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  • 法律状态
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    • 专利摘要:
    Das Windrad (1) besteht aus einem oder mehreren, in einem Hauptlager (5) um eine vertikale, zentrale Achse (4) rotierenden Flügeln (3), die parallel zu der senkrechten Achse (4) über Horizontalträger (6) verbunden und in Lagern (7) frei drehbar angeordnet und durch eine Windfahne (9) ausrichtbar sind. DOLLAR A Die Flügel (3) weisen über ihre gesamte Länge im Querschnitt ein aerodynamisches, symmetrisches Profil (8) auf. DOLLAR A Durch einen ersten Steuermechanismus (11) werden die Flügel (3) auf den Horizontalträgern (6) an jedem Umlaufpunkt ihrer Bahn (13) um die vertikale Achse (4), gesteuert durch die Windfahne (9), mit ihrem Profil (8) längs in Windrichtung (10) ausgerichtet und durch einen zweiten Steuermechanismus (12) werden die Flügel (3) auf den Horizontalträgern (6) derart zum Wind eingestellt, dass in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Horizontalträgers (6) zur Windfahne (9) und der Drehgeschwindigkeit des Horizontalträgers (6) der oder die Flügel (3) mit den Längsachsen ihres Profils (8) an jedem Umlaufpunkt ihrer Bahn (13) zur Erzeugung einer optimalen aerodynamischen Kraft ausgerichtet sind.
    公开号:DE102004019620A1
    申请号:DE200410019620
    申请日:2004-04-16
    公开日:2005-11-10
    发明作者:Jaroslaw Warszewski
    申请人:Jaroslaw Warszewski；
    IPC主号:F03B17-06
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein strömungsgesteuertes,durch eine Windfahne ausrichtbares Windrad mit senkrechter Drehachsefür eineWindkraftanlage, dessen Flügeldie Drehachse vertikal rotierend umkreisen.
    [0002] Windräder mitsenkrechten Achsen sind als Savonius- Rotoren, Darrieux- Rotoren,Vertikal- Doppel- Rotoren und Jackson'sche Windräder bekannt. Die Jackson'schen Windräder habennicht nur eine senkrechte Achse sondern besitzen auch flügelähnlichePlatten, die die senkrechte Achse umkreisen und gleichzeitig insich selbst um 180° drehen.
    [0003] MachBauart der Jackson'schenWindräder sindz. B. die Lösungenin den Erfindungsbeschreibungen DE 198 47 469 A1 , DE 81 119 10 U1 und DE 39 18 184 A1 ausgeführt.
    [0004] DieErfindung DE 30 18211 C2 ist wie ein Darrieux- Rotor aufgebaut. Dieses Windradbesitzt jedoch nur begrenzt bewegliche Flügel. Der Wirkungsgrad von Darrieux-Rotoren ist gering. Sie benötigenstarke Winde und meistens eine Startantriebshilfe.
    [0005] Diehäufigstenin der Praxis eingesetzten Windkraftanlagen besitzen Windräder miteiner waagerechten Drehachse, auf der sich propellerähnliche Flügel drehen.
    [0006] Dienach diesem Prinzip arbeitenden Windradflügel sind außen wesentlich flacher eingestelltals in der Näheihres Drehpunktes. Sie nutzen nur 16 – 27 % der theoretisch vorhandenenWindenergie aus. Der Turm, auf welchem, die sich auf einer waagerechtenAchse drehenden Windräderangeordnet sind, muss höhersein als bei Windrädernmit senkrechter Drehachse. Die Flügel, die wie Propeller arbeiten,bewegen sich überihre Längeungleich zum Windstrom. Sie sind in Achsennähe langsamer als an den Flügelspitzen.Die Folge ist eine hohe Geräuschentwicklungund eine schlechte Ausnutzung der Windangriffsfläche.
    [0007] Inder Erfindungsbeschreibung DD232 959 A1 wird ein Windkraftrotor für Windkraftanlagen mit vertikalerAchse beschrieben, bei dem unsymmetrische Profile verwandt werden,die untereinander automatisch oder zwangsläufig in jedem Moment der Rotierungverschiedene Anstellwinkel aufweisen sollen, so dass die Luftkräfte sichlaufend so verändern, dasseine Drehrichtung eingehalten wird. Mit Vergrößerung der Windgeschwindigkeittritt durch Veränderungder Anstellwinkel der Rotorflügeleine Verringerung der Drehzahl ein und die Luftkräfte gehengegen Null.
