DE19526129A1

DE19526129A1 - Selbstregelnde Windkraftanlage

Info

Publication number: DE19526129A1
Application number: DE19526129A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Hensberg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-07-18
Filing date: 1995-07-18
Publication date: 1997-01-23

Description

Diese Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit selbsttätig, bei wachsenden Windgeschwindigkeiten, zunehmend kontinuierlich aus dem Wind schwenkendem Rotor mit tief liegendem Kraftangriffspunkt der Rotorkräfte.

Die bekannten Windkraftanlagen haben die Nachteile, daß sie entweder gesteuert, bei großen Windstärken, die Rotorblätter aus dem Wind schwenken müssen, oder daß die Rotorblätter so stabil gebaut sein müssen, daß sie den Winddrücken standhalten und daß die Kraftangriffspunkte der jeweiligen Rotoren sich relativ zur Windkraftanlagengröße sehr hoch über dem Erdboden befinden, sowie daß die Rotordrehzahl relativ gering ist und daß diese Rotordrehzahl sich nicht selbsttätig mit der Windgeschwindigkeit regelt.

Dieser Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, diese Nachteile zu vermeiden. Die Lösung dieser Aufgabe wird dadurch erreicht, daß ein, in der Regel mit einem Kardangelenk an einer meist senkrechten Welle gekuppelter, mit spezifisch leichterem Gas als Luft gefüllter und dadurch nach oben gerichteter, in allen Himmelsrichtungen schwenkbarer ballonartiger Rotor, von erheblicher Länge, bei relativ geringem Durchmesser die Windenergie in Drehbewegung wandelt. Bei zunehmender Windgeschwindigkeit schwenkt dieser nach oben gerichtete Rotor zunehmend zur Horizontalen hin. Die von dem Rotor über das Kardangelenk angetriebene meist senkrechte Welle, kann über ein Zahnradgetriebe, einem Riementrieb oder einem Reibradgetriebe einen Generator antreiben. Es ist vorteilhafter, weil insbesondere mit geringeren Reibungsverlusten verbunden, einen Generator mit der meist senkrechten Welle direkt anzutreiben. Dabei ist es wiederum vorteilhafter, wenn dieser Generator einen sehr großen Rotordurchmesser aufweist. Da der Kraftangriffspunkt des Rotors am Kardangelenk, relativ zu anderen Windkraftanlagen, sehr tief liegt und der Rotor bei starkem Sturm weitgehend aus dem Wind schwenkt, ist der Material- und Bauaufwand für die Stützkonstruktion gering. Der Rotor besteht aus weitgehend gasdichten, geschlossenen, mit spezifisch leichtem Gas gefüllten Folienkörpern, die aus Folien bestehen können, die sowohl unverstärkt sein können, wie auch gewebe- und faserverstärkt sein können. Diese geschlossenen Folienkörper sind mit einem Gas, welches spezifisch leichter als Luft ist, gefüllt. Innerhalb der Folienkörper herrscht ein angepaßter Überdruck. Die Form des Rotors wird durch einen zylindrischen Folienkörper und mehrere schwenkbare Folienkörper gebildet. Die so gebildete Querschnittsform erstreckt sich teilweise oder ganz über den größten Teil der Länge des Rotors. Das Gewicht des gesamten Rotormaterials ist geringer als der gesamte, durch das spezifische leichte Gas verursachte, Auftrieb. Am unteren Ende des Rotors ist der mittlere zylindrische Folienkörper mit einer großen Halbschale aus festerem Material gasdicht verbunden. Diese festere Halbschale kann über eine kurze Verlängerung mit dem Kardangelenk verbunden sein. Die Folienkörper sind in der Regel aus Folienteilen zusammengesetzt und in der Regel durch Kleben oder Schweißen verbunden. Um den mittleren, oben halbkugelförmig verschlossenen zylindrischen Folienkörper des Rotors sind mehrere schalenförmige Folienkörper, die ebenfalls mit Gas gefüllt sein können, das heißt aber auch mit Luft gefüllt sein können, angebracht. Diese schwenkbaren Folienkörper schwenken, bei Drehbewegung in Windrichtung, von der Rotorzylinder-Mittel- Achse gesehen, nach außen und legen sich bei der Drehbewegung in Windrichtung weitgehend an den Rotorzylinder an. Dadurch wird auf der Seite des Rotors mit den nach außen geschwenkten schwenkbaren Folienkörpern die Strömungsgeschwindigkeit des Windes stärker reduziert, während sich auf der Seite der anliegenden schwenkbaren Folienkörper, an den zylindrischen Folienkörper, nur eine geringere Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit des Windes ergibt. Dies bewirkt ein hohes Drehmoment und eine hohe Umfangsgeschwindigkeit am Rotorzylinder, der, auf Grund des relativ geringen Rotordurchmessers und der beschleunigten Luftströmung bei der Umströmung des zylindrischen Folienkörpers, für eine Windkraftanlage, eine relativ zur jeweiligen Leistung, sehr hohe Drehzahl aufweist. Die schwenkbaren Folienkörper sind innen mit Zwischenwänden aus Folien oder Geweben versehen, die dem Zweck dienen, daß diese schwenkbaren Folienkörper, bei innerer Gasdruckbeaufschlagung weitgehend eine strömungstechnisch günstige, stabile Form erhalten. Statt der schwenkbaren Folienkörper können auch ersatzweise feste Profile, wie zum Beispiel Strangpreßprofile aus Kunststoff zur Anwendung kommen. Die Schwenkbewegung der schwenkbaren Folienkörper, oder der diese schwenkbaren Folienkörper ersetzenden Profile, vom zylindrischen Folienkörper nach außen, wird in der Regel durch Zugelemente, wie zum Beispiel Seile, begrenzt, die an den ausgeschwenkten Seiten der schwenkbaren Folienkörper, oder den diese ersetzenden Profilen, befestigt sind. Am anderen Ende sind diese Seile direkt oder indirekt am zylindrischen Folienkörper befestigt. Am zylindrischen Folienkörper sind die schwenkbaren Folienkörper, oder deren ersetzende Profile, schwenkbar befestigt. Dieses schwenkbare Befestigen der Folienkörper, oder der diese ersetzenden Profile, miteinander kann zum Beispiel durch Gummielemente, durch Filmscharniere oder durch Faltungen im zylindrischen Folienkörper erreicht werden. Die in der Regel senkrechte Welle unterhalb des Kardangelenkes ist in einer Stützkonstruktion gelagert, die in der Regel auch Getriebe, Riemenantrieb oder Reibradgetriebe mit Generator trägt oder nur den Generator mit Zubehör, wenn die Welle den Generator direkt antreibt. Die Stützkonstruktion kann für den Betrieb der selbstregelnden Windkraftanlage auf dem Land oder für den Betrieb auf See ausgelegt werden. Auf See sind diese selbstregelnden Windkraftanlagen in besonders großer Ausführung vorteilhaft, weil hier die Umweltverträglichkeit und Sozialverträglichkeit weitestgehend voll gegeben sind und hier, insbesondere in hohen Luftschichten, durchschnittlich sehr hohe Windgeschwindigkeiten herrschen. Es sind, für den Betrieb auf See, selbstregelnde Windkraftanlagen machbar, die Rotorlängen von mehr als 500 m haben und hierdurch die höheren Windgeschwindigkeiten in höheren Luftschichten nutzen. Bei geringen Windgeschwindigkeiten ist die Rotorneigung zur Senkrechten gesehen nur gering und daher der Nutzungsgrad der Windenergie sehr hoch. Mit zunehmender Windgeschwindigkeit wird die Neigung des Rotors stärker, um bei extremen Windgeschwindigkeiten sich der Waagerechten zu nähern. Es wird hierdurch erreicht, daß die Luft bei stärksten Winden im wesentlichen an dem zylindrischen Folienkörper und den schwenkbaren Folienkörpern vorbei streicht und nur zu einem kleineren Teil eine Drehbewegung des Rotors bewirkt. Damit ist das gesamte System der selbstregelnden Windkraftanlage, nämlich der Rotor, das Kardangelenk, die Welle, die Stützkonstruktion, Getriebe oder Riementrieb oder Reibradgetriebe, der Generator und die Stromleitungen selbsttätig automatisch vor Überlastung geschützt. Es gibt viele Möglichkeiten von selbstregelnden Windkraftanlagen nach dieser Erfindung, insbesondere viele Möglichkeiten der Stützkonstruktionen, die entweder für den Betrieb der selbstregelnden Windkraftanlagen auf dem Land, oder für den Betrieb auf See geeignet sind. Um Gasverluste im Rotor, durch Diffusion durch die Folien zu vermeiden, können die Folien des Rotors mit weitestgehend gasundurchlässigen dünnen Folienschichten, wie zum Beispiel extrem dünnen Glasschichten, verbunden sein. Um Gasverluste zu kompensieren, kann ein Schlauch durch die in der Regel senkrechte Welle und das Kardangelenk zu den Folienkörpern geführt werden, der zum Auffüllen der Gasverluste dient. Die für die Herstellung des Rotors verwendeten Folien werden durch Kleben, Schweißen oder Nähen gasdicht verbunden.

