DE8700019U1

DE8700019U1 - Windkraftmaschine

Info

Publication number: DE8700019U1
Application number: DE8700019U
Authority: DE
Original assignee: EISNER-RUF LILLY 4179 WEEZE DE
Current assignee: EISNER-RUF LILLY 4179 WEEZE DE
Priority date: 1987-01-02
Filing date: 1987-01-02
Publication date: 1987-04-23

Description

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft eine Windkraftmaschine mit einem Windrad mit einer mit Flügeln besetzten Antriebswelle.

Bekannte Windkraftmaschinen, die in der Regel der Umwandlung der Windenergie in elektrische Energie diener., sind auf relativ hohen Stützen montiert und deshalb nicht transportabel; sie sind weithin sichtbar und verunschönen daher - ähnlich wie Starkstrommasten - das Landschaftsbild.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Windkraftmaschine vorzuschlagen, deren Windrad auch in Bodennähe mit hoher Effektivität betrieben werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine gattungsgemäße Windkraftmaschine vorgeschlagen, bei der die Flügel aus parallel zur Antriebswelle sich erstreckenden Schaufeln bestehen und bei der mindestens eine Windleitfläche sich parallel zur Antriebswelle erstreckt und windwärts der Antriebswelle derart angeordnet ist, daß die Luftströmung konzentriert auf die Vorderseite der Schaufeln geleitet und von der Rückseite der Schaufeln zumindest teilweist ferngehalten wird. Bei einer praktischen Ausführungsform der Erfindung sind die Schaufeln zumindest in ihrem achsfernen Endbereich gegen die Windrichtung gekrümmt .

Eine erfindungsgemäße Windkraftmaschinen hat unter anderem den Vorteil, daß sie trotz relativ geringer Montagehöhe des Windrades vergleichsweise hohe Windenergiemengen in eine andere Energieform, vorzugsweise elektrische Energie, umwandeln kann; sie ist leicht zu transportieren und zu montieren; sie kann ohne Fundamente aufgestellt werden und ist im wesentlichen wartungsfrei; auch bei wenig Wind wird eine vergleichsweise große Leistung erzielt; bei extremen Windstärken kann die

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Drehzahl des Windrades durch Verschwenken der mindestens einen Windleitfläche oder von Teilflächen der mindestens einen Windleitfläche reduziert werden; mit einfachen Mitteln kann das Windrad automatisch bei jeder Windrichtung betrieben werden; die das Windrad antreibenden Windangriffsflächen können vergleichsweise groß gehalten werden, wobei die mindestens eine Windleitfläche die bremsende Wirkung der Luftströmung auf der Rückseite der Schaufeln vermindert und die beschleunigende Wirkung der Luftströmung auf der Vorderseite der Schaufeln vergrößert, wobei trichterförmige Verbreiterungen der mindestens einen Windleitfläche diesen Effekt vergrößern.

Grundsätzlich kann die Windkraftmaschine sowohl bei horizontaler als auch bei vertikaler Erstreckung der Antriebswelle betrieben werden: Die horizontale Antriebswellenanordnung hat den Vorteil, daß sich die (windwärts gerichtete) Vorderseiten der Schaufeln von Natur aus in einiger Höhe über dem Boden befinden und daher regelmäßig höheren Windgeschwindigkeiten ausgesetzt sind als bodennähere Zonen; es können relativ lange Schaufeln verwendet werden, ohne daß dadurch die von der Windkraftmaschine unmittelbar beanspruchte Grundfläche vergrößert wird - mittelbar muß natürlich ausreichend Raum für das Verdrehen des Windrades in die herrschende Windrichtung vorhanden sein. Die vertikale Antriebswellenerstreckung ermöglicht die Verwendung relativ breiter Schaufeln, ohne daß dadurch eine größere Grundrißfläche zum Aufstellen der Windkraftmaschine benötigt wird. Bei dieser Anordnung kann das Windrad bei allen herrschenden Windrichtungen betrieben werden; lediglich die mindestens eine Windleitfläche muß windrichtungsabhängig positioniert werden, d. h. entlang einer Umfangslinie des Windrades verfahrbar sein; alternativ können weitere der Windleitflächen des Windrades etwa gleichmäßig verteilt angeordnet sein.

