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Die Erfindung betrifft eine Windkraftmaschine mit waagerechtem Rotor zur Erzeugung nutzbarer Energie durch Windkraft.
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Aufgrund der globalen Erwärmung sind in den letzten Jahren die Bemühungen um nachhaltiger, sogenannter „grüner“, Energiequellen stetig intensiviert worden. Dabei sind Windkraftmaschinen, welche nutzbare, meist elektrische Energie aus Wind erzeugen, einer der weitverbreitetsten technischen Lösungen.
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Windkraftmaschinen entziehen einer Luftströmung (Wind) Energie und machen diese nutzbar, um bspw. einen Generator oder eine Pumpe, also einen Energiewandler zu betreiben. Das Entziehen der Energie aus dem Wind erfolgt dabei mit Hilfe eines Rotors und daran befestigten Rotorblättern bzw. Flügel, welche die Luftströmung des Windes in eine Drehbewegung des Rotors umwandeln. Dabei kann zwischen zwei Wirkprinzipien unterschieden werden. Die Ausnutzung des Strömungswiderstandes der Rotorblätter bzw. Flügel, wie bei klassischen Windmühlen und die Ausnutzung des Auftriebs der Luftumströmten Rotorblätter wie es beispielsweise bei Flugzeugen bekannt ist.
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Im Hinblick auf die prinzipielle Bauform ist zwischen Windkraftmaschinen mit vertikaler und Windkraftmaschinen mit horizontaler Rotorwelle zu unterscheiden. Bei Windkraftmaschinen mit horizontaler Rotorwelle ist der Rotor senkrecht angeordnet und idealerweise so ausgerichtet, dass der Wind frontal, also in Richtung der Rotorwelle, senkrecht auf den Rotor strömt. Der Rotor muss für eine optimale Ausnutzung des Wirkungsgrades also stets zum Wind ausgerichtet sein. Dies geht mit einem hohen technischen Aufwand und dem Nachteil einher, dass auf kurzfristige Änderungen der Windrichtung nicht reagiert werden kann. Derartige Windkraftmaschinen weisen üblicherweise Rotorblätter mit einem Flügelquerschnitt auf und basieren damit hauptsächlich auf der Ausnutzung des Auftriebs dieses luftumströmten Flügelquerschnitts. Der Rotor samt Rotorwelle befindet sich dabei in einer Gondel hoch über dem Boden.
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Ein weiterer Nachteil von Windkraftmaschinen mit horizontal angeordneter Rotorwelle ist, dass der für die Umwandlung der Energie vorgesehene Energiewandler - meist in Form eines Generators - sinnvollerweise in der Gondel, also auf Höhe der Rotorwelle vorzusehen ist. Dies führt dazu, dass die Gondel eine hohe Masse aufweist, was hinsichtlich der Statik, insbesondere der Knickfestigkeit der Maschine zu Problemen führt. Diese Probleme werden noch dadurch verstärkt, dass durch den Winddruck auf die Gondel die Statik zusätzlich großen Herausforderungen ausgesetzt ist. Daher kommen hochfeste hightech Werkstoffe, wie beispielsweise Verbundwerkstoffe, zum Einsatz, welche häufig Nachteile hinsichtlich des Recyclings und der allgemeinen Energieeffizienz der Anlage aufgrund einer energieintensiven Fertigung mit sich bringen. Zudem befinden sich somit alle wartungsintensiven und technisch störanfälligen Bestandteile der Windkraftmaschine schwer zugänglich in der Gondel hoch über dem Boden, was zusätzlich die Wartung der entsprechenden Bestandteile aufwändig gestaltet.
