DE19603982A1

DE19603982A1 - Windkraftmaschine mit vertikaler Achse

Info

Publication number: DE19603982A1
Application number: DE19603982A
Authority: DE
Inventors: Clemens Dr Kiefer; Andreas Kiefer
Original assignee: KIEFER ANDREAS 04299 LEIPZIG DE
Current assignee: KIEFER ANDREAS 04299 LEIPZIG DE
Priority date: 1996-02-05
Filing date: 1996-02-05
Publication date: 1997-08-07

Description

Windkraftmaschinen unterteilt man nach der Lage der Achse in Vertikal- und Horizontalachsenmaschinen und nach der Windkraftnutzung in Winddruck- und Auftriebsmaschinen. Vertikalachsenmaschinen, die mit Winddruck arbeiten, haben den Nachteil, daß die sich entgegen der Windrichtung bewe genden Blätter eine bremsende Wirkung verursachen. Außerdem verringert sich der Winddruck für die sich in Windrichtung bewegenden Blätter aufgrund der geringeren Relativgeschwin digkeit des Windes. Das zu erzielende Drehmoment ist bei gleicher Blattgröße wesentlich größer für Auftriebsmaschi nen, weshalb sich Auftriebsmaschinen in der praktischen An wendung durchsetzen konnten. Windkraftmaschinen, die nach der Auftriebsmethode arbeiten, besitzen aber den Nachteil, daß in der Formgebung komplizierte Blätter gefertigt werden müssen. Durch die extreme Belastung kommen nur hochwertige Materialien zum Einsatz. Horizontalachsenmaschinen haben besonders den Nachteil, daß sie nach der Windrichtung gedreht werden müssen. Dies bedingt einen komplizierten Turmaufbau. Hier sind zusätzlich die Schwierigkeiten der Kabelführung (Schleifringe) zu beachten.

Die Halterung der Rotorblätter ist kompliziert, da bei den meisten Maschinen die Blätter verstellt werden, wenn die Windstärke sich ändert, oder Sturm aufkommt. Der Darrieus-Rotor und die Mehrzahl der Vertikalachsenmaschinen laufen bei aufkommendem Wind nicht von selbst an. Auch bei Hori zontalachsenmaschinen ist das Anlaufen bei aufkommendem Wind problematisch. In Nähe der Horizontalachse ist das zu erzielende Drehmoment nur gering. Deshalb müssen lange Blätter eingesetzt werden und die benötigte Aufstellungs fläche ist relativ goß.

In der Erfindung wird eine Windkraftmaschine mit vertikaler Achse 12 beschrieben, die die Mehrzahl der oben beschriebe nen Nachteile behebt: In der Windkraftmaschine sind erfin dungsgemäß die Blätter 2, 3, 4 durch Halterungen 5 so befe stigt, daß die Materialbelastungen geringer sind und demzu folge einfachere und kostengünstigere Blätter eingesetzt werden können. Durch eine entsprechende Formgebung kann so wohl der Windruck als auch der Auftrieb genutzt werden. Wird zur Kosteneinsparung auf eine spezielle Formgebung der Blätter zur Ausnutzung des Auftriebes verzichtet, so erzielt man ein hohes Drehmoment allein durch Winddruck, indem Blätter mit großen Flächen eingesetzt werden. Selbst wenn sich die Blätter 2, 3, 4 bei ihrer Umdrehung um die Vertikalachse 12 entgegen der Windrichtung bewegen, wird ein positives Drehmoment erzeugt. Die Blatthalterungen 5 sind mit dem sich drehenden Rohr 1 direkt verbunden. Durch die Drehung des gesamten Rohres 1 können Getriebe, Genera tor und Stromeinspeisung am Boden installiert werden. Der den Horizontalachsenmaschinen anlastende Nachteil der kom plizierten Nachführung bei Windrichtungsänderung wird erfindungsgemäß abgeschwächt, denn das Verstellen der Blätter bei Windrichtungsänderung geschieht lediglich durch die Drehung der Windfahne 14, die mit dem in der Vertika lachse 12 zentrierten Zahnrad 6 (der Zahnscheibe 20, des Kegelrades 15) verbunden ist. Damit ergeben sich Vereinfa chungen für den Turmaufbau und das Problem der komplizier ten Kabelführung existiert nicht. Die in der Erfindung be schriebene Windkraftmaschine läuft bei aufkommendem Wind aus jeder Richtung an, da durch Drehung der Windfahne in Windrichtung die Blätter verstellt werden. Die Windkraftma schine kann auch auf engem Raum aufgestellt werden.