    [0008] DieFlügeldieser Windkraftanlage stehen einerseits über Zahnkränze und Zahnriemen in einer festenWirkverbindung, sind aber andererseits frei beweglich, damit siesich mit ihrem besonderen aerodynamischen Profil automatisch undoptimal in Windrichtung ausrichten. Nicht zu entnehmen ist aber,wie die Grundausrichtung der Rotorflügel in Windrichtung erfolgensoll, um ein selbständigesAnlaufen der Windkraftanlage zu ermöglichen.
    [0009] Aufgabeder Erfindung ist es, ein strömungsgesteuertesWindrad mit senkrechter Drehachse zu schaffen, das aerodynamischund mit höchsterEffektivitätden antreibenden Wind nutzt, einen relativ einfachen Steuerungsmechanismusbesitzt und durch eine Windfahne ansteuerbar ist.
    [0010] DieAufgabe wird mit den Merkmalen des 1. Patentanspruchs gelöst. VorteilhafteWeiterentwicklungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
    [0011] DasWindrad dient dem Antrieb einer Windkraftanlage und besitzt einenoder mehrere, um eine vertikale, zentrale Achse rotierende Flügel, dieparallel zu der senkrechten Achse, über Horizontalträger verbunden,frei drehbar angeordnet sind. Die Flügel weisen im Querschnitt über ihregesamte Längeein aerodynamisches, symmetrisches Profil auf und sind durch eineWindfahne in Windrichtung ausrichtbar.
    [0012] DieFlügelwerden durch einen ersten und einen zweiten Steuermechanismus injedem Punkt ihrer Umlaufbahn um die zentrale, vertikale Achse derartbeaufschlagt, dass sie durch eine Luftmassenströmung (Wind) gleichmäßig undmit einem bestmöglichenaerodynamischen Wirkungsgrad arbeiten.
    [0013] Dererste Steuermechanismus richtet den oder die Flügel auf den Horizontalträgern anjedem Umlaufpunkt ihrer Bahn um die zentrale, vertikale Achse, gesteuertdurch die Windfahne, mit ihrem Profil längs in Windrichtung aus undder zweite Steuermechanismus stellt den oder die Flügel aufden Horizontalträgernan jedem Umlaufpunkt ihrer Bahn um die zentrale, vertikale Achsederart zum Wind ein, dass in Abhängigkeitvom Drehwinkel des Horizontalträgerszur Windfahne und der Drehgeschwindigkeit des Horizontalträgers, deroder die Flügelmit ihren Längsachsenan jedem Umlaufpunkt ihrer Bahn zur Erzeugung einer optimalen aerodynamischenKraft ausgerichtet sind.
    [0014] Derzweite Steuermechanismus ist dabei dem ersten Steuermechanismus,der die Grundausrichtung zum Wind bewirkt, überlagert.
    [0015] Umkontinuierliche Drehmomente zu erzeugen, wird das Profil der Windflügel beiseiner Kreisbewegung um die senkrechte Achse immer so zum Wind ausgerichtet,dass der Wind- Angriffswinkel zur Erreichung eines optimalen Auftriebsplus oder minus zur Windrichtung in Abhängigkeit vom Drehwinkel ausgerichtetist.
    [0016] DieWindkraftanlage kann auf einem Turm, einem Gebäude oder in strömungsgünstigenGebieten angeordnet werden.
    [0017] Dieerfindungsgemäßen Merkmalesind analog auch füreine Wasserturbine nutzbar, indem das Drehmoment in Drehrichtunghydrodynamisch erzeugt wird.
    [0018] AnHand von Zeichnungen wird die Erfindung in einer bevorzugten Ausführung näher erläutert.
    [0019] Eszeigen:
    [0020] 1 Eineisometrische Gesamtansicht der Windkraftanlage mit dem strömungsgesteuerten Windrad,
    [0021] 2 Darstellungeiner zweckmäßigen Ausführungsformder Steuermechanismen zur Ausrichtung der Windradflügel,
    [0022] 3 SchematischeDarstellung der drehwinkelabhängigenSteuerung eines Flügelsin zwei ausgewähltenPositionen.