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Windkraftmaschine mit einer vertikalen Rotorwelle hingegen, weisen einen horizontal angeordneten Rotor auf, welcher sich um die vertikale Rotorwelle dreht. Durch die vertikal angeordnete Rotorwelle kann der Generator am Boden betrieben werden, wodurch die Wartung deutlich vereinfacht werden kann und auch die Ansprüche hinsichtlich der Statik reduziert werden können. Allerdings weist eine derartige Bauform nach dem Stand der Technik das Problem auf, dass sich aufgrund der Drehbewegung des Rotors um die vertikale Rotorwelle ein Teil der Rotorblätter gegen die Windrichtung bewegt und damit den Rotor wieder gebremst wird, was den Wirkungsgrad derartiger Maschinen herabsetzt. Daher haben sich Bauformen entwickelt, bei denen die Rotorblätter aktiv gedreht werden können und bei der Bewegung gegen den Wind derart ausgerichtet werden, dass ihr Luftwiderstand minimal ist. Hierdurch wird jedoch eine aufwendige Technik, insbesondere Steuerungstechnik, benötigt und ein zusätzlicher Energieaufwand für die Drehung der Rotorblätter eingesetzt. Eine derartige Windkraftmaschine ist beispielsweise im Patentdokument
DE 44 18 092 A1 offenbart.
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Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Windkraftmaschine bereit zu stellen, welche die oben beschriebenen Nachteile beseitigt.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Die erfindungsgemäße Windkraftmaschine weist einen waagerecht angeordneten Rotor, insbesondere in Ringform, auf, welcher mittels wenigstens einem Befestigungselement mit einer Rotorwelle verbunden ist. Weiterhin ist ein Tragegerüst vorgesehen, welches dazu ausgebildet ist, die Rotorwelle drehbar zu lagern und vorzugsweise das Gewicht der Windkraftmaschine zu tragen. Die erfindungsgemäße Windkraftmaschine weist weiterhin einen Energiewandler auf, welcher mit der Rotorwelle verbunden ist und dazu ausgebildet ist eine Drehbewegung der Rotorwelle in eine andere Energieform umzuwandeln. Vorzugsweise ist der Energiewandler als Generator vorgesehen, welcher die Drehbewegung in elektrischen Strom umwandelt. Es sind jedoch auch Ausführungsformen denkbar, bei denen der Energiewandler in einer anderen Form wie etwa einer Pumpe vorliegt.
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Erfindungsgemäß sind weiterhin wenigstens zwei am Rotor angeordnete Flügel vorgesehen, welche am Rotor befestigt und um eine Eigendrehachse drehbar gelagert sind. Als Eigendrehachse wird die Achse bezeichnet, um welche sich die Flügel selbst in Relation zum Rotor drehen können. Die Flügel fungieren dabei als Rotorblätter und sind somit dazu ausgebildet, die sie umströmende Windenergie in eine Drehbewegung des Rotors umzuwandeln, welche über das wenigstens eine Befestigungselement zwischen Rotor und Rotorwelle auf diese übertragen wird. Weiterhin sind die Flügel in der in Drehrichtung des Rotors vorderen Hälfte des Querschnittprofils der Flügel am Rotor befestigt. Das hier relevante Querschnittsprofil ist dabei der waagerechte Querschnitt durch einen Flügel auf Höhe der Befestigung des Flügels am Rotor. Die Drehrichtung des Rotors ist unabhängig von der Windrichtung stets die gleiche und bezeichnet die Richtung der Drehung, welche durch das Anströmen der Flügel hervorgerufen wird.
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Durch die waagrechte Anordnung des Rotors können, wie im Stand der Technik beschrieben, die insbesondere die Statik betreffenden Nachteile einer Windkraftmaschine mit senkrechter Anordnung des Rotors vermieden werden. Zudem ermöglicht die Art der Befestigung der Flügel, dass sich diese am Rotor durch den Wind stets so ausrichten, dass ein Vortrieb auf dem Rotor erzielt werden kann. Je nach Position im Wind, wird dabei zumindest eines der oben beschriebenen Wirkprinzipien der Ausnutzung des Strömungswiderstandes oder des Auftriebs des luftumströmten Flügels angewendet. Dadurch wird stets ein Vortrieb für den Rotor generiert und dieser nicht abgebremst, wodurch der Wirkungsgrad im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen mit waagrechten Rotoren deutlich erhöht werden kann. Genaueres zur Funktionsweise wird unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind das Tragegerüst und/oder der Rotor aus Holz gefertigt. Aufgrund der statisch günstigen Auslegung der Windkraftmaschine kann auf Hightechwerkstoffe verzichtet werden und ökologisch nachhaltigere Materialien eingesetzt werden. So reichen die Materialeigenschaften von Holz aus, um eine stabile Windkraftmaschine bereitzustellen. Holz hat dabei insbesondere als nachwachsender Rohstoff Vorteile im Hinblick auf die Nachhaltigkeit, insbesondere hinsichtlich CO2-Emissionen und der Recyclefähigkeit.
