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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft das Gebiet der Windturbinen-Generatoren und im
speziellen Windturbinen, die um eine vertikale Achse rotieren.
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Hintergrund
der Erfindung
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Windturbinen
mit vertikalen Achsen sind seit vielen Jahren bekannt. Die geläufigste
Bauart für eine
Turbine mit vertikaler Achse ist die Darrius-Turbine, welche gekrümmte Schaufeln
in einer troposkinen Form verwendet. Andere vertikalachsige Turbinