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BEREICH DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft verbesserte Windturbinen mit vertikaler
Achse mit erhöhter Umwandlung
von kinetischer Windenergie in mechanische Energie. Turbinen mit
vertikaler Achse weisen typischerweise eine lange Achse auf, die
es ermöglicht,
große
Luftsäulen
nutzbar zu machen. Diese Vorrichtungen unterscheiden sich von Windmühlen mit
horizontaler Achse (mit Propeller), die typischerweise um eine vertikale
Achse schwenken, damit sie direkt zum Wind hin gerichtet sein können. Die
Verbesserung der Erfindung umfasst die Verwendung von leichtgewichtigen
Materialien für
den Aufbau der Komponenten der Windturbine. Die Turbinen mit vertikaler
Achse gemäß der Erfindung
sind so konstruiert, dass sie als kostengünstige, alternative Energiequelle
bei beliebigen Windbedingungen verwendet werden können.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Wind
als Energiequelle ist ein Konzept, das seit einiger Zeit gefördert wird.
Gemäß einer
Quelle gibt es Beweise dafür,
dass Windmühlen
in Babylon und China bereits 2000 v.Chr. verwendet wurden. Das Patent-
und Markenamt der Vereinigten Staaten hat Patente für Windmühleneinrichtungen
erteilt, die ins frühe
bis mittlere 1900 Jahrhundert zurückgehen. Trotz beständiger Forschungen
und Entwicklungen in dieser jahrhunderte alten Technologie wurde
vor dem Anmeldetag der vorliegenden Erfindung keine Windmühle oder
Windturbinenvorrichtung geschaffen, die erfolgreich und in geeigneter
Weise einige der wichtigsten Probleme löst, die anscheinend bisher
die Nutzung des Windes wirtschaftlich nicht sinnvoll machten. Zwar
ist der Wind zweifelsohne eine große potentielle Energiequelle,
von der geschätzt
wird, dass in den Vereinigten Staaten pro 0,405 Hektar 5 kW zur
Verfügung
stehen, doch hat ihn seine veränderliche
Geschwindigkeit zu einer unzuverlässigen Energiequelle gemacht.
Viele Vorrichtungen, wie sie beispielsweise in den US-Patentschriften
4,850,792 für
Yeoman, 4,035,658 für
Diggs und 2,406,268 für Terhune
beschrieben werden, stützen
sich auf die Fähigkeit,
schwache bis mäßige Winde
zu konzentrieren, um Energie zu erzeugen. Andere, wie sie in den
US-Patentschriften
4,834,610 für
Bond und 4,075,500 für
Oman et al. (Turbine mit horizontaler Achse) beschrieben werden,
haben es erreicht, variable Windgeschwindigkeiten dadurch zu nutzen, dass
sie moderne Fliehkraftregler für
variable Geschwindigkeiten verwenden. Keine Vorrichtung, die den
Erfindern der vorliegenden Anmeldung zurzeit bekannt ist, ist in
der Lage, sowohl schwache als auch starke Winde in adäquater Weise
für eine
Energieerzeugung zu nutzen. Starke Winde werden für Erläuterungszwecke
als Strömungen
charakterisiert, die mittlere Geschwindigkeiten von mehr als 20
m/s oder Böengeschwindigkeiten
von mehr als 27 m/s besitzen. Viele Vorrichtungen sind so konstruiert, dass
sie sich zusammenfalten und/oder den Blattwinkel verstellen, wenn
die Windgeschwindigkeit bestimmte Pegel erreicht. Solche Vorrichtungen
sind in den US- Patentschriften
4,818,181 für
Kodric, 4,632,637 für
Traudt und 3,942,909 für
Yengst beschrieben. Diese Verfahren, die dazu dienen, die strukturelle
Integrität
der Windmühle
zu schützen, vermindern
jedoch die Fähigkeit
einer Vorrichtung, Energie zu erzeugen. Andere Vorrichtungen, wie
sie beispielsweise in dem US-Patent 5,391,926 für Staley und Elder beschrieben
sind, versuchen, starke Winde, die aus beliebigen Richtungen kommen,
für die
Energieerzeugung zu nutzen, doch sind schwache bis mäßige Winde
nicht in der Lage, ein adäquates
Drehmoment für
eine kontinuierlich zuverlässige Energieerzeugung
zu liefern. Bis zur vorliegenden Erfindung waren variable Winde
eine im Stand der Technik nicht genutzte Energiequelle.
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Die
DE-A-3828361 beschreibt einen Rotor, der vier oder mehr feste und
ebenso viele bewegliche Rotorblätter
aufweist, die vertikal angeordnet sind und um die vertikale Achse
rotieren. Die beweglichen Rotorblätter sind kreisförmig gekrümmt.
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US-PS 5,380,149 beschreibt
eine Windturbinen-Seitenwindmaschine, die eine spezielle Umfangsanordnung
von Führungsblechen
um einen zentral angeordneten Rotor herum aufweist. Die Rotorblätter haben
eine gekrümmte
Profilform.
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In
der Vergangenheit haben vom Wind getriebene Energiegeneratoren verschiedenster
Art versucht, die im Wind vorhandene Energie zu nutzen. Einige haben
ihre Anstrengungen auf den Bereich von schwachen bis mäßigen Winden
konzentriert und erleiden periodische Schäden von gelegentlich starken
Winden, während
andere im Bereich der mäßigen bis
starken Winde gut arbeiten, aber wenig oder keinen Erfolg bei der
Nutzung von Wind mit niedriger Geschwindigkeit aufweisen. Keine
Vorrichtung gemäß dem Stand
der Technik hat in wirksamer Weise Nutzenergie aus dem gesamten
Windstärkenbereich
von aus leichten Brisen bis hin zu böigen Starkwinden gezogen. Wahrscheinlich
einer der wichtigsten Gründe
für die
Mängel
aller Windturbinen hängt
mit der strukturellen Festigkeit typischer Windvorrichtungen zusammen.
Konstruktionsmäßig sind viele
leichtgewichtig, in nicht ausreichender Weise abgestützt und
aus unzureichenden Materialien hergestellt. Eine Reihe dieser Vorrichtungen
besteht aus einer Vielzahl von sich bewegenden Teilen, wie z.B. Rotoren,
Statoren, Leitblechen, Abschirmblechen und dergleichen. Diese Teile
beeinträchtigen
nicht nur die Integrität
der Maschine sondern erfordern auch eine ständige Wartung, Reparatur und/oder Austausch.
Für eine
solche Vorrichtung, die vielleicht nur einige kW Energie erzeugt,
beginnen die Kosten sehr bald, die Vorteile zu überwiegen. Ein anderes Konzept,
das häufig
verwendet wird, besteht darin, große mehrstöckige Windturbinen zu bauen,
die in der Lage sind, Energie in der Größenordnung von MW zu erzeugen.
Zwei solcher Vorrichtungen sind in den US-Patentschriften 3,902,072
für Quinn
und 3,994,621 für
Bogie dargestellt. Es wird angenommen, dass die Baukosten dieser
Vorrichtungen in der Größenordnung
von 100 Millionen US-$ liegen, und die Wartungskosten im Bereich
einiger 100.000 US-$ pro Jahr. Ein anderes Beispiel ist der 1,25
MW-Generator, der in der Nähe
von Rutland, Vermont installiert wurde. Es wird angenommen, dass
dies die größte Windmühle ist,
die jemals in den Vereinigten Staaten von Amerika gebaut wurde.
Sie besaß zwei
Rotorblätter,
von denen jedes 53 m im Durchmesser maß. Diese Anlage arbeitete mit
Unterbrechungen zwischen 1941 und 1945 während der Kriegsjahre, als die
meisten Ressourcen für
den Kriegsbedarf genutzt wurden. 1945 brach eines der Rotorblätter aufgrund von
Materialermüdung,
und wurde niemals repariert, vermutlich wegen der fehlenden Kosteneffizienz. Ähnlich wie
die kleineren Einheiten werden diese großen Anlagen in wesentlich größerem Maß kostenprohibitiv
in. Die vorliegende Erfindung löst
dieses zweite Problem dadurch, dass eine Windturbine mit niedrigen
Kosten, geringem Wartungsaufwand und hoher Kosteneffizienz geschaffen
wird. Zwar waren gewisse Konstruktionsgesichtspunkte der bereits
bekannt, doch wurde bis zur vorliegenden Erfindung keine vorteilhafte
Kombination von neuen und alten Elementen erzielt, um ein kommerziell
brauchbares Produkt zu schaffen.
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Die
veränderliche
Windgeschwindigkeit ist natürlich
nicht das einzige Hindernis bei der Nutzung von kinetischer Energie
aus dem Wind. Der Windrichtung widmeten sich weitere Untersuchungen
und Entwicklungen. Windströmungen
sind typischerweise nicht vorhersagbar. Der Wind weht aufgrund der Topographie,
wegen Störungen
in höheren
Luftbereichen, sich ändernden
Wetterverhältnissen
oder jahreszeitlichen Veränderungen
selten über
einen längeren
Zeitraum hinweg in der gleichen Richtung. Aus diesem Grund müssen wirksame
Windmaschinen in der Lage sein, sich augenblicklich an Windrichtungen in
allen 360° ihres
Umkreises anzupassen. Einige Vorrichtungen haben versucht, dieses
Ziel mit Hilfe von Schwenkschildern, Statoren oder Windleitblechen
zu erzielen. Die US-Patentschrift
4,474,529 für Kinsey,
537,494 für
Stevens et al., das Yengst-Patent und viele andere Vorrichtungen
zeigen eine derartige Lösung.
Wie zuvor erwähnt,
verschlechtern zusätzliche,
sich bewegende Teile die Kosteneffizienz einer Maschine. Die nicht
zum Typ der vorliegenden Erfindung gehörenden Maschinen mit horizontaler
Achse schwenken typischerweise die gesamte Rotoreinheit, so dass
sie dem Wind entgegen weist. Noch andere Konstruktionen lassen die
Rotoreinheit offen (d.h., es werden keine Windleitbleche oder Statoren
verwendet), so dass Winde aus allen horizontalen Richtungen die
Rotorbaueinheit zu einer Drehung veranlassen können. Dies lässt den
Rotor völlig
offen gegenüber
der Gewalt und den zerstörenden
Kräften
des Windes. Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem dadurch,
dass über
360° hinweg
die Aufnahme von Wind bei allen Arten von Windbedingungen ermöglicht wird.
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Ein
wichtiger Anwendungsfall für
eine Windturbine, die in der Lage ist, auf Wind aus allen Richtungen
und mit veränderlichen
Geschwindigkeiten zu reagieren, ist ein Energiegenerator an der
Spitze von hohen Gebäuden.
Ein Grund hierfür
ist, dass die Windgeschwindigkeit typischerweise mit der Höhe über dem
Boden zunimmt. Beispielsweise ist die Windgeschwindigkeit an der
Spitze eines 36 Stockwerke aufweisenden Gebäudes im Mittel um 8 m/s höher als
am Boden, und sie ist an der Spitze eines Gebäudes mit 70 Stockwerken typischerweise
um 20 m/s höher.
Ein weiteres Beispiel ist die Windgeschwindigkeit an der Spitze
des Sears Tower in Chicago, Illinois mit einer mittleren Windgeschwindigkeit von
31 m/s. Dieser Wind an der Spitze von hohen Gebäuden ist klarerweise eine mögliche Energiequelle.
Eine Windturbine, die genügend
groß ist,
um auf der Spitze eines hohen Gebäudes wirtschaftlich nützlich zu
sein, würde
ungefähr
eine Höhe
von 6 m und einen Durchmesser von 6 m besitzen. Eine Windturbine
dieser Größe, die
aus herkömmlichen Materialien
gebaut ist, wie z.B. aus 12,7 mm dicken Stahlplatten, würde ungefähr 127 × 102 kg wiegen, und eine zusätzliche Abstützung, die
erforderlich wäre,
um die Turbine an ihrem Ort zu halten, würde etwa 272 × 102 kg
wiegen. Ein Problem mit einer Turbine dieser Größe würde darin bestehen, dass sie
auf schwache Winde nicht ansprechen könnte, da sie eine Windgeschwindigkeit
von wenigstens 8 m/s benöti gen
würde,
um anzufangen, sich zu drehen. Es gibt auch einen gyroskopischen
Effekt, der mit der Turbine zusammenhängt, wenn sie anfängt, sich
zu drehen, der mit zunehmender Drehgeschwindigkeit anwächst und
der zusätzliche
Belastungen auf das Gebäude
in Reaktion auf das Drehmoment ausübt, das an der Turbine wirkt.
Darüber
hinaus würden
herkömmliche
Materialien, wie z.B. Stahl, aufgrund ihrer Wärmeleitfähigkeit beginnen, an den Turbinenblätter Eis
zu bilden, wodurch die glatte Strömung des Windes durch die Turbine
negativ beeinflusst würde.
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Die
vorliegende Erfindung erkennt und berücksichtigt in ihren verschiedenen
Ausführungsformen
diese und andere Probleme und überwindet
viele Einschränkungen,
die der Fachmann antrifft. Viele Vorrichtungen und Verfahren lehren
für Starkwindbedingungen
die Verwendung von Vorrichtungen, die zusammenfaltbar sind oder
bei denen die Blattwinkel verstellt werden können, und sind daher nicht
in der Lage, die Energie von starken Winden zu nutzen. Andere Druckschriften,
wie z.B. die Patente von Staley und Elder haben versucht, die schädigenden
Wirkungen von starken Winden dadurch abzufangen, dass sie die strukturelle
Festigkeit und Dauerhaftigkeit bis zu dem Punkt erhöht haben,
an dem sie die Fähigkeit opferten,
im Bereich von mäßigen oder
schwachen Winden ein adäquates
Drehmoment zu erzeugen. Es ist ökonomisch
nicht ratsam, eine Windturbine zu bauen, die nur in Zeiträumen, in
denen ein sehr starker Wind weht, mechanische Leistung erzeugen
können.
Es muss der gesamte Bereich von Windbedingungen in vollem Maße genutzt
werden, damit eine Windturbine wirtschaftlich sinnvoll ist. Bei
den meisten Windenergie-Einrichtungen gemäß dem Stand der Technik gibt
es die Probleme der hohen Kosten und des hohen Wartungsaufwandes,
doch haben sich die Fachleute mit diesen Problemen nicht in adäquater Weise
beschäftigt.
Zwar ist bekannt, dass Wind mit hoher Geschwindigkeit in der Natur
mit hoher kinetischer Energie auftritt, doch wurde sein Wert im
Bereich von Windturbinen mit vertikaler Achse nicht nur in gewissem
Maße ignoriert,
sondern er wurde häufig
als Nachteil empfunden. Der Stand der Technik dadurch ist in eine
von der vorliegenden Erfindung wegführende Richtung gegangen, dass
besonderer Wert auf die Befestigung des Rotors und auf eine Krümmung des
Stators gelegt wurde. Statt ein System zu schaffen, das nur eine
inkrementale Verbesserung hinsichtlich des Arbeitsverhaltens gegenüber dem
Stand der Technik liefert, verwendet die vorliegende Erfindung Verfahren,
die bisher nicht berücksichtigt
wurden, was im Vergleich zum Stand der Technik wahrscheinlich einen
Sprung hinsichtlich der Nützlichkeit
bedeutet. Darüber
hinaus hat die vorliegende Erfindung eine vollständigere Verwendung einer zuvor
nicht genutzten, wertvollen natürlichen Ressource,
nämlich
des Windes erzielt.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Windturbine gemäß Anspruch
1. Weitere Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Ansprüchen
2 bis 15 niedergelegt.
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Die
vorliegende Erfindung beschreibt eine verbesserte Windturbine, die
eine erhöhte
Umwandlung von kinetischer Windenergie in mechanische Energie durchführt und
die bei allen Windbedingungen arbeitet, wie z.B. bei Geschwindigkeiten
von bis zu 58 m/s und auch bei häufig
wechselnden Windrichtungen. Die Verbesserung umfasst die Verwendung
von modernen Leichtgewicht-Baumaterialien, wie z.B. leichgewichtigen
Komposit-Laminaten,
um das Gewicht der Windturbine zu vermindern, und die verbesserten
thermischen Eigenschaften solcher Materialien vermindern die Tendenz
der Turbinenblätter,
Eis anzusetzen. Nichtmetallische Materialien, wie z.B. Fiberglas
oder Kohlefaser-Komposit-Materialien sind ebenso fest wie Stahl,
weisen aber nur einen Bruchteil seines Gewichtes auf. Die bevorzugten Materialien
sind Bienenwaben-Sandwich-Paneele, die typischerweise einen bienenwabenförmigen Kern aufweisen,
der aus einer Aramid-Faser mit verschiedenen nichtmetallischen Frontschichten
hergestellt wird, wie z.B. Epoxy, Fiberglas, Phenole und Kevlar. Alternativ
können
Leichtgewicht-Metalle wie z.B. Aluminium bei der Herstellung des
Bienenwaben-Kerns verwendet werden. Die Frontschichten können laminiert
sein.
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Die
Windturbine schafft auch zuverlässige und
wirksame Mittel zum Lenken von Luftströmen in die Rotorkäfig-Baueinheit
hinein und aus ihr heraus. Statt ein System zu schaffen, das nur
eine inkrementale Verbesserung des Arbeitsverhaltens und der Konstruktion
bezüglich
des Standes der Technik liefert, verwendet die vorliegende Erfindung
Kombinationen und Verfahren, von denen bisher nicht angenommen wurde,
dass durch sie ein verbessertes Verhalten erzielt werden kann, das
im Stand der Technik keine Parallelen aufweist. Die Erfindung dient
dazu, mit einer minimalen Anzahl von beweglichen Teilen und Systemen
zu arbeiten, um die mögliche
Energieerzeugung dadurch zu optimieren, dass Energie von starken
Winden ebenso genutzt werden kann, wie die von schwachen und mäßigen Winden.
Sie optimiert die Einführung
und Abführung
von Luftströmen
dadurch, dass eine unmittelbare Anpassung an Winde aus jeder gegebenen
Richtung vorgesehen ist.
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Allgemein
gesprochen umfasst die Erfindung verschiedene Ausführungsformen
einer Windturbine mit vertikaler Achse. Viele der Elemente der Vorrichtung
dienen dem Erreichen mehrerer verschiedener Ziele, die dann, wenn
sie kombiniert werden, derart wirken, dass die erwähnten Verbesserungen
des Arbeitsverhaltens erreicht werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform
beschreibt die Erfindung stationäre Statoren,
die dazu dienen, in wirksamerer Weise Luftströme in die Rotorkäfig-Baueinheit
zu leiten, um eine höhere
Rotationsgeschwindigkeit und ein größeres Drehmoment an der Turbinenwelle
mit Hilfe von einigen Drehmomenterzeugungs-Elementen wie z.B. den
Rotorblättern
zu erzielen. Zusätzlich
hierzu liefern die feststehenden Statoren die strukturelle Festigkeit,
die erforderlich ist, um bei Starkwind-Bedingungen zu arbeiten.
Dieser Gesichtspunkt verhindert auch eine Unterbrechung der Drehung
durch das Abschirmen der Rotoren gegen Winde, die der Drehung entgegengesetzt
strömen,
was auftreten kann, wenn sich der Wind dreht. Die vorliegenden Windturbinen
umfassen Statorblätter,
die gerade sind und, wobei die Statorblätter um optimale Versetzungswinkel
versetzt sind, so dass ein minimaler Einfluss hinsichtlich des Verlustes
von kinetischer Windenergie entsteht.
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Es
ist wichtig, dass die Erfindung mit einigen lange Zeit hochgehaltenen
Traditionen bei der Nutzung des Windes bricht. Dadurch, dass sie
das Energiepotential aller Windarten erkennt und verwendet, und
dadurch, dass sie eine Vorrichtung konstruiert, die der Zer störungskraft
dieser Winde während
des Normalbetriebs widersteht, erreicht die vorliegende Erfindung
ihre Ziele.
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Somit
schafft die vorliegende Erfindung eine für alle Windstärken geeignete
Turbine mit vertikaler Achse, die in vielen verschiedenen Umgebungen
einschließlich
den Spitzen von hohen Gebäuden
verwendet werden kann. Die beschriebene Erfindung arbeitet so, dass
sie Windströme
in mechanische Energie umwandelt, die dann ihrerseits von einer
Turbine oder dergleichen übertragen
werden kann, um verwendet zu werden, um direkt auf eine Wasserpumpe einzuwirken
oder einen elektrischen Generator anzutreiben (oder mehr allgemein
eine Energie-Erzeugungs-Vorrichtung), um als alternative Energiequelle verwendet
zu werden. Die Turbine kann irgendeiner Anzahl von Rotoren und Statoren
ausgestattet werden, die während
des Betriebs mit den veränderlichen
Windströmungen
zusammenwirken. Zusätzlich wird
eine minimale Anzahl von sich bewegenden Teilen verwendet, um die
Zuverlässigkeit
zu erhöhen, den
Wartungsaufwand zu vermindern und die Herstellungskosten zu reduzieren.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Windturbinenkonstruktion
zu schaffen, die in der Lage ist, mit erhöhter Wirksamkeit bei einer
Vielzahl von Windbedingungen zu arbeiten. Solche Bedingungen umfassen,
ohne hierauf begrenzt zu sein, Winde aus allen Richtungen, die eine
horizontale Komponente besitzen, selbst dann, wenn sich diese Windrichtung
häufig ändern kann;
und Winde, die Geschwindigkeiten von bis zu 58 m/s oder mehr erreichen,
und Winde mit sich ständig ändernden
Geschwindigkeiten. Es ist ein Ziel, dass die vorliegende Erfindung
in der Lage sein soll, unter diesen Bedingungen einen Standardbetrieb
auszuführen,
ohne dass irgendeine Notwendigkeit besteht, Zusammenfalt- oder Blattwinkel-Verstellverfahren
oder ein Geschwindigkeitskontroll- oder Bremssystem zu verwenden.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte
Konstruktion zu schaffen, die in der Lage ist, sich augenblicklich
an Winde aus jeder beliebigen Richtung anzupassen, die eine horizontale
Komponente besitzen, wie zuvor festgestellt. Es ist ein Ziel, dass
diese augenblickliche Bereitschaft der vorliegenden Erfindung ohne
sich bewegende Teile erzielt werden kann.
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Es
ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Konstruktion
zu schaffen, die für
eine verbesserte Zuverlässigkeit
ein Minimum von sich bewegenden Teilen verwendet. Es ist ein Ziel,
dass die erforderliche Wartung und der Austausch von irgendwelchen
Teilen minimiert werden und dass die Haltbarkeit der gesamten Vorrichtung
in starkem Maße verbessert
wird. Weiterhin ist es ein Ziel dieser Erfindung, eine verbesserte
Windturbine zu schaffen, die in den verschiedensten Umgebungsbereichen
einschließlich
der Spitze von hohen Gebäuden
verwendet werden kann, und dass die Turbinenelemente der Eisbildung
widerstehen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine
Ansicht einer Ausführungsform der
Erfindung von der Seite,
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1A eine
Ansicht der neuen Erfindung von oben,
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2 eine
Ansicht des Rotorkäfigs
von der Seite,
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2A eine
perspektivische Ansicht der Rotorkäfig-Einheit von schräg oben,
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3 eine
Ansicht des Rotorkäfigs
von oben, welche die Ausrichtung der Rotorblätter wiedergibt,
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4 eine
Ansicht der Statorblätter
von der Seite,
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4A eine
perspektivische Ansicht der Statorblätter von schräg oben,
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4B eine
Draufsicht auf die Statorblätter, die
ihre Ausrichtung wiedergibt,
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5 die
Statorkäfig-Abdeckung,
die es der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ermöglicht,
keine Oberseitenabdeckung zu benötigen,
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6 eine
Ansicht des Oberseitenschildes von der Seite,
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7 eine
Ansicht des Oberseitenschildes von oben,
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8A eine
aufgeschnittene Ansicht eines typischen Bienenwaben-Paneels, wie
es bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden
kann, wobei hexagonale Zellen wiedergegeben sind, und
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8B eine
aufgeschnittene Ansicht eines typischen Bienenwaben-Paneels, wie
es bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden
kann, wobei rechtwinklige Zellen dargestellt sind.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
folgende Beschreibung und die Zeichnungsfiguren beziehen sich auf
ausgewählte,
bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung. Natürlich
können
an den beschriebenen Ausführungsformen Änderungen
vorgenommen werden, die aber immer noch innerhalb des Rahmens und
der Grundidee der vorliegenden Erfindung und des Patentes liegen,
das für
den Erfinder erteilt wurde.
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Die
durch die Erfindung vorgesehene Verbesserung umfasst bei der Konstruktion
von Komponenten einer Windturbine die Verwendung von Leichtgewichtmaterialien,
die eine erhöhte
Umwandlung von kinetischer Windenergie in mechanische Energie ermöglichen.
Ein solcher Aufbau ist insbesondere wichtig für Ausführungsformen, die auf der Spitze
von Gebäuden
verwendet werden sollen. Nichtmetallische Materialien, wie z.B.
Fiberglas- oder Kohlenstofffaser-Komposit-Materialien
sind ebenso fest wie Stahl, besitzen aber nur einen Bruchteil seines
Gewichtes. Die bevorzugten Materialien sind Bienenwaben-Sandwich-Paneele,
wie sie beispielsweise von der Euro-Composites® Group
hergestellt werden und in den 8A und 8B wiedergegeben
sind. Diese Paneele besitzen typischerweise einen Bienenwaben-Kern,
der aus einer Aramidfaser hergestellt ist, mit verschiedenen nichtmetallischen Frontschichten,
wie z.B. Epoxy, Fiberglas, Phenole und Kevlar. Wie man den Figuren
entnehmen kann, erstrecken sich die Zellen des Bienenwaben-Kerns senkrecht zu
den Frontflächen
der Paneele. Eine Art von Bienenwaben-Kern besitzt hexagonale Zellen, die
in 8A mit 20 bezeichnet sind, während 8B eine
andere Art von Bienenwaben-Kern wiedergibt, bei dem eine rechtwinklige
Zelle 21 Verwendung findet. Die Frontfläche 22 sind typischerweise laminiert.
Details bezüglich
dieser Materialien können
der Web-Site von Euro-Composites® Group
entnommen werden, die die Adresse euro-composites.com besitzt und
deren Inhalt hier durch Bezugnahme mit aufgenommen wird. Nichtmetallische Kohlenstofffasern
sind die bevorzugten Herstellungsmaterialien, doch kann als Alternative
auch Metall mit geringem Gewicht, wie z.B. Aluminium bei der Herstellung
des Bienenwaben-Kerns verwendet werden.
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Wie
oben erläutert,
wiegt eine Turbine mit Abmessungen von 6 m × 6 m, die mit Stahlpaneelen mit
einer Dicke von 1,27 cm hergestellt wurde, ungefähr 127 × 102 kg
und würde
eine zusätzliche
Abstützung
benötigen.
Eine Turbine gleicher Größe, die
aus laminierten Kohlefasern-Paneelen mit einer Dicke von 1,9 cm
bis 2,2 cm hergestellt wird, würde
ungefähr
454 kg wiegen und würde
keine zusätzliche
Abstützung
benötigen.
Eine derartige leichte Turbine wäre
in der Lage, mit der Drehung bei einer Windgeschwindigkeit von nur
2,2 m/s zu beginnen, im Gegensatz zu den 8 m/s, die für eine Stahlausführungsform
erforderlich sind, und sie kann mit einer wesentlich höheren Winkelgeschwindigkeit
rotieren als die Stahlausführungsform.
Eine Turbine, die Bestandteile besitzt, die aus Bienenwaben-Sandwich-Paneelen hergestellt
sind, kann Energie sowohl bei leichteren Brisen als auch bei stärkeren Winden
erzeugen, als die Stahlausführungsform.
Das geringe Gewicht der Turbine mit Bienenwaben-Sandwich-Paneelen
vermindert auch die zusätzliche
Belastung, die auf ein Gebäude
durch die gyroskopischen Effekte der rotierenden Turbine ausgeübt wird.
Zusätzlich
ist die Turbine mit Bienenwaben-Sandwich-Paneelen effizienter als
die Stahlturbinen-Ausführungsform.
Beispielsweise zeigen Tests, die mit einer Turbine mit einer Höhe von 0,61
m und einem Durchmesser von 1,22 m durchgeführt wurden, dass eine Stahlturbine
mit einer Effizienz von ungefähr
20,3 % arbeitet, das heißt sie
wandelt ungefähr
20,3 % der kinetischen Windenergie in nutzbare Energie, wie z.B.
elektrische Energie um. Eine Fiberglas-Turbine der gleichen Größe arbeitet
mit einer Effizienz von ungefähr
25,1 % und eine Turbine, die unter Verwendung von Bienenwaben-Sandwich-Paneelen
hergestellt ist, wie sie von der Euro-Composites® Group
hergestellt werden, arbeitet mit einer Effizienz von ungefähr 32,3
%. Anders als Stahlturbinen werden Turbinen, die aus Bienenwaben-Sandwich-Paneelen
hergestellt sind, wirksamer, wenn die Größe der Turbine vergrößert wird
und es sind Wirkungsgrade von bis zu 45 % mög lich. Das Bienenwaben-Sandwich-Paneel-Material
hat auch einen wesentlich niedrigeren thermischen Leit-Koeffizienten
als Metalle, wie z.B. Stahl, und wird daher bei normalen Betriebsbedingungen kein
Eis ausbilden.
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Wie
man der Zeichnung entnehmen kann, können die Grundkonzepte der
vorliegenden Erfindung auf viele verschiedene Weisen verwirklicht
werden. Die 1 und 1A zeigen
die bevorzugte Ausführungsform
der Windturbine 8, die eine Welle 1 besitzt, die
durch Rotorblätter 2 gedreht
wird, die an einer oberen Rotorkäfig-Platte 3 und
einer unteren Rotorkäfig-Platte 4 befestigt
sind, wobei die Welle dann ein Energie-Übertragungselement 11 und
eine Energie-Nutzungsvorrichtung 12 antreibt (die beide als
in der Basis aufgenommen oder an ihr befestigt dargestellt sind).
Die Höhe
dieser Rotorblätter
ist bei einer der bevorzugten Ausführungsformen 1,42 m, doch ändert sie
sich proportional mit der Größe der gebauten
Einheit. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform, die für eine Verwendung
auf der Spitze von hohen Gebäuden
gedacht ist, besitzen die Rotorblätter eine Höhe von wenigstens 6 m und einen
Durchmesser von 6 m. Darüber
hinaus können gemäß den bevorzugten
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zwei bis fünf Blattelemente verwendet
werden. Der Wind wird durch zahlreiche Statorblätter 5 zusammengedrückt und
auf die Rotorblätter 2 gelenkt,
wobei die Statorblätter
ebenfalls aus einem Leichtgewichtmaterial hergestellt sein können, wie
es oben beschrieben wurde. Wind mit einer nach unten gerichteten,
diagonalen Druckwirkung kann von den Rotorblättern 2 durch die
Verwendung einer offenen Statorkäfig-Abdeckung 10 verwendet
werden, welche die Turbine 8 zumindest teilweise oben offen
lässt und
die Effizienz bis zu geschätzten
20 % gegenüber
dem Stand der Technik erhöht.
Wind, der versucht, gegen die vorherrschende Windrichtung und somit
gegen die Richtung der Rotoren in die Turbine 8 einzutreten,
wird durch den Oberseitenschild 6 abgelenkt. Der Oberseitenschild 6 hat
einen zentralen Schwenkpunkt und einen äußeren Rand und bewegt sich
um die offene Oberseite der Turbine 8 durch die Verwendung
eines zentralen Lagers 10A, von Seitenlagern 10B und
einem Lagerring 10C. Die Bewegung des Oberseitenschildes 6 in eine
Abwind-Position wird durch den Flügel 7 des Oberseitenschildes
unterstützt. 1B zeigt
eine zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei welcher der Oberseitenschild 6 nicht
mit einem Flügel
versehen ist. Der Oberseitenschild 6 erzeugt einen Bereich
auf der vom Wind abgewandten Seite der Turbine 8, in dem
geringe Turbulenzen herrschen und erhöht somit die Fähigkeit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Wind abzugeben, der durch die Maschine hindurch strömt. Der
Oberseitenschild 6 behindert zu keiner Zeit den Zutritt
von produktiven Winden aus irgendeiner Richtung. Wenn immer möglich, werden
die beschriebenen Elemente unter Verwendung von Leichtgewichtmaterialien
hergestellt, wie zuvor beschrieben.
