DE19741495A1

DE19741495A1 - Windkraftvorrichtung mit Darrieus-H-Rotor

Info

Publication number: DE19741495A1
Application number: DE19741495A
Authority: DE
Inventors: Egon Gelhard
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-09-19
Filing date: 1997-09-19
Publication date: 1999-03-25

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftvorrichtung mit Darrieus-H-Rotor mit zur Drehachse parallelen Rotorblättern aus Blech-Hohlprofilen insbesondere aus Aluminium.

Windkraftanlagen mit Darrieus-H-Rotor sind bei hohen Windgeschwindigkeiten erheblichen Biege- und Schwingungsfrequenzen ausgesetzt. Um diese angreifenden Kräfte schadlos zu überstehen, wurden derartige Windkraftanlagen bislang konstruktiv sehr massiv ausgelegt. Diese Vorgehensweise erwies sich in der Praxis als nachteilig, da dies zu einer Minderung des Wirkungsgrades der Anlagen führte. Ferner waren derartige Anlagen durch ihr hohes Eigengewicht teuer und konnten durch ihr hohes Gewicht nur mit verhältnismäßig großem Aufwand aufgebaut werden. Aus diesem Grund haben sich Windkraftanlagen mit Darrieus-H-Rotor auf dem Markt für Windkraftanlagen nicht mit dem erhofften Umfang durchsetzen können. Dies trifft insbesondere für Europa zu.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Windkraftanlage der oben genannten Art zu schaffen, die in ihrem Wirkungsgrad verbessert ist und dennoch nicht durch die auftretenden Biege- und Schwingungsfrequenzen negativ beeinflußt wird und darüber hinaus leicht errichtet werden kann.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung soll ferner erreicht werden, daß sich die Windkraftanlage selbständig auf die entsprechende Windgeschwindigkeit einstellt, d. h. es sollen Steuerorgane vorgesehen werden, die die Windkraftanlage bis hin zu einem Sturm, automatisch auf die entsprechende Drehgeschwindigkeit regeln.

Der erfinderische Gedanke wird durch die angefügten Ansprüche gelöst.

In folgenden Figuren sind die erfindungsgemäßen Gedanken anhand von Beispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Rotorblatt 1 und eine Speiche 6, die mit Füllmaterial 3 ausgeschäumt sind. Hierzu ist ein Schaumstoff, der in der Temperatur belastbar ist, am besten geeignet. Durch dieses Ausschäumen erhält das Rotorblatt die notwendige Formstabilität und damit eine sehr hohe Biegebeiastbarkeit und dies bei sehr geringem Gewicht des Rotorblattes 1. Die Speiche 6 hat einen elliptischen Querschnitt und ist in der Mitte auf der gesamten Länge durch einen Holm 7 verstärkt. Das Rotorblatt 1 ist an der breitesten Stelle des Querschnittes, ebenfalls auf der gesamten Länge, durch einen weiteren Holm 9 verstärkt. Das Rotorblatt 1 besteht aus einem Blechstreifen 2. Hier dürfte sich ein Alu-Blech als sinnvoll erweisen, da man hierdurch ein besonders leichtes, aber dennoch belastbares Rotorblatt 1 erhält. Um eine Materialschwächung des Rotorblattes 1 an der Befestigung zu vermeiden, hat die Speiche 6 an der dem Rotorblatt 1 zugewandten Seite eine Gabel 8, die an den Enden des Rotorblattes 1 von Zapfen 4 gehalten wird. Zur Versteifung des Rotorblattes 1 sind die Zapfen 4 mit einem Rohr 5 verbunden.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch das Rotorblatt 1, die Speiche 6 und eine zusätzliche Speiche 18 sowie das Rohr 5, das in dieser Ansicht mit 14 bezeichnet ist. Im Bereich des Rohres 5/14 befindet sich das Füllmaterial als Füllstoff mit starker Verdichtung 15, während sich in den übrigen Bereichen ein Füllstoff mit niedriger Verdichtung 16 befindet.

Um bei Anlagen mit höheren Leistungen sich bildende Biege- und Schwingungsfrequenzen nicht in den kritischen Bereich kommen zu lassen, ist das Rotorblatt 1 halbiert. Die beiden Enden des Rotorblattes 1 sind in diesem Fall durch ein elastisches Teil 17 miteinander verbunden. Dieses elastische Teil 17 könnte zum Beispiel ein Formteil aus EPDM sein. Das elastische Teil 17 ist an einer Hilfsspeiche 18 befestigt, um eine Fixierung der Rotorblatthälften zueinander zu gewährleisten. Somit liegt die Hilfsspeiche 18 mittig zwischen den beiden Speichen 6.

