DE19603982A1

DE19603982A1 - Vertical axle wind power generator

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

Abstract

The generator has one or more blades (2,3,4) which encircle its axle (12). Each blade rotates a half circle about its own axle (19) in the same direction as the generator, for each full rotation that the generator makes. When the blades move with the wind, they present an angle greater than 45 deg to the wind's direction, and when they move into the wind, they present an angle less than 45 deg . Preferably, as the generator turns, it rotates a bevel gear (16) via another, central upright, bevel gear (15). The first bevel connects to yet another bevel gear (17), through a shaft (23), which drives a final bevel gear (18) with double the number of teeth of the central one. This final bevel gear is connected to a blade (3). The other blades are connected to similar bevels (18',18").

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.Wind turbines are divided according to the position of the axis in vertical and horizontal axis machines and after Use of wind power in wind pressure and buoyancy machines. Have vertical axis machines that work with wind pressure the disadvantage that the move against the wind direction leaves have a braking effect. Furthermore the wind pressure decreases for the downwind moving leaves due to the lower relative speed wind speed. The torque to be achieved is at same sheet size much larger for buoyancy machines nen, which is why buoyancy machines are practical could enforce the application. Wind turbines after the buoyancy method work, but have the disadvantage that complicated sheets are made in the shape have to. Due to the extreme load only high quality come Materials used. Have horizontal axis machines especially the disadvantage that it depends on the wind direction have to be rotated. This is complicated Tower structure. Here are the additional difficulties of Cable routing (slip rings) must be observed.

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.The mounting of the rotor blades is complicated because the most machines the blades are adjusted when the Wind strength changes, or storms arise. The Darrieus rotor and the majority of the vertical axis machines are running not by itself when the wind comes up. Even with Hori Zontalaxis machines is the start-up when it comes up Wind problematic. That is too close to the horizontal axis torque achieved only low. Therefore have to take a long time Sheets are used and the lineup required area is relatively large.

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.In the invention, a wind turbine with a vertical axis 12 is described, which eliminates the majority of the disadvantages described above: In the wind turbine, according to the invention, the blades 2 , 3 , 4 are fixed by brackets 5 so that the material loads are lower and consequently follow simpler and cheaper sheets can be used. Appropriate shaping means that both the wind pressure and the buoyancy can be used. If a special shape of the blades for the use of the buoyancy is dispensed with in order to save costs, a high torque is achieved solely by wind pressure by using blades with large areas. Even if the blades 2 , 3 , 4 move counter to the wind direction during their rotation about the vertical axis 12 , a positive torque is generated. The blade holders 5 are directly connected to the rotating tube 1 . By rotating the entire tube 1 gear, generator and power supply can be installed on the ground. The disadvantage of the horizontal axis machines complicating the complicated tracking when the wind direction changes is weakened according to the invention, because the adjustment of the blades when the wind direction changes is done only by the rotation of the wind vane 14 , which is centered in the vertical salmon 12 with the gear 6 (the toothed disc 20 , the bevel gear 15 ) connected is. This results in simplifications for the tower structure and the problem of complicated cable routing does not exist. The wind turbine described in the invention starts at rising wind from any direction, since the blades are adjusted by rotating the wind vane in the wind direction. The wind turbine can also be set up in a confined space.

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.The wind turbine has three blades (wings) 2 , 3 , 4 (see Fig. 1a) orbiting the vertical axis 12 . For this purpose, the sheet reinforced at its upper and lower ends is rotatably supported in the sheet holders 5 , which are firmly connected to the tube 1 (see FIG. 1b). By rotating the tube 1 , the blades 2 , 3 , 4 circle the axis 12 and additionally rotate about their own vertical axis 19 . During a rotation around the axis 12 , the blade rotates half a turn in the same direction about the axis 19 . In the blade holder 5 are the bearings of the gears (bevel gears, pulleys), with the help of which the blades are rotated. The force required for the forced rotation is low because the wind acts on the sides of the vertical axis of rotation 19 of the blades. When the blade 2 ( 3 , 4 ) rotates around the vertical axis 12 , the blade moves in the wind direction and counter to the wind direction. When moving in the wind direction, the angle between the blade and the wind direction w is greater than 45 °, ie the blade faces the wind with its broad side. If the blade moves against the wind direction, the angle between the blade and the wind direction is always less than 45 °. This is shown in Fig. 2. In positions h to l the blade runs against the wind direction w. Here it is primarily against the wind with its narrow side. In positions b to f the blade runs in the wind direction w. In these positions, it faces the wind with its broad side. A torque which is opposite to the rotary movement of the wind turbine only arises in the positions close to j. Here, the sheet with its narrowest side faces the wind, so that there is only a slight resistance to the wind. In all other positions (also in positions h to i and k to l) a torque acting in the direction of rotation is generated. This almost eliminates an inherent disadvantage of the wind pressure machines of the counteracting torque in the blade movement against the wind direction. To reduce friction, the rotating tube is held by bearings 10 (see Fig. 1b). In the foundation room 11 , the gearbox, the generator and the network supply system can be accommodated.

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.The forced rotation of the blades is carried out by the wind power machine itself without an additional motor. It can be done in different ways. In Fig. 3 a forced rotation is shown by means of gears. The rotating and connected to the blades gears 8 ( 8 ', 8 '') have twice the number of teeth as the standing central gear 6th The gear 7 ( 7 ', 7 '') engages in its circumference of the vertical axis 12 in the standing central gear 6 and rotates the gear 8 ( 8 ', 8 ''). The positive control can also take place with toothed pulleys 20 , 21 , 22 and toothed belts 13 , as shown in FIG. 4. The toothed belt guides the blades elastically and prevents "fluttering", as would be possible in gusty wind due to the play of intermeshing gears. The toothed disk 21 , 22 is a double toothed disk. The toothed belts 13 shown are arranged in two planes. The central toothed disk 20 does not rotate. The toothed disks 21 and 22 ( 22 ', 22 '') encircle the vertical axis 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).In the event of a change in wind direction (e.g. from w to w '), the blades are adjusted by rotating the central toothed disc 20 (central toothed wheel 6 , central bevel gear 15 ) at the correct angle to the wind direction. When the wind rotates by the angle α, the blades 2 , 3 , 4 must be rotated by an angle α / 2 about their axis. For this purpose, a wind vane 14 can be attached to the central toothed disc 20 (on the central toothed wheel 6 , central bevel gear 15 ). This wind vane rotates after the wind and rotates the central toothed disk 20 (the central gear 6 , central bevel gear 15 ). This will move the leaves. The rotation of the blades in accordance with the wind direction can also take place by rotating the central gear 6 by means of an additional drive via the gear 9 (see 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.If the distance of the blades 2 , 3 , 4 from the vertical axis 12 is very large, the forced rotation can take place via bevel gears, as shown in FIG. 6. When it rotates around the vertical axis 12 , the bevel gear 16 engaging the standing central bevel gear 15 rotates via the shaft 23 and the bevel gear 17 the bevel gear 18 connected to the blade 2 ( 3 , 4 ).

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.The forced rotation of the blades 2 , 3 , 4 is also possible (see Fig. 5) by the gears connected to the blades 8 , 8 ', 8 ''are rotated by a rotating in the direction of rotation of the Windkraftmaschi ne central gear 6 . The toothed wheel 6 is driven by the transmission at one and a half times the speed of the wind turbine when the gears 8 , 8 ', 8 ''and 6 have the same size.

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.For very large systems, a tower 1 is built instead of the rotating pipe 1 . The leaves can also be kept in an H-shape (see Fig. 7). The gear wheels or toothed pulleys with toothed belts are mounted in the rotating blade holder 5 . The bearings of the blades are also located in the blade holder 5 . The blades can turn around their own axis and are forced to rotate by the gears or toothed pulleys with toothed belts. Gear and genera tor are not shown in Fig. 7.

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.If the wind turbine works primarily with wind pressure, large areas for the blades 2 , 3 , 4 are to be used to achieve a high torque. These areas can be used to generate solar power at the same time by covering them with solar cell material.

