DE102007032843A1

DE102007032843A1 - Walzen-Windgenerator zur Stromerzeugung

Info

Publication number: DE102007032843A1
Application number: DE200710032843
Authority: DE
Inventors: Wilfried Faerber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-07-12
Filing date: 2007-07-12
Publication date: 2009-01-15
Anticipated expiration: 2027-07-13
Also published as: DE102007032843B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zwecke der Stromgewinnung aus Windkraft oder anderen Luftströungen mittels eines horizontal oder vertikal angeordneten Walzenrotors, bekannt durch so genannte Querstrom- oder Tangentiallüfter. Die Erfindung ist im Besonderen dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Walzenachse, die Form der Lamellen sowie die Form und Anordnung der Windstauhauben sschlagung von zwei gegenüberliegenden Seiten den gleichen Effekt erzielt, wobei immer gleiche Laufrichtung des Walzenrotor beibehalten wird (Fig. 2). Durch diese Konstruktion ergeben sich ein maximaler möglicher Wirkungsgrad und vielfältige Einsatzmöglichkeiten, die noch näher beschrieben werden. Einsatzbereiche: Schräg-Giebeldächer bei horizontaler Anordnung; Flachdächer bei horizontaler Anordnung; vertikale Anordnung bei Gebäudekanten, Durchgängen usw., an denen aufgrund des Gebäudestaues hohe Windströmungen entstehen; vertikale Anordnung an Masten, z. B. Strom- oder Sendemasten, Leuchttürme usw.; an Auf-Überbauten (z. B. Toll Collect Mautbrücken), an Brücken, in Tunnel, Gebirgskanten, Uferkanten bei Gewässern; bewegter Verkehr: Land-Wasser-Luftverkehr (z. B. Bremsstauhaube am LKW für die Bordnetz-Ladefunktion).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zwecke der Stromgewinnung aus Windkraft oder anderen Luftströmungen mittels eines horizontal oder vertikal angeordneten Walzenrotors, bekannt durch so genannte Querstrom- oder Tangentiallüfter.
Die Erfindung ist im besonderen dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Walzenachse, die Form der Lamellen sowie die Form und Anordnung der Windstauhauben so angeordnet werden, dass eine Luft-Strömungsbeaufschlagung von zwei gegenüberliegenden Seiten den gleichen Effekt erzielt, wobei immer gleiche Laufrichtrichtung des Walzenrotors beibehalten wird.
Durch diese Konstruktion ergeben sich ein max. möglicher Wirkungsgrad und vielfältige Einsatzmöglichkeiten, die noch näher beschrieben werden.
Einsatzbereiche:

Schräg-Giebeldächer bei horizontaler Anordnung
Flachdächer bei horizontaler Anordnung
Vertikale Anordnung bei Gebäudekanten. Durchgängen, usw., an denen aufgrund des Gebäudestaues hohe Windströmungen entstehen.
Vertikale Anordnung an Masten, z. B. Strom- oder Sendemasten, Leuchttürme usw. An Auf-Überbauten (z. B. Toll Collect Mautbrücken), an Brücken, in Tunnels
Gebirgskanten, Uferkanten bei Gewässern
Bewegter Verkehr: Land-Wasser-Luftverkehr (z. B. Bremsstauhaube am LKW für die Bordnetz-Ladefunktion)

Vorteile gegenüber den bekannten Windrädern in Form von Turm-Rotorflügler

Optische sehr gute und problemlose Anpassung an Hausdächer, Gebäudekanten, Flächen, entsprechend an die Landschaftsbilder;
Wesentlich höhere Standortmöglichkeiten, damit verbunden hohe Verbreitung mit effizienter Nutzung der Windenergie;
Sehr niedrige Geräuschpegel, dadurch keine Lärmbelästigung;
Keine Gefährdung der Vogelwelt und des Flugverkehrs;
Leichter selbstständiger Anlauf bei niederen Windgeschwindigkeiten, daher auch für Schwach-Windgebiete geeignet;
Keine Überdrehzahl bei hohen Windgeschwindigkeiten, deshalb keine besondere Überwachungseinrichtung u. ggf. Abschaltung wie bei Windrädern nötig;
Geringer Mess- und Steueraufwand für die optimale Windstellung;
Wartung mit wesentlich geringerem Kostenaufwand als bei den Turmrotoren;
In den Kleinserien kein stör- und wartungsanfälliges Getriebe;

