DE10130034A1

DE10130034A1 - Einrichtung zur Umwandlung der Strömungsenergie flüssiger oder gasförmiger Medien in elektrische Energie

Info

Publication number: DE10130034A1
Application number: DE10130034A
Authority: DE
Inventors: Gunter Kraus
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-06-15
Filing date: 2001-06-15
Publication date: 2003-01-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Umwandlung der Strömungsenergie flüssiger oder gasförmiger Medien in elektrische Energie, wobei ein um eine Achse rotierender Rotor mit Rotorblättern und ein diesem zugeordneter Stator mit mindestens einem Spulenkörper vorgesehen ist. Erfindungsgemäß sind am Stator in Achsrichtung mehrere Spulenkörper hintereinander angeordnet, wobei der Rotor über alle Spulenkörper reicht und in Richtung zu den Spulenkörpern wenigstens ein Magnetelement aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Umwandlung der Strömungsenergie flüssiger oder gasförmiger Medien in elektrische Energie, wobei ein um eine Achse rotierender Rotor mit Rotorblättern, und ein diesem zugeordneter Stator, vorgesehen ist und die elektrische Energie durch einen Generator erzeugt wird. Es ist nach DE 197 08 801 A1 eine Vorrichtung zur Umwandlung von Energie eines strömenden Fluids in elektrische Energie bekannt, bei welcher um ein Trägerseil ein blechpaketähnlicher Körper mit Wicklungen sitzt und am Außenumfang dieses Körpers in gewissen Abständen Gleitlager angeordnet sind, auf denen Rotoren gelagert sind, wobei die Rotoren Windschaufeln und am inneren Durchmesser Permanentmagnete besitzen. Die einzelnen Rotoren sind dabei über Distanzringe voneinander beabstandet. Diese Lösung ist konstruktiv sehr aufwendig, da eine Vielzahl von Rotoren und Windschaufeln erforderlich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Umwandlung der Strömungsenergie flüssiger oder gasförmiger Medien in elektrische Energie zu schaffen, die einen einfachen konstruktiven Aufbau und einen hohen Wirkungsgrad aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Einrichtung zur Umwandlung der Strömungsenergie flüssiger oder gasförmiger Medien in elektrische Energie weist dabei einen um eine Achse rotierenden Rotor und einem diesen zugeordneten Stator auf, wobei am Stator mindestens ein Spulenkörper angeordnet ist. Erfindungsgemäß sind am Stator in Achsrichtung mehrere Spulenkörper hintereinander angeordnet, wobei der Rotor über alle Spulenkörper reicht und am Rotor wenigstens ein Magnetelement angeordnet ist.

Das Magnetelement kann ebenfalls einteilig ausgebildet sein und über alle Spulenkörper reichen oder es können am Rotor einzelne, den Spulenkörpern zugeordnete Magnetelemente angeordnet sein. Die Länge des Magnetelementes entspricht dabei in etwa der Länge des Spulenkörpers. Es ist möglich, das Magnetelement als Magnetband auszubilden und am Innendurchmesser des Rotors zu befestigen. Das Magnetelement kann dabei streifenförmig oder ringförmig ausgebildet sein. Bevorzugt wird das Magnetelement aus ferromagnetischem Werkstoff gefertigt und ist als Permanentmagnet ausgebildet.

Als Rotor wird ein Rohr verwendet, welches aus elektrisch nicht leitendem nicht magnetisierbarem Werkstoff, vorzugsweise aus Kunststoff besteht.

Bevorzugt werden zwei oder mehr Spulenkörper zu einem Spulenpaket gekoppelt. Dabei kann auch jedem Spulenpaket wenigstens ein Magnetelement zugeordnet sein.

Die Spulenkörper sind auf einen Mittelstab angeordnet und werden in Reihe geschaltet. Dabei ist der Mittelstab als Hohlwelle ausgebildet und die Stromabnahme von den Spulenkörpern erfolgt über die Bohrung des Mittelstabes nach außen. Zwischen den Spulenpaketen sind Lagerringe angeordnet, die zur Stabilität des Rotorrohres dienen. Die Lagerringe werden z. B. über Kugellager auf dem Mittelstab drehbar gelagert, wobei deren Außendurchmesser sich am Innendurchmesser des Rotors abstützt. Die Lagerringe bestehen dabei bevorzugt aus elektrischem, nicht leitenden ferromagnetischem Werkstoff. Die Spulenkörper entsprechen in ihrem Aufbau in etwa einem Spulenkörper eines Fahrraddynamos und sind mit 12 oder mehr, vorzugsweise mit 28 Polpaaren ausgestattet. Bei steigender Drehzahl des Rotors können zur Stromabnahme einzelne Spulen beziehungsweise einzelne Spulenpakete zugeschaltet werden. Dazu wird in den Stromkreislauf ein Windmesser oder ein Drehzahlmesser eingebunden. Dabei erfolgt in vorteilhafter Weise eine Leistungsbegrenzung in einer definierten Wattzahl entsprechend der Auslegung der Windkraftanlage. Der Rotor wird vorzugsweise mittels Windkraft angetrieben, z. B. mittels Windrades mit Vertikalanströmung. Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung kann im Vergleich zu herkömmlichen Anlagen eine 30fache Nennleistung erzielt werden. Die Erfindung weist dabei einen sehr einfachen, kostengünstigen Aufbau auf.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert:

Es zeigen:

Fig. 1 Darstellung eines Windrades, wobei die erfindungsgemäße Einrichtung im Mast integriert ist,

Fig. 2 hintereinander angeordnete Spulen, die von einem einteiligen Rotor ummantelt werden, im Längsschnitt,

Fig. 3 Schnitt A-A gemäß Fig. 1,

Fig. 4 Längsschnitt durch eine Einrichtung bei welcher vier Spulenkörper gekoppelt sind,

Fig. 5 dreidimensionale Ansicht eines Spulenkörpers mit zugehörigem Abschnitt des Rotors.

Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Umwandlung der Windenergie in elektrische Energie besteht die Windkraftanlage gemäß Fig. 1 im wesentlichen aus einem Mast 1, an welchem das Windrad 2 drehbar gelagert ist. Das Windrad 2 weist zwei sich gegenüberliegende, kreisscheibenförmige und axial fluchtende Rotorscheiben 3 auf, welche mit einer zentralen axialen länglich zylindrischen Achse A miteinander verbunden sind. An den Rotorscheiben 3 sind drei Rotorblätter 4 angeordnet. Die Rotorblätter 4 sind streifenförmig gewölbt ausgebildet und erstrecken sich vom Umfang der Rotorscheiben 3 in einer gewölbten oder gebogenen Linie radial nach innen, wobei eine innere freie Längskante 5 der Rotorblätter 4 beabstandet zur Achse A angeordnet ist. Eine äußere Längskante 6 der Rotorblätter 4 schließt mit dem Umfang der Rotorscheiben 3 ab. Durch die gewölbte Ausbildung der Rotorblätter 4 wird zwischen den Längskanten 5, 6 eine konkave Fläche und eine konvexe Fläche ausgebildet. Die inneren Längskanten 5 der Rotorblätter 4 weisen zur konkaven Fläche des nächsten Rotorblattes 4. In dem Mast 1 ist dabei die erfindungsgemäße Einrichtung angeordnet.

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Teil des Mastes 1. In Richtung der Längsachse A des Mastes 1 ist in dessen Zentrum ein feststehender nicht rotierender Mittelstab 12 ausgebildet, an welchem hintereinander in axialer Richtung eine Vielzahl von Spulenkörpern 13 angeordnet sind. Der Mittelstab 12 und die darauf befindlichen Spulenkörper 13 bilden dabei den Stator. Um die Spulenkörper 13 herumreichend ist ein als Rohr ausgebildeter Rotor 14 angeordnet, der alle Spulenkörper 13 ummantelt und von einem Windrad 2 angetrieben wird. Der Innendurchmesser des Rotors 14 ist mit einem Magnetstreifen 15 ausgekleidet angeordnet. Am Mittelstab 12 sind über Lager 16 Lagerringe 17 drehbar gelagert. Diese sind in definierten Abständen zwischen den Spulenkörpern 13 angeordnet. Im dargestellten Beispiel folgt auf 4 Spulenkörper 3 ein Lagerring 17. An ihrem Außendurchmesser stützten sich die Lagerringe 17 am Rotor 14 ab. Der Rotor 14 ist mit seinem in Richtung zum Windrad 2 weisenden Ende auf nicht näher dargestellte Weise mit den rotierenden Elementen des Windrades 2 verbunden, bevorzugt mit der unten liegenden Rotorscheibe 3. Den Schnitt A-A gem. Fig. 2 zeigt Fig. 3. Dabei ist zu erkennen, dass der Rotor 14 als Rohr mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet und an seiner Innenwandung mit dem Magnetband ausgekleidet ist. Der Mittelstab 12 weist eine Längsbohrung 12.1 auf, durch welche die nicht dargestellten Kabel führen.

In Fig. 4 wird nochmals eine vergrößerte Längsschnittdarstellung des erfindungsgemäßen Stabgenerators gezeigt. Im Zentrum befindet sich der Mittelstab 12 mit der Längsbohrung 12.1, durch welchen die Kabel K reichen. Auf dem Mittelstab 12 sind die Spulenkörper 13 befestigt. Jeweils 4 Spulenkörper 13 bilden ein Spulenpaket. Nach jedem Spulenpaket ist auf dem Mittelstab 13 ein Lagerring 17 über ein Lager 16 drehbar gelagert. Zwischen dem Lagerring 17 und dem sich anschließenden Spulenpaket (aus den vier Spulenkörpern 13) ist dabei ein definierter Spalt vorhanden um Reibung des rotierenden Lagerringes 17 mit den Spulenkörpern 13 zu vermeiden. Auf den Lagerringen 17 sitzt der als Rohr ausgebildete Rotor 14, der mit Magnetband 15 ausgekleidet ist.

Eine Einzeldarstellung eines Spulenkörpers 13 mit dem darum reichenden Rotor 14 ist in Fig. 5 dargestellt.

