-
Konventionelle
Windkraftanlagen zur Gewinnung von elektrischer Energie beruhen
auf rein technisch aufeinander aufbauenden, sich gegenseitig bedingenden
und sich gegenseitigen unterstützenden Konstruktionen
in entsprechender Mathematik. Die naturgegebenen Formen, also die,
die mit der Natur verbundenen eigenen Mathematik und logarithmischen
Häufigkeitsverteilungen
des „Global
Scaling" und/oder
auch der bekannten universellen mathematischen Naturformel des „Goldenen
Schnittes" in Verbindung
stehen, werden nicht oder nur sehr wenig angewandt. Schon vielfach
wurde aber festgestellt, und das nicht nur bei rein technischen
Fragen, dass die Nutzung der natürlichen
d. h. der organischen Formen und Prinzipien hoch effizient und durch
die Jahrtausende organisch entwickelt – quasi langzeiterprobt und
getestet – sind
und dadurch ökologische als
auch ökonomische
Vorteile in deren Wirksamkeit während
der Verwendung bieten (Ökologie
ist Ökonomie).
Die Naturformeln (z. B. das Fließen von Flüssigkeiten, die Bewegungen
des Windes und des Schalls) sind in der luftigen Natur wie auch
in der wässrigen
Umgebung hoch ähnlich
bzw. gewissermaßen
gleich und unterliegen den gleichen natürlichen Gesetzen. D. h. dass
die Strömungseigenschaften
der Luft, also für
die Bereiche der Winde, und die des Wassers nach den gleichen Prinzipien ablaufen.
Lediglich die Geschwindigkeiten, mit der diese Medien strömen, sind
unterschiedlich.
-
Speziell
kann man auch innerhalb der belebten Natur wie z. B. bei der Fortbewegung
der Wale, der Delphine und der Haie eine hocheffiziente Formgebung
feststellen, die ganz spezifische Eigenschaften ermöglichen.
Auch bei den Forellen und Lachsen hat man anhand der Schuppenform
i. V. mit der körperlichen
Formgebung feststellen können,
dass sich die Tiere mit allerfeinsten und körperlich geringen Bewegungen
pfeilschnell nach vorne bewegen und dabei bedeutende Geschwindigkeiten
entwickeln können – nach dem
scheinbar paradoxen in der BWL bekannten MiniMax – Modell,
welches mit einem minimalen Aufwand einen maximalen Ertrag ermöglicht. In
diesem Zusammenhang war und ist die Natur immer schon ökonomisches
Vorbild.
-
Bis
in die 90iger Jahre wurde dieser ,Naturphänomenologie', den dazugehörigen evolutionären Entwicklungen
sowie Fragen nach natürlichen
mathematischen Gesetzen und Methoden in der Natur, innerhalb unserer
Technisierung nur gelegentlich bzw. spärlich nachgegangen. Pioniere
wurden und werden bekanntlich belächelt, bekämpft und sogar massiv sabotiert.
Seit Mitte/Ende der 90iger Jahre hat hier jedoch ein Wandlung eingesetzt,
um, durch tiefgreifende und grundsätzlichere Untersuchungen, der
Natur Wirkprinzipien abzuschauen um die konventionelle Technik zu
innovieren und wirksamere Produkte zu erzeugen (z. B. der Lotuseffekt
für Oberflächen).
-
Ausgehend
hiervon ist es deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
neuartige Windkraftanlage speziell neu geformte Rotorblätter vorzuschlagen,
die möglichst
in Anlehnung an die Natur ausgebildet sind und die in ihrer Funktionsweise
gegenüber
dem Stand der Technik verbessert sind.
-
Die
Aufgabe wird durch eine Windkraftanlage, wie sie in Patentanspruch
1 definiert ist, gelöst. Die
Unteransprüche
zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
-
Erfindungsgemäß wird somit
vorgeschlagen, die Rotorblätter
einer Windkraftanlage als windaufnehmende Hohlkörper auszubilden, wobei die
Form eines muschenförmigen
Trichters wesentlich ist. Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der
vorliegenden Erfindung ist, dass an der tiefsten Stelle im Inneren
des Hohlkörpers
der Muschel mindestens eine Öffnung angeordnet
ist.