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Weiterhin vorteilhaft ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Flügel eine Haupterstreckungsrichtung aufweisen, welche in eine im Wesentlichen senkrechte Richtung verläuft. Flügel mit möglichst langer Erstreckung in diese Haupterstreckungsrichtung sind deswegen bevorzugt, weil die Kraft, welche ein Flügel auf den Rotor ausübt mit seiner senkrechten Ausdehnung steigt, da die Flügel so dem Wind mehr Wirkungsfläche bieten. Somit sind lange senkrecht verlaufende Flügel bevorzugt. Insbesondere vorteilhaft sind derartige Flügel dann, wenn zusätzlich zur senkrechten Haupterstreckungsrichtung auch die Eigendrehachse der Flügel senkrecht verläuft. Derartige Flügel weisen eine einfache Geometrie auf, welche insbesondere hinsichtlich des Wirkungsgrades und der Fertigung Vorteile mit sich bringt.
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In einer weiterhin vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Flügel nicht nur in der in Drehrichtung des Rotors vorderen Hälfte der Flügel am Rotor befestigt, sondern im vorderen Drittel. Alternativ oder zusätzlich dazu befinden sich die Schwerpunkte der Flügel im in Drehrichtung des Rotors vorderen Drittel der Flügel. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei dem sich der Drehpunkt des Flügelquerschnitts im Schwerpunkt befindet. Der Schwerpunkt eines Körpers ist das mit der Masse gewichtete Mittel der Positionen seiner Massepunkte. Für kontinuierliche Massenverteilungen wird das Ortsmittel der Dichte als Schwerpunkt definiert. Diese Geometrie ermöglicht eine besonders dynamische Anpassung der Ausrichtung der Flügel während der Rotation des Rotors.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das wenigstens eine Befestigungselement aus wenigstens einem Seil ausgeführt. Bevorzugt ist dabei, wenn ein Befestigungselement aus einem Paar von Seilen gebildet wird, wobei eines davon als Spannseil und eines als Tragseil vorgesehen ist. Das Tragseil ist dabei derart zwischen Rotorwelle und Rotor vorgesehen, dass es die Gewichtskraft des Rotors trägt. Es weist somit eine senkrecht tragende Komponente auf. Das Spannseil dagegen weist eine rein radiale Komponente auf und ist dazu vorgesehen den Rotor stabil in seiner Position zu halten. In der Draufsicht sind schließt ein Seilpaar aus Tragseil und Spannseil dabei vorzugsweise einen geringen Winkel ein.
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Die Verwendung von Seilen, insbesondere Stahlseilen, ist dabei ein leichte und kostengünstige, sowie vergleichsweise einfache Methode den Rotor an seiner Position zu fixieren.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform mit Seilen als Befestigungselemente, sind diese Seile dazu ausgebildet als Blitzableiter für die Windkraftmaschine zu fungieren.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Flügel in ihrem Querschnitt senkrecht zur Erstreckungsrichtung veränderbar. Dabei kann die Geometrie des Flügels insbesondere hinsichtlich seiner Krümmung und Länge angepasst werden, um eine optimale Kraftentwicklung durch die anströmende Luftströmung erzielen zu können. Die Veränderung des Flügels kann wie beispielsweise bei Flugzeugen durch die Verwendung entsprechender Klappen beeinflusst werden. Eine andere Möglichkeit der Flügeländerung wäre ein verstellbares Skelett, welches von einer Membran umgeben ist und somit das Flügel bildet. Andere Möglichkeiten, welche im Rahmen der Anmeldung nicht weiter ausgeführt werden sollen, sind ebenfalls möglich. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung von Flügeln mit veränderbarem Querschnitt beschränkt. Es können ebenfalls Flügel mit einem unveränderlichen symmetrischen oder unsymmetrischen Querschnitt eingesetzt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Rotor aus einer Vielzahl von einzelnen Rotorsegmenten zusammengesetzt, welche biegesteif miteinander verbunden werden. Dies hat den Vorteil, dass Beschädigungen durch den Austausch einzelner beschädigter Segmente ermöglicht werden kann. Ebenso kann auf diese Art und Weise die Fertigung des Rotors, insbesondere bei großen Rotoren, vereinfacht werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist für jeden Flügel wenigstens ein Dämpferelement vorgesehen, welches dafür konfiguriert ist, die Drehbewegung des entsprechenden Flügels, um die Eigendrehachse zu dämpfen. Der Dämpfer ist dabei vorzugsweise zwischen Flügel und Rotor angeordnet. Insbesondere vorteilhafterweise erfolgt die Dämpfung im in Drehrichtung des Rotors hinteren Drittel der Flügel. Auf diese Weise kann eine vergleichsweise einfache und effektive Dämpfung sichergestellt werden.