Die Windkraftmaschine besitzt drei Blätter (Flügel) 2, 3, 4 (s. Fig. 1a), die die vertikale Achse 12 umkreisen. Dazu wird das an seinen oberen und unteren Enden verstärkte Blatt drehbar in den Blatthalterungen 5, die mit dem Rohr 1 (s. Fig. 1b) fest verbunden sind, gelagert. Durch die Drehung des Rohres 1 umkreisen die Blätter 2, 3, 4 die Achse 12 und drehen sich zusätzlich um die eigene vertika le Achse 19. Während einer Umkreisung um die Achse 12 dreht sich das Blatt um eine halbe Umdrehung im gleichen Drehsinn um die Achse 19. In der Blatthalterung 5 befinden sich die Lager der Zahnräder (Kegelräder, Zahnscheiben), mit deren Hilfe die Blätter zwangsgedreht werden. Die für die Zwangs drehung erforderliche Kraft ist gering, da der Wind zu bei den Seiten der vertikalen Drehachse 19 der Blätter wirkt. Bei der umlaufenden Bewegung des Blattes 2 (3, 4) um die Vertikalachse 12 bewegt sich das Blatt in Windrichtung und entgegen der Windrichtung. Bei der Bewegung in Windrichtung ist der Winkel zwischen Blatt und Windrichtung w größer als 45°, d. h. das Blatt stellt sich mit seiner Breitseite dem Wind entgegen. Bewegt sich das Blatt entgegen der Windrich tung, so ist der Winkel zwischen Blatt und Windrichtung stets kleiner als 45°. Dies ist in Fig. 2 dargestellt. In den Stellungen h bis l läuft das Blatt entgegen der Wind richtung w. Hier steht es dem Wind vorrangig mit seiner Schmalseite entgegen. In den Stellungen b bis f läuft das Blatt in Windrichtung w. In diesen Stellungen steht es dem Wind mit seiner Breitseite entgegen. Es entsteht ein der Drehbewegung der Windkraftmaschine entgegengesetztes Drehmoment lediglich in den Stellungen nahe j. Hier steht das Blatt mit seiner schmalsten Seite dem Wind entgegen, so daß nur ein geringer Widerstand dem Wind geboten wird. In allen übrigen Stellungen (auch in den Stellungen h bis i und k bis l) wird ein in Drehrichtung wirkendes Drehmoment er zeugt. Damit wird ein den Winddruckmaschinen anhaftender Nachteil des entgegenwirkenden Drehmomentes bei der Blatt bewegung entgegen der Windrichtung nahezu beseitigt. Zur Verringerung der Reibung wird das sich drehende Rohr durch Lager 10 gehaltert (s. Fig. 1b). In dem Fundamentraum 11 können das Getriebe, der Generator und die Netzeinspei sungsanlage untergebracht werden.

Die Zwangsdrehung der Blätter erfolgt durch die Windkraft maschine selbst ohne zusätzlichen Motor. Sie kann auf ver schiedene Art erfolgen. In Fig. 3 ist eine Zwangsdrehung mittels Zahnräder aufgezeigt. Die umlaufenden und mit den Blättern verbundenen Zahnräder 8 (8′, 8′′) haben die doppelte Zähnezahl wie das stehende zentrale Zahnrad 6. Das Zahnrad 7 (7′, 7′′) greift bei seiner Umkreisung der Verti kalachse 12 in das stehende zentrale Zahnrad 6 ein und dreht dabei das Zahnrad 8 (8′, 8′′). Die Zwangssteuerung kann auch mit Zahnscheiben 20, 21, 22 und Zahnriemen 13 erfolgen, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Die Zahnrie men führen die Blätter elastisch und vermeiden ein "Flattern", wie es bei böigem Wind durch das Spiel ineinan dergreifender Zahnräder möglich wäre. Die Zahnscheibe 21, 22 ist eine Doppelzahnscheibe. Die dargestellten Zahnriemen 13 sind in zwei Ebenen angeordnet. Die zentrale Zahnscheibe 20 dreht sich nicht. Die Zahnscheiben 21 und 22 (22′, 22′′) umkreisen die Vertikalachse 12.