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Zweckmäßige Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes, die insbesondere einen Überlastungsschutz, effektive Windenergianutzung, einfache Montier- und Transportierbarkeit sowie Verwendung preiswerter Bauelemente und möglichst geringes Gewicht des Windrades gewährleisten, sind in weiteren Ansprüchen enthalten .
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Die erfindungsgemäß zu verwendenden Beuteile unterliegen in S ihrer Größe, Formgestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so daß die

;, in dem jeweiligen Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien 'J uneingeschränkt Anwendung finden können.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes ! der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung

der zugehörigen Zeichnung, in der zwei bevorzugte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Windkraftmaschine dargestellt « worden sind. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Windkraftmaschine mit

horizontal erstreckter Antriebswelle des Windrades in Seitenansicht (Ansicht B gemäß Fig. 2);

Fig. 2 dieselbe Windkraftmaschine in Ansicht von vorne {Ansicht A gemäß Fig. 1);

Fig. 3 von derselben Windkraftmaschine einen Flügel in Seitenansicht (Ansicht B gemäß Figuren 2 bzw. 4);

Fig. 4 denselben Flügel in Ansicht von hinten (Ansicht C gemäß Figuren 1 bzw. 3);

Fig. 5 eine zweite Ausführungsform einer Windkraftnaschine mit vertikal erstreckter Antriebswelle des Windrades in Ansicht von oben (Ansicht D gemäß Fig. 6)so;«iie

Fig. 6 dieselbe Windkraftmaschine in Seitenansicht (Ansicht E gemäß Fig. 5).

Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß Figuren 1 bis 4 wird ein Windrad 21 von einem Gestell 3 (Obergestell) getragen. Mittels eines kugelgelagerten Drehkranzes 2 ist das Gestell 3 samt des Windrades 21 um eine etwa vertikale Drehachse auf einem Untergestell 1 angeordnet. Das Untergestell 1 weist Transportkufen 1" auf, die ein Versetzen der Windkraftmaschine mit Hilfe einer geeigneten Zugmaschine ermöglichen. Das Gestell 3 trägt fernerhin eine Windleitfläche 14, mittels Stützen 8 ein Windrichtungsleitwerk 7 sowie eine Antriebsvorrichtung 4, 5 mit einem Generator 6 für die Erzeugung elektrischen Stromes.

Das Windrad 21 weist eine sich horizontal erstreckende Welle, die Antriebswelle 20, auf, mit der es im Gestell 3 drehbar gelagert ist. Ferner weist das Windrad 21 mehrere - im Ausführungsbeispiel acht - Schaufeln 9 auf, die mit gleichem Winkelabstand voneinander mittels Schaufelhaltern 10 drehfest mit der Antriebswelle 20 verbunden sind. Die Schaufeln 9 sind zumindest in ihrem a-chsfernen Endbereich entgegen der Windrich- \, tung, also auch entgegen der Drehrichtung des Windrades, gekrümmt, um maximale Energieausbeute zu gewährleisten. Die Länge 1 (Figur 4) der Schaufeln 9 entspricht etwa dem Radius des Windrades 21. Die Breite b der Schaufeln 9 (Figuren 2 und 4) entspricht im wesentlichen der Länge der Antriebswelle 20 und ist bevorzugt über die gesamte Länge 1 gleich groß. Die Windangriffsflächen, d. h. die Vorderseiten 9A der Schaufeln 9 erstrecken sich parallel zur Antriebswelle 20 des Windrades 21. Die Flächennormalen sind also alle rechtwinklig zur Antriebswelle 20 angeordnet. Jede Schaufel weist einen Tragrahmen 19, 22 sowie eine von dem Tragrahme." getragene Bespannung in Form von dicht nebeneinander engeordneten Profilstäben 23 auf. Je- j₍ der Tragrahmen besteht aus zwei parallelen Rehmenlängsstreben | 19, die an ihrem einen Ende mit den Schaufelhaltern 10 dreh- :'! fest ti

verbunden, insbesondere verschraubt sind; ferner besteht jeder Tragrahmen aus Rahmenquerstreben 22, die etwa rechtwinklig zu den Rahmenlängsstreben angeordnet und endseitig mit diesen torsionsfest, z. B. durch Schweißen, verbunden sind und bevorzugt aus einem Rohrprofil bestehen. Als Profilstrebe 23 eignen sich vor allem profilierte Bleche, die im Bereich ihrer Profilkanten z. B. formschlüssig ineinandergreifen und sich parallel zur Antriebswelle 20 erstrecken. Auf diese Weise warden bei geringem Gewicht große Windangriffsflächen realisierbar; insbesondere können die Profilstäbe aufgrund ihrer, zumi&-?est im miteinander verbundenen Zustand, erzielbaren Biegefestigkeit in Längsrichtung die Rahmenlängsstreben seitlich überragen.

Für den Betrieb des Windrades bei hohen Windgeschwindigkeiten weisen die Schaufeln 9 zumindest eine Bremsklappe 24 auf. Diese Bremsklappen werden aus den Schaufelflächen (Windangriffsflächen) bevorzugt automatisch ab einer bestimmten Windstärke herausgeklappt, z. B. wie in Figuren 3 und 4 dargestellt. Dadurch wird der Winddruck auf die betreffende Schaufel vermindert.

Die mindestens eine Windleitfläche 14 erstreckt sich - wie die Schaufeln - parallel zur Antriebswelle 20 und ist windwärts der Antriebswelle 20 derart angeordnet, daß die Luftströmung konzentriert auf die Vorderseite 9A der Schaufeln 9 geleitet und von der Rückseite 9B der Schaufeln 9 zumindest teilweise vorzugsweise aber völlig ferngehalten wird. Bevorzugt verjüngt sich die Windleitfläche 14 in Richtung auf die Schaufeln 9 und nimmt an ihrem verjüngten Ende etwa die Breite b der Schaufeln 9 ein. An die Windleitfläche 14 randseitig ansetzende Seitenwände 14A und 14B₁ bilden zusammen mit der Windleitfläche 14 einen an einer Seite offenen Trichter. Die Windleitfläche 14 bildet bei richtig positioniertem Windrad mit der Windrichtung einen li/inkel von z&ldquor; B. 30° bis 60^ö und ist derart windwärts des Windrades angeordnet, daß ihre in Richtung des Windrades gedachte Verlängerung auf eine Position der Vorderseiten

9A der Schaufeln 9 weist, d. h. auf eine Position parallel zur Antriebswelle 20 des Windrades 21 auf der Druckseite der Schaufeln 9. Die Windleitfläche 14 endet mit ihrer vom Wind abgewandten Kante (Abströmkante 14C) dicht vor der Umfangsfläche, d. h. vor den radial äußersten Enden des Windrades 21. Durch diese Anordnung der Windleitfläche 14 wird die Windströmung von den Rückseiten 9B der Schaufeln 9 im wesentlichen ferngehalten, während auf der Druckseite (Vorderseiten 9A) der Schaufeln 9 die Windgeschwindigkeit bezüglich der allgemein herrschanden Windgeschwindigkeit noch vergrößert wird.

Bei unzuträglich hohen Windgeschwindigkeiten kann zumindest eine Teilfläche 14D der Windleitfläche 14 als Windsperrklappe 12 um eine parallel zur Antriebswelle 20 sich erstreckende Achse 14E derart verschwenkt werden, daß die Teilfläche 14D vom Wind abgewandt ist und zumindest einen Teil der Vorderseiten 9A Jer Schaufeln 9 vom Wind abdeckt, während die durch das Verschwenken der Windsperrklappe 12 in der Windleitfläche 14 entstehende Öffnu/ g 14F ein Anströmen der Schaufeln 9 auf ihren Rückseiten 9B gestattet; dies ist in Figur 1 durch gestrichelte Windpfeile im Bereich der freien Schaufelenden dargestellt. Zu diesem Zweck trägt ein die gesamte Windleitfläche 14 in Position haltendes Gestänge 17 auch Umlenkrollen 11 für Seile HA sowie zwei Stoßdämpfer 15. Die Seile HA sind mit ihren einen Enden mit dem freien Ende der Teilfläche 14D und an ihren anderen Enden/mit je einem Kontergewicht 13 verbunden. Die Gewichtskraft der Kontergewichte 13 reicht bei normalen Windstärken, z. B. bis Stärke fünf Beaufort nicht aus, die Windsperrklappe 12 in ihrer in Figur 1 dargestellten Sperrposition zu halten. Erst bei höheren Windgeschwindigkeiten reicht der auf der Rückseite der Windsperrklappe 12 anstehende Winddruck in Verbindung mit den Kontergewichten 13 hierzu aus und hält die Teilfläche 14D in Anlage mit den Stoßdämpfern 15.