-
Durch
die Ausbildung des Rotorblatts in Form eines muschelförmigen Trichters
wird erreicht, dass die auf die offene Seite des muschelförmigen Trichters
auftreffende Luft in Form einer Helix verwirbelt und nach unten
konzentrierend durch die Öffnung
geführt
wird. Durch die im Inneren des Hohlkörpers angeordnete Öffnung,
die von der einströmenden
Luft, die wie vorstehend beschrieben in Form einer Helix durch das
Loch geführt
wird, entsteht zusätzlich
ein Turbodüse.
-
Bei
der Erfindung ist es dabei bevorzugt, wenn drei derartige, wie vorstehend
beschriebene Rotorblätter
symmetrisch um eine horizontale zentrale Rotorachse angeordnet sind.
Die Rotorblätter
sind dabei mit einer entsprechenden Vorrichtung bevorzugt mit einem
Rohrgestell an der zentralen Achse befestigt.
-
Bei
der erfindungsgemäßen Windkraftanlage ist
es weiterhin bevorzugt, wenn die Rotorblätter im Bereich der äußeren Umfangskante
noch zusätzliche Öffnungen
aufweisen. Diese Öffnungen
können gleich
beabstandet über
die gesamte Umfangskante angeordnet sein oder aber auch in nicht
gleichmäßiger Form.
-
Bei
der erfindungsgemäßen Windkraftanlage kann
weiterhin vorgesehen sein, dass jeweils drei Rotorblätter in
bis zu drei Ebenen hintereinander angeordnet sind.
-
Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform schlägt vor,
dass auf der windabgewandten Seite der Rotorblätter ein fliehkraftgesteuerter
Trägheitsdämpfer angeordnet
ist. Die Windkraftanlage ist hierzu bevorzugt in Form eines Pendels,
das z. B. dreibeinig am Boden verankert ist, ausgebildet.
-
Auch
besteht die Möglichkeit,
dass auf der windabgewandten Seite der Rotorblätter ebenfalls an der horizontalen
Rotorachse nach außen
offene, gewölbte
Halbschalen als Schutzmechanismus hinter den Rotorblättern angeordnet
sind.
-
Bei
der erfindungsgemäßen Windkraftanlage mit
den Rotorblättern
wird somit eine naturoptimierte Formenqualität erreicht. Erfindungsgemäß ist somit ein
neuer Windkraftanlagentyp realisiert worden.
-
Der
sogenannte „Erntegrad" liegt bei der hier vorliegenden
Erfindung höher
als bei den konventionellen Windkrafträdern. Auch ist es ein Ziel
die Windradgröße sehr
stark zu reduzieren und die Investitionskosten in Relation zur Ausbringungsmenge
also: Monetäres
Investment in Relation zur Leistung in KW, weit unter die Grenze
von 800 EUR/KW zu bringen, um auch Kleineninvestoren, Gemeinschaften und
einzelnen Haushalten ein eigenes kostengünstiges Windkraftrad zur Deckung
des lokalen Bedarfs zu ermöglichen.
-
Die
beschriebene Konstruktion und die daraus abgeleiteten Varianten
dieser Konstruktion eines neuen naturphänomenalen Windkrafttyps beinhalten verschiedene
aber sehr einfach zu verstehende und zusammenwirkende Grundprinzipien.
In diesem Zusammenhang sei zu erwähnen, dass die Natur zumeist
sehr einfache Lösungen
zu bestimmten Fragen hervorgebracht hat, die wir grundsätzlich suchen
und verstehen lernen müssen.
Auch und gerade deswegen wurde darauf geachtet, dass das Windkraftrad möglichst
einfach gebaut ist um ein robustes langlebiges Gerät zu sein.
