DE29717984U1

DE29717984U1 - Wind-Solar-Generatoranlage

Info

Publication number: DE29717984U1
Application number: DE29717984U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-10-10
Filing date: 1997-10-10
Publication date: 1998-01-02
Anticipated expiration: 2007-10-11
Also published as: ES2140358B1; ES2140358A1

Description

Herbert Beuermann 6. Oktober 1997

Finca Saboner Ne/win (allO633)

03108 Torremanzanas/Alicante P97563DE00 Spanien

Wind-Solar-Generatoranlage

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Stromgeneratoranlage mit einem Windrad und einem Generator zum Laden von Batterien zur netzunabhängigen Energieversorgung isolierter Verbraucher. Derartige Anlagen werden zur Versorgung von einzelstehenden Häusern oder Anlagen in Gebieten mit schwach ausgebildeter Infrastruktur verwendet. Unter dem Gesichtspunkt der besseren Nutzung regenerativer Energien werden sie jedoch auch in entwickelten Gebieten zunehmend eingesetzt, wobei bei Energieerzeugungsüberschuß eine Einspeisung ins Netz erfolgen kann.

Neben Windenergie wird auch Sonnenenergie als regenerative Energie mittels Solargeneratoren in elektrische Energie umgewandelt. Sonnenenergie steht jedoch in stärkerem Maße als Windenergie tageszeiten- und jahreszeitenabhängig nicht oder nicht ausreichend zur Verfügung. Gerade in den Abend-, Nacht- und Morgenstunden ist jedoch der Energiebedarf infolge Verbrauchs für Licht, Heizung, Fernsehen usw. besonders groß. Eine ausschließliche Versorgung von Häusern oder Anlagen, die nicht an das Stromnetz angeschlossen sind, mit Solargeneratoren ist nicht möglich.

Eine Generatoranlage, die neben einem Windrad auch Solarzellenpaneele aufweist, um Wind- und Sonnenenergie in Ergänzung auszunutzen, ist aus der DE 296 14 614 U des gleichen Anmelders bekannt. Die starren, ebenen Solarzellenpanele stellen eine große Windangriffsfläche dar, die bei unabhängiger Aufstellung _r d.h.

sofern nicht ein Auflegen auf geneigte Dachflächen möglich ist, bei hoher Winddruckbelastung ein ernstes Sicherheitsproblem bilden kann. Es wird somit eine Mehrzahl von Einzelpaneelen erforderlich sein, die jeweils eigener Halterungen bedürfen, wenn die Gesamtfläche vergrößert werden soll.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Generatoranlage der genannten Art bereitzustellen, die die Anbringung der Solarzellen bezüglich der Betriebssicherheit und des Halterungsaufwands in verbesserter Weise verwirklicht. Die Lösung hierfür besteht darin, daß das Windrad Schaufelelemente hat, deren Oberflächen Solarzellenmodule tragen. Auf diese Weise wird das Problem einer unzulässigen Winddruckbelastung von Solargeneratorpaneelen dadurch aufgehoben, daß die Solarzellenmodule dem notwendigerweise für höchstmögliche Windgeschwindigkeiten ausgelegte Windrad zugeordnet werden. Zugleich entfällt jeglicher Zusatzaufwand für eine bauliche Aufstellung und Verankerung von Solarzellenpaneelen. In bevorzugter Ausführung haben die Schaufelelemente des Windrades auf beiden Oberflächen, d.h. der Anströmseite und der Abströmseite, Solarzellenmodule, so daß unabhängig vom Verhältnis Windrichtung zu Sonnenstand ein hoher Energiegewinn dadurch möglich ist, daß immer ein Teil der Oberflächen der Schaufelelemente unmittelbar Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist.

Obwohl nicht alle Solarzellenmodule gleichzeitig optimal der Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind, wird ein Wirkungsgradverlust dadurch in Grenzen gehalten, daß die Solarzellen eine Kühlung ausgesetzt sind und bei niedrigen Betriebstemperaturen ihr Wirkungsgrad relativ besser ist.

Eine günstige konstruktive Ausgestaltung der einzelnen Schaufelelemente geht darin, daß die Schaufelelemente aus zwei Flächenelementen aufgebaut sind, von denen zumindest eines transparent ist und zwischen denen die Solarzellenmodule eingelegt sind.

Dies erlaubt die Verwendung von Standardsolarzellenelementen, die jeweils in notwendiger Zahl in Windradschaufelelemente unterschiedlicher Größe eingesetzt werden können. Hierbei ist weiterhin vorgesehen, daß in mindestens einem der Flächenelemente Oberflächenvertiefungen eingearbeitet sind, in die die Solarzellenmodule im wesentlichen formschlüssig eingepaßt und bündig versenkt eingelegt sind. Weiterhin wird vorgeschlagen, daß eines der Flächenelemente geschlossene Oberflächen und eine geringere Wandstärke als das andere Flächenelement hat. In dieser Weise muß eine kompliziert ausgeführte Formgebung mit strukturierter Oberfläche nur an einem Flächenelement vorgesehen werden, während das andere als einfache Abdeckschale für die eingelegten Solarzellenmodule ausgeführt ist. Bevorzugt werden beide Flächenelemente aus transparentem Material, beispielsweise Acrylglas ausgeführt, wobei in Verbindung hiermit dann Solarzellenmodule paarweise Rücken an Rücken und gegeneinander isoliert zwischen die beiden Flächenelemente eingelegt werden. Die Flächenelemente können bei dreidimensionaler Formgebung ausschließlich an ihrem Randbereich miteinander verklebt, verspannt oder verrastet sein.

In günstiger Ausführung ist vorgesehen, daß das Windrad eine senkrechte Welle mit drei an radialen Armen im Drehsinn gleichsinnig angeordneten Kugelhalbschalen umfaßt, wie in der obenbezeichneten älteren Veröffentlichung bereits beschrieben.

Hiermit steht eine Generatoranlage zur Verfügung, deren Windgenerator auch bei relativ geringer Auf s te 1 lungs höhe und bei niedriger Windgeschwindigkeit eine zufriedenstellende Leistung abgibt. Die Anlage ist leicht transportabel und montierbar und arbeitet geräusch- und schwingungsarm. Die um eine vertikale Welle drehenden offenen Halbkugelschalen haben ein fast ideales Verhältnis zwischen Luftwiderstandsfläche und Luftwiderstandsbeiwert.
Besonders vorteilhaft gegenüber den verbreiteten Propelleranlagen mit horizontaler Drehachse ist hierbei, daß eine windrichtungsunabhängige Betriebsbereitschaft gegeben ist, wobei

sogar Auf- oder Abwinde direkt in eine Drehung der Welle umgesetzt werden. Dies ist beispielsweise besonders vorteilhaft bei einer Montage auf Hausdächern, wo die entsprechenden Preßwinde oder Aufwinde genutzt werden können.

Ein hochwertiger/ an den Einsatzfall angepaßter 12-Volt oder
24-Volt Generator kann über eine mechanische Übersetzungsstufe vom Windrad angetrieben werden, dessen Ausgangsleistung mit dem Quadrat der Windgeschwindigkeit steigt.

Um auch bei sehr niedriger Windgeschwindigkeit in Betrieb gehen zu können, ist in bevorzugter Ausgestaltung eine Steuerschaltung vorgesehen, die einen batteriegetriebenen Motorbetrieb des Generators periodisch aufschaltet, um die Stillstandsreibung im Generatorantrieb zu überwinden, so daß dann gegebenenfalls das Windrad unter Überwindung der geringeren Laufreibung im Generatorantrieb und unter Energieerzeugung weiterläuft. Die Schaltung für einen Startimpuls kann entweder nach einem festen Schalttakt aktiviert werden, wobei bei bereits laufendem Windrad bevorzugt eine Unterdrückung des Schaltvorganges erfolgt. Alternativ kann in Abhängigkeit von einer Stillstandszeit die Schaltung für einen Startimpuls aktiviert werden. Die Aufschaltung kann auch in Abhängigkeit von einer Mindestwindgeschwindigkeit erfolgen, für die ein Anämometer als Erfassungs- und Steuereinheit vorgesehen werden kann.