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Die 2 und 2A zeigen
den Rotorkäfig.
Die Gesamtsteifigkeit und die strukturelle Festigkeit können durch
die obere Rotorkäfig-Platte 3 und die
untere Rotorkäfig-Platte 4 erhöht werden.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die Oberseitenplatte 3 leicht
gebogen sein kann, um die Luft oder ein anderes Fluid besser zu
komprimieren und in den Rotorkäfig
zu lenken. Ein entgegen gesetzter Winkel an der unteren Rotorkäfig-Platte 4 kann
die gleiche Aufgabe mit einem nach oben gerichteten Druck erfüllen.
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Es
ist möglich,
nur die obere und die untere Käfigplatte
an der Welle zu befestigen. Dieser einzigartige Gesichtspunkt kann
die Möglichkeit
des erfindungsgemäßen Gerätes unterstützen ohne
weiteres Wind und andere Fluide aufzunehmen, zu nutzen und wieder
abzugeben. Die strukturelle Festigkeit und Steifigkeit kann dadurch
erhöht
werden, dass die Rotorblätter
an zwei Stellen befestigt sind, statt direkt an der Welle, wie beim
Stand der Technik.
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3 zeigt
die Anordnung der Rotorblätter 2 sowohl
in Bezug zueinander als auch bezüglich
der Welle 1. Insbesondere sei auf den Raum 33 zwischen
der Welle 1 und der inneren Kante der Rotorblätter 2 hingewiesen.
Dieser Raum ist in vielerlei Hinsicht eine wesentliche Komponente
einer Ausführungsform
der Erfindung. Zunächst
insofern, als er es Luftanteilen ermöglicht, durch das Zentrum der
Maschine zu strömen,
trifft die Luft auf das Blatt auf der Wind abgewandten Seite der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
auf und trägt
zu dem Druck bei und unterstützt
den Abgabezyklus. Der Raum zwischen der Welle und dem Rotor kann
auch ein größeres Drehmoment
dadurch erzielen, dass die kinetische Energie des Windes gezwungen
wird, in einem größeren Abstand
von der Mitte (d.h. von der Welle) einzuwirken. Die flachen Oberflächen der
Rotorblätter
ermöglichen
es, dass der Wind seine Kraft überträgt und augenblicklich
abgelenkt wird. Eine gekrümmte
oder schalenförmige
Oberfläche
(wie sie im Stand der Technik beschrieben wird) kann es der Luft
ermöglichen,
sich in der Krümmung
anzusammeln und die Kraft der nachfolgenden Winde abzupolstern.
Der Aufbau des Rotorkäfigs
ist in der bevorzugten Ausführungsform
wiedergegeben, doch sei erwähnt, dass
der Aufbau verändert
werden kann, ohne von dem weiten Gesichtspunkt der vorliegenden
Erfindung abzuweichen.
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Die
von den Rotorblättern
abgelenkte Luft kann auch ihren Weg durch den Raum zwischen der Welle
und den Rotorblättern
finden, um die Fähigkeit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
zu unterstützen, den
Wind wieder abzugeben. Der Raum zwischen den Rotorblättern und
der Welle variiert bei der bevorzugten Ausführungsform proportional mit
der Größe der gebauten
Einheit.
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In
den 4, 4A und 4B sind
die Statorblätter 5 um
dem Umfang des Rotorkäfigs
in äquidistanten
Paaren angeordnet. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind acht Blätter dargestellt, doch
können
mehr oder weniger Blätter
verwendet werden, ohne wesentlich vom weitesten Gesichtspunkt der
vorliegenden Erfindung abzuweichen. Im Gegensatz zum Stand der Technik,
der gekrümmte Statorblätter besitzt,
hat sich gezeigt, dass gerade Statoren, die gegen den Mittenpunkt
versetzt sind, es der Luft ermöglichen,
in die Turbine mit weniger Turbulenzen und somit mit mehr Kraft
einzutreten. Wenn versucht wird, die Richtung der Luftströmungen abzubiegen
oder zu ändern
(wie dies früher
mit Hilfe von gekrümmten
Statorblättern
getan wurde) kann die Kraft des Windes stark vermindert werden.
Obwohl sie die Luft direkt in die erfindungsgemäße Vorrichtung lenken, haben
gerade Statoren einen minimalen Einfluss hinsichtlich des Verlustes
von kinetischer Energie. Es wurden Statorblätter-Versetzungswinkel zwischen
30° und
60° mit
Inkrementen von 1° getestet
und es wurde gefunden, dass der optimale Winkel der Versetzung der
Statorblätter
gegen den Mittenpunkt 45° ist.
Verändert
man diesen Winkel auch nur um 1°,
so kann dies in starkem Maße
das Arbeitsverhalten der Turbine verschlechtern. Beispielsweise
haben Tests gezeigt, dass bei einer Windgeschwindigkeit von 17,9 m/s
eine Anwinkelung der Statorblätter
um 44° 200
kW weniger Leistung über
eine Periode von 24 h erzeugt, als Statorblätter, die einen Winkel von
45° aufweisen.
Die Windturbine wurde so konstruiert, dass sie unabhängig von
ihrer Geschwindigkeit alle zur Verfügung stehenden Winde annimmt
und hat somit keinen Bedarf für
eine Statorkonstruktion, welche die Kraft des Windes dämpfen oder
vermindern würde.