-
Entgegen
des bisherigen ,Stand der Technik' findet sich beim Ggenstand der Erfindung
keine Repeller-, Impeller- oder Propellertechnik sondern einen ,Windcatcher', also eine ,Windfängertechnik'. Es wird also keine
Rotorfläche
durch Strömungseinfluss
des Windes (wie beim Repeller) weggedrückt, weggeschoben bzw. in Bewegung
gebracht oder, durch Einsatz eines Motors selber zum ,Wegschieber' von Wind konstruiert
(Propeller), sondern, entgegengesetzt der bisherig dominanten Gedanken-
und Handlungsansätzen
der Windkraftradstechnik, eine den Wind einfangende Methode angewandt,
die als „Windcatcher" oder „Windfänger" bezeichnet wird. Das
bereits mit dem Begriff „Windcatcher" und „Windfängertechnik" beschriebene und
erfindungsmäßige Konstruktionsprinzip
bewirkt unmittelbar eine andere Abnahme und Wirkungsweise der Windkraft,
da es den Wind im Sinne des Wortes konfrontiert bzw. zur Abgabe
von Kraft zwingt und die direkte Abnahmefläche sich auf einen verhältnismäßig sehr
kleinen Kreisbereich konzentriert. Es gibt auch grundsätzlich keine
oder im Vergleich nur sehr geringe Anlaufverluste bzw. Anlaufverzögerung (mtr./s).
Auch hat dieser Rotor, der aus der vorstehend beschriebenen Muschel
gebildet ist, durch seine natürliche
Formgebung, eine natürliche
Ab- bzw. Wegleitung des einströmenden
Windes in sich veranlagt. Nicht nur die Krümmungsöffnungen, also die Krümmungen
die sich natürlich
auf einer ebenen Untergrundfläche
ergeben, bilden den Bereich zur Ableitung der Windkraft, sondern
auch die angelegten Öffnungen
bzw. Löcher
innerhalb der Muschel. Diese können
in der natürlich
vorhandenen Anzahl bleiben oder, da sie zum Zentrum hin i. d. R.
verschlossen sind, vorzugsweise wieder geöffnet und/oder zunehmend nach oben
geschlossen werden um im Bedarfsfall vermehrt oder weniger Wind
abzuleiten. Auch kann vorzugsweise jedes dieser Löcher oder
nur ganz bestimmte Löcher
durch flexibel nachrüstbare
und je nach Bedarf unterschiedlich schwere An- bzw. Einlagerung
von Fliehkraftgewichten (z. B. Hartgummi) in seiner Laufleistung
und Laufruhe dahingehend optimiert werden, dass es so den ortsüblichen
Windverhältnissen
angepasst wird (offene Löcher
oben, verschlossene Löcher
unten). Zu dieser ehr einfachen Variante der Anbringung von Fliehkraftgewichten sind
zusätzlich
alternativ Fliehkraftgewichte bevorzugt, welche sich bei Windstille
in die Ausgangsposition zurückziehen
um einen problemlosen bzw. neutralisierten Start so wieder zu ermöglichen.
Diese Variante dient in besonders windreicheren Regionen und ist
vorzugsweise bei einer 3, 6 und/oder 9er Kombination von Rotorblättern verwendbar.
-
Das
erfinderische Muschel-Rotorblatt ist eine beliebige Muschel und
so verwendbar wie es ist. Vorzugsweise ist es aber durch eine weitere
erfindungsmäßige Optimierung
zu versehen, die sich als eine Art „organisch saugender Turbodüseneffekt" beschreiben lässt. Dazu
wird eine nach hinten links außen,
d. h. entgegengesetzt der Laufrichtung, geführt austretende Wirbeltrichteröffnung in
die ursprünglich angelegte
tiefste Stelle des Innenraumes der Muschel ermöglicht (hyperbolische Berechnung
der Führungsleisten
ist zwingend nötig),
die den von vorne wirbelnd einströmenden Wind quasi wirbeltechnisch
kanalisiert, diesen komprimiert und so erheblich beschleunigt. Diese
energiewirksame Führung wird
durch den Befestigungskorpus und ggf. der dahinterliegenden Rotorblätter geführt, um
dann dem Windrad zusätzlichen „Drive" dadurch zu geben, dass
die beschleunigt komprimierte Windluft nach links (für alle drei
Wirbeltrichterturbos deckungsgleich und dadurch synchron) austritt.
