DE4403419C2 - Windkraftgöpel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Windkraftgöpel mit mit Flügeln versehenen Rotoren, wobei mindestens zwei für eine synchrone, aber gegenläufige Drehbewegung miteinander gekoppelte Rotoren, die jeweils symmetrisch sowie in sternförmiger Anordnung von der zur Windrichtung etwa senkrechten Drehachse des Rotors ausgehende Flügel mit im wesentlichen radialer Erstreckung der Flügelflächen aufweisen, ineinandergreifend angeordnet sind.

Windkraftgöpel, auch Windkraftmaschinen genannt, weisen ge­ wöhnlich Turbinenräder auf, die aus einem Kranz von gegenüber der Drehachse und gegenüber der Windrichtung schräg angestell­ ten Flügeln bestehen. Die Drehachse weist dabei in Windrich­ tung oder weicht jedenfalls nicht wesentlich von der Wind­ richtung ab. Dabei ist die sogenannte Windradfläche, nämlich die vom Wind durchströmte Radfläche, stets kreisförmig, und die außerhalb der Kreisfläche liegende Luftbewegung bleibt ungenutzt. Auch die häufig geringe Anzahl der eingesetzten Flügel verhindert eine optimale Ausnutzung des auf die Kreis­ fläche wirkenden Winddrucks.

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach her­ stellbare Windkraftmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der sich ein vorhandener Winddruck auch auf relativ kleiner Fläche sowie ohne Beschränkung auf die Größe und Kreisform der Anlage optimal ausnutzen läßt.

Die Lösung nach der Erfindung besteht bei einem Windkraftgöpel der eingangs genannten Art darin, daß die Flügel jeweils eine erste, einwärts gewölbte Flügelfläche sowie eine zweite, eben­ falls einwärts gewölbte Flügelfläche in Rücken-an-Rücken-An­ ordnung aufweisen, die an dem der Drehachse des jeweiligen Rotors abgewandten Flügelende durch eine Endfläche miteinander verbunden sind.

Die Flügelflächen der neuerungsgemäß verwendeten Rotoren ver­ laufen doppelt gewölbt. Die Doppelwölbung der Flügel verbes­ sert die Winddruckausnutzung. Der neuartige Windkraftgöpel kann beliebig groß erstellt werden und arbeitet somit effektiver als alle bisher bekannten Windkraftanlagen.

Der einzelne in der Anordnung nach der Erfindung verwendete Rotor läßt sich, vom Prinzip her gesehen, mit dem Windrad eines Windmessers vergleichen, dessen Flügel sich ebenfalls im wesentlich radial von der Drehachse ausgehend erstrecken, und zwar, in Achsrichtung gesehen, mit S-förmigem Verlauf zweier an der Drehachse des Rotors gegenüberliegender Flügel.

Zweckmäßig weist jeder Rotor drei Flügel auf, und an diesem generell bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Neuerung im folgenden weiter erläutert.

Eine wesentliche Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Flügel benachbarter Rotoren derart ineinandergreifend angeordnet sind, daß jeder Flügel bei jeder Umdrehung seines Rotors während seiner Eingriffsphase mit Flügeln benachbarter Rotoren dreimal momentan einen rechten Winkel mit den Flügeln des benachbarten Rotors bzw. der anderen benachbarten Rotoren bildet. Außerdem sollen die miteinander kämmenden Flügel be­ nachbarter Rotoren einander möglichst nahekommen, jedoch ohne einander zu berühren.

Der synchrone Laufbenachbarter Rotoren beginnt zweckmäßig in einer Ausgangsstellung, in der sich zwei Flügel benachbarter Rotoren entweder parallel oder in zueinander senkrechter Stel­ lung gegenüberliegen.

Durch den gegenseitigen Eingriff benachbarter, gegenläufig drehender Rotoren findet stets eine teilweise Überdeckung der sich gerade entgegen der Windrichtung bewegenden Flügel statt. Betrachtet man eine bevorzugte, aus zwei Rotoren bestehende Anordnung, so sind deren Flügel über einen Schwenkbereich von 180° dem ungehindert zur Einwirkung kommenden Winddruck in Schwenkrichtung ausgesetzt, und zwar sobald der Flügel während seines Umlaufs vor dem Wind die Trennebene überschritten hat, die in Windrichtung durch die Drehachse des Rotors verläuft. Nach erneutem Überschreiten der Trennebene "hinter" dem Wind und bei beginnendem Einschwenken entgegen der Windrichtung wird der Flügel zunächst größtenteils durch den vor ihm lau­ fenden Flügel des anderen Rotors vom Wind abgeschirmt, so daß auf den Flügel zunächst kaum Wind entgegen der Drehrichtung des Rotors einwirkt. Erst auf seinem weiteren Weg entgegen der Windrichtung wird der Winddruck gegen die Drehrichtung des Rotors wirksam, wenn der entsprechende Flügel des anderen Rotors den Flügel nicht mehr verdeckt.

Die resultierenden Kräfte bzw. Momente aus in und entgegen der Drehrichtung des Rotors auf die Flügel wirkendem Winddruck sind jedoch voll ausreichend, um eine relativ hohe Ausnutzung des Winddrucks sicherzustellen, der auf die von den Rotoren eingenommene Fläche wirkt.

Die Flügel sollen aus einem dünnen, flächenhaften Material bestehen, wie beispielsweise aus Segeltuch oder Folie, wobei mit diesem Material vorzugsweise ein Rahmen bespannt wird. Es kann jedoch auch ein eigensteifes Material wie Blech oder Kunststoff verwendet werden, so daß der Rahmen entfällt.

In der Wahl der Lage der Achsen der Rotoren ist man relativ frei, solange die Achsen im wesentlichen senkrecht zur Wind­ richtung stehen. Sie können folglich vertikal oder horizontal, gegebenenfalls auch schräg angeordnet sein. So sind beispiels­ weise Windkraftgöpel ausführbar in Form eines quadratischen oder auch eines rechteckigen Gestells mit vertikaler oder horizontaler Erstreckung, in dem die Drehachsen der Rotoren beiderseits gelagert sind.

Die Rotorenanordnung ist zur Windrichtung vorzugsweise ein­ stellbar, nämlich schwenkbar angeordnet, um stets eine wir­ kungsvolle Anströmung der Flügel zu gewährleisten. Dies bedeu­ tet, daß die Windrichtung möglichst stets senkrecht zu der Ebene steht, die durch die beiden Drehachsen benachbarter Rotoren verläuft.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische, schematische Ansicht eines er­ sten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Windkraftgöpels, bestehend aus zwei Rotoren mit in einer Ebene doppelt gewölbten Flügeln;

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf ein zweites Ausfüh­ rungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Windkraftgöpels mit automatischer Ausrichtung gegenüber der Windrich­ tung;

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf ein drittes Ausfüh­ rungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Windkraftgöpels, bei dem einer der beiden Rotoren um den anderen Rotor auf einem Fahrgestell, das sich auf einem Gleiskörper bewegt, mittels Fremdsteuerung in eine günstigere Windrichtung und bei Sturm in den Windschatten des anderen Rotors verfahren wird.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Windkraftgöpel weist zwei Rotoren 1, 2 auf, die jeweils drei doppelt gewölbte Flü­ gel aus eigensteifem Material wie Blech, Kunststoff od. dgl. in der aus der Figur ersichtlichen Anordnung und Befestigung an einer Welle - der Einfachheit halber nachstehend jeweils als Drehachse 4 bezeichnet - umfassen. Ebenfalls schematisch ist in Fig. 1 eine Basis 5 angedeutet, in der die unteren Enden der Drehachsen 4 drehbar gelagert sind und in der die beiden Rotoren 1, 2 für eine synchrone, aber gegenläufige Drehbewegung beispielsweise über eine Kette 6 miteinander gekoppelt sind. Die Laufrichtung der Kette 6 ist ebenso wie die Drehrichtung der Rotoren 1, 2 in Fig. 1 kenntlich ge­ macht. Mit dem Doppelpfeil 8 wird lediglich darauf hingewie­ sen, daß über eine Drehlagerstelle 9 die Möglichkeit für eine selbsttätige Einstellung der Anordnung gegenüber der jeweili­ gen Windrichtung besteht. Die Doppelwölbung der Flügel 3 ver­ bessert die Winddruckausnutzung.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist aus den wiederum jeweils mit drei Flügeln 3 versehenen Rotoren 1, 2 eine An­ ordnung bildet, die um eine Schwenkachse 10 schwenkbar und dabei zwecks automatischer Einstellung gegenüber der durch die Pfeile 11 angedeuteten Windrichtung auf einem kreisförmigen Gleiskörper 15 verfahrbar ist. Eine Brücke 14, auf der die beiden Rotoren 1, 2 drehbar gelagert sind, sichert die gegen­ seitige Lage der Rotoren 1, 2, und auf dieser Brücke findet sich auch der aus der Kette 6 und aus Kettenritzeln 6a in der aus der Fig. 2 ersichtlichen Weise gebildete Kettentrieb als mechanische Kopplung zwischen den beiden Rotoren 1, 2. Die Brücke 14 ist gegenüber der Schwenkachse 10 geringfügig außer­ mittig versetzt, um eine leichte Schwenkbewegung um die Schwenkachse 10 bei der Selbsteinstellung der Anordnung gegen­ über der Windrichtung zu ermöglichen.

Die Flügel 3 bestehen jeweils aus einem Rahmen 16, der mit einer Folie oder einem Gewebe 17 zwecks Ausbildung der notwen­ digen Flügelfläche bespannt ist. Während die Drehrichtung der Rotoren 1, 2 durch die Pfeile 12 kenntlich gemacht ist, ist die Hauptwindrichtung in Fig. 2 und 3 durch die Pfeile 18 gekennzeichnet.

Aus den Fig. 1-3 ist leicht ersichtlich, daß die jeweils außen frei umlaufenden Flügel 3 dem vollen Winddruck ausge­ setzt sind, während sie auf ihrem inneren Weg bei gegenseiti­ gem Eingriff der Flügel 3 einander teilweise überdecken, so daß auf diesem Teil der Umlaufstrecke ein geringerer Wind­ druckanteil auf die Flügel 3 zur Einwirkung kommt. Daraus resultiert ein Drehmomentüberschuß, und der Nettoüberschuß an Drehmoment bestimmt den gewinnbaren Anteil der Windenergie abzüglich der Reibungsverluste.

Claims (12)

1. Windkraftgöpel mit mit Flügeln versehenen Rotoren, wobei mindestens zwei für eine synchrone, aber gegenläufige Drehbewegung miteinander gekoppelte Rotoren, die jeweils symmetrisch sowie in sternförmiger Anordnung von der zur Windrichtung etwa senkrechten Drehachse des Rotors ausge­ hende Flügel mit im wesentlichen radialer Erstreckung der Flügelflächen aufweisen, ineinandergreifend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (3) jeweils eine erste, einwärts gewölbte Flügelfläche sowie eine zweite, ebenfalls einwärts gewölbte Flügelfläche in Rücken-an-Rücken-Anordnung aufweisen, die an dem der Dreh­ achse (4) des jeweiligen Rotors (1, 2) abgewandten Flü­ gelende durch eine Endfläche miteinander verbunden sind.

2. Windkraftgöpel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endfläche in Richtung der Drehachse (4) des je­ weiligen Rotors einwärts gewölbt ist.

3. Windkraftgöpel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder Rotor (1, 2) drei oder mehrere Flügel (3) aufweist.

4. Windkraftgöpel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (3) benach­ barter Rotoren (1, 2) derart ineinandergreifend angeord­ net sind, daß jeder Flügel (3) bei jeder Umdrehung seines Rotors (1, 2) während seiner Eingriffsphase mit Flügeln (3) benachbarter Rotoren (1, 2) dreimal momentan einen rechten Winkel mit den Flügeln (3) des oder der anderen benachbarten Rotors bzw. Rotoren (1, 2) bildet.

5. Windkraftgöpel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß die miteinander kämmen­ den Flügel (3) benachbarter Rotoren einander möglichst nahekommen, jedoch ohne einander zu berühren.

6. Windkraftgöpel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine mechanische Kopplung der Rotoren (1, 2) durch Zahnrad- und/oder Kettengetriebe (6, 6a).

7. Windkraftgöpel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Kopplung der Rotoren (1, 2) gleich­ zeitig zur Abnahme und Verwertung der gewonnenen Wind­ kraft benutzt wird.

8. Windkraftgöpel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (3) aus mit einem dünnen Material wie Segeltuch oder Folie (17) be­ spannten Rahmen (16) oder aus eigensteifem Material wie Blech oder Kunststoff gebildet sind.

9. Windkraftgöpel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachsen (4) der Rotoren (1, 2) entweder vertikal oder horizontal angeordnet sind.

10. Windkraftgöpel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorenanordnung zur Windrichtung einstellbar, nämlich schwenkbar angeord­ net, beispielsweise auf einem Schienenkreis (15) selbst­ tätig verfahrbar vorgesehen ist.

11. Windkraftgöpel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorenanordnung zur Verhinderung der Zerstörung bei Sturmeinwirkung durch Fremdsteuerung des Fahrgestells (19) auf dem Schienen­ kreis (15) oder auf Wasserpontons in den Windschatten des Rotors (1) verfahrbar vorgesehen ist.

12. Windkraftgöpel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Rotoren (1, 2) mit ineinandergreifenden Flügeln (3) je nach Achsrichtung horizontal bzw. vertikal nebeneinander bzw. übereinander angeordnet sind.