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Bei relativ geringen Windstärken befindet sich auch die Teilfläche 14D in ihrer in Figur 2 dargestellten unteren Ruheposition, in der die Kontergewichte 13 in den Seilen HA hochgezogen sind. Die Teilfläche 14D weist an ihrem von der Achse 14E entfernten freien Ende eine Klappe 16 auf, die um eine etwa f parallel zur Antriebswelle 2OA des Windrades 21 parallele Achse 16A schwenkbar ist und an ihrer achsfernen Kante leicht % umgebogen ist, so daß eine Auftriebsfläche 16B entsteht. Bei ^ geringen bis mittleren Windgeschwindigkeiten liegt die Klappe % 16 in ihrer in Figur 2 dargestellten Ruheposition an der Wind-'■; leitfläche 14 an und dient als den Wind auf die Schaufeln 9 lenkender Spoiler. Diese Situation ist in Figur 1 unter anderem langgestrichelt dargestellt. Wird die Windstärke so groß, daß eine Winddruckverminderung auf das Windrad 21 erforderlich ist, hebt die Luftströmung die Klappe 16 mittels deren Auftriebsfläche 16B an. Diese Situation ist in Figur 1 kurzgestrichelt dargestellt. Als Folge dieses Anhebens greift der Wind unter die Klappe 16 und gestattet nunmehr (zusammen mit der Gewichtskraft des Kontergewichtes 13 ein selbsttätiges Anheben der Windsperrklappe 12; dieses Anheben wird beschleunigt, sobald er unter die Teilfläche 14D greift. Diese Aufreübewegung wird von dem Stoßdämpfer 15 abgefangen. Bei nachlassender Windstärke senkt sich die Teilfläche 14D selbsttätig wieder in ihre Ruheposition.

Die Kraftübertragung vom Windrad 21 kann z. B. über eine mit ihr drehfest verbundene Antriebsriemenscheibe 4 und einen Treibriemen 5 auf den Generator 6 übertragen werden. Im übrigen ist das Windrad 21 mittels einer in Figur 1 der Übersichtlichkeit halber lediglich gestrichelt dargestellten Bremsscheibe 18 bremsbar.

Die in Figuren 5 und 6 dargestellte Ausführungsform der Erfindung besteht hinsichtlich des Windrades und der Kraftübertragung aus den gleichen Elementen wie bei der ersten Ausführungsform gemäß Figuren 1 bis 4 mit dem Unterschied, daß die

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Antriebswelle 20 sich in dem bodenständigen Gestell 3A vertikal (statt horizontal) erstreckt. Bei dieser Ausführungsform sind vier Windleitflächen 14' gleichmäßig über den Umfang des Windrades 21 verteilt, so daß der durch die Windleitflächen erzielte und weiter oben bereits erläuterte Effekt bei den vier Hauptwindrichtungen etwa gleich groß ist; dies ist in Figur 5 durch gestrichelte Windpfeile angedeutet. Bei zwischen den dargestellten vier Hauptwindrichtungen liegenden Windrichtungen ist der Effekt- der Windleit-flachen 14' etwas gerinaer. Dies könnte durch noch mehr am Umfang des Windrades 21 verteilte Windleitflächen vermindert werden. Im übrigen wirken die Rückseiten der auf dem Umfang des Windrades gleichmäßig verteilten Windleitflächen 14' im Sinne einer Vergrößerung der Windangriffsfläche und erzeugen darüber hinaus einen Düseneffekt.

Mittels einer mit derAntriebswelle 20 verbundenen Rücklaufsperre 25 wird ein Drehen des Windrades in die falsche Richtung verhindert.

Alternativ ist es auch möglich, nur eine einzige Windleitfläche und ein Windrichtungsleitwerk sowie einen Drehkranz vorzusehen, wobei das Windrichtungsleitwerk sich ebenso wie die Windleitfläche vertikal erstreckt und der Drehkranz es gestattet, daß sich der das Windrad tragende Teil des Gestelles zusammen mit der Windleitfläche in die gewünschte Position relativ zur Windrichtung dreht (etwa wie in Figuren 1 und 2) .