Hierzu liegt der Austrittswinkel der Turbodüsen vorzugsweise unter 45°. Dadurch,
dass der einströmende
turbulente Wind, sowohl vorne im Flächenraum der Muschel kräftetechnisch
ansetzt, der beschleunigende Sog im geführten Wirbel nach hinten hin
mit seinem geführten
Kompressionsdruck gleichzeitig andrückt, erhält das Windkraftrad eine enorme
zusätzliche
Beschleunigungskraft, das das Aggregat selbst größere Generatoren antreibt.
-
Um
die so optimierte Beschleunigungskraft als gesteigerten Wirkungsgrad
insbesondere für
variable Windverhältnisse
zu nutzen, wird der Generatorbereich vorzugsweise in zwei oder mehrere
nacheinander gelagerte kleinere Generatoren aufgeteilt und/oder
in einem Generator vorliegende und durch Kupplungen unter einander
zu verbindende Einzelkammergeneratoren konstruiert. D. h. der zweite (evtl.
dritte/vierte etc.) Teilgenerator bzw. die Generatorkammer setzt
dann ein, wenn der vorgelagerte hierzu „auffordert", was insbesondere
dann passiert, wenn die anliegende Windkraft einen bestimmten Kraftbereich übersteigt.
So können
auch geringe Windkräfte
durch den geringeren Widerstand nur eines Generators bzw. einer
Generatorteilkammer optimaler genutzt werden um dann, beim Aufkommen stärkerer Windkräfte, durch
das über
Kupplungen automatisierte Hinzuschalten eines weiteren Generators
oder Generatorteils, mehr bzw. zusätzliche Kraft am Wind abnehmen
zu können.
-
Wie
oben bereits erwähnt
haben natürliche organische
Formen und lebendige Körper
eine entwicklungstechnische Optimierung in den entsprechenden Medien
Luft/Wind und Wasser erfahren. Die Körperformen des Delphins und
des Hammerhais (in diesem Falle insbesondere auch die Schwanzflossen)
dienen hier vorzugsweise zur Bildung
- a) der
strömungsgünstigen
Körperform
der Gesamtanlage;
- b) Zur stabilen Steuerung der Gesamtanlage am und im Wind durch
die Flossen von Hammerhai (Vertikalruder) und des Delphins (Horizontal-
und evtl. stabilisierende Seitenruder);
- c) Und einem marketingtechnisch zu bevorzugendes Design (Naturformen
statt rein technisches Design sind Hingucker).
-
Um
der Gesamtanlage in seiner Aufstellung am Ort, neben der positiven
Einflüsse
der organischen Körperformung,
eine maximale Stabilität
am und im Wind, eine quasi automatische ,Permanentjustierung' und eine besondere
Reaktionsschnelligkeit zu ermöglichen,
ist ein justierendes und zudem stoßdämpfendes Pendelprinzip mit
einem dazugehörigen
Pendellager bevorzugt. Das Pendelsystem hat zudem die Grundeigenschaft,
je nach Anlagenzusammenstellung d. h. Größe und Rotorzahl, durch unterschiedliche
Gewichte an verschiedenen Befestigungspunkten an der nach unten
langenden Pendelstange, den unterschiedlichsten örtlichen Gegebenheiten und
den sich zusehends verändernden Umweltbedingungen
des Windes anpassbar zu machen. Das gleiche Aggregat kann so im
Gebirge als auch an der Küste
stehen. Das Gesamtgewicht des oberen Aggregats mit dem/den Generator/en
wird in den Mittelpunkt des Pendelkugelgelenks berechnet um dem
Prinzip der Pendeleinrichtung zutragend zu sein.