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Weiterhin vorteilhaft ist eine Ausführungsform mit Dämpfungselement, wobei die Dämpfungswirkung des Dämpfungselements einstellbar ist. Derartige Dämpfersysteme sind beispielsweise aus der Fahrzeugtechnik bekannt, wo die Dämpferhärte des Fahrwerks je nach Fahrweise und Bedürfnissen (sportlich oder komfortabel) angepasst werden kann. Ebenso ist es vorteilhaft, wenn das Dämpfungselement derart eingestellt werden kann, dass keine Drehung des Flügels um die Eigendrehachse möglich ist und der Flügel somit in einer Position fixiert werden kann. Auf diese Weise können die Flügel auf eine Stellung fixiert werden, in der sie, zumindest in einigen Positionen entlang des Rotors, ein bremsendes Drehmoment auf den Rotor ausüben. Darüber hinaus ist auch eine aktive Drehung der Flügel durch entsprechende Aktuatoren denkbar, um die Stellung der Flügel aktiv zu beeinflussen. Diese Aktuatoren können dabei im Dämpfer, beispielsweise in Form eines Dämpfungskolbens, integriert sein. Zudem ist eine Begrenzung der maximalen Bewegung durch das Dämpfungselement sinnvoll, um die Drehbewegung des Flügels zu kontrollieren.
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Im Folgenden werden Ausführungsformen und Aspekte der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Windkraftmaschine 10 in einer Draufsicht.
- 2 zeigt einen Teil der in 1 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Windkraftmaschine 10 in einer Seitenansicht.
- 3 zeigt eine Detailansicht eines Flügels der in 1 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Windkraftmaschine 10 in der Draufsicht.
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1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Windkraftmaschine 10 in einer Draufsicht. Ein ringförmiger Rotor 18 ist über Seile 16, 17 mit einer zentralen Rotorwelle 12 verbunden. Dabei sind mehrere Seilpaare jeweils gebildet aus einem Spannseil 17 und einem Tragseil 16 vorgesehen. Ein Seilpaar schließt dabei immer einen geringen Winkel zwischen sich ein. Es sind jedoch auch andere Ausführungsformen denkbar, bei denen dies nicht der Fall ist. Die Seile 16, 17 sind dabei in der Draufsicht sternförmig um die Rotorwelle 12 angeordnet. Je nach Größe und Gewicht des Rotors kann die Zahl der Seilpaare variieren. Die Rotorwelle 12 wird durch ein Tragegerüst 13 gehalten und gelagert, welches im Hinblick auf 2 näher beschrieben wird.
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Der Rotor 18 setzt sich aus einzelnen Rotorsegmenten 181 zusammen, die biegesteif miteinander verbunden sind. Entlang des Umfangs des ringförmigen Rotors 18 sind Flügel 11 vorgesehen, welche unter Bezugnahme auf 3 näher beschrieben werden. Die Flügel 11 sind derart an dem Rotor 18 befestigt, dass sie um eine Eigendrehachse drehbar gelagert sind. Somit ist eine Ausrichtung der Flügel 11 nach dem Wind W, welcher in Zeichnungsebene von oben kommt, möglich.
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Die Flügel 11 wandeln die Strömungsenergie des Windes W in eine Drehbewegung des Rotors 18 um. Diese Drehbewegung wird über die Seile 16, 17 an die Rotorwelle 12 übertragen. Zur Aufnahme der Strömungsenergie auf dem Wind werden je nach Position des Flügels die eingangs genannten Wirkprinzipien des Auftriebs und des Strömungswiderstands der Flügel angewendet. Zur Erläuterung wird der Rotor 18 in der Draufsicht in 3 verschiedene Bereiche eingeteilt. Zur Beschreibung der Position eines Flügels entlang des Umfangs des Rotors 18 wird auf das Ziffernblatt einer Uhr zurückgegriffen.
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In der in Zeichnungsebene rechten Hälfte des Rotors 18, also zwischen 12 und 6 Uhr, stellt ein Flügel 11 stets ein Strömungswiderstand für den Wind dar, wodurch in jeder Position eine Kraft generiert wird, die eine Rotation des Rotors 18 im Uhrzeigesinn (in Zeichnungsebene) hervorruft.
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Überschreitet ein Flügel 11 die 6-Uhr-Position, so bewegt es sich zumindest teilweise gegen den Wind W. Durch die Anstellung des Flügels 11 im Wind W, entsteht ähnlich wie bei einem Flugzeug auf der dem Wind abgeneigten Seite des Flügels 11 ein Unterdruck und auf der anderen Seite ein Überdruck. Dadurch entsteht ein Auftrieb, welcher eine Kraft auf den Flügel 11 ausübt, die zumindest teilweise in Drehrichtung, also im Uhrzeigersinn, des Rotors 18 wirkt, wodurch ein Drehmoment auf den Rotor 18 ausgeübt wird.
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In einem Bereich um die 9-Uhr-Position herum ändert sich die Ausrichtung des Flügels 11 in Bezug auf den Rotor 18. Während der Flügel 11 zwischen der 3-Uhr-Position und ungefähr der 9-Uhr-Position so ausgerichtet ist, dass die in Drehrichtung des Rotors 18 vordere Hälfte des Flügels 11 in Richtung des Rotors 18 zeigt, zeigt zwischen der 9-Uhr-Position und der 3-Uhr-Position (also in der in Zeichnungsebene oberen Hälfte des Rotors 18) der hintere Teil des Flügels 11 in Richtung des Rotors 18. Während dieser Drehbewegung des Flügels 11 um die Eigendrehachse an der 9-Uhr-Position, welche allein durch die Strömung des Windes W hervorgerufen wird, richtet sich der Flügel 11 so aus, dass es den geringstmöglichen Strömungswiderstand aufweist und somit den Rotor 18 so wenig wie möglich bremst. Durch die aerodynamische Form des Flügels 11 ist der Strömungswiderstand vernachlässigbar.
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Im Bereich zwischen der 9-Uhr-Position und der 12-Uhr-Position, nachdem die Ausrichtung des Flügels 11 durch dessen Eigendrehbewegung auf der 9-Uhr-Position vollzogen wurde, ist der Flügel 11 derart zum Wind W angestellt, dass wieder ein Auftrieb durch die Anströmung des Winds W erzeugt wird, wobei die Auftriebskraft in Zeichnungsebene nach rechts weist. Dadurch erzeugt der Flügel 11 auch zwischen der 9-Uhr-Position und der 12-Uhr-Position eine Kraft, welche die Rotation des Rotors 18 im Uhrzeigersinn verstärkt.
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Folglich wird durch den Flügel 11 in nahezu jeder Position entlang einer Umdrehung eine Kraft hervorgerufen, welche die Rotation des Rotors 18 im Uhrzeigersinn induziert.