Diese Erfindung wird beispielsweise dargestellt durch

Fig. 1 als schematische Darstellung der selbstregelnden Windkraftanlage für eine Verwendung auf dem Land.

Fig. 2 als schematische Darstellung der selbstregelnden Windkraftanlage für eine Verwendung auf See.

Fig. 3 Querschnitt eines Rotors.

Der Rotor 1 ist in seinem zylindrischen Folienkörper 10, der oben und unten in der Regel halbkugelförmig geschlossen ist, mit spezifisch leichtem Gas, wie zum Beispiel trockenem Erdgas, gefüllt. Dieses spezifisch leichtere Gas als Luft befindet sich unter einem etwas höheren Druck als die umgebende Luft. Der zylindrische Folienkörper 10 besteht aus gewebeverstärkter Folie. Am Umfang des zylindrischen Folienkörpers 10 sind mehrere schwenkbare Folienkörper 12 schwenkbar angebracht. Diese schwenkbaren Folienkörper 12 sind mit unter Überdruck stehendem Gas gefüllt. Es ist sinnvoll, daß die schwenkbaren Folienkörper 12 mit dem gleichen Gas gefüllt sind, wie die zylindrischen Folienkörper 10. Die schwenkbaren Folienkörper 12 sind in der Regel mittels der schwenkbaren Befestigungen 13 an dem zylindrischen Folienkörper 10 befestigt. Die schwenkbaren Befestigungen 13 können zum Beispiel aus T-förmigen Gummiprofilen bestehen, die mit dem zylindrischen Folienkörper 10 und den schwenkbaren Folienkörpern 12 verklebt sind und Ösen, für die Befestigung der Zugelemente 11, aufweisen. Die Zugelemente 11 sind jeweils an einem Ende an den Ösen und am anderen Ende außen an den schwenkbaren Folienkörpern 12 befestigt. Die Zugelemente 11 können zum Beispiel Seile sein und durch ihre minimale Biegesteifigkeit das Schwenken der schwenkbaren Folienkörper 12 ermöglichen. Die Zugelemente 11 begrenzen das nach außen Schwenken der schwenkbaren Folienkörper 12. Die schwenkbaren Folienkörper 12 sind innen mit Zwischenwänden aus Folien oder Geweben versehen, die den schwenkbaren Folienkörpern 12, bei Innendruckbeaufschlagung, die stabile schalenförmige Form verleihen. Der zylindrische Folienkörper 10 ist unten durch zum Beispiel eine halbkugelförmige Schale, aus einer Aluminiumlegierung bestehend, verschlossen. Unmittelbar, oder über eine Verlängerung 5, schließt an der halbkugelförmigen Schale ein ausreichend dimensioniertes Kardangelenk 2 nach unten an, das wiederum mit der in der Regel senkrechten Welle 3 verbunden ist, die die Drehbewegung des Rotors 1 auf das Getriebe oder auf den Riementrieb oder auf den Reibantrieb oder direkt auf den Generator überträgt. Getriebe, Riementrieb oder Reibradantrieb treiben jeweils, falls vorgesehen, einen Generator 4, der dann in der Regel eine höhere Drehzahl aufweist als der Rotor 1. Die Welle 3 ist in einer Stützkonstruktion 7 gelagert, die einmal für die Verwendung auf dem Land oder zum anderen für die Verwendung auf See ausgelegt sein kann. Der Rotor 1 wird durch den Auftrieb, den die spezifisch leichte Gasfüllung bewirkt, bei Windstille senkrecht nach oben gerichtet und, insbesondere bei einem Direktantrieb eines Generators, schon bei relativ sehr geringen Windgeschwindigkeiten, in eine drehende Bewegung versetzt. Diese Drehbewegung wird, durch das wechselseitige Ausschwenken und Anlegen der schwenkbaren Folienkörper 12, optimal unterstützt. Hierdurch greift, auf der einen Seite des zylindrischen Folienkörpers 10, die Luftströmung in die ausgeschwenkten schwenkbaren Folienkörper 12 und treibt diese an, während auf der Gegenseite die anliegenden schwenkbaren Folienkörper 12 nur geringfügig, im wesentlichen durch Luftströmungsreibung, gebremst werden. Mit zunehmender Windgeschwindigkeit neigt sich der Rotor 1 zur Windrichtung hin. Das bewirkt, daß nur ein geringerer Anstieg der Luftströmung in Umfangsrichtung des zylindrischen Folienkörpers 10 erfolgt, als bei einem senkrecht bleibenden Rotor 1. Dafür nimmt aber der Anteil der Luftströmung in Längsrichtung des Rotor 1, mit zunehmender Windgeschwindigkeit, zunehmend zu. Es sind zylindrische Folienkörper 10 von über 20 m Durchmesser und über 500 m Länge sinnvoll, weil hiermit die stärkeren Windströmungen in großen Höhen über die Meere genutzt werden können. Der verhältnismäßig geringe Durchmesser der Rotoren 1 bewirkt jeweils eine relativ hohe Rotordrehzahl. Der niedrige Kraftangriffspunkt des Rotor 1 an der Stützkonstruktion ermöglicht einen sehr geringen Materialbedarf und einen geringen Herstellungsaufwand für die Stützkonstruktion 7.

Dieser selbstregelnden Windkraftanlagen, insbesondere der Ausführungen für die Nutzung der Windenergie über die Meere, kommt die Bedeutung zu, daß, auf Grund des relativ sehr geringen Materialeinsatzes im Verhältnis zur erzeugbaren Stromleistung, der relativ einfachen hier erforderlichen Techniken, der Nutzung der weitgehend ganzjährigen hohen Windgeschwindigkeiten über die Meere, insbesondere der noch höheren durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten in größeren Höhen eine baldige Verdrängung der heutigen Stromerzeugung mit fossilen Brennstoffen oder Kernenergie ermöglicht wird.

Bezugszeichenliste

1 Rotor
2 Kardangelenk
3 Welle
4 Generator
5 Verlängerung
6 Bodenverankerung
7 Stützkonstruktion
8 Schwimmer
9 Verbindung
10 zylindrischer Folienkörper
11 Zugelement
12 schwenkbarer Folienkörper
13 schwenkbare Befestigung

Claims

1. Selbstregelnde Windkraftanlage, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rotor (1) durch Wind um seine Achse in eine drehende Bewegung versetzt wird, wobei der Rotor (1), aus einem oben und unten geschlossenen zylindrischen Folienkörper (10) besteht, wobei die zylindrische Form des zylindrischen Folienkörpers (10) auch durch andere Formen, wie zum Beispiel kegelige Formen, ersetzt sein kann, daß an der zylindrischen Oberfläche des zylindrischen Folienkörpers (10) oder der anders geformter Oberfläche, zwei oder mehrere schalenförmige schwenkbare Folienkörper (12), die auch durch feste Profile, wie zum Beispiel Strangpreßprofile aus Kunststoff, ersetzt sein können, mittels schwenkbarer Befestigungen (13) oder auf andere Art schwenkbar befestigt sein können, wobei die Schwenkbewegungen der schwenkbaren Folienkörper (12) bzw. der festen Profile, durch Zugelemente (11), von in der Regel geringer Drucksteifigkeit, begrenzt werden können und daß der zylindrische Folienkörper (10) bzw. auch die ersatzweise anders geformten Folienkörper, mit spezifisch leichtem Gas gefüllt sind, sowie daß die schwenkbaren Folienkörper (12) mit Gas oder Luft gefüllt sind und das innerhalb des zylindrischen Folienkörpers (10) bzw. auch der ersatzweise anders geformten Folienkörper und innerhalb der mit Gas oder Luft gefüllten schwenkbaren Folienkörper (12), Überdruck gegenüber der umgebenden Luft herrscht, sowie daß das untere Ende des zylindrischen Folienkörpers (10), bzw. auch der ersatzweise anders geformten Folienkörper, aus stabilerem Material besteht, das in der Regel mit einem Kardangelenk (2), gegebenenfalls über eine Verlängerung (5), fest oder lösbar verbunden ist, wobei das Kardangelenk (3) eine in der Regel senkrechte Welle (3) antreibt, die in einer Stützkonstruktion (7) gelagert ist und einen Generator (4) direkt oder über ein Getriebe oder über einen Riementrieb oder über einen Reibradantrieb oder über einen Ketentrieb, antreibt und daß, unter Verzicht auf ein Kardangelenk (2), mit dem Rotor (1) eine mitschwenkende Welle (3), sowie ein mitschwenkender Generator (4) bzw. auch die mitschwenkenden Drehzahlübersetzer, verbunden sein können und daß ersatzweise für das Kardankgelenk (2) auch Gelenkarten, wie zum Beispiel flexible Kupplungen zum Einsatz kommen können.

