durch einen Tragarm des Tragrahmens begrenzt. Dazu weist jeder Tragrahmen für eine Rotorschaufel vorteilhafterweise zwei Tragarme auf, zwischen denen die Rotorschaufeln gehalten sind. Die Flächeninhalte der Winddurchlässe sind damit möglichst groß. Zudem sind Luftverwirbelungen aufgrund von Streben des Tragrahmens möglichst vermieden. Die an dem Tragrahmen gehaltene Rotorschaufel ist gleichzeitig optimal fixiert, wobei ein möglichst einfach konstruierter und leichter Tragrahmen geschaffen ist.
Besonders kompakte Abmessung kann die Vorrichtung aufweisen, wenn die Rotorschaufeln in einer Ebene senkrecht zu der Drehachse des Rotors angeordnet sind. Der um den Umfang der Rotorwelle zur Verfügung stehende Raum ist somit optimal genutzt. Idealerweise sind in einer Ebene somit mindestens drei Rotorschaufeln angeordnet. Der Abstand beziehungsweise Winkel zwischen den Rotorschaufeln soll möglichst gleich sein und beträgt bei drei Rotorschaufeln bevorzugt je 120°. Ein Mindestabstand der Rotorschaufeln zueinander ist eventuell in Abhängigkeit von auftretenden Verwirbelungen des Windes zu bestimmen.
Die Stabilität der Tragrahmen einer Rotorschaufel beziehungsweise einzelner Tragarme kann dadurch erhöht werden, dass sämtliche in einer Ebene senkrecht zu der Drehachse des Rotors angeordnete Tragarme beziehungsweise Tragrahmen als einstückiges Bauteil ausgebildet sind. Einer stark richtungsabhängigen, wechselnden Belastung des Rotors beziehungsweise einzelner Tragarme oder Tragrahmen kann dadurch effektiv entgegengewirkt werden, da sich die von dem Wind erzeugten und auf die Vorrichtung einwirkenden Kräfte auf das gesamte Bauteil verteilen. Um Vereisungen bei entsprechender Witterung zu verhindern, können die Rotorschaufeln und/oder Tragrahmen zudem beheizbar ausgeführt sein.
Durch eine strömungstechnisch günstige Ausgestaltung der Rotorschaufeln kann insbesondere der auf die rückseitig angeströmten Rotorschaufeln einwirkende Gegendruck minimiert werden. Dazu ist vorgesehen, dass die Rotorschaufeln als liegende Becher ausgebildet sind, die jeweils zumindest eine der Drehrichtung der Drehachse des Rotors entgegengesetzte Becheröffnung aufweisen. Der Wind drückt bei Betrieb der Vorrichtung in die mit der Becheröffnung zum Wind hin offenstehenden Becher hinein und wird an den anderen Bechern abgelenkt. Die in die Becher hineinströmende Luft wird eingefangen und baut in dem beziehungsweise den Bechern Druck auf, der in eine Drehbewegung des Rotors umgesetzt wird. Dabei übersteigt der Druck in den jeweiligen Bechern den auf die äußeren Flächen der Becher einwirkenden Gegendruck.
Eine Optimierung der Becher besteht darin, dass diese die Form von Pyramiden mit konvex gewölbten Mantelflächen aufweisen, wobei die Grundfläche der Pyramiden als Becheröffnung ausgebildet ist. Diese Form kommt dem vorteilhaften Strömungsverhalten an einer Kugel sehr nahe, so dass der auf die konvex gewölbten äußeren Mantelflächen auftreffende Wind in optimaler Weise von diesen abströmen kann. Gleichzeitig ist mit der Grundfläche der Pyramide eine große Anströmfläche, mit der möglichst viel Wind zur Erzeugung von Druck für den Vortrieb des Rotors einfangbar ist, geschaffen. Die pyramidenförmigen Rotorschaufeln sind zudem auf einfache Weise an dem jeweiligen Tragrahmen fixierbar, da die Ränder der Grundfläche beziehungsweise Becheröffnung parallel zu den jeweiligen Tragarmen an diesen anliegen. Bevorzugt weist die als Becheröffnung ausgestaltete Grundfläche der Pyramide jeweils eine rechteckige Form auf. Die rechteckige Form weist gegenüber einer beispielsweise quadratischen oder kreisförmigen Grundfläche die größtmögliche Anströmfläche bei gleichbleibender Höhe auf.
Das mit der Vorrichtung erzeugbare Drehmoment kann durch eine optimierte Windlastverteilung an den Rotorschaufeln erhöht werden. Dazu ist vorgesehen, dass die Rotorschaufeln eine asymmetrische Krümmung mit einem aus ihrer Mitte nach außen versetzt angeordneten Windlastschwerpunkt aufweisen. Der Windlastschwerpunkt ist abhängig von der Form der Rotorschaufeln und bei einem ausgebildeten Becher bzw. Pyramide zumeist der tiefste Bereich des Bechers bzw. der Pyramide. Da das Drehmoment mit dem Abstand zur Rotorwelle zunimmt, ist der tiefste Punkt der Becher der Rotorschaufeln mit möglichst großem Abstand zur Rotorwelle anzuordnen. Dieser große Abstand ist mit der asymmetrischen Krümmung erreicht, ohne dass die Abmessungen des Rotors selbst zunehmen.