Fig. 3 zeigt einen Teleskop-Mast mit Rotor 10, bestehend aus Tragrohren 24, durch die das innere Antriebsrohr 11, 12, 13 mit Steckverbindungen 21 verläuft. Dieses innere Antriebsrohr 11, 12, 13 ist mit inneren und äußeren Verzahnungen versehen und überträgt die Drehkräfte, ähnlich wie dies durch Verwendung von Steckachsen in der Kraftfahrzeugindustrie geschieht. Hierdurch wird eine sehr leichte Montage ermöglicht. Durch die relativ geringe Drehzahl können Kunststoff-Gleitlager 22 verwendet werden, die aus Halbschalen bestehen, wie dies auch bei Pleuellagern der Fall ist. An den Zwischenlagern 20 und an dem Stützlager 23 sind Aufnahmen angebracht, an die zum Beispiel Stahlseile befestigt sind, die den Teleskop-Mast in seiner senkrechten Stellung halten sollen. Der Teleskop-Mast ist mit einer schwenkbaren Fundamentbefestigung 19 versehen, wodurch der Teleskop- Mast abgeknickt werden kann.

Fig. 4 zeigt das Rotorblatt 1 mit einer schwenkbaren Klappe 25, die bei diesem Ausführungsbeispiel von einem Miniatur-Getriebe-Motor 26 über eine Gewindespindel 27 und ein Spezialgelenk 28 betätigt wird. Diese Betätigung erweist sich dann als besonders sinnvoll, wenn die Windkraftanlage für höhere Leistungen ausgelegt ist. In Abhängigkeit von der Windrichtung und Windgeschwindigkeit werden die Klappen 25 gesteuert. Dies kann durch einen Exzenter oder eine Elektronik geschehen. Hierzu befindet sich oben auf der Rotornabe eine Lagerung zur Aufnahme der Meßdaten für die Windrichtung und für die Windgeschwindigkeit. Diese Meßdaten dienen als Grundlage zur Steuerung der Klappen 25.

Fig. 5 zeigt ein Schwenklager 32 mit zwei Kupplungshälften 29 und 30 und einer Scheibenbremse 33. Ein Stützlager 31 ist mit dem unteren Teil des Schwenklagers 32 verbunden, während die obere Hälfte mit dem Rotor 10 verbunden ist. Durch das Schwenklager 32 kann der Rotor 10, bei abgeknicktem Teleskop-Mast, über die Fundamentbefestigung 19 in der Senkrechten gehalten werden. Mit der Scheibenbremse 33 kann der Rotor arretiert werden. Die Scheibenbremse 33 dient ferner der Erfüllung der Vorschrift der zweiten Bremse. Als Arbeitsbremse dient eine eingebaute Pumpe.

Fig. 6 zeigt schematisch die Rotorblätter 1 mit den schwenkbaren Klappen 25 und Endklappen 34, die zur Verbesserung der Aerodynamik dienen. Da Windkraftanlagen häufig in unwegsamen Gebieten errichtet werden müssen, ist das erheblich geringere Gewicht der erfindungsgemäßen Anlage von großer Bedeutung. Diese Anlage kann nämlich durch seine Ausführung im Baukastensystem mit seinem Teleskop-Mast auf sehr einfache Weise in Baugruppen zerlegt werden, um ohne Kranwagen transportiert und vor Ort, ebenfalls ohne Kranwagen, errichtet zu werden.

Die Wartung dieser Windkraftanlage ist ebenfalls sehr einfach, da die Lager des Teleskop-Mastes wartungsfrei sind und sich die Baugruppen wie Motor Getriebe, Generator etc. auf dem Fundament befinden und somit für eine Wartung oder einen Tausch leicht zugänglich sind.

Es handelt sich um eine völlig neue Konstruktion der Rotorblätter, der Speichen und Naben. Erst hierdurch ist es möglich geworden, das Gesamtgewicht der Windkraftanlage erheblich zu reduzieren und damit die beschriebenen Vorteile zu erzielen.

Durch die Halbierung des Rotorblattes mit seinem elastischen Verbindungsteil wird die Übertragung der Biege- und Schwingungsbelastungen weitgehend verhindert. Diese Überlagerung der Biege- und Schwingungskräfte führte in der Vergangenheit bei den größeren Darrieus Windkraftanlagen zu den bekannten Problemen und damit zum Bruch der Rotorblätter.

Claims

1. Windkraftvorrichtung mit einem Darrieus-H-Rotor mit zur Drehachse parallelen Rotorblättern aus Blech- Hohlprofilen, insbesondere aus Aluminium, dadurch gekennzeichnet, daß das Innere der Hohlprofile mit einem erhärteten Material geringen Gewichtes, insbesondere mit einen erhärteten Schaum ausgefüllt ist.

2. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial aus Kunststoff, Gummi und/oder Glas besteht.

3. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial elastisch ist.

4. Windkraftvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte das Füllmaterials insbesondere des Kunststoffschaumes zu den Befestigungsstellen, der die Rotorblätter tragenden Speichen hin, zunimmt.

5. Windkraftvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichen aus Hohlprofilen bestehen, die mit Schaum aus Kunststoff oder Glas gefüllt sind.

6. Windkraftvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Schaum verstärkende Teile als Bewehrungen, insbesondere in Form von Metallprofilen, Fasern oder Bändern ein liegen.

7. Windkraftvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Rotorblatt in Höhe der Befestigungsstelle einer Speiche eine von dem Blech- Hohlprofil freie Stelle aufweist und das Speichenende an das Füllmaterial des Rotorblattes befestigt ist.

8. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial des Rotorblattes einen seitlichen Vorsprung bildet, der in das Innere der Speiche hinein ragt.

9. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial im Bereich der am Füllmaterial befestigten Speiche aus Gummi insbesondere aus EPDM besteht.

10. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Profil freie Stelle mittig zwischen den beiden Enden des Rotorblattes liegt.

11. Windkraftvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte Rotorblatt im oberen und unteren Bereich jeweils von mindestens einer tragenden Speiche gehalten ist und im Bereich der freien Stelle mindestens eine weitere zusätzliche Speiche befestigt ist, die Biegungen und/oder Schwingungen verringert.

12. Windkraftvorrichtung mit einem Darrieus-H-Rotor mit zur Drehachse parallelen Rotorblättern, die über Speichen an einer mittigen parallelen Drehachse befestigt sind dadurch gekennzeichnet, daß an dem äußeren Ende der Speiche eine zweiarmige Gabel befestigt ist, die zwischen ihren Armenenden das Rotorblatt hält.

13. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Armende an der Vorderkante und das andere Armende an der Rückseite des Rotorblattes, insbesondere über Zapfen befestigt ist.

14. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß in Höhe der Gabel das Rotorblatt innen von einem stabilisierenden Querteil insbesondere einem Rohr oder einem Stab durchquert ist, an dessen beiden Enden jeweils ein Gabelende befestigt ist.

15. Windkraftvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gabelenden über jeweils ein Gelenk an dem Rotorblatt befestigt sind.

16. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 14 oder 15 dadurch gekennzeichnet, daß im Rotorblatt längs Bewehrungen einliegen, die beidseitig des Querteils angeordnet sind.

17. Windkraftvorrichtung mit einem Darrieus-H-Rotor mit zur Drehachse parallelen Rotorblättern, die über Speichen an einer mittigen parallelen Drehachse befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse eine innere Lagerachse aufweist, auf der eine äußere koaxiale Hohlwelle gelagert ist, an der die Rotorblätter über die Speichen und insbesondere über weitere Befestigungsmittel wie Zylinder befestigt sind, wobei die Hohlwelle in einzelne Teilwellen aufgeteilt ist.

18. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerachse in einzelne Teilachsen aufgeteilt ist.

19. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Teile der Lagerachse und/oder der Hohlwelle durch lösbare Verbindungen, insbesondere durch Steckverbindungen aneinander befestigt sind.

20. Windkraftvorrichtung mit einem Darrieus-H-Rotor mit zur Drehachse parallelen Rotorblättern, an deren Enden angelenkte Klappen als Starthilfe und/oder zur Drehzahlregelung befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappen durch einen elektrischen oder hydraulischen Antrieb zu ihrem Verschwenken steuerbar sind.

21. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 20 dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb mit der Klappe über eine Stange verbunden ist, die an der Klappe angelenkt ist.

22. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange eine Gewindespindel bildet oder aufweist, die durch einen Elektromotor, insbesondere über ein Getriebe angetrieben ist.

23. Windkraftvorrichtung mit einem Darrieus-H-Rotor mit zur Drehachse parallelen Rotorblättern, die über Speichen an einer mittigen Welle befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Ende der Welle über eine Reibkupplung an einer insbesondere koaxialen unteren Antriebswelle angekuppelt ist.

24. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung zwei zueinander und zu den Wellen koaxiale Reibscheiben aufweist.

25. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Welle gegenüber der unteren Welle um eine Achse verschwenkbar ist, durch die das Verschwenken der oberen Welle zu einem Außereingriff der Kupplung führt.

26. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse in der Berührungsebene der zwei Reibscheiben liegt.

27. Windkraftvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Welle durch eine Bremse insbesondere durch eine Scheibenbremse abbremsbar ist.

28. Windkraftvorrichtung mit einem Darrieus-H-Rotor mit zur Drehachse parallelen Rotorblättern, dadurch gekennzeichnet, daß an den oberen Enden der Rotorblätter Endflächen angeordnet sind, die die Seitenabmessungen des Rotorblattes an mindestens zwei Seiten insbesondere rundum überragen.

29. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse des Rotorblattes lotrecht zur Endfläche ist.

30. Windkraftvorrichtung mit einem Darrieus-H-Rotor mit zur Drehachse parallelen Rotorblättern, an der unteren und/oder oberen Enden angelenkte Klappen als Starthilfe und/oder Drehzahlregelung befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappen zur Drehzahlregelung und/oder als Sturmbremse während einer einzigen Rotorumdrehung von einer ersten Stellung in eine zweite Stellung und wieder zurück in die erste Stellung schwenkbar sind.

31. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß zum ständig erneuten Verschwenken der Klappen pro Rotorumdrehung Schwenksteuermittel an den Rotorblättern angeordnet sind.

32. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenksteuermittel einen in der Mitte des Rotors angeordneten Exzenter und Übertragungsmittel insbesondere Gestänge von dem Exzenter zu den Klappen aufweisen.

33. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenksteuermittel elektrische oder hydraulische Steuer- und/oder Übertragungsmittel aufweisen.