DE8900730U1 - Windkraftvorrichtung - Google Patents

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Windkraftvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Windkraftvorrichtungen der hier angesprochenen Art laufen die Flügel in eine»· horizontalen Ebene um. Demzufolge ist es nicht erforderliche, die Flügel in eine auf die vorherrschende Windrichtung abgestimmte Position zu bringen. Daher können die hier angesprochenen Windkraftvorrichtungen relativ einfach aufgebaut sein, wodurch sie ein relativ geringes Gewicht aufweisen und kostengünstig in der Herstellung sind.

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Nachteilig an Wircdkraftvorrichtungen der hier angesprochenen Art ist jedoch, daß jeder Flügel bei einem vollkreisigen Umlauf etwa über den Bereich eines Halbkreises sieb, gegen die Windrichtung zurückbewegen muß. Die Leistungsausbeute bei Windkrafteinrichtungen der hier angesprochenen Art hängt somit von der Differenz des Windwiderstandes der vom Wind angeströmten Vorderseite der Flügel und der beim Rücklauf gegen den Wind sich bewegenden Rückseite der Flügel ab.

Bei bekannten Windkraftvorrichtungen der gattungsgemäßen Art sind die Flügel aus gebogenen Platten hergestellt, wodurch das rückseitige Profil - abgesehen von der entgegengesetzten Wölbung - zwangsläufig dem vorderseitigen Profil der Flügel entspricht. Das führt zu einer begrenzten Strömungswiderstandsdifferenz, aufgrund derer sich bei den bekannten Windkraftvorrichtungevi nur mäßige Wirkungsgrade erzielen lassen.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfach aufgebaute Windkraftvorrichtung mit einem gegenüber bekannten Windkraftvorrichtungen dieser Art verbesserten Wirkungsgrad zu schaffen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Windkraftvorrichtung mit den Merkmaien des Anspruchs 1. Durch die Ausbildung der Flügel als dreidimensionale Körper und die daraufhin mögliche, unterschiedliche Gestaltung der sich gegenüberliegenden Anströmflächen, läßt sich in wirkungsvoller, aber einfacher Weise die Windwiderstandsdifferenz zwischen der <ie:,\ Wind zugewandten und dem Wind weggewandten Anströmfläche der Flügel vergrößern. Dadurch entsteht ein deutlich besserer Wirkungsgrad der erfindungsgemäß ausgebildeten WinHkraftvorrichtung.

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Zweckmäßigerweise ist eine Anströmfläche, und zwar die zur Windangriffsseite gerichtete Anströmfläche jedes Flügels konkav ausgebildet und die gegenüberliegende Anströmfläche etwa konvex gewölbt, wobei die letztgenannte Wölbung größer ist als die konkave Wölbung der zur Windangriffsrichtung weisenden Anströmfläche. Auf diese Weise kommt die dreidimensionale, körperliche Gestalt der Flügel durch die unterschiedlich starken Wölbungen zwangsläufig zustande, ohne daß zwischen den benachbarten Anströmflächen nennenswerte horizontal gerichtete 10

Körperwandungen erforderlich sind.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Windkraftvorrichtung erstreckt sich die konkave Wölbung der dem Windangriff ausgesetzten Anströmfläche jedes Flügels in zwei,

vorzugsweise senkrecht zueinä/ider verlaufenden Richtungen. Die dem Wind zugerichtete Seite jedes Flügels ist damit mit einer etwa schüsselartigen Wölbung versehen. Zeckmäßigerweise verfügen die beiden rechtwinklig zueinander verlaufenden Wölbungen über unterschiedliche

Radien, so daß die konkave Anströmfläche an der dem Wind zugerichteten Seite jedes Flügels eine gestreckte (längliche) Schüsselform aufweist.

Die konvexen Anströmflächen der Flügel sind bei einem 25

bevorzugten Ausführungsbeispiel der Windkraftvorrichtung mit einer parabelförmigen Wölbung versehen. Dadurch läuft diese beim Rücklauf jedes Flügels gegen die Windrichtung sich bewegende Seite über ein recht schlanke?,

etwa V-förmiges Profil, das über einen relativ geringen 30

Windwiderstand verfügt.

Weiterhin wird vorgeschlagen, die Flügel an einer Stirnseite mit Achsstummeln zu versehen, die eine Verdrehbarkeit der über ihre Achsstummel mit dem Treibkopf verbundenen Flügel gewährleistet, und zwar vorzugsweise synchron. Durch diese Verdrehbarkeit der Flügel ist es möglich, ihren Anstellwinkel zum Windeinfall zu verän-

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dern, wodurch sich die Druckdifferenz zwischen den windzugerichteten und den windweggerichteten Anströmflächen der Flügel verringert. Dadurch kann die erfindungsgemäße Windkraftvorrichtung besonders einfach und wirkungsvoll an herrschende Windbedingungen angepaßt werden, derart, daß mit zunehmendem Wind durch Verschwenken der Flügel die Drehzahl der Windkraftvorrichtung verringert bzw. konstant gehalten werden kann.

Alternativ ist es denkbar, nur einen Teil der i lügel zu

verstellen, wenn die Drehzahl der Windkraftvorrichtung verändert oder geregelt werden soll. Eine einfache Möglichkeit zur Stillsetzung der gesamten Windkraftvorrichtung bietet sich dann, wenn bei einer geraden Anzahl von Flügeln jeder zweite Flügel um 180° umgedreht wird. Es ist dann die Summe der an den Flügel angreifenden Windkräfte gleich Null, so daß auch bei stärkerem Wind die Windkraftvorrichtung stillsteht.

Schließlich wird vorgeschlagen, die Flügel aus einem

vorzugsweise aus Kunststoff gefertigten Hohlkörper herzustellen, der aus Stabilitätsgründen gegebenenfalls ausgeschäumt sein kann. Derartige Flügel lassen sich einfach, insbesondere in großen Mengen, rationell fertigen,

beispielsweise im Blasverfahren.
25

Zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Windkraftvorrichtung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine schematisch dargestellte, teilweise geschnittene Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Windkraftvorrichtung,

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Fig. 2 einen Horizontalschnitt 11 &mdash; 11 durch die Vorrichtung gemäß der Fig. 1 mit Blick auf vier
kreuzweise angeordnete Flügel,

Fig. 3 einen vergrößert dargestellten Schnitt III-III
5

durch den sich in Normalposition befindenden

Flügel,

Fig. 4 der Flügel in einer Darstellung gemäß der

Fig. 3, jedoch in einer verstellten Position,
und

Fig. 5 einen mittigen Vertikalschnitt durch ein

zweites Ausführungsbeispiel der Windkraftvorrichtung.

Die gezeigten Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Windkraftvorrichtung mit vier gleichermaßen ausgebildeten, kreuzartig in einer horizontalen Ebene liegend einem vertikalen Treibkopf 10 zugeordneten Flügeln 11.

Die Windkraftvorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels (Fig. 1 bis 4) ist am oberen Ende eines aufrechten, stillstehenden Tragrohrs 12 montiert, wobei anstatt des Tragrohrs 12 selbstverständlich auch andere Tragorgane, beispielsweise gerüstähnliche Konstruktionen, Verwendung finden können.

Mit dem stillstehenden Tragrohr 12 ist ein Treibkopf 10

über ein entsprechendes Lager, das hier als Axialrillen-30

kugellager 13 ausgebildet ist, verbunden, und zwar derart, daß eine Drehachse 41 des Treibkopfes 10 eine aufrechte Längsmittelachse 14 des Tragrohrs 12 nach oben hin verlängert. Der Treibkopf 10 verfügt an seinem

zum Tragrohr 12 gerichteten (unteren) Ende über eine 35

kastenförmige Nabe 15, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einer quadratischen Grundfläche versehen ist und über vier gleich große, aufrechte Seitenwände 16

&igr;&igr;>· ·

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und eine obere, horizontale Abdeckplatte 17 verfügt.

Etwa mittig in jeder Seitenwand 16 der Nabe 15 ist ein Flügel 11 an einem aus jeweils einer Stirnseite 18 desselben herausragenden Achsstummel 19 drehbar gelagert in 6

einer entsprechenden Lagerbuchse 20 an der jeweiligen

Seitenwand 16. In der Lagerbuchse 20 ist vorzugsweise mindestens ein in den Zeichnungen nicht dargestelltes Lager, vorzugsweise ein Radiairillenkugel lager , angeordnet zur leichteren Verdrehung der Flügel 11.
10

Die Flügel 11 sind in erfindungsgemäß besonderer Weise gleichermaßen als dreidimensionale Körper, nämlich in den vorliegenden Ausführungsbeispielen als Hohlkörper

21, ausgebildet. Diese sind vorzugsweise einstückig aus 15

Kunststoff hergestellt und - wie in den gezeigten Ausführungsbsispielen - im Inneren mit einer Ausschäumung 22 versehen.

Die Flügel 11 weisen erfindungsgemäß eine besondere Ge-20

stalt auf. Demnach sind die in Arbeitsposition der Flügel 11 zur Bildung von Anströmflächen dienenden, gegenüberliegenden Wandflächen 23 bzw. 24 unterschiedlich gestaltet. Die durch den Pfeil 25 (Fig. 2 bis 4) angedeutete, der Windangriffsrichtung zugerichtete &ogr;

Wandfläche 23 jedes Flügels 11 ist konkav ausgebildet, nämlich im Querschnitt der Flügel 11 gesehen (Fig. 3 bzw. 4) mit einer kreisbogenförmigen Wölbung 26 versehen. Bei den hier gezeigten Flügeln 11 ist quer zur Wölbung 26, also in Längsrichtung der Flügel 11, eine weitere kreisbogenförmige Wölbung 27 vorhanden. Letztere verfügt über einen größeren Wölbungsradius als die in Querschnittsrichtung der Flügel 11 verlaufende kreisbogenförmge Wölbung 26, die demnach über einen kleineren

Krümmungsradius verfügt. Demzufolge sind die der Wind-35

angriffsrichtung 25 zugerichteten Wandflächen 23 in um

90° versetzten Ebenen gewölbt, wodurch diese eine längliche Schüsselform erhalten. Die der Windangriffs-

richtung 25 weggerichteten Wandflächen 24 der Flügel 11 sind konvex ausgebildet, indem diese im Querschnitt gesehen einen etwa parabolförmigen Verlauf aufweisen, also annähernd V-förmig spitz ausgebildet sind.

-M

Durch die unterschiedlich ausgebildeten Wandflächen 23, % 24 jedes Flügels 11 ist die Differenz der Luftangriffswiderstände der gegenüberliegenden Wandflächen 23, 24 größer als bei bekannten Windkraftvorrichtungen dieser Art, wodurch die erfindungsgemäße Windkraftvorrichtung ' über einen günstigen Wirkungsgrad verfügt. -,.

Im vorliegenden Ausi'ührungsbeispiel verfügen die Flügel 11 über einen etwa elliptischen Grundriß (in Draufsicht

gemäß der Fig. 2 gesehen). Demnach verjüngen sich die 15

Flügel 11 zu ihren entgegengesetzten Bnden hin.

An ihren zum Treibkopf 10 gerichteten Enden 28 sind die Flügel 11 mit einer in einer aufrechten Ebene liegenden

Abflachung 29 versehen. In jeder Abflachung ist eine zur 20

Wandfläche 23 hin gerichtete, außermittige Bohrung 30

vorgesehen zum Hineinstecken des Achsstummels 19 ins Innere jedes Flügels 11. Gehalten ist jeder Achsstummel 19 im Flügel 11 über einen längeren, den Flügel 11 zugeordneten Endbereich 31 des Achsstummels 19, dem hierzu 26

eine ins Innere des jeweiligen Flügels 11 hineinragende, längliche Lagerhülse 32 zugeordnet ist. Die Lagerhülse 32 ist einstückig an die jeweilige Abflachung 29 ins Innere des Flügels 11 hineinragend angeformt.

Beim gezeigten Ausführungsbeispiel (Fig. 1) sind alle vier Flügel 11 synchron verstellbar durch einen dem Treibkopf 10 zugeordneten Verstellantrieb, der im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel als an sicn bekannter Fliehkraftregler 33 ausgebildet ist. Dieser ist auf der Abdeckplatte 17 der Nabe 15 befestigt und verfügt über eine aufrechte Achse 34, deren Längsachse auf der Längsmittelachse 14 liegt. Auf der Achse 34 ist durch Flieh-

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kraftgewichte 35 in Abhängigkeit von der Drehzahl des Treibkopfes 10 eine Verstellbuchse 36 auf- und abbewegbar gelagert. Mit der Verstellbuchse 36 sind vier vertikale Steuerhebel 37 verbunden, von denen jeweils ein Steuerhebel 37 einem Flügel 11 zugeordnet ist. Dazu sind die ins Innere der Nabe 15 ragenden freien Enden 38 jedes Achsstummels 19 mit einem quergerichteten Verschwenkhebel 39 verbunden, dessen Ende 40 jeweils gelenkig an den jeweiligen Steuerhebel 37 angekuppelt ist.

Durch die vorstehend beschriebene Ausbildung des Fliehkraftreglers 33 erfolgt bei zunehmenden Drehzahlen der Flügel 11 durch ein Auswandern der Fliehkraftgewichte 35

aufgrund ihrer Schwerkraft nach außen ein Hochschieben 15

der Verstellbuchse 36 auf der Achse 34, wodurch über die Steuerhebel 37 und die Verschwenkhebel 39 die Flügel 11 gleichzeitig um ihre Längsachse (und die der Achsstummel 19) verdreht werden, wodurch die Wandflächen 23, 24 eine

geneigte Position zur Windangriffsrichtung 25 erhalten 20

(Fig. 4). Dadurch wird die Differenz der Strömungswiderstände an den sich gegenüberliegenden Wandflächen 23, 24 jedes Flügels 11 verringert und damit die Drehzahl der Windkraftvorrichtung bei zunehmender Windgeschwindigkeit entsprechend verringert. Durch ein Verdrehen der Flügel &ogr;

11 um 90 gegenüber der normalen (unverschwenkten) Arbeitsstellung (Fig. 3) kann die Windkraftvorrichtung vollständig stillgesetzt werden, da dann die Strömungswiderstandsdifferenz der gegenüberliegenden Wandflächen

23, 24 gleich Null ist.
30

Das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung (Fig. 5) unterscheidet sich von dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel durch die Verstelleinrichtung, die hier zwangsgesteuert ist, und zwar durch einen Druckmittel-&ogr;

zylinder 42. Dieser verschiebt die Verstellbuchse 36 auf der Achse 34 im aufwärts- bzw. abwärtsgerichteten Sinne, wodurch wiederum über Steuerhebel 37 und Verschwenkhebel

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39 die Flügel 11 synchron verstellbar sind. Die Steuerung des Druckmittelzylinders 42 (oder gegebenenfalls auch mehrerer Druckmittelzylinder) kann auch in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit unter Zuhilfenahme eines externen Windmessers erfolgen. Darüber hinaus kann der Druckmittelzylinder 42 zur Verstellung der Flügel 11 bei diesem Ausführungsbeispiel auch unabhängig von der Windgeschwindigkeit gesteuert werden, wenn beispielsweise für Wartungsarbeiten oder dergleichen die Windkraftvorrichtung stillgesetzt wurden soll. Ebenfalls kann auf diese Art und Weise die Windkraftvorrichtung in Abhängigkeit von der benötigten Energie gesteuert werden, also dann, wenn keine Energie benötigt wird, die Windkraftvorrichtung durch entsprechende Betätigung des Druckmitteliylinders 42 stillgesetzt werden.

Alternativ zu den gezeigten Ausführungsbeispielen ist es denkbar, eine andere Anzahl von Flügeln 11 zu verwenden,

und zwar gegebenenfalls auch eine ungerade Anzahl von 20

Flügeln 11. Darüber hinaus kann auch vorgesehen sein,

nur einen Teil der Flügel zu verstellen. Bei einer Windkraftvorrichtung mit vier Flügeln kann es so z. B. ausreichen, nur zwei Flügel zu verstellen. Eine solche Wind- kraftvorrichtung läßt sich stillsetzen, indem die beiden &ogr;

verstellbaren Flügel gleichzeitig um 180 gedreht werden und die beiden übrigen (unverstellbaren) Flügel ihre Position beibehalten. Dann heben sich die insgesamt auf die Flügel einwirkenden Windkräfte auf.

Schließlich können mehrere Gruppen mit wenigstens zwei

in einer horizontalen Ebene liegenden Flügeln mit Abstand übereinanderliegend einer gemeinsamen Drehachse zugeordnet sein. Zwischen den einzelnen Flügelgruppen

können dann gegebenenfalls stillstehende Leitbleche an-35

geordnet sein zur Vermeidung von eventuellen negativen gegenseitigen Störungsbeeinflussungen der Flügel unterschiedlicher Gruppen bzw. Ebenen.

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» 4

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Anmelder:

Kurt Tonne

Auf den Höhen 1

2830 Bassum 1

23. Januar 1989/4519 EIS-14-DE

B e &zgr; u g s &zgr; eichenliste :

10	Treibkopf	35 Fliehkraftgewichte
11	Flügel	36 Verstellbuchse
12	Tragrohr	37 Steuerhebel
13	Axialkugellager	38 freies Erde
14	Längsmittelachse	39 Verschwenkhebel
15	Nabe	40 Ende
16	Seitenwand	41 Drehachse
17	Abdeckplatte	42 Druckmittelzylinder
18	Stirnseite
19	Achsstummel
20	Lagerbuchse
21	Hohlkörper
22	Ausschäumung
23	Wandfläche
24	Wandfläche
25	Windangriffsrichtung
26	kreisbogenförmige
	Wölbung
27	kreisbogenförmige
	Wölbung
28	Ende
29	Abflachung
30	Bohrung
31	Endbereich
32	Lagerhülse
33	Fliehkraftregler
34	Achse

Claims (17)

&eegr; r ü c h e

1. Windkraftvorrichtung mit einem um eine vertikale Drehachse umlaufenden Treibkopf und wenigstens zwei dem Treibkopf zugeordneten, etwa gleich ausgebildeten Flügeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (11) als dreidimensionale Körper ausgebildet sind, und deren einander gegenüberliegende, quer zur Bewegung?richtung der Flügel (11) verlaufenden Anströmflächen (Wandflächen 23, 24) eine unterschiedliche Gestalt aufweisen.

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2. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anströmfläche (Wandfläche 23) jedes Flügels (11) konkav und die gegenüberliegende Anströmfläche (Wandfläche 24) konvex ausgebildet ist, wobei die Wölbung der konkav ausgebildeten Anströmfläche

(Wandfläche 23) kleiner als die Wölbung der gegenüberliegenden, konkaven Anströmfläche (Wandfläche 24) ist.

3. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die konkave AnsLiömflache der Flügel (11) durch eine Überlagerung zweier rechtwinklig zueinander verlaufenden Wölbungen gebildet ist.

4. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Radien der unterschiedlich gerichteten konkaven Wölbungen verschieden groß sind, insbesondere der Radius einer vertikal gerichteten Wölbung kleiner als der Radius der quer dazu (horizontal) verlaufenden Wölbung ist.

5. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die konvexe Anströmfläche (Wandfläche 24) der Flügel (11) parabelartig ausgebildet ist.

6. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 1 sowie einem 25

oder mehreren der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der die Flügel (11) bildende Körper im Grundriß (Draufsicht in Richtung des Treibkopfs 10) etwa elliptisch ausgebildet ist.

7. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 1 sowie einem

oder mehreren der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Flügel (11) über eine etwa horizontale Achse (Achsstummel 19) mit dem vertikalen Treibkopf

(10) verbunden ist.
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8. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse jedes Flügels (11) durch einen gegenüber einer stirnseitigen Abflachung (29) des Flügels (11) vorstehenden Achsstummel (19) gebildet ist,

der mit dem Treibkopf (10) verbunden ist. 5

9. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 1 sowie einem oder mehreren der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (11) um ihre quer zum Treibkopf (10) verlaufende Längsachse (411 verdrehbar sind, vorzugsweise gleichzeitig.

10. Windkraftvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (11) über die ihnen zugeordneten Achsstummel (19) verstellbar sind, vorzugsweise durch Verdrehen der Achsstummel (19) um ihre Längsachsen (41).

11. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsstummel (19) der Flügel (11)

mit einer dem Treibkopf (10) zugeordneten Nabe (15), die einen Verstelltrieb (Fliehkraftregler 33; Druckmittelzylinder 42) aufweist, verbunden sind.

12. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsstummel (19) drehbar in der Nabe (15) gelagert sind.

13. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß den der Nabe (15) zugeordne-

ten freien Enden (38) der Achsstummel (19) ein Verschwenkorgan, insbesondere ein Verschwenkhebel (39), zugeordnet ist.

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14. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschwenkhebel (39) an den Achsstummel (19) gemeinsam (synchron) von einem Fliehkraftregler (33) verstellbar sind.

15. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß den Achsstummeln (19) zum Verstellen der Flügel (11) mindestens ein vorzugsweise druckmittelbetätigtes Verstellorgan, insbesondere oin Druckmittelzylinder (42), zugeordnet ist.

16. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper der Flügel (II) als einstückiges, hohles Teil ausgebildet ist, das vorzugsweise aus Kunststoff besteht.

17. Windkraftvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Innere des Hohlkörpers der Flügel (11) mit einer Ausschäumung (22) versehen ist.