Nach einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Rotor in wenigstens zwei senkrecht zu seiner Drehachse ausgebildeten Ebenen Tragrahmen mit Rotorschaufeln aufweist, so dass mehrere Rotorschaufeln an der Rotorwelle übereinander angeordnet werden, welche jeweils in einem anderen Winkel zu der Drehachse angestellt sind. Dadurch können insgesamt mehr Rotorschaufeln als in nur einer Ebene angeordnet werden, ohne dass die Rotorschaufeln sich durch möglicherweise entstehende Verwirbelungen des Windes negativ beeinflussen. Zudem wird das auf einen mit der Rotorwelle gekoppelten Generator übertragbare Drehmoment, durch eine höhere Anzahl an Rotorschaufeln erhöht. Die mit der Vorrichtung erzeugbare Menge Strom beziehungsweise Leistung des Rotors ist somit in Abhängigkeit von der Anzahl der Rotorschaufeln steigerbar.
Ein weiterer Vorteil vieler Rotorschaufeln liegt darin, dass bei Betrieb der Vorrichtung möglicherweise auftretende Unwuchten reduziert sind und somit auf den Rotor einwirkende, richtungsabhängig wechselnde Belastungen vermieden sind. Gleichzeitig ist erreicht, dass ein durch das Drehen des Rotors erzeugtes Drehmoment weniger Schwankungen unterliegt.
Um eine hohe Stabilität und Standsicherheit der Vorrichtung zu gewährleisten, ist nach einer anderen Weiterbildung vorgesehen, dass die Rotorwelle des Rotors in einem Tragmast angeordnet ist. Mit dem Tragmast kann die Vorrichtung beispielsweise auch in größerer Höhe angeordnet werden, um stärkere Winde zu nutzen. Zudem kann der Tragmast weitere Funktionen erfüllen und unter anderem als Sendemast dienen. In einem Tragmast können weiterhin auch mehrere Rotoren zur Nutzung von Windkraft angeordnet werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
1: eine Vorrichtung zur Nutzung von Windkraft in perspektivischer Ansicht;
2: die Vorrichtung zur Nutzung von Windkraft in Draufsicht; und
3: die Vorrichtung zur Nutzung von Windkraft in Seitenansicht.
Die in 1 dargestellte Vorrichtung weist einen Tragmast 1 mit einem Rotor 2 auf, wobei der Rotor 2 eine vertikale Drehachse aufweist. An dem Tragmast 1 sind in drei Ebenen senkrecht zu dem Tragmast 1 Rotorschaufeln 3 angeordnet. Jeder der drei Ebenen sind drei Rotorschaufeln 3 zugeordnet, so dass insgesamt neun Rotorschaufeln 3 an dem Tragmast 1 angeordnet sind. Diese Rotorschaufeln 3 sind jeweils in einem Tragrahmen 4 gehalten, wobei jeder Tragrahmen 4 aus einem ersten oberen Tragarm 5 und einem zweiten unteren Tragarm 6 zusammengesetzt ist. Die Tragarme 5 beziehungsweise 6 in jeweils einer Ebene senkrecht zu dem Tragmast 1 sind aus einem einstückigen Bauteil bestehend. Insgesamt weist die Vorrichtung somit drei einstückige Bauteile für die oberen Tragarme 5 und drei einstückige Bauteile für die unteren Tragarme 6 auf.
Die Rotorschaufeln 3 weisen jeweils vier dreieckige Mantelflächen 7, 7', 7'', 7''' auf, die eine Pyramide ausbilden, deren Spitze in Drehrichtung des Rotors weist, wobei die Mantelflächen 7, 7', 7'', 7''' derart konvex gewölbt sind, dass die Rotorschaufeln 3 sowohl in der Draufsicht als auch in der Seitenansicht ein ausgerundetes Profil aufweisen. Jede der pyramidenförmigen Rotorschaufeln 3 entspricht somit einem von den Mantelflächen 7, 7', 7'', 7''' geformten Becher, wobei die Grundfläche der Pyramide als Becheröffnung 8 ausgebildet ist und eine an den Innenwandungen der Mantelflächen 7, 7', 7'', 7''' ausgebildete Anströmfläche begrenzt. Die Becheröffnung 8 erstreckt sich in vertikaler Richtung sowie senkrecht zu der Drehachse des Rotors 2. Über die Becheröffnung 8 einströmende Luft übt somit im Innern der Rotorschaufeln 3 Druck aus.