    [0023] DieWindkraftanlage besteht in 1 aus einemTurm 2, auf dessen Spitze ein Windrad 1 drehbar über einHauptlager 5 gelagert ist. Das Windrad 1 besitztdrei, um eine vertikale, zentrale Achse 4 rotierende Flügeln 3,die parallel zu der senkrechten Achse 4, über Horizontalträger 6 verbundensind. Die Flügel 3 sindan den Enden der Horizontalträger 6 in Lagern 7 freidrehbar angeordnet. Die Flügel 3 drehensich erstens mit den Horizontalträgern 6 um die zentrale,vertikale Achse 4 und zweitens in sich selbst in den Lagern 7 anden Enden der Horizontalträger 6.Die Flügel 3 weisen über ihregesamte Längeim Querschnitt ein aerodynamisches, symmetrisches Profil 8, ähnlich einerFlugzeug-Tragflächeauf.
    [0024] Ander zentralen Achse 4 ist konzentrisch im Hauptlager 5 aufdem Turm 2 eine Windfahne 9 zur Erfassung derWindrichtung 10 angeordnet.
    [0025] DieFlügel 3 umkreisen,gesteuert durch einen ersten und einen zweiten Steuermechanismus 11 und 12,mit ihren Lagern 7 die senkrechte Achse 4 derartauf einer Kreisbahn 13, dass die Flügelprofile 8 immerparallel zur Windrichtung 10 ausgerichtet sind und gleichzeitigplus oder minus füreinen optimalen Angriffswinkel gegenüber der von der Windfahne 9 vorgegebenenWindrichtung 10 ausgerichtet sind.
    [0026] Einezweckmäßige Ausführungsformder Steuermechanismen 11 und 12 zur Ausrichtungder Windradflügel 3 istin 2 dargestellt.
    [0027] Aufdem Turm 2 der Windkraftanlage ist mittels des Hauptlagers 5 dasWindrad 1 um die zentrale, vertikale Achse 4 drehbargelagert. Von dem Hauptlager 6 des Windrades 1 istein Horizontalträger 6 inBildebene verkürztdargestellt und ein zweiter Horizontalträger 6 nach hintenabgewinkelt angedeutet.
    [0028] Innerhalbeiner Buchse des Hauptlagers 5 ist die Windfahne 9 miteinem Keilriemenrad 14, das drei Ebenen besitzt, unabhängig zumHauptlager 5 und konzentrisch in diesem drehbar gelagert.Von jeder Ebene des Keilriemenrades 14 führt einKeilriemen durch jeweils einen Horizontalträger 6 zu einem Flügel 3.Dieser Keilriementrieb 14 bildet den ersten Steuermechanismus 11,der die Flügel 3 anjedem Punkt ihrer Umlaufbahn 13 parallel zur Windfahne 9 ausrichtet.Aus diesem Grund sind die Flügellager 7 für jedenWindflügel 3 inunterschiedlicher Höhean dem jeweiligen Horizontalträger 6 angeflanscht.
    [0029] Innerhalbjedes Flügellagers 7 befindetsich ein Schrittmotor 15, der über ein Schneckengetriebe alszweiter Steuermechanismus 12 jeden Flügel 3 zusätzlich zuder parallelen Ausrichtung zur Windfahne 9 in einem Winkelplus oder minus füreinen optimalen Windangriffswinkel verstellt.
    [0030] Durchden ersten Steuermechanismus 11 werden die Flügel 3 aufjedem Umlaufpunkt ihrer Bahn 13 um die zentrale, vertikaleAchse 4, gesteuert durch die Windfahne 9, mitihrem Profil 8 längsin Windrichtung 10 ausgerichtet.
    [0031] ZurRealisierung zweier unabhängigerDrehbewegungen in den Flügellagern 7 bestehendiese ebenfalls aus zwei konzentrisch ineinander angeordneten undunabhängigzueinander drehbaren Buchsen.
    [0032] Durchden zweiten Steuermechanismus 12 wird in Abhängigkeitvom ersten Steuermechanismus 11 jeder Flügel 3 aufdem jeweiligen Horizontalträger 6 anjedem Umlaufpunkt seiner Bahn 13 um die zentrale, vertikaleAchse 4 derart zum Wind 10 eingestellt, dass inAbhängigkeitvom Drehwinkel des jeweiligen Horizontalträgers 6 zur Windfahne 9 jeder Flügel 3 mitder Längsachseseines Profils 8 an jedem Umlaufpunkt seiner Bahn 13 zurErzeugung einer optimalen aerodynamischen Kraft ausgerichtet ist.
    [0033] Fernerwerden die Flügel 3 inAbhängigkeit vonder Drehgeschwindigkeit der Horizontalträger 6, die sich inAbhängigkeitvon der Windgeschwindigkeit verändert,derart gegen den Wind 10 eingestellt, dass die Drehgeschwindigkeitannäherndkonstant gehalten und eine Überlastungder Windkraftanlage verhindert wird.
    [0034] 3 zeigtin einer schematischen Darstellung die drehwinkelabhängige Steuerungder Flügel 3 inzwei ausgewähltenPositionen 3 und 3' ihrerUmlaufbahn 13 um die vertikale Drehachse 4. DerAnstellwinkel der Flügelprofile 8 istuntereinander und abhängigvon jedem Punkt ihrer Umlaufbahn 13 verschieden und kannbezogen auf die Windrichtung 10, die eine Windkraft FW, erzeugt, sowohl negative als auch positiveWerte annehmen, so dass ein Auftrieb FA injedem Drehwinkel eines Flügels 3 sichstetig mit negativen oder positiven Werten ändert, so dass eine resultierendeKraft FT in Drehrichtung stets positive Werteannimmt.
    1 Windrad 2 Turm 3 Windflügel 4 zentrale,vertikale Achse 5 zentralesHauptlager 6 Horizontralträger 7 Flügellager 8 Symmetrisches,aerodynamisches Profil 9 Windfahne 10 Windrichtung 11 ersterSteuermechanismus 12 zweiterSteuermechanismus 13 Umlaufbahnder Windflügel 14 Keilriemenrad 15 Schrittmotor
    权利要求:
    Claims (7)
    [1] StrömungsgesteuertesWindrad (1) füreine Windkraftanlage mit einem oder mehreren, um eine vertikale,zentrale Achse (4) überein Hauptlager (5) rotierende Flügel (3), die parallelzu der senkrechten Achse (4), über Horizontalträger (6)verbunden, in Lagern (7) frei drehbar angeordnet und inWindrichtung (10) ausrichtbar sind, dadurch gekennzeichnet,dass die Flügel(3) überihre gesamte Längeim Querschnitt ein aerodynamisches, symmetrisches Profil (8)aufweisen, zur Erfassung der Windrichtung eine Windfahne (9) angeordnetist, ein erster Steuermechanismus (11) angeordnetist, der den oder die Flügel(3) auf den Horizontalträgern (6) an jedemUmlaufpunkt ihrer Bahn (13) um die zentrale, vertikaleAchse (4), gesteuert durch die Windfahne (9),mit ihrem Profil (8) längsin Windrichtung (10) ausrichtet, ein zweiter Steuermechanismus(12) angeordnet ist, der den oder die Flügel (3)auf den Horizontalträgern (6)an jedem Umlaufpunkt ihrer Bahn (13) um die zentrale, vertikaleAchse (4) derart zum Wind (10) einstellt, dassin Abhängigkeitvom Drehwinkel des Horizontalträgers(6) zur Windfahne (9) und der Drehgeschwindigkeitdes Horizontalträgers(6) der oder die Flügel(3) mit den Längsachsenihres Profils (8) an jedem Umlaufpunkt ihrer Bahn (13)zur Erzeugung einer optimalen aerodynamischen Kraft ausgerichtetsind und der zweite Steuermechanismus (12) dem ersten Steuermechanismus(11) überlagertist.
    [2] Windrad (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Steuermechanismen (11, 12) mechanisch,elektromechanisch, hydraulisch oder pneumatisch betätigbar sind.
    [3] Windrad (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass fürden ersten Steuermechanismus (11) ein Keilriementrieb undfür denzweiten Steuermechanismus (12) ein Schrittmotor (15)mit einem Schneckentrieb angeordnet ist.
    [4] Windrad (1) nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,dass die Windfahne (9) auf der zentralen vertikalen Achse(4) konzentrisch drehbar im Hauptlager (5) angeordnetist.
    [5] Windrad (1) nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,dass alternativ zur Windfahne (9) ein elektronischer Windmesserangeordnet ist.
    [6] Windrad (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Flügel(3) an den Horizontalträgern(6) in den Lagern (7) nach oben und/oder nachunten weisend angeordnet sind.
    [7] Windrad (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Flügel(3) durch Horizontalträger(6) gehalten sind, die in mehreren, übereinander angeordneten Ebenenan der zentralen, vertikalen Achse (4) angeordnet sind.
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