-
Zum
Schutz der dargelegten Anlage, gibt es Prüffaktoren, die die Sicherheit
der Anlage in Extremsituationen (Sturm, Orkan etc.) gewährleisten.
Hier wurde insbesondere der Begriff der „Überlebensgeschwindigkeit" bezüglich der
maximalen Windverhältnisse
auf die Anlage in den Leistungscharakteristika einer jeden Anlage
geprägt.
Durch die ,Windcatcher' Eigenschaft
ist diese Anlage diesbezüglich
stärker gefährdet als
konventionelle Anlagen, die flügeltechnisch
aus dem Wind gedreht werden. Vorzugsweise dient hier ein Schutzmechanismus
der wie folgt zu beschreiben ist: Drückt der Wind von vorne auf
die Anlage stülpen
sich drei vorzugsweise vier hinter den Rotoren (also im Windschatten
liegend) angebrachte Schalen über
die äußeren Spitzen
der Rotoren (am V2A-Schutzkorb zusätzlich befestigt) über das
Aggregat und verschließen
bzw. bedecken tendenziell die Rotationsinnenflächen; Auch diese sind rein
organischer Form bzw. dem beschriebenen Prinzip anzugleichende Formen
z. B. der Blüten-
und Verschlussform der Trollblume ähnlich.
-
Die Übertragung
des anliegenden Winddruckes für
diesen ,Überstülpeffekt' geschieht vorzugsweise
durch ein einfaches Federdruck- und zügig umlenkendes Hydrauliksystemgestänge, welches sich,
nach erreichen der notwendigen Abdeckung, bei nachlassendem Winddruck,
sehr langsam – durch öldruckrückführende Bypasse – wieder öffnet. Bei
dieser Variante läuft
die Anlage trotzdem weiter! Sie wird aber weniger durch den ,Flächenangriff' auf die Rotoren
sondern mehr über
die o. a. 3 Turbodüsen,
die im Mittelpunkt der ersten und/oder zweiten Reihe der Rotorblätter lokalisiert
sind, weiter betrieben, während übermäßige Windkraft
zunehmend durch die Abdeckung abgewiesen wird. Optimierbar ist diese
Variante, durch eine einfache Kombination d. h. Rückkopplung
mit den Leistungsdaten der Aggregate, wobei aufwendige und anfällige Elektronik vermieden
wird.
-
Zur Übertragung
der Kräfte
auf den/die Generator/en ist ein solides Keilriemengetriebe auch aus
Kostengründen
sinnvoll; Zudem sind Wartungsarbeiten dadurch wesentlich vereinfacht.
Als Bremse wird eine selbstregulierende Wirbelstrombremse i. V. mit
einer manuellen Feststellbremse eingesetzt. Zudem wird das Aggregat
durch einen rückwärtigen, also
hinter dem/den Rotor/en und vor den ,Abdeckblättern' durch einen V2A Abdeckkorb geschützt. Der Stand
wird für
die 3, 6, bzw. 9 rotorigen Kleinvarianten zwischen 3.5 – max. 10
mtr. sein, während
der Gesamtrotordurchmesser zwischen 50 cm–180 cm ist, sich aber je nach
gewünschter
Leistungskapazität vergrößern kann.
-
Alle
hier aufgeführten
und zu berechnenden Komponenten sowie deren Zusammenführung zur entsprechenden
Gesamtanlage ist auf der Grundlage des ,Global Scaling' durchzuführen.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von zehn Figuren näher beschrieben.