Zwischen dem Tragmast 1 und den Mantelflächen 7''' der Rotorschaufeln 3 ist jeweils ein Winddurchlass 9 ausgebildet, der nach oben von dem jeweiligen Tragarm 5 und nach unten von dem jeweiligen Tragarm 6 begrenzt ist. Diese Winddurchlässe 9 gewährleisten, dass die von den Mantelflächen 7, 7', 7'', 7''' abströmende Luft in optimaler Weise, ohne Stauungen ableitbar ist.
Das ausgerundete Profil der Rotorschaufeln 3 wird insbesondere in 2 deutlich. Zudem ist hier das einstückig ausgebildete Bauteil der oberen Tragarme 5 der obersten Ebene von Rotorschaufeln 3, so wie die Anordnung der Rotorschaufeln 3 einer Ebene jeweils in einem Winkel von 120° zueinander zu erkennen. Zwischen den Rotorschaufeln 3 in den verschiedenen Ebenen sind jeweils Winkel von mindestens 40° vorgesehen. Jede Rotorschaufel 3 ist somit in einem andere Winkel zu der Drehachse des Rotors 2 angeordnet.
3 zeigt, dass die oberen und unteren Tragarme 5, 6 zwischen zwei Ebenen von Rotorschaufeln 3 mit möglichst geringem Abstand übereinander an dem Tragmast 1 angeordnet sind. Die Becheröffnungen der Rotorschaufeln 3 sind jeweils rechteckig geformt, wobei die Mantelflächen 7 beziehungsweise 7'' der Rotorschaufeln 3 an den Tragarmen 5 beziehungsweise 6 anliegen und gleichzeitig die Becheröffnung 8 nach oben beziehungsweise unten begrenzen. Weiterhin sind die Flächeninhalte der Winddurchlässe 9 zwischen dem Tragmast 1 und den Rotorschaufeln 3 zu erkennen.
Werden nun die Rotorschaufeln 3 von Wind angeströmt, drückt der Wind in mindestens vier Becher der Rotorschaufeln 3. Dabei ist der auf die an den Mantelflächen 7, 7', 7'', 7''' angeströmten Rotorschaufeln 3 erzeugte Druck niedriger als der Druck in den Rotorschaufeln 3, so dass sich der Rotor in seiner Drehrichtung zu drehen beginnt. Die dabei entstehende Drehbewegung wird im Inneren des Tragmastes 1 auf eine Rotorwelle übertragen, mit der dann ein Generator koppelbar ist.

Claims

Vorrichtung zur Nutzung von Windkraft mit mindestens einem Rotor, wobei der Rotor eine Rotorwelle mit vertikal angeordneter Drehachse aufweist, an der Rotorwelle wenigstens drei Tragrahmen mit jeweils mindestens einer Rotorschaufel angeordnet sind und die Rotorschaufeln in Drehrichtung des Rotors jeweils um den gleichen Winkel versetzt zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorschaufeln (3) zu der Rotorwelle radial beabstandet angeordnet sind, wobei zwischen der Rotorwelle und den Rotorschaufeln (3) jeweils mindestens ein Winddurchlass (9) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächeninhalte der Winddurchlässe (9) zwischen den Rotorschaufeln (3) und der Rotorwelle jeweils wenigstens ein Viertel der Flächeninhalte der Rotorschaufeln (3) betragen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Tragrahmen (4) für eine Rotorschaufel (3) zwei Tragarme (5, 6) aufweist, zwischen denen die Rotorschaufel (3) gehalten ist, wobei der jeweilige Flächeninhalt der Winddurchlässe (9) von den Tragarmen (5, 6) begrenzt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorschaufeln (3) in einer Ebene senkrecht zu der Drehachse des Rotors (2) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche in einer Ebene senkrecht zu der Drehachse des Rotors (2) angeordnete Tragarme (5, 6) als einstückiges Bauteil ausgebildet sind.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorschaufeln (3) als liegende Becher ausgebildet sind, die jeweils zumindest eine der Drehrichtung der Drehachse des Rotors (2) entgegengesetzte Becheröffnung (8) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Becher die Form einer Pyramide mit konvex gewölbten Mantelflächen (7, 7', 7'', 7''') aufweisen, wobei die Grundfläche der Pyramide als Becheröffnung (8) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, das die Becheröffnungen (8) jeweils eine rechteckige Form aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorschaufeln (3) eine asymmetrische Krümmung mit einem aus ihrer Mitte nach außen versetzt angeordneten Windlastschwerpunkt aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) in wenigstens zwei senkrecht zu seiner Drehachse ausgebildeten Ebenen Tragrahmen (4) mit Rotorschaufeln (3) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle des Rotors (2) in einem Tragmast (1) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Tragmast (1) mehrere Rotoren (2) angeordnet sind.