Selbst bei vollkommender Windstille kann bei gegebener Sonneneinstrahlung das Windrad durch Motorbetrieb des Generators angetrieben werden, um alle Solarzellenmodule gleichmäßig an der Energiegewinnung zu beteiligen und sie insbesondere auf einer relativ niedrigen Betriebstemperatur zu halten. Bei Windgeschwindigkeiten über 3 m/sec wird das Windrad dann ebenfalls elektrisch zur Energiegewinnung belastet.

In bevorzugter Weise werden der Generator und die Batterien in einem Gestell wartungsfrei gekapselt, wobei das Gestell für den Batterieblock gleichzeitig zum relativ hohen Aufständern des Windrades dienen kann. Im Gestell befinden sich neben den Batterien Laderegler, Wechselrichter und die erforderlichen Sicherheitskomponenten, während ausschließlich eine Kabel- oder Steckdosenverbindung aus dem Gestell herausführt. Der Generator kann jedoch auch mit vorhandenen entfernt angeordneten Batterien verschaltet werden.

Die Solargeneratoreinheit wird parallel zum Windgenerator geschaltet und dient ebenfalls zur Speisung der Batterien. Hiermit wird eine ideale Ergänzung vorgenommen, die insbesondere dem Umstand Rechnung trägt, daß bei sonnigem, wolkenlosem Wetter in der Regel geringere Windstärken herrschen, so daß bei verminderter Windenergie die dann in erhöhtem Maße zur Verfügung stehende Sonnenenergie genutzt werden kann.

Im günstigsten Fall umfaßt die erfindungsgemäße Stromgeneratoranlage alle der zuvor genannten Komponenten, wobei eine vollständige Integration aller elektrischen Komponenten innerhalb des Gestells erfolgt. Hierbei ist das Windrad mit den Solarzellenmodulen leicht demontierbar angeordnet, so daß eine kompakte, transportable und anschlußfertige Energieversorgungseinheit zum schnellen Aufbau zur Verfügung steht. Bei geeigneten wartungsfreien Batterien steht über lange Zeiträume eine verläßliche und servicefreie Energieversorgungseinheit zur Verfügung. Das Gestell besteht bevorzugt aus vier gespreizten Stützfüßen, die oben mit einer Kopfplatte verbunden sind, auf die das Windradgehäuse aufgesetzt ist. Eine besondere Verankerung der Stützfüße ist in der Regel nicht erforderlich. Zum Ausgleich von Geländeunebenheiten kann zumindest einer der Stützfüße längenverstellbar sein. Das Gestell mit Batterien, Ladereglern, Wechselregler und Steuerungseinheiten ist für schwierigen Transport im Gelände und auf See geeignet, so daß insbesondere auch eine Anwendung im militärischen Bereich denkbar ist. Der Wechsel-

richter liefert den für handelsübliche Verbraucher notwendigen Wechselstrom von 230 V mit einem sinusförmigen Spannungsverlauf von 50 oder 60 Hz, so daß auch eine Versorgung empfindlicher elektronischer Komponenten möglich wird, wie insbesondere für netzunabhängige Verbraucher im militärischen und wissenschaftlichen Bereich häufig erforderlich.

Anwendungsorte bzw. -fälle sind damit einzeln stehende ständig oder nur zeitweise bewohnte Häuser, zivile oder militärische
Camps, Siedlungen in Entwicklungsländern, Wasserpumpenanlagen, Wasserentsalzungsanlagen, Notstromaggregate für Hotels, Krankenhäuser usw., Notstromaggregate für EDV-Anlagen, die Beleuchtung von ortsfernen Straßen, Kreuzungen, Ein- oder Ausfahrten, isoliert liegende Ampelanlagen, isoliert liegende Funk- oder Relaisstationen, Schiffe und Yachten.