2. Selbstregelnde Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien, die die Oberfläche der zylindrischen Folienkörper (10), bzw. der anders geformten Oberfläche bilden und die Folien, die gegebenenfalls die Oberflächen der schwenkbaren Folienkörper (12) bilden gewebe- oder faserverstärkt sein können und mit einer sehr dünnen weitgehend gasundurchlässigen Schicht, wie zum Beispiel einer extrem dünnen Glasschicht, versehen sein können.

3. Selbstregelnde Windkraftanlage nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien, die die Oberflächen der Folienkörper bilden durch überlappende geschweißte, geklebte oder genähte Folienteile, so wie auch durch einstückig erzeugte Folien gebildet werden können.

4. Selbstregelnde Windkraftanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die schwenkbaren Befestigungen (13) aus T-förmigen Gummiprofilen oder T-förmigen gummielastischen Profilen aus Kunststoff oder aus T-förmigen Kunststoffprofilen mit Filmscharnier bestehen können.

5. Selbstregelnde Windkraftanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die schwenkbaren Folienkörper (12) mit Zwischenwänden aus Folien oder Gewebe versehen sein können, die die schalenförmige Form der schwenkbaren Folienkörper (12) bewirken, wobei diese Zwischenwände mit den Innenwänden der schwenkbaren Folienkörper (12) durch Schweißen, Kleben oder Nähen fest verbunden sein können.

6. Selbstregelnde Windkraftanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugelemente (11) Seile oder Federn, insbesondere auch vorgespannte Schraubenfedern, so wie Kombinationen hieraus sein können.

7. Selbstregelnde Windkraftanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützkonstruktion (7) einmal eine Ausführung für die Aufstellung und Befestigung auf Land und zum anderen eine schwimmende, am Meeresgrund verankerte Ausführung sein kann.

8. Selbstregelnde Windkraftanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die schwenkbaren Folienkörper (12) oder die entsprechenden festen Profile, feststehend nach außen geschwenkt um den zylindrischen Folienkörper (10) angeordnet sein können, wobei dann die Zugelemente (11) so knickfest ausgelegt sein können, daß sie die auftetenden Stützkräfte abfangen oder das Zugelemente (11) in beiden Richtungen an der Außenkante der schwenkbaren Folienkörper (12) oder der entsprechenden festen Profile angeordnet sein können und diese dann in der ausgeschwenkten Lage halten.

9. Selbstregelende Windkraftanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die für die See geeignete Stützkonstruktion (7) eine Bodenverankerung (6) besitzt, die aus Metall, Beton oder Gestein bestehen kann und hohl ausgeführt, mit Steinen oder Sand oder anderer schwerer Stoff gefüllt sein kann und zum Verkrallen im Meeresboden zum Beispiel kegelförmige Spitzen an der Grundfläche aufweisen kann, wobei auch viele andere Formen der Grundfläche in etwa diese verankernde Wirkung erzielen können und das diese Bodenverankerungen (6) mit dem schwimmenden Teil der Stützkonstruktion (7) durch eine Verbindung (9), wie zum Beispiel Seil, Rohr, Stange oder Kette, verbunden ist und daß die Schwimmer (8) Hohlkörper aus Metall, wie Stahl und Aluminium, aus Kunststoff oder Holz, sowie Kombinationen aus diesen Stoffen sein können und daß die Schwimmer auch spezifisch leichte Vollkörper sein können.

10. Selbstregelnde Windkraftanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die schwenkbaren Folienkörper (12) oder die entsprechenden festen Profile, jeweils mehrfach in ihrer Längsrichtung geteilt sein können, so daß ihre Teile unabhängig voneinander schwenkbar sind und daß diese Teile, in Umfangsrichtung des zylindrischen Folienkörpers (10) zueinander versetzt, so wie auch schräg zur Achsrichtung des zylindrischen Folienkörpers (10) angeordnet sein können.

11. Selbstregelnde Windkraftanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Sicherung des Flugverkehrs Lichtsignale vom Rotor (1) aus gesendet werden und daß zur Vermeidung von metallischen Leitungen am Rotor (1) die Lichtsignale über Lichtleitfasern oder parabolischen Reflektoren übertragen werden.