Der Rotor und die Lagerringe bestehen aus elektrisch nicht leitendem, nicht magnetisierbarem Werkstoff, vorzugsweise aus Kunststoff.

Die Spulenkörper bilden in zusammenwirken mit dem Magneten einen Dynamo, der im wesentlichen wie ein Fahrraddynamo ausgebildet ist. Bevorzugt weist dieser 28 Poolpaare auf.

Der erfindungsgemäße "Stabgenerator" kann beliebig viele Spulenkörper enthalten.

Bei Versuchen mit 50 Spulenkörpern pro Meter konnte bei einer Gesamtlänge des Stabgenerators von 4,50 Meter und der Verwendung von Spulenkörpern aus einem Fahrraddynamo eine Leistungsabnahme von 3,3 kW bei einer Windgeschwindigkeit von 10 m/s erzielt werden. Dabei wurde ein Windrad mit vertikaler Achse eingesetzt, welches ein Flügelrad von 1,5 Meter Höhe und 1,25 Meter Durchmesser von aufwies.

Bereits bei einer Windgeschwindigkeit von 2,5 m/s wurde eine Leistung von 0,05 kW abgegeben. Bei Verdoppelung der Windgeschwindigkeit steigt die Leistung im vorgenannt beschriebenen Beispiel um etwa das achtfache. Folgende Werte wurden ermittelt:

Windgeschwindigkeit	Leistung
2,5 m/s	0,05 kW
5 m/s	0,4 kW
10 m/s	3,2 kW

Bei 120 Umdrehungen/Minute wurde Vollast erreicht.

Dabei wurden bei zunehmender Windgeschwindigkeit Generatoreinheiten zugeschaltet. Vorteilhafter Weise sollte eine Leistungsbegrenzung der Einrichtung, z. B. von 15 kW vorgesehen sein.

Neben den beschriebenen Ausführungsbeispielen ist es auch möglich, den Rotor in einem nicht rotierenden Außenrohr zu lagern. Dieses kann aus metallischem Werkstoff, z. B. Aluminium oder Stahl bestehen und zur Stabilität der Einrichtung beitragen. Weiterhin wird dadurch der Kunststoffrotor vor Beschädigungen geschützt.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird eine überraschend einfache Lösung entwickelt, die Strömungsenergie bei einem sehr hohen Wirkungsgrad in elektrische Energie umzuwandeln.

Claims

1. Einrichtung zur Umwandlung der Strömungsenergie flüssiger oder gasförmiger Medien in elektrische Energie mit einem um eine Achse rotierenden Rotor und einem diesem zugeordneten Stator, wobei am Stator mindestens ein Spulenkörper angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass am Stator in Achsrichtung hintereinander mehrere Spulenkörper angeordnet sind und dass der Rotor über alle Spulenkörper reicht, wobei am Rotor in Richtung zu den Spulenkörpern wenigstens ein Magnetelement angeordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Magnetelement in Längsrichtung über alle Spulenkörper erstreckt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Spulenkörper ein Magnetelement zugeordnet ist, welches in etwa die gleiche Länge wie der Spulenkörper hat.

4. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetelement als Magnetband ausgebildet und am Innendurchmesser des Rotors befestigt ist.

5. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetelement streifenförmig ausgebildet und in Längsrichtung des Rotors angeordnet ist.

6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetelement ringförmig ausgebildet ist.

7. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Magenetelement aus ferromagnetischem Werkstoff besteht.

8. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Magenetelement als Permanentmagnet ausgebildet ist.

9. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor als Rohr ausgebildet ist.

10. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor als elektrisch nicht leitendem nicht magnetisierbarem Werkstoff besteht.

11. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor aus Kunststoff besteht.

12. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Spulenkörper zu einem Spulenpaket gekoppelt sind.

13. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenkörper in Reihe geschaltet sind.

14. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenkörper auf einem Mittelstab befestigt sind.

15. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelstab als Hohlwelle ausgebildet ist.

16. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromabnahme von den Spulenkörpern über den Innendurchmesser der Hohlwelle nach außen führbar ist.

17. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Spulenpaketen Lagerringe angeordnet sind.

18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerringe auf dem Mittelstab drehbar gelagert sind und sich deren Außendurchmesser am Innendurchmesser des Rotors abstützt.

19. Einrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerringe aus elektrisch nicht leitendem nicht magnetisierbarem Material bestehen.

20. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerringe aus Kunststoff bestehen.

21. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenkörper in ihrem Aufbau dem Spulenkörper eines Fahrraddynamos entsprechen.

22. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass den Spulenkörpern 12 oder mehr Polpaare zugeordnet sind.

23. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass bei steigender Drehzahl des Rotors zur Stromabnahme Spulenkörper oder Spulenpakete zur Stromabnahme zuschaltbar und bei sinkender Drehzahl abschaltbar sind.

24. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor mittels Windkraft antreibbar ist.

25. Einrichtung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Zu- oder Abschaltung über eine Drehzahlmessung oder eine Messung der Windgeschwindigkeit regelbar ist.

26. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor durch ein Windrad mit Vertikaler Drehachse in Rotation versetzbar ist.

27. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehung des Windrades direkt auf den Rotor übertragbar ist.