Bevorzugte Ausführungen der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen beschrieben.

Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Generatoranlage in Gesamtansicht;

Figur 2 zeigt die Generatoranlage nach Figur 1 in Draufsicht;

Figur 3 zeigt den Generatoraufsatz der Anlage nach Figur 1 in gedrehter Ansicht mit einem Teilschnitt;

Figur 4 zeigt ein Gestell einer Generatoranlage nach Figur 1 ohne Verkleidung in Ansicht;

Figur 5 zeigt das Gestell nach Figur 4 mit Batterieblock in Draufsicht;

Figur 6 zeigt einen Teilschnitt durch ein Schaufelelement eines Windrades.

Die Figuren 1 bis 3 werden nachstehend zunächst gemeinsam beschrieben.

Eine Stromgeneratoranlage 11 umfaßt eine Generatoreinheit 12 mit einem Windrad 13 mit vertikaler Achse, sowie ein vierbeiniges Gestell 14, in dem elektrische Schaltungsteile und ein Batterieblock untergebracht sind. Das Windrad umfaßt ein Rotorteil 15, das als Leichtmetallgußteil ausgeführt ist, sowie drei an angegossenen Armen 16 angeordnete als Kugelhalbschalen ausgeführte Schaufelelemente 17, deren Oberflächen nicht dargestellte Solarzellenmodule aufweisen. Der Rotor 15 läuft auf einer stehenden Hohlwelle, auf der ein Anämometer 18 bekannter Bauart aufgesetzt ist. Die Seiten des Gestells 14 sind durch Verkleidungsplatten 19 abgedeckt, die nach Lösen einer Verschraubung oder Verriegelung nach unten abgesenkt werden können und dann aus Führungs- oder Haltelementen so austreten, daß die Platten 19 nach außen entfernt werden können. Die als Kugelhalbschalen sind wie in Figur 2 erkennbar in gleichmäßigen Umfangsabständen angeordnet und gleichsinnig im Drehsinn orientiert. Jeweils eine der Kugelhalbschalen empfängt Sonneneinstrahlung bzw. Winddruck von der Öffnungsseite, während die beiden anderen Sonneneinstrahlung bzw. Winddruck auf der Kugelaußenseite empfangen. In Figur 3 ist erkennbar, daß am Rotor 15 unten eine Riemenscheibe 21 angebracht ist, die über einen Zahnriemen 22 das Riemenrad 23 eines elektrischen Generators 24 antreibt. Teilweise ist die stehende Welle 25 des Rotors 15 erkennbar, die als Hohlwelle auszuführen ist, um eine Kabeldurchführung für die Stromverbindung des
Anämometers zu ermöglichen. Schleifkontakte zwischen dem Rotor 15 und der stehenden Welle 25 sind zur Stromverbindung der Solarzellenmodule mit den elektrischen Schaltungsteilen erforderlich. Das geschnitten dargestellte Gehäuseteil 26, das ebenfalls als Leichtmetallgußteil ausgeführt ist, hat eine Ausbuchtung, die den Generator 24 aufnimmt.

Die Figuren 4 und 5 werden nachstehend gemeinsam beschrieben.

Es ist ein Gestell erkennbar, dessen vier Beine 31 jeweils bewegliche Füße 32 haben. Die Beine 31 sind an ihrem unteren Ende über Teleskopstreben 33 mit einem Batterieblock 34 verbunden. Im Batterieblock 34, der einen T-förmigen Sicherungsbügel 35 aufweist, ist eine Anzahl von miteinander verschalteten 12- oder 24-Volt-Batterien 36 angeordnet. Auf dem genannten Bügel 35 sitzt ein Wechselrichter 37 und darüber eine elektrische Schaltungsanordnung 38. Der Batterieblock 35 kann zum Beispiel mittels eines Gabelstaplers insgesamt ausgewechselt werden.