-
1 zeigt
in der Draufsicht schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Rotorblatts 1 in
Muschelform. Der rechte, nach unten links tendierende Rand ist dabei überstehend
und raumabdeckend. Darunter ist ein Hohlraum, der den einströmenden Wind
einerseits einfängt
(der Rand wird von oben rechts nach links unten hin breiter) und
andererseits bei Drehung des Objekts nach außen ableitet bzw. diesen wieder
hinauswirft. Die vorgegebene Strichführung im Innenraum (es handelt
sich um wellige Erhöhungen
bzw. dazugehörige
Wellentäler)
der Muschel wird windführend
dahingehend genutzt, dass windeinströmungstechnisch gesehen der
erfinderische Wirbeltrichterdurchstoß durch das Objekt unterstützt wird.
Im Umfangsbereich des muschelförmigen
Rotorblatts sind zusätzliche Öffnungen 2 vorgesehen.
-
2 zeigt
nun das Rotorblatt wie vorstehend beschrieben liegend in Nullstellung.
Aus dem Schnitt des Rotorblatts 1 nach 2 ist
dabei auch die in die tiefste Stelle eingebrachte Öffnung 3 ersichtlich.
-
3 zeigt
nun die Ausführungsform
der Erfindung, bei der drei muschelförmige Rotorblätter 1 symmetrisch
an einer Haltevorrichtung 4 befestigt sind. Es handelt
sich dabei um eine 120°-Anordnung.
-
In 4 ist
nun eine weitere Ausführungsform
dargestellt, bei der jeweils, wie in 3 bereits beschrieben,
drei muschelförmige
Rotorblätter 1 in eine
120°-Einteilung
in einer Ebene angeordnet sind, wobei hier eine zweite Ebene vorgesehen
ist. Die zweite Ebene ist dabei verdreht zur ersten Ebene angeordnet.
Im Ergebnis resultiert somit bei der Ausführungsform nach 4 durch
die versetzte Anordnung eine 60°-Anordnung. Die Erfindung
umfasst dabei selbstverständlich
auch Ausführungsformen,
bei denen eine sog. Neunerkombination, d. h. drei Ebenen mit jeweils
drei muschelförmigen
Rotorblättern vorgesehen
sind. In diesem Fall resultiert dann eine Anordnung in einem 40°-Winkel.
-
5 zeigt
nun schematisch die aus der Muschelform abgeleitete Trichterführung. In 5 sind dabei
drei Wirbeltrichterturbos in schematischer Darstellung gezeigt,
deckungsgleich und dadurch synchron laufend. Die Dreiteilung entspricht
der Dreieraufteilung einer Rotorebene, wie sie in 3 gezeigt worden
ist. Eine Sechseranordnung der Turbos in der zweiten Rotorebene
ist dann abhängig
von der Aufhängung
der Rotorblätter
bzw. von der nach vorne zugänglichen
Windeinflugsfreifläche
und ist in der Konstruktion entsprechend zu berücksichtigen.
-
6 zeigt
ein Fliehkraftdämpfersystem
für mindestens
drei unterschiedliche Gewichte mit One-Way-Bypassschaltung (ohne Zeichnung).
-
7 zeigt
nun in der Seitenansicht eine Gesamtanlage in einer Neunervariante
der Rotorblätter inklusiv
Fliehkraftdämpfer
im Pendel 15 stehend.
-
Analoges
ist aus der 8, Frontansicht zu entnehmen.
Insbesondere aus der 8 wird der Fliehkraftdämpfer 15 ersichtlich.
-
In 9 ist
dazu das entsprechende Pendellager dargestellt.
-
10 zeigt
letztlich das Verschlussschema, das bei ansteigender Überlast
der Anlage durch Federn und Hydraulikgestänge gesteuert wird. Halbschalen
aus dem Hinterraum des Aggregats überstülpen zum Schutz gegen übermäßigen Windeinflug.
Mit zunehmenden Druck auf die Gesamtanlage schiebt sich blütenblätterähnlich die
Abdeckung druckgesteuert über
den V2A-Schutzkörper
und die Rotoranordnung (Darstellung ohne V2A-Schutzkörper).