Eine Massenproduktion und Vertrieb im Handel ist problemlos, weil bereits dem Bedarf entsprechende Normmodule hergestellt werden.
Die Anlagen können modulfähig aneinander gereiht bestückt werden. Deshalb kann die Anlage nach den Erfahrungen mit ein bis zwei Modulen jederzeit erweitert werden, die Investition für den Grundaufbau ist daher überschaubar.
Die Kosten dieser Vorrichtungen insgesamt werden bei einer Massenproduktion bei einem Bruchteil der Herstell- und Errichtungskosten herkömmlicher Windräder liegen, hierzu einige Beispiele:

a) Herstellung mit bekannter Bauteiletechnik,
b) Wegfall von langwierigen Genehmigungsverfahren, Geländepacht, Fundamentkonstruktionen;
c) weit entfernte Trafostationen und lange Stromleitungen entfallen.
d) Wesentlich geringerer Zeitfaktor bis Fertigstellung, d. h. geringere Vorfinanzierung.
e) Wegfall der hohen Wartungskosten, z. B. in Getriebe oder wiederkehrende sehr kostspielige Sicherheits-Untersuchungen der Flügel, wie diese bei Windrädern vorgegeben sind.

Nachteil gegenüber den bekannten Windrädern in Form von Turm-Rotorflüglern:
Die Größe der einzelnen Module und damit in ihrer Leistungen sind begrenzt. Der Einsatz ist vorwiegend für Kleinanlagen geeignet.
Eventuelle Gegenhaltungen

Patentschrift DE 196 44 890 A1
Patentschrift DE 202 04 945 U
Patentschrift DE 20 2006 017 105 U1

Diese Ansprüche beschreiben ähnliche Vorrichtungen, wobei jedoch die in Pkt 1 Hauptanspruch sowie Punkt 2 Unteransprüche genannten Ansprüche nicht enthalten sind. Die in Pkt. 2.1, 2.2 u. 2.3 beschriebenen Lamellen sind grundverschieden zu den in diesen Patenten beschriebenen Flügeln.
In der Praxis sind dem Erfinder noch keine vergleichbaren Anlagen bekannt. Dies liegt im Wesentlichen daran, dass die bekannten Patentschriften nicht die spezielle Anordnung der Lüfterwalze für den beidseitigen Lufteintritt bei gleicher Drehrichtung und gleichem Leistungsverhalten berücksichtigen. Damit wird die Leistung auf 50% reduziert und der Betrieb solcher Anlagen unwirtschaftlich.
II. Funktionsbeschreibung
1 Funktionsbeschreibung allgemein:
Der Walzen-Windgenerator besteht aus:

1.1 Einer Flügelwalze, in der um zwei Zentrierscheiben an deren äußerem Umfang mehrere entsprechend geformte Lamellen in bestimmtem Abstand angeordnet sind. (1 – 1)
1.2 Die Lamellen werden je nach Länge der Walze mit einem oder mehreren Stützringen am äußeren Umfang in Form gehalten. (1 – 2)
1.3 Die beiden Zentrierscheiben können gegeneinander um eine bestimmte Gradzahl verdreht werden. Damit wird eine spiralförmige Anordnung der Lamellen erreicht, die den Leichtanlauf bei Schwachwind optimiert. (1 – 3)
1.4 An den äußeren Seiten der Zentrierscheiben ist jeweils ein Wellenstück für Lagerung und Aufnahme der Generatorenwelle oder eines Zwischengetriebes angebracht. (1 – 4)
1.5 Die beiden Wellenenden sind neben den Stützscheiben zur Walzenaufnahme jeweils mit einem Leichtlauflager versehen, die wiederum in einer entsprechenden Haltevorrichtung aufgenommen werden. Die Ausführung dieser Haltevorrichtungen ist für den jeweiligen Einsatz (z. B. Aufbau auf dem Sparren-Gebälk eines Wohnhauses oder Flachdachaufbau) entsprechend modifiziert.
1.6 Bei vertikalem Einsatz ist zudem an der unteren Seite eine axiale Lagerung zur Aufnahme des vertikalen, axialen Druckes der Läuferwalze angebracht, die Leichtlauf garantiert.
1.7 Auf der Verlängerung eines der beiden Wellenenden wird der Läufer eines Stromgenerators (vorzugsweise Scheibengenerator) zur Stromerzeugung angekoppelt. Der Stator ist mit der Lagerhalterung fest verbunden. Je nach Anwendungsfall ist ein Zwischengetriebe erforderlich.
1.8 Ebenso ist die direkte Integration eines so genannten Scheiben-Generator in den Lamellenkorb möglich. Dabei wird der Läufer des Generators zur Aufnahme einer der Zentrierscheiben verwendet.
1.9 Die Flügelwalze wird durch zwei strömungsgerecht geformte fest angebrachte gegenüberliegende Luftleitbleche umgeben. Diese sind stirnseitig geschlossen, somit entsteht beidseitig eine Windstauhaube vor der Walze, die den Winddruck verdichtet von einer Seite von unten und gegenüberliegend von oben an die Walze führt. 2 zeigt die Form der Luftleitbleche (5) und die Strömungskennlinien (6).
1.10 Die Lagerung des Walzenrotors sowie der Anströmung und Ableitdüsen innerhalb der Luftstauhauben ist so gewählt, dass der Walzenrotor auch bei wechselnden Windrichtungen immer die gleiche Drehrichtung für unterbrechungsfreien Generatorbetrieb beibehält. (2 – 7 im Beispiel Drehrichtung rechts)
1.11 Hierbei kann der Windeinfallswinkel senkrecht zur Längsachse des Walzenrotor bis zu 65° von jeder Seite betragen. Somit werden die in der Regel vorhandenen beiden Hauptwindrichtungen ohne eine aufwändige Nachstellung des Walzengenerators ausgenützt. Insgesamt beträgt der gesamt nutzbare Einfallswinkel ca. 260° (4).

2 Funktionsbeschreibung bei Schräg/Giebeldach-Anordnung:

2.1 Der Walzen-Windgenerator kann fast auf jedem Gebäude mit Schräg- oder Giebeldach über dem First montiert werden. Er nützt die bekannten abgelenkten Aufwinde der dem Wind zugewandten Seite des Gebäudes und gleichzeitig die Sogwirkung der Wind abgewandten Seite.
2.2 Die Halterung mit Walzenrotor und Windhaube ist so angeordnet, dass der einfallende Wind von beiden Seiten des Walzenrotors bei gleich bleibender Drehrichtung genützt wird. Zu diesem Zweck wird der Walzengenerator zur Hauptwindrichtung hin axial aus der Windabrisskante in entsprechendem Abstand unterhalb der Firstkante gelagert. Somit trifft der Wind entweder auf die untere oder aus der Gegenrichtung kommend auf die obere Hälfte der Rotorlamellen. (3 – 8)
2.3 Zur Ein- und Auslass-Optimierung des Windstromes wird eine schwenkbare, so genannte Windstauhaube. montiert, die in entsprechend strömungsgerechter Form den Walzenrotor umschließt. Gelagert wird diese stirnseitig über zwei Halbscheiben auf der Welle. Die Windstauhaube ist schwenkbar, somit kann sie auf optimale An- und Abströmeinstellung zur jeweiligen Windrichtung um ca. 20° geschwenkt werden. (3 – 9)
2.4 Die Verstellung erfolgt über eine el. Magnetzugeinrichtung oder el. Spindelmotor, deren Ansteuerung auch unter 4.2 beschrieben ist.
2.5 Analog zu Zif. 1.11 ist der mögliche Windeinfallswinkel hier gleich zu sehen. (4)

3 Funktionsbeschreibung bei Aufbau auf Flachdächern und sonstigen horizontalen Aufbauflächen (5) und (6):

3.1 Für diese Anwendung wird der in Ziff. 1 vorgestellte Walzen-Windgenerator mit einem Flachdach-Trägergestell montiert. (5 – 10)
3.2 Die Windstauhauben können individuell nach Gebäude und Umgebung formgestaltet werden.
3.3 Optional können in diese Windstauhauben Solarzellen für Photovoltaik oder thermische Sonnenkollektoren für Brauchwassererwärmung integriert werden. (6) Die Solarflächen dienen hierbei gleichzeitig als Anström- (6 – 11) bzw. Staufläche (6 – 12). Damit wird der Platzanspruch sowie der Trägeraufbau der Rotorenanlage und bei Photovoltaik die elektrische Einrichtung (Regler, Wandler usw.) optimal für die regenerative Energiegewinnung genützt.

4 Funktionsbeschreibung einer Konstruktion als so genannte Windrichtungsanpassung per Verdrehmechanismus des Walzeträgers (5)

4.1 Hierbei wird der gesamte Walzenrotor mit Generator so auf der Trägerkonstruktion montiert, dass die Wellenlagerung der Generatorseite in einen Drehpunkt (7 – 13) und die gegenüberliegende Seite auf einer halbrunden Schlittenkonstruktion (7 – 14) gelagert wird, die ein Schwenken von +/–30° ermöglicht. Damit wird die Längsachse des Rotors und somit die beiden Windeinfallflächen in optimale Anstellwinkel zur Windrichtung (90°) gebracht. Dies ist vor allem bei größeren Anlagen zur Leistungsoptimierung vorgesehen.
4.2 Die Ansteuerung erfolgt über einen elektronischen Windrichtungsmesser, der einen Mittelwert über einen bestimmbaren Zeitraum ermittelt. Über einen el. Spindel- oder hydr. Antrieb an der Schlittenseite erfolgt dann die Zustellung.
5 Durch eine Massenproduktion mit – in günstigsten Kosten/Nutzenverhältnis festgelegten Seriengrößen – können je nach Bedarf oder Platzangebot bei allen vorgestellten Anwendungen mehrere Module in Reihe aufgebaut werden.

6 Funktionsbeschreibung einer Konstruktion als so genannte Windstaubremse bei bewegten Fahrzeugen

6.1 Bekannt sind z. B. die Windabweiser auf den Fahrzeugkabinen der LKWs. Diese können mit einfachen Mittel mit den vorgestellten Walzenrotoren (8 – 15) bestückt werden.
6.2 Analog zur vorgestellten Schwenkhaube für Schrägdächer wird hier eine ähnliche Schwenkhaube verwendet, die beispielsweise mit dem Gas- oder Bremspedal den Lufteintritt zur Walze öffnet oder schließt. Im offenen Zustand (bei Bremsleistung oder Talfahrt) als natürliche Bremse mit gleichzeitiger Bordstrom-Ladefunktion (7 – 16), im geschlossenen Zustand (bei Antriebsleistung) funktioniert die Haube als Windabweiser (8 – 17). Am unteren Lufteintritt befindet sich ein entsprechender Anströmkeil. (7 – 18)

Zeichnungslegende

Beschreibung Ziff.	Kurz-Bezeichnung	Zeichnung	Figur	Bezugszeichen-Nr.
1.1	Walze	1	1
1.1	Zentrierscheibe/Lamellen	1	1	1
1.2	Stützringe	1	1	2
1.3	Spiralform	1	1	3
1.4	Wellenende	1	1	4
1.9	Luftleitbleche	1	2	5
19	Strömungskennlinien	1	2	6
1.10	Drehrichtung	1	2	7
2.2	Drehrichtung Schrägdach	2	3	8
2.3	Schwenkbereich Haube	2	3	9
1.11 u. 2.5	Windeinfallswinkel	2	4
3.1	Flachdachträger	3	5	10
3.3	Solarfläche Anströmseite	3	6	11
3.3	Solarfläche Stauseite	3	6	12
4.1	Flachdachträger Drehpunkt	4	7	13
4.1	Flachdachträger Schlitten	4	7	14
6.1	Windabweiser Walze	5	8	15
6.2	Windabweiser Fahrzeug offen	5	8	16
6.2	Windabweiser Fahrzeug geschlossen	5	9	18
6.2	Anströmkeil	5	8	17

