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Die Erfindung betrifft einen auch als Vertical Axis Wind Turbine bezeichneten Vertikal-Windgenerator mit einem mehrere Flügel aufweisenden Rotor, wobei die Flügel jeweils mittels eines Haltemittels mit einer gemeinsamen zentralen vertikalen Rotorachse des Rotors verbunden sind und wobei zumindest ein Flügel gegenüber dem Haltemittel um eine jeweilige Schwenkachse schwenkbeweglich angeordnet ist, wobei während eines Umlaufs des Rotors zumindest ein schwenkbeweglicher Flügel um seine Schwenkachse aus der Umlaufbahn des Rotors auslenkbar angeordnet ist.
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Im Stand der Technik sind sowohl Vertikal- als auch Horizontal-Windgeneratoren grundsätzlich bekannt, sowohl die Horizontal- als auch die Vertikal-Windgeneratoren verfügen über Rotoren bzw. Rotorblätter bzw. Flügel, die eine mit einem Anstellwinkel zur Windanström ung.
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Windgeneratoren bzw. Windkraftanlagen werden beispielsweise zur Stromerzeugung eingesetzt. Es werden grundsätzlich zwei verschiedene Arten von Windgeneratoren unterschieden, zum einen die sogenannten Vertikal-Windgeneratoren mit einer vertikalen Rotationsachse und zum anderen Windgeneratoren, bei denen ein Rotor um eine horizontale Achse rotiert.
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Windgeneratoren mit konstanter Flügelfläche sind auf spezielle Windgeschwindigkeiten ausgelegt sodass ein optimaler Wirkungsgrad nur in einem bestimmten Windgeschwindigkeitsbereich erreicht wird. Bei Geschwindigkeiten, die nicht im Bereich optimaler Windgeschwindigkeiten liegen ist der Wirkungsgrad solcher Windgeneratoren mit gleichbleibender, eingeschränkt.
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Vertikalrotoren haben gegenüber Horizontalrotoren den Vorteil, dass sie zumeist windrichtungsunabhängig drehen und einen wesentlich einfacheren mechanischen Aufbau mit großen Gewichtseinsparungen aufweisen. Weiter können Generator und Getriebe wartungsfreundlich am Boden platziert werden. Nachteilig ist neben der geringeren Leistungsabgabe gegenüber horizontal drehenden Windkraftwerken auch die fehlende Steuerbarkeit der Leistungsabgabe und die notwendig Anlaufhilfe.
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Prinzipbedingt ist bei Vertikal-Windgeneratoren der Anlauf bei niedrigen Windgeschwindigkeiten schwierig, da die Flügelfläche zu gering ist, sodass gegebenenfalls ein zusätzlicher Anlaufmotor benötigt wird.
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Demgegenüber besteht bei Horizontal-Windgeneratoren bei hohen Windgeschwindigkeiten die Notwendigkeit, diese aus der optimalen Windrichtung herauszudrehen, beispielsweise ebenfalls mit einem Hilfsmotor, da die Rotationsgeschwindigkeit bzw. die Drehzahl des Rotors zu groß wird und somit beispielsweise die Gefahr einer Überhitzung besteht.
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Die
DE 20 2018 003 498 U1 betrifft eine Windkraftanlage in der H-Darrieus Bauform mit drei senkrecht angeordneten und unverwundenen Rotorflügeln in Rechteckgeometrie auf einer vertikalen Rotorwelle. Die drei Flügelprofile sind durch drei horizontale Teleskoparme mit der Nabe des Rotorkörpers verbunden. Bei zunehmenden Drehzahlen wird der bewegliche Teil eines zweiteiligen Teleskoparmes mit Hilfe der Fliehkraft in eine radiale Richtung gedrückt. Die drei Rotorblätter sind aerodynamisch so profiliert, dass die Rotationsenergie nach dem Auftriebsprinzip energieeffizient zustande kommt.
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Die
DE 10 2014 002 078 B4 beschreibt einen Vertikal-Windgenerator mit mindestens zwei Flügeln, die bezüglich einer zentralen vertikalen Drehachse drehbar gelagert sind, wobei die Flügel jeweils einen Hauptflügel mit einer Längsseite und einen an der in Drehrichtung nach vorne ausgerichteten Längsseite des Hauptflügels angebrachten beweglichen Vorflügel aufweisen. Der Vertikal-Windgenerator hat einen selbsttätigen mechanischen Mechanismus, um den Vorflügel bei steigenden Windgeschwindigkeiten auf die Hauptflügel zu zubewegen und bei abnehmenden Windgeschwindigkeiten von den Hauptflügeln weg zu bewegen.
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Die
DE 20 2008 010 290 U1 betrifft eine Vertikalachsenturbine nach dem Darrieus-Prinzip. Wenn sich das bewegliche Rotorblatt in der Startstellung befindet ist die Windangriffsfläche in einer ersten Richtung gegenüber einer hierzu entgegengesetzten Richtung erhöht, sodass die Vertikalachsenturbine nach einem Stillstand selbsttätig starten kann. In der Betriebsstellung des Rotorblatts ist der Windwiderstand in der ersten Richtung im Vergleich zur Startstellung verringert und die Vertikalachsenturbine kann eine höhere Drehgeschwindigkeit erreichen.
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Aus der
DE 44 34 764 A1 ist eine Darrieus-Windkraftanlage mit zwei rotationssymmetrisch angeordneten, untereinander und zu einer Drehachse parallel verlaufenden Rotorblättern mit Tragflügelprofil bekannt, wobei an einem Ende eines jeden Rotorblatts eine ausschwenkbare Starthilfeklappe als Anlaufhilfe angeordnet ist. Bei Stillstand des Rotors und Windstille hängen die Starthilfeklappen frei etwa senkrecht herunter und bei aufkommendem Wind während die Starthilfeklappen bei einem mit der Profilvorderkante in Windrichtung stehenden Rotorblatt angehoben werden und keine Angriffsfläche mehr bieten.
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Eine aus der
CH 707 024 B1 bekannte Windturbine weist eine Mehrzahl von um eine senkrechte Rotationsachse senkrecht angeordneten Flügelprofile auf. Diese sind zum Verstellen des jeweiligen Anstellwinkels um je eine eigene Drehachse mittels je eines Gestänges bewegbar, das mit einem Exzenter verbunden ist.
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Weiterhin werden auch in der
WO 2012/044089 A2 sowie der
WO 2013/05099 A1 Vertikalturbinen mit ausschwenkbaren Flügelelementen offenbart.
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Obwohl die aus dem Stand der Technik bekannten vertikalen Windräder gegenüber den horizontalen Windrädern eine schlechtere Wirtschaftlichkeit aufweisen, gibt es dennoch einige Punkte, die für Savonius, Darrieus einschließlich des H-Rotors als Sonderform des Darrieus-Rotors sprechen. Derartige Vorteile betreffen insbesondere den fehlenden Schlagschatten und die geringere Geräuschentwicklung.
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Die prinzipielle Richtungsunabhängigkeit von der Windanströmung und der damit verbundenen Fortfall der Mechanik zur Ausrichtung sowie weitere konstruktive Möglichkeiten der Vereinfachung sind weitere Argumente für den vertikalen Rotor.
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Zudem weisen sie trotz des geringeren theoretischen Wirkungsgrades Vorteile aufgrund niedrigerer Anlaufwindgeschwindigkeiten sowie einer vereinfachten Steuerung auf.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vertikal-Windgenerator zu schaffen, der auch bei geringen Windgeschwindigkeiten von weniger als 5 m/s einen wirtschaftlichen Betrieb ermöglicht. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den bei zugleich geringem Herstellungsaufwand einen wesentlich verbesserten Wirkungsgrad zu erzielen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Vertikal-Windgenerator gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß ist also ein Vertikal-Windgenerator vorgesehen, bei dem die Schwenkachse durch den Masseschwerpunkt einer Querschnittsfläche des Flügels oder mit einem geringen Abstand zu dem Masseschwerpunkt einer Querschnittsfläche des Flügels verläuft, sodass die bei der Rotation des Rotors auf die Flügel wirkenden Fliehkräfte bzw. Massekräfte nicht oder lediglich zu einer geringen Auslenkung des Flügels aus seiner kreisförmigen Umlaufbahn führen und das entlang einer kreisförmigen Umlaufbahn des Rotors in einem ersten Sektor mit einer Hauptrichtungskomponente entgegen der Windanströmrichtung der Flügel mit seiner Hauptachse tangential zu der Umlaufbahn ausgerichtet ist und in einem zweiten Sektor der Umlaufbahn einer Hauptrichtungskomponente in der Windanströmrichtung die Hauptachse des Flügels mit der Umlaufbahn einen Winkel von mehr als 45°, insbesondere zwischen 60° und 100° einschließt. Die Erfindung geht von der überraschend einfachen Erkenntnis aus, dass der Vertikal-Windgenerator dann besonders effizient und zudem bereits bei sehr geringen Windgeschwindigkeiten wirtschaftlich betrieben werden kann, wenn der Flügel vorzugsweise in der Bauform eines doppelarmigen Hebels mit seiner Schwenkachse im Schwerpunkt seiner Querschnittsfläche ausgestattet ist und dementsprechend ausschließlich durch den Anströmwinkel der Luftströmung ausgelenkt wird. Somit folgt die Einstellung des Anstellwinkels des Flügels allein aufgrund der wirkenden Luftströmung. Dabei wird erstmals bei einem Vertikal-Windgenerator nicht primär die dynamische Auftriebskraft an einer der Windanströmung abgewandten, nachfolgend als Lee-Seite bezeichneten Außenseite und der sich daraus ableitenden Kraftwirkung in Umfangsrichtung genutzt, sondern die wesentlich stärkere Anströmung als Winddruck auf die durch die maximale Auslenkung des Flügels entsprechend vervielfachte wirksame Projektionsfläche.
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Entgegen dem Vorurteil in der Fachwelt, dass derartige Vertikal-Windgeneratoren prinzipiell ihre in Umfangsrichtung wirkende Kraft abgeleitet aus dem dynamischen Auftrieb in dem Sektor der Umlaufbahn in Gegenrichtung zu der Windanströmung gewinnen, hat sich gezeigt, dass das erfindungsgemäße Prinzip zur Flächenvergrößerung einen entscheidenden Beitrag zur Effizienzsteigerung leisten kann. Während also beim Stand der Technik der Sektor in Richtung der Windanströmung keinen Beitrag liefert, weil die resultierende Kraft aus Windströmung und Fahrtwind im Wesentlichen in Richtung der Rotationsachse wirkt, lässt sich erfindungsgemäß auch dieser Sektor der Umlaufbahn des Rotors zur Energiegewinnung wirksam nutzen. Hierbei sind nicht nur die wirkenden Projektionsflächen der Windanströmung optimiert, sondern es werden zudem auch bei einem Rotorumlauf sowohl Verdrängungskräfte als auch Auftriebskräfte generiert und entsprechend Energie gewonnen werden, wobei an den beiden Flügelaußenflächen durch die veränderte Orientierung innerhalb der beiden Sektoren entweder eine Auftriebskraft oder eine Verdrängung als Antriebsleistung des Generators nutzbar ist.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird dadurch erreicht, dass in dem ersten Sektor eine erste Flügelaußenfläche und in dem zweiten Sektor eine der ersten Flügelaußenfläche abgewandte zweite Flügelaußenfläche die der Windanströmung zugewandte Luvseite bildet. Indem also die Anströmung der beiden Flügelaußenflächen als Luv-Seite des Flügels während eines Rotorumlaufs zumindest einmal wechselt und durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung entweder die Luvseite oder die Leeseite jedes Flügels zur Energiegewinnung genutzt wird, lässt sich erstmals die gewünschte Effizienzsteigerung nachhaltig erreichen. Anders als beim Stand der Technik stellt sich so an den Flügeln jeweils eine in Umfangsrichtung wirkende Kraft entweder auf der Leeseite oder der Luvseite ein.
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Dabei hat es sich bereits als besonders praxisgerecht erwiesen, wenn die erste Flügelaußenfläche zumindest abschnittsweise konvex und die zweite Flügelaußenfläche zumindest abschnittsweise konkav geformt ist, um so vor allem auf der konvexen Flügelaußenfläche wirksam den gewünschten Auftrieb erzeugen zu können und auf der konkaven Flügelaußenfläche in einem großen Winkelbereich der Umlaufbahn einen hohen Luftwiderstand zu generieren. Dabei muss die Flügelaußenfläche nicht als formstabiler Körper ausgeführt sein, sondern könnte sich auch ähnlich einem Segel dem jeweiligen Anstellwinkel zum Wind entsprechend selbsttätig anpassen. Hierzu kann die Flügelfläche zumindest abschnittsweise aus einem flexiblen Material bestehen. Ferner könnte der Flügel auch als ein flexibler Hohlkörper ausgeführt sein, welcher bedarfsweise zur Formgebung durch ein Druckfluid befüllbar ist.
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Eine andere, ebenfalls besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird auch dadurch erreicht, dass die Flügel jeweils um eine zu der Drehachse parallele Schwenkachse beweglich angeordnet sind, sodass die Flügel bei einem vollständigen Umlauf des Rotors auf seiner Umlaufbahn ebenfalls eine vollständige Schwenkbewegung ausführen. Zur Vermeidung von Impulskräften beim Wechsel der Anströmung zwischen dem ersten und zweiten Sektor können beispielsweise Dämpfungselemente vorgesehen sein, um Ungleichförmigkeiten bei der Rotation zu reduzieren.
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Zur Begrenzung der jeweiligen Auslenkung der Flügel hat es sich bereits als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn der Rotor insbesondere einstellbare Anschlagelemente zur Begrenzung der Auslenkung der Flügel um die Schwenkachse oder der Begrenzung eines individuellen Schwenkbereichs jedes Flügels aufweist, wobei die hierzu gegebenenfalls auch austauschbaren oder während eines Rotorumlaufs zyklisch veränderlichen Anschlagelemente den jeweils gewünschten Schwenkbereich begrenzen. Insbesondere wird so in dem zweiten Sektor das vollständige Umschlagen des Flügels unter dem Einfluss der zur Strömungsrichtung parallelen Bewegungsrichtung vermieden. Zu Anpassung an unterschiedliche Windgeschwindigkeiten kann zudem durch eine geeignete Positionsanpassung der Anschlagelemente die Projektionsfläche verändert, insbesondere verkleinert werden, sodass der Vertikal-Windgenerator in einem großen Windstärkespektrum sicher betrieben werden kann. Ferner können die Anschlagelemente auch mit einer Überlastsicherung ausgestattet sein, um bei einer Überlastung das freie Ausschwenken des Flügels zu ermöglichen.
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Bei einer anderen, ebenfalls besonders sinnvollen Ausgestaltungsform der Erfindung sind die Flügel aufgrund einer kinematischen Kopplung mit einem Aktuator auslenkbar. Hierzu dient beispielsweise ein mechanisches Verstellelement, welches mit Stellnocken oder einer Kurvenscheibe ausgestattet sein kann, oder aber berührungslos durch magnetische Kräfte eines Permanent- oder Elektromagneten betrieben wird.
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Eine andere, ebenfalls besonders Erfolg versprechende Ausgestaltungsform der Erfindung wird auch dadurch erreicht, dass der Flügel mehrere Segmente aufweist, die relativ zueinander um eine zu der Schwenkachse parallele Segmentachse schwenkbeweglich ausgeführt sind. Hierdurch wird nicht nur die Einstellung der wirksamen Fläche, insbesondere also die unterschiedliche projizierte Fläche in dem ersten und zweiten Sektor besonders effektiv und schnell erreicht, sondern zudem auch die gewünschte Profilform bedarfsweise variiert, um so vor allem die Auftriebskräfte durch Einstellung eines tiefen oder flachen Profils zu optimieren.
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Zur Energiegewinnung hat sich eine Variante der Erfindung bereits als besonders sinnvoll erwiesen, bei welcher ein oder mehrere Rotoren bzw. Vertikal-Windgeneratoren mittels eines insbesondere stufenlosen Getriebes mit einem Generator kinematisch gekoppelt sind, um so eine Anpassung der Übersetzung der windinduzierten Drehzahl an eine gewünschte Generatordrehzahl zu erreichen sowie gegebenenfalls mehrere Vertikal-Windgeneratoren zu koppeln.
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Besonders Erfolg versprechend ist dabei auch der Einsatz von Leichtbauwerkstoffen für die beweglichen Elemente des Rotors, um so ein selbsttätiges Anlaufen des Rotors schon bei niedrigen Windgeschwindigkeiten zu erreichen. Hierzu eigenen sich beispielsweise faserverstärkte, insbesondere kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffe.
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Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in einer Prinzipdarstellung in einer Draufsicht einen Rotor 1 eines Vertikal-Windgenerators mit hier beispielhaft dargestellten zwei Flügeln 2. Die Flügel 2 sind jeweils durch ein als Trägerscheibe ausgeführtes Haltemittel 3 mit einer vertikalen Rotorachse 4 des Rotors 1 verbunden. Die beiden Flügel 2 sind jeweils unabhängig voneinander um eine jeweilige Schwenkachse 5 schwenkbeweglich angeordnet ist, die zu der Rotorachse 4 parallel angeordnet ist. Die Schwenkachse 5 verläuft jeweils durch den Masseschwerpunkt einer Querschnittsfläche des Flügels 2, sodass bei der Rotation 6 des Rotors 1 nicht die auf die Flügel 2 wirkenden Fliehkräfte zu der gewünschten Auslenkung des Flügels 2 aus einer kreisförmigen Umlaufbahn 7 des Rotors 1 führen, sondern ausschließlich oder zumindest im Wesentlichen die Windanströmung 8. Infolge der Windanströmung 8 richtet sich der jeweilige Flügel 2 bei einem Umlauf des Rotors 1 zyklisch in einem ersten Sektor 9, in dem dieser entgegen einer Hauptrichtungskomponente der Windanströmrichtung 8 bewegt wird, mit seiner Hauptachse 10 tangential zu der Umlaufbahn 7 und in einem zweiten Sektor 11 der Umlaufbahn 7, in dem der Flügel mit der Windanströmrichtung 8 bewegt wird, mit einem Winkel α von ca. 90° zu der Umlaufbahn 7 aus. Hierbei dienen einstellbare Anschlagelemente 14 zur Begrenzung der Auslenkung der Flügel 2. Dadurch wird anders als bei konventionellen Vertikal-Windgeneratoren nach dem Darrieus-Prinzip nicht nur die dynamische Auftriebskraft an der Lee-Seite entlang einer konvexen Flügelaußenfläche 12 als Antriebsleistung genutzt, sondern zusätzlich auch die Anströmung als Winddruck auf den um 90° ausgelenkten Flügel 2 auf der konkaven Flügelaußenfläche 13 als Druckkraft bzw. Verdrängung, um so eine Effizienzsteigerung zu erreichen. Ein weiterer wesentlicher Aspekt ist dabei auch die Nutzung geringer Windgeschwindigkeiten durch eine Adaption von leichten Werkstoffen und einer einfachen Konstruktion aufgrund der selbsttätigen Anpassung der Orientierung der Flügel 2 in Abhängigkeit von der Windanströmung 8. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist auch die zyklische Reduzierung des Windwiderstands durch den Fahrtwind an den Flügeln 2 durch die schwenkbewegliche Anordnung der Flügel 2 an dem Rotor 1.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 2
- Flügel
- 3
- Haltemittel
- 4
- Rotorachse
- 5
- Schwenkachse
- 6
- Rotation
- 7
- Umlaufbahn
- 8
- Windanströmung
- 9
- Sektor
- 10
- Hauptachse
- 11
- Sektor
- 12
- Flügelaußenfläche
- 13
- Flügelaußenfläche
- 14
- Anschlagelement
- α
- Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202018003498 U1 [0008]
- DE 102014002078 B4 [0009]
- DE 202008010290 U1 [0010]
- DE 4434764 A1 [0011]
- CH 707024 B1 [0012]
- WO 2012/044089 A2 [0013]
- WO 2013/05099 A1 [0013]