In Figur 6 ist eines der Schaufelräder 17 des Windrades mit sphärischen Oberflächen 39, 40 im Teilschnitt dargestellt, wobei ein äußeres Flächenelement 41 größerer Dicke und ein inneres Flächenelement 42 geringerer Dicke erkennbar sind. In das Element 41 sind Ausnehmungen 47 eingearbeitet, in die Rücken an Rücken zwei Solarzellenelemente 43, 44 eingelegt sind, die gegeneinander mit einer Isolierpapierschicht 45 isoliert sind. Benachbarte Solarzellenelemente sind über Leiterbrücken 46, die ebenfalls doppelt und gegeneinander isoliert ausgeführt sind, ohne das dies im einzelnen dargestellt ist, miteinander verschaltet.

Claims

Herbert Beuermann 6. Oktober 1997 Finca Saboner Ne/win (allO633) 03108 Torremanzanas/Alicante P97563DE00 Spanien Wind-Solar-Generatüranlage Schutzansprüche

1. Stromgeneratoranlage (11) mit einem Windrad (13) und einem elektrischen Generator (24) zum Laden von Batterien (36) zur netzunabhängigen Energieversorgung isolierter Verbraucher ,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Windrad (13) Schaufelelemente (17) hat, deren
Oberflächen (39, 40) Solarzellenmodule (43, 44) tragen.

2. Stromgeneratoranlage nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Schaufelelemente (17) auf beiden Oberflächen (39, 40) (Anströmseite, Abströmseite) Solarzellenmodule (43, 44) tragen.

3. Stromgeneratoranlage nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Schaufelelemente (17) aus zwei Flächenelementen
(41, 42) aufgebaut sind, von denen zumindest eines transparent ist, zwischen denen Solarzellenmodule (43, 44) eingelegt sind.

4. Stromgeneratoranlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß in zumindest einem der Flächenelemente (41) Oberflächenvertiefungen (47) eingearbeitet sind, in die die Solarzellenmodule (43, 44) im wesentlichen formschlüssig eingepaßt und bündig versenkt eingelegt sind.

5. Stromgeneratoranlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß eines der Flächenelemente (42) geschlossene Oberflächen und eine geringere Wandstärke als das andere Flächenelement (41) hat.

6. Stromgeneratoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

daß die Schaufelelemente (17) aus transparentem Kunststoff, insbesondere Acrylglas bestehen.

7. Stromgeneratoranlage nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die Flächenelemente (41, 42) dreidimensional gekrümmt sind und ausschließlich in ihrem Randbereich miteinander verklebt, verklemmt oder verspannt sind.

8. Stromgeneratoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,

daß das Windrad (13) eine senkrechte Welle (25) und ein Rotor (15) mit zumindest drei an radialen Armen (16) im Drehsinn gleichsinnig angeordneten Schaufelelementen (17) in Form von Kugelhalbschalen umfaßt.

9. Stromgeneratoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,

daß eine Steuerschaltung für einen batteriegetriebenen Motorbetrieb des Generators (24) zum Start des Windrades (13) vorgesehen ist.

10. Stromgeneratoranlage nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Steuerschaltung eine Stillstandszeiterfassung zum periodischen Aufschalten des batteriegetriebenen Motorbetriebs umfaßt.

11. Stromgeneratoranlage nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Steuerschaltung eine feste Zeittaktschaltung zum periodischen Aufschalten des batteriegetriebenen Motorbetriebes umfaßt.

12. Stromgeneratoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,

daß der Generator (24) und die Batterien (35) in einem gemeinsamen Gestell (14) eingeschlossen sind.

13. Stromgeneratoranlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

daß die Batterien in einem Batterieblock (19) transportabel zusammengefaßt sind.

14. Stromgeneratoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,

daß der Solargenerator parallel zum Windgenerator mit den Batterien (35) verschaltet ist.

15. Stromgeneratoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet,

daß den Batterien (35) ein Wechselrichter (37) nachgeschaltet ist.