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Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung eines ringförmigen Rotors 18 begrenzt. Andere Formen sind ebenfalls denkbar. So können eckige Formen ebenso zum Einsatz kommen wie direkte „starr“ ausgeführte Verbindungen zwischen Flügel 11 und Rotorwelle 12. Im letztgenannten Fall sind diese starren Verbindungen, beispielsweise in Form von Balken, sowohl als Befestigungselement als auch als Rotor 18 anzusehen. Ringförmige Rotoren haben jedoch den Vorteil, dass sie aufgrund ihrer Symmetrie Vorteile hinsichtlich der Statik aufweisen, insbesondere bei höheren Drehzahlen des Rotors 18. Somit können insbesondere durch einen ringförmigen Rotor Windkraftmaschinen mit hohen Leistungen gebaut werden. Zudem kann ein ringförmiger Rotor 18 besonders bevorzugt durch Seile als Befestigungselement mit der Rotorwelle 12 verbunden werden wie in den 1 bis 3 gezeigt. Selbstverständlich können auch andere Arten von Befestigungselementen in Verbindung mit ringförmigen Rotoren 18 eingesetzt werden oder Seile als Befestigungselemente mit anderen Rotorformen kombiniert werden.
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2 zeigt einen Teil der in 1 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Windkraftmaschine 10 in einer Seitenansicht. Die Rotorwelle 12 ist über ein Rotorwellenlager 121 am Tragegerüst 13 gelagert und mit einem Energiewandler verbunden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Energiewandler als Generatoreinheit 15 ausgeführt, welche die Drehbewegung der Welle in elektrischen Strom umwandelt. Je nach Bauart der Windkraftmaschine kann es notwendig sein ein Getriebe zwischen der Rotorwelle 12 und der Generatoreinheit 15 vorzusehen, um die Drehzahl der Rotorwelle 12 zu erhöhen. Das Tragegerüst 13 ist als Dreibeingerüst ausgeführt, welches 3 Stützen aufweist und die Rotorwelle 12 abstützt. Die Rotorwelle 12 kann dabei durch eine nichtdargestellte Einhausung von der Außenwelt abgeschirmt und so geschützt sein. In der gezeigten Ausführungsform ist das Tragegerüst und die Generatoreinheit über Fundamente 14 fest im Boden verankert.
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Auf der Rotorwelle 12 sind auf unterschiedlichen Höhen eine Tragseilaufhängung 161 und eine Spannseilaufhängung 171 vorgesehen. Sie sind mit den in Umfangsrichtung des Rotors 18 vorgesehenen Tragseilen 16 bzw. Spannseilen 17 verbunden. Die Tragseilaufhängung 161 ist dabei oberhalb der Spannseilaufhängung 171 angeordnet, wobei sich die Spannseilaufhängung 171 auf Höhe des Rotors 18 befindet. Durch diese Anordnung tragen die Tragseile 16 das Gewicht des Rotors 18, während die Spannseile 17 den ringförmigen Rotor 18 derart gleichmäßig unter Spannung setzen, dass dieser in radialer Richtung nicht ausgelenkt werden kann.
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Sowohl die Tragseilaufhängung 161 als auch die Spannseilaufhängung 171 sind in der vorliegenden Ausführungsform als runde Platten ausgeführt, wobei die entsprechenden Seile 16, 17 am äußeren Rand der jeweiligen Platte befestigt sind.
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Am Rotor 18 sind die Flügel 11 angeordnet, welche sich in senkrechter Richtung, also parallel zur Rotorwelle 12 erstrecken. In der in 2 dargestellten Perspektive erscheinen die symmetrischen Flügel 11 als flache Bretter. Ist die Strömungsrichtung des Winds W in die Zeichenebene hinein, so weist das dargestellte Flügel 11 keinen nennenswerten Windwiderstand auf, wodurch der Rotor 18 nicht gebremst wird. Um eine Verformung des Flügels 11 zu verhindern, ist dieses über äußere und innere Flügelspannseile 111, 112 verspannt. Verformung können bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten (also stärkerem Wind) auftreten, wodurch zum einen das Material der Flügel 11 zusätzlich belastet wird und der Wirkungsgrad der Flügel 11 hinsichtlich der erzeugenden Kraft für den Vorschub abnimmt. Die inneren Flügelspannseile 112 sind dabei an dem entsprechenden Spannseil 17 zwischen Rotor 18 und Rotorwelle 12 vorgesehen, während die äußeren Flügelspannseile 111 mit Hilfe einer Flügelspannseilstütze 113, welche sich in radialer Richtung ausgehend vom Flügel 11 nach außen erstreckt, verspannt. Zudem können ebenfalls tangentiale Flügelspannseile 118 vorgesehen werden, um die Stabilität der Flügel 11 in Umfangsrichtung des Rotors 18 weiter zu erhöhen.