Bei einer Windrichtungsänderung (z. B. von w zu w′) werden durch Drehen der zentralen Zahnscheibe 20 (zentrales Zahn rad 6, zentrales Kegelrad 15) die Blätter im richtigen Winkel zur Windrichtung verstellt. Bei einer Drehung des Windes um den Winkel α müssen die Blätter 2, 3, 4 um den Winkel α/2 um ihre Achse gedreht werden. Dazu kann an die zentrale Zahnscheibe 20 (an das zentrale Zahnrad 6, zentra le Kegelrad 15) eine Windfahne 14 befestigt werden. Diese Windfahne dreht sich nach dem Wind und dreht dabei die zentrale Zahnscheibe 20 (das zentrale Zahnrad 6, zentrale Kegelrad 15). Damit werden die Blätter verstellt. Die Drehung der Blätter entsprechend der Windrichtung kann auch durch Drehung des zentralen Zahnrades 6 mittels eines zusätzlichen Antriebes über das Zahnrad 9 erfolgen (s. Fig. 1).

Ist der Abstand der Blätter 2, 3, 4 von der Vertikalachse 12 sehr groß, so kann die Zwangsdrehung über Kegelräder erfolgen, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Bei seiner Umkreisung um die Vertikalachse 12 dreht das in das stehen de zentrale Kegelrad 15 eingreifende Kegelrad 16 über die Welle 23 und das Kegelrad 17 das mit dem Blatt 2 (3, 4) verbundene Kegelrad 18.

Die Zwangsdrehung der Blätter 2, 3, 4 ist auch möglich (s. Fig. 5), indem die mit den Blättern verbundenen Zahnräder 8, 8′, 8′′ durch ein sich in Drehrichtung der Windkraftmaschi ne drehendes zentrales Zahnrad 6 gedreht werden. Das Zahn rad 6 wird vom Getriebe mit der eineinhalbfachen Drehzahl der Windkraftmaschine angetrieben, wenn die Zahnräder 8, 8′, 8′′ und 6 die gleiche Größe haben.

Für sehr große Anlagen wird anstelle des drehenden Rohres 1 ein Turm 1 gebaut. Die Blätter können auch in H-Form gehal tert (s. Fig. 7) werden. Die Zahnräder oder Zahnscheiben mit Zahnriemen sind in der sich drehenden Blatthalterung 5 gelagert. Die Lager der Blätter befinden sich ebenfalls in der Blatthalterung 5. Die Blätter können sich um ihre eige ne Achse drehen und werden durch die Zahnräder oder Zahn scheiben mit Zahnriemen zwangsgedreht. Getriebe und Genera tor sind in Fig. 7 nicht dargestellt.

Arbeitet die Windkraftmaschine vorrangig mit Winddruck, so sind große Flächen für die Blätter 2, 3, 4 zur Erzielung eines hohen Drehmomentes einzusetzen. Diese Flächen können zur gleichzeitigen Erzeugung von Solarstrom genutzt werden, indem sie mit Solarzellenmaterial überzogen werden.

Bezugszeichenliste

1 Rohr, Turm
2 Blatt, Flügel
3 Blatt, Flügel
4 Blatt, Flügel
5 Blatthalterung
6 zentrales, stehendes Zahnrad
7 Zahnrad
8 Zahnrad
9 Zahnrad
10 Lager
11 Fundamentraum
12 Vertikalachse der Windmaschine
13 Zahnriemen
14 Windfahne
15 zentrales, stehendes Kegelrad
16 Kegelrad
17 Kegelrad
18 Kegelrad
19 Vertikalachse der Blätter
20 zentrale, stehende Zahnscheibe
21 Zahnscheibe
22 Zahnscheibe
23 Welle

Claims

1. Windkraftmaschine mit vertikaler Achse, dadurch gekenn zeichnet, daß ein oder mehrere Blätter (2, 3, 4) die vertika le Achse (12) umkreisen und dabei bei einer Umkreisung eine halbe Umdrehung im gleichen Drehsinn um die eigene vertika le Achse (19) voll führen derart, daß sie bei ihrer Bewegung in Windrichtung einen Winkel größer 45° zur Windrichtung einnehmen und bei ihrer Bewegung entgegen der Windrichtung einen Winkel kleiner 45°.

2. Windkraftmaschine mit vertikaler Achse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung des Kegelrades (16), hervorgerufen durch die Umkreisung des zentralen, stehenden Kegelrades (15), durch Welle (23) und Kegelrad (17) auf das Ke gelrad (18) übertragen wird, wodurch die mit dem Kegelrad (18) (18′, 18′′), das die doppelte Zähnezahl wie das zentrale Kegelrad (15) hat, verbundenen Blätter (2) (3, 4) während ei ner Umkreisung der zentralen vertikalen Achse (12) eine hal be Umdrehung um ihre eigene vertikale Achse (19) vollführen.

3. Windkraftmaschine mit vertikaler Achse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenzahnrad (7) in zwei Zahnräder (6) und (8) eingreift derart, daß es das in der Ver tikalachse (12) zentrierte und stehende Zahnrad (6) umkreist und dabei das mit dem Blatt (2) (3, 4) verbundene Zahnrad (8) (8′, 8′′), das die doppelte Zähnezahl wie das zentrale, ste hende Zahnrad (6) hat, dreht.

4. Windkraftmaschine mit vertikaler Achse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Vertikalachse (12) zentrierte stehende Zahnscheibe (20) von einer mit ihr durch Zahnriemen (13) verbundenen mit doppelter Zähnezahl versehe nen Zahnscheibe (22), die mit einer Zahnscheibe (21) verbunden ist, umkreist wird und dabei die Drehung den durch Zahnrie men verbundenen Zahnscheiben (21, 21′, 21′′), die mit den Blättern (2, 3, 4) verbunden sind, übertragen wird.

5. Windkraftmaschine mit vertikaler Achse nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung der Blät ter (2, 3, 4) bei Windrichtungsänderung geschieht, indem an dem drehbar gelagerten in der Vertikalachse (12) zentrierten zentralen Kegelrad (15) oder an dem zentralen Zahnrad (6) oder an der zentralen Zahnscheibe (20) eine Windfahne angebracht ist, die sich nach dem Wind dreht und damit die Blätter (2, 3, 4) verstellt.

6. Windkraftmaschine mit vertikaler Achse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mit dem Blatt (2) (3, 4) verbundene Zahnrad (8), (8′, 8′′), das die vertikale Achse (12) umkreist, in das zentrale Zahnrad (6) eingreift und das zen trale Zahnrad sich mit höherer Drehzahl in gleicher Dreh richtung wie die Windmaschine dreht, derart, daß bei einer Umdrehung der Windmaschine um die vertikale Achse (12) das Blatt (2) (3, 4) eine halbe Umdrehung um die eigene vertikale Achse (19) ausführt.

7. Windkraftmaschine mit vertikaler Achse nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Rohr (1), an dem die Blatthalterung (5) für ein oder mehrere Blätter (2) (3, 4) fest angebracht ist, um die eigene Vertikalachse (12) dreht.

8. Windkraftmaschine mit vertikaler Achse nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Blatthalterung (5) in der ein oder mehrere Blätter (2) (3, 4) und Kegelräder, Zahnräder oder Zahnscheiben gelagert sind, auf einem ste henden Turm drehbar angebracht ist.

9. Windkraftmaschine mit vertikaler Achse nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Blätter (2, 3, 4) mit Solarzellenmaterial zur gleichzeitigen Erzeugung von Solar strom überzogen werden.