BezugszeichenlisteReference list

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 1 pipe, tower
2 sheets, wings
3 sheets, wings
4 sheets, wings
5 blade holder
6 central, stationary gear
7 gear
8 gear
9 gear
10 bearings
11 foundation space
12 vertical axis of the wind machine
13 timing belts
14 wind vane
15 central, standing bevel gear
16 bevel gear
17 bevel gear
18 bevel gear
19 vertical axis of the leaves
20 central, standing tooth lock washer
21 tooth lock washer
22 tooth lock washer
23 wave

Claims

1. A wind turbine with a vertical axis, characterized in that one or more blades ( 2, 3, 4 ) orbit the vertical axis ( 12 ), and with a circumference half a turn in the same direction of rotation about its own vertical axis ( 19th ) lead fully such that they move at an angle greater than 45 ° to the wind direction when moving in the wind direction and an angle less than 45 ° when moving against the wind direction.

2. Wind machine with a vertical axis according to claim 1, characterized in that the rotation of the bevel gear ( 16 ), caused by the circumference of the central, standing bevel gear ( 15 ), by shaft ( 23 ) and bevel gear ( 17 ) on the Ke gelrad ( 18 ) is transmitted, whereby the with the bevel gear ( 18 ) ( 18 ', 18'' ), which has twice the number of teeth as the central bevel gear ( 15 ), connected blades ( 2 ) ( 3, 4 ) during a circumference of the central vertical axis ( 12 ) half a turn around its own vertical axis ( 19 ).

3. A wind turbine with a vertical axis according to claim 1, characterized in that the intermediate gear ( 7 ) engages in two gears ( 6 ) and ( 8 ) such that it encircles the vertical gear ( 6 ) centered and standing in the vertical axis ( 12 ) and the gear ( 8 ) ( 8 ', 8'' ) connected to the sheet ( 2 ) ( 3, 4 ), which has twice the number of teeth as the central, standing gear ( 6 ), rotates.

4. A wind turbine with a vertical axis according to claim 1, characterized in that the vertical toothed pulley ( 20 ) centered in the vertical axis ( 12 ) is provided by a toothed belt ( 13 ) connected to it with a double number of teeth provided with a toothed pulley ( 22 ) having a Toothed washer ( 21 ) is connected, orbiting and the rotation of the toothed disks connected by Zahnrie men ( 21, 21 ', 21'' ), which are connected to the blades ( 2, 3, 4 ), is transmitted.

5. A wind turbine with a vertical axis according to claim 1 to 4, characterized in that the adjustment of the blades ter ( 2, 3, 4 ) occurs when the wind direction changes by centering on the rotatably mounted in the vertical axis ( 12 ) central bevel gear ( 15 ) or on the central gear ( 6 ) or on the central toothed disk ( 20 ) a wind vane is attached which rotates after the wind and thus adjusts the blades ( 2, 3, 4 ).

6. A wind turbine with a vertical axis according to claim 1, characterized in that the gear ( 8 ), ( 8 ', 8'' ) connected to the blade ( 2 ) ( 3, 4 ) encircling the vertical axis ( 12 ), engages in the central gear ( 6 ) and the central gear rotates at a higher speed in the same direction of rotation as the wind machine, such that when the wind machine rotates about the vertical axis ( 12 ), the blade ( 2 ) ( 3, 4 ) makes a half turn around its own vertical axis ( 19 ).

7. Wind machine with a vertical axis according to claim 1 to 6, characterized in that the tube ( 1 ) on which the blade holder ( 5 ) for one or more blades ( 2 ) ( 3, 4 ) is firmly attached to your own Vertical axis ( 12 ) rotates.

8. A wind turbine with a vertical axis according to claim 1 to 6, characterized in that the blade holder ( 5 ) in which one or more blades ( 2 ) ( 3, 4 ) and bevel gears, gears or toothed disks are mounted, rotatable on a standing tower is appropriate.

9. Wind machine with a vertical axis according to claim 1 to 8, characterized in that the blades ( 2, 3, 4 ) are coated with solar cell material for the simultaneous generation of solar electricity.