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Bezugszeichenliste:

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1	Untergestell
1'	Tfansportkufen
CVJ	Drehkranz
3	Gestell
3A	Gestell
4	Antriebsriemenscheibe
5	Treibriemen
6	Generator
7	Windrichtungsleitwerk
8	Stützen
9	Schaufeln
9A	Vorderseiten
9B	Rückseiten
10	Schaufelhalter
11	Umlenkrollen
HA	Seil
12	Windsperrklappe
13	Kontergewichte
14	Windleitfläche
14'	Windleitfläche
14A	Seitenfläche
14B	Seitenfläche
14C	Abströmkante
14D	Teilfläche
14E	Achse
14F	Öffnung
15	Stoßdämpfer
16	Klappe
16A	Achse
16B	Auftriebsfläche
17	Gestänge
18	Bremsscheibe

19	Rahmenlängsstreben
20	Antriebswelle
21	Windrad
22	Rahmenquerstreben
23	Profilstäbe
24	Bremsklappe
25	Rücklaufsperre
A	Ansicht
B	Ansicht
C	Ansicht
D	Ansicht
E	Ansicht
1	Länge
b	Breite

Claims

Ansprüche:

1. Windkraftmaschine mit einem Windrad (21) mit einer mit Flügeln besetzten Antriebswelle (20)

dadurch gekennzeichnet,

daß die Flügel aus parallel zur Antriebswelle (20) sich erstreckenden Schaufeln (9) bestehen und mindestens eine Windleitfläche (14, 14') sich parallel zur Antriebswelle (20) erstreckt und windwärts der Antriebswelle (20) derart angeordnet ist, daß die Luftströmung konzentriert auf die Vorderseiten (9A) der Schaufeln (9) geleitet und von den Rückseite/i (9B) der Schaufeln (9) zumindest teilweise ferngehalten wird.

2. Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (9) zumindest im achsfernen Endbereich gegen die Windrichtung gekrümmt sind.

3. Windkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelflächen und gegebenenfalls die Windleitfläche aus Profilstäben (23) bestehen und zumindest die Schaufeln (9) einen Tragrahmen (19, 22) aufweisen .

4. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Windleitfläche (14, 14') von trichterförmig in Richtung der Schaufeln (9) sich bis etwa auf deren Breite (b)verjüpyenden Seitenwänden (14A, 14B) begrenzt sind.

Telefon (02 01) 419 94 NaHonal-Bank Essen (BLZ 360 200 30) 230

Teletex: 201342 = Ruhrpar Postgiro Essen (BLZ 36010043) 123 77-430

Telegrammadresse: Ruhrpatenr '··' ·' : > '■ '· '■ '· "■ '· &iacgr; Sparkasse Eesen (BLZ 360 50105) 1102 755

5. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Windleitfläche (14, 14') bezüglich der Windrichtung geneigt und derart angeordnet ist, daß sie auf eine Position der Vorderseiten (9A) der Schaufeln (9) ausgerichtet ist und daß die windabgewandte Abströmkante (14C) der mindestens einen Windleitfläche (14, 14') dicht vor der Umfangsflache des Windrades (21) endet.

6. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 ^:.*is 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Windleitfläche (14, 14') oder eine Teilfläche (14D) der mindestens einen Windleitfläche um eine parallel zur Antriebswelle (20) sich erstreckende Achse (14E) derart in eine Sperrstellung schwenkbar ist, daß der Winddruck auf der Vorderseite (9A) der Schaufeln (9) abnimmt und auf der Rückseite (9B) der Schaufeln zunimmt.

7. Windkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die verschwenkbare Teilfläche (14D) der Windleitfläche (14, 14') eine um eine Achse (16A) schwenkbare Auftriebsfläche (16B) aufweist.

8. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis /, gekennzeichnet durch sie tragende Transportkufen (I¹).

9. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (9) zumindest eine Bremsklappe (24) aufweisen.

10. Windkraftmaschinen nach einem der Ansprüche 1 bis ^, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Antriebswelle (20) vertikal erstreckt und um den Umfang des Windrades (21) etwa gleichmäßig verteilt mehrere Windleitflächen (14*) angeordnet sind.

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11. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Antriebswelle vertikal erstreckt und die zumindest eine Windleitfläche (14') entlang einer Umfangslinie des Windrades verfahrbar ist.

12. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Antriebswelle (20) horizontal erstreckt, daß das Windrad (21), die mindestens einp windleitfläche und ein Windrichtungsleitwerk (7) auf einem Gestell (3, 8 und 17) angeordnet sind und das Gestell von einem Drehkranz (2) mit vertikaler Achse getragen wird.

13. Windkraftmaschine nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch ein im Verschwenksinne auf eine verschwenkbare Teilfläche (14D) der Windleitfläche (14) wirkendes Kontergewicht (13).