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19644890 A1 [0007]
- DE 20204945 U [0007]
- DE 202006017105 U1 [0007]

Claims

Patentansprüche: 1.1 Hauptanspruch: Die Verwendung von Walzenrotoren mit Lamellenflügeln zur Energie-Gewinnung aus Windenergie, in. um und auf Gebäuden, Bauwerken, Geländeformen in Form von Einzel- und Serienfertigungen. Die Erfindung ist im besonderen dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Walzenachse, die Form der Lamellen sowie die Form und Anordnung der Windstauhauben so angeordnet werden, dass eine Luft-Strömungsbeaufschlagung von zwei gegenüberliegenden Seiten gleichen Effekt erzielt, wobei ohne eine Umschaltfunktion immer die gleiche Laufrichtrichtung des Walzenrotors beibehalten wird. Durch diese Konstruktion ergeben sich ein max. möglicher Wirkungsgrad und vielfältige Einsatzmöglichkeiten, die gesondert näher beschrieben werden.
Patent-Unteransprüche 2.1 Walzen-Windgenerator nach Anspruch 1.1 dadurch gekennzeichnet, dass die Lüfterwalze mit Lamellen bestückt ist, die ca. 1/3 des Walzen-Radius einnehmen. Das garantiert einen besseren Luftstromtransport und optimale Luftumlenkung mit geringerem Widerstand. 2.2 Die Lamellen gem. Anspruch 2.1 strömungs-optimal geformt. 2.3 Die Lamellen gem. Anspruch 2.1 in der Längsachse zur Welle für einen Leichtanlauf spiralförmig verdreht. 2.4 Anspruch auf die spezielle Art des Aufbaues bei Giebel-Schrägdächern 2.5 Ein weiterer Anspruch bezieht sich auf die Besonderheit der Windstauhaube mit Verstellmöglichkeiten als wichtiger Bestandteil für den Wirkungsgrad. 2.6 Walzen-Windgenerator nach Anspruch 1.1 dadurch gekennzeichnet, dass er für die Verwendung auf ebenen Flächen (z. B. Flachdächer) eine besondere Trägerkonstruktion und Windstauhaube erhält. 2.7 Walzen-Windgenerator nach Anspruch 1.1 in Verbindung mit Trägerkonstruktion gem. 2.6 dadurch gekennzeichnet, dass die Anströmkanäle mit Solarzellen für Photovoltaik oder thermische Brauchwassererwärmung integriert werden, oder die Kombination von allen drei Verfahrenstechniken, wobei die Solarpanelle gleichzeitig als Windanströmflächen dienen. 2.8 Walzen-Windgenerator nach Anspruch 1.1 in Verbindung mit Trägerkonstruktion gem. 2.6 dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdrehmechanismus im Walzenträger eine Wind- oder Sonnenstandsnachführung ermöglicht. 2.9 Ein weiterer Unteranspruch bezieht sich auf die beschriebenen Verwendungsmöglichkeiten: a) Giebel-Schrägdächer b) Flachdächer c) Flachdächer Walzen Windgenerator mit integrierten Solarmodulen d) Flachdächer Walzen-Windgenerator mit Dreh-Verstellvorrichtung e) Einsatz an Brücken- oder Brückenkonstruktionen f) Einsatz vertikal generell an Gebäude-Geländekanten g) Einsatz vertikal speziell an Masten und Turmvorrichtungen h) Einsatz im bewegten Land-Wasser-Luft-Verkehr 2.10 Ein weiterer Unteranspruch bezieht sich auf die generelle Verwendung von Dachabdeckungen in speziellen Formen als integrierte Anströmkanäle für den Walzen-Windgenerator nach Anspruch 2.4