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3 zeigt eine Detailansicht eines Flügels 11 der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Windkraftmaschine 10 in der Draufsicht. Dargestellt ist der Rotor 18, welcher über die Seile 16, 17 an der Rotorwelle 12 (in 3 nicht dargestellt) befestigt ist. Über ein Befestigungselement 114 ist durch eine daran vorgesehene Flügellagerung 115 der Flügel 11 am Rotor 18 befestigt. Der Flügel 11 ist dabei im Querschnitt durch seine senkrechte Erstreckungsrichtung dargestellt, sodass die Symmetrie des Flügels 11 gut erkennbar ist. Wie bereits erwähnt ist die Erfindung nicht auf die Verwendung symmetrischer Flügel 11 beschränkt, vielmehr können auch im Querschnitt unsymmetrische Flügel 11 oder im Querschnitt veränderbare Flügel 11 eingesetzt werden. Der Flügel 11 ist über die Flügelspannseilstütze 113 und daran vorgesehenen äußeren Flügelspannseile 111 verspannt wie in Bezug auf 2 erläutert. Auf die Darstellung der inneren Flügelspannseile 112 wurde in 3 der Übersicht halber verzichtet.
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Durch die Flügellagerung 115 erstreckt sich die Eigendrehachse des Flügels 11 in die Zeichenebene hinein. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Eigendrehachse also parallel zur senkrechten Haupterstreckungsrichtung des Flügels 11 angeordnet. Das Flügel 11 kann um die Eigendrehachse am Rotor 18 gedreht werden. Diese Drehung wird jedoch durch einen Dämpfer 116 gedämpft und gleichzeitig begrenzt. Die Maximalstellungen des Flügels 11 werden somit durch den Dämpfer 116 vorgegeben.
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In der gezeigten Ausführungsform ist der Dämpfer 116 als einfacher Hydraulikzylinder vorgesehen, wobei ein im Zylinder geführter Kolben 117 mit dem Flügel 11 verbunden ist. Die Dämpfung kann dabei, wie bei Hydraulikdämpfern bekannt, beispielsweise über die Viskosität des im Dämpfer 116 verwendeten Fluids eingestellt werden oder über den Durchlass im Kolben von einer Hydraulikkammer zur anderen. Somit kann auf unterschiedlich starke Kräfte bei der Drehung des Flügels 11, welche durch unterschiedlich starke Winde hervorgerufen werden können, reagiert werden.
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Das Flügel 11 wird im in Drehrichtung des Rotors 18 vorderen Bereich des Querschnitts, genauer in der vorderen Hälfte des Querschnitts, gelagert. Dadurch wird sichergestellt, dass durch den Winddruck die Flügel 11 zu den richtigen Zeitpunkten gedreht werden (siehe Ausführungen zu 1) und somit zu jedem Zeitpunkt eine Kraft auf den Rotor 18 in dessen Drehrichtung wirkt. Der Dämpfer 116 greift dabei in der hinteren Hälfte des Querschnitts an. Selbstverständlich können auch andere Arten der Dämpfung vorgesehen sein, welche beispielsweise in der Lagerung des Flügels 11 am Befestigungselement 114 selbst angeordnet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Windkraftmaschine
- 11
- Flügel
- 111
- äußeres Flügelspannseil
- 112
- inneres Flügelspannseil
- 113
- Flügelspannseilstütze
- 114
- Befestigungselement
- 115
- Flügellagerung
- 116
- Dämpfungselement
- 117
- Dämpferkolben
- 118
- tangentiales Flügelspannseil
- 12
- Rotorwelle
- 121
- Rotorwellenlager
- 13
- Tragegerüst
- 14
- Fundament
- 15
- Generatoreinheit
- 16
- Tragseil
- 161
- Tragseilaufhängung
- 17
- Spannseil
- 171
- Spannseilaufhängung
- 18
- Rotor
- 181
- Rotorsegment
- W
- Wind
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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