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5 zeigt
die Ausrichtung der Statorkäfig-Abdeckung.
Dieses ist der Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung, der es der
Turbine erlaubt, bezüglich
der in sie hinein strömenden
Luftströme
zu sein praktisch keine obere Abdeckung zu besitzen. Sobald diese
Abdeckung in der richtigen Weise an den Statorblättern befestigt ist, ist die
Turbine strukturell einwandfrei und in der Lage, in Bezug auf Windturbinen-Ausführungsformen
Winden von mehr als 44,7 m/s zu widerstehen. Luftströme, die
den Rotorkäfig
erreichen und eine leicht nach unten gerichtete Druckrichtung besitzen,
strömen
durch die offene Oberseite (zwischen den Lagerringen) und treffen
auf die Rotorblätter,
wodurch sie deren Rotation erzeugen. Der Stand der Technik konnte
nur Windströmungen
verwenden, die sich horizontal bewegten und somit konnte er nur
einen Teil des Windes ausnutzen, der durch die neue Erfindung gehandhabt
werden kann.
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Die
Statorkäfig-Abdeckung
kann konzentrische Bügel
aufweisen, um die strukturelle Festigkeit zu gewährleisten. Auf der Oberseite
der konzentrischen Bügel
sind Lagerringe, um die Oberseitenschild-Lager aufzunehmen.
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Die 6 und 7 zeigen
den Oberseitenschild und den Oberseitenschild-Flügel. Der Flügel kann so konstruiert werden,
dass er ausreichend Kraft erzeugt, um den Oberseitenschild in eine
vom Wind abgewandte Position zu drehen. 1B zeigt eine
zweite, alternative Ausführungsform,
bei der kein Flügel
verwendet wird.
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Sobald
sich der Schild in der richtigen Position befindet, wird es einem
Wind mit nach unten gerichteter Strömungsrichtung ebenfalls ermöglicht,
in die Windturbine einzutreten (Modellversuche, die bisher durchgeführt wurden,
zeigen, dass die Ausführungsform
mit offener Oberseite das Verhalten um bis zu 20 % erhöht). Der
Oberseitenschild hindert entgegen gerichtete Winde, von der windabgewandten Seite
her in die erfindungsgemäße Vorrichtung
einzutreten, wodurch ein Austreten der eigentlichen Hauptwinde oder
die Rotation gestört
würde.
Der Raum zwischen dem Oberseitenschild und dem Rotorkäfig kann
einen Bereich mit ruhiger Luft erzeugen, der die Austritts-Merkmale
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
verbessern kann und Dämpfungseigenschaften
besitzt. Die Vorderseite oder die dem Wind zugewandte Seite des
Oberseitenschildes ist leicht konvex bezüglich der horizontalen Ebene
und kann den Oberseitenschild an einem Aufprallen während Zeiträumen mit
sehr starken Winden hindern. Das Zentrallager 10A des Oberseitenschildes 6 ermöglicht es
den Mechanismus, leicht zu schwenken, während Räder oder Lager 10B,
die auf den konzentrischen Lagerringen 10C liegen, das
Gewicht des Oberseitenschildes tragen. Der Windflügel oder Schwanz 7 des
Oberseitenschildes kann die Fähigkeit
des Oberseitenschildes unterstützen,
sich in eine Position zu bewegen, die der Windrichtung entgegengesetzt
ist, und kann die Stabilität
des Schildes während
des Betriebes erhöhen.
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Darüber hinaus
kann das Gesamtgewicht der Komponenten ein integraler Bestandteil
der Erfindung sein. Zwar kann Masse (d.h. Gewicht) verwendet werden,
um Vibrationen zu dämpfen
oder zu verhindern, doch arbeitet die neue erfindungsgemäße Vorrichtung
so glatt und weich, dass die leichtgewichtigen Kohlefaser-Materialien,
die für
ihren Aufbau verwendet werden, die strukturelle Festigkeit nicht gefährden, so
dass es möglich
ist, die Turbine auf der Spitze von existierenden Gebäuden oder
in umweltmäßig sensitiven
Bereichen oder in Bereichen zu positionieren, in denen ein hoch
aufragendes Gerät nicht
zugelassen ist.
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Wie
man aus dem vorausgehend Gesagten ohne weiteres entnehmen kann,
können
die grundlegenden Konzepte der vorliegenden Erfindung auf eine Vielzahl
von Wegen im Rahmen der beigefügten Ansprüche realisiert
werden. Die Erfindung umfasst die Verwendung von Leichgewichtmaterialien
bei der Herstellung von Windturbinen und sowohl die verbesserte
Nutzung von kinetischer Energie, die sich aus der Verwendung der
Leichgewichts-Konstruktionsmaterialien ergibt, als auch Vorrichtungen,
welche die geeignete Nutzung von Energie bewerkstelligen. In dieser
Beschreibung sind die Nutzungsverfahren als Teil der Ergebnisse
beschrieben, von denen gezeigt wird, dass sie durch die verschiedenen beschriebenen
Geräte
erzielt werden können,
einschließlich
von Turbinensystemen, und als Schritte, die der Verwendung inhärent sind.
Sie sind einfach die natürlichen
Ergebnisse der Verwendung der Vorrichtungen in der beabsichtigten
und beschriebenen Weise.
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Es
sei auch darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Veränderungen
durchgeführt
werden kann, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen, wie er durch
die beigefügten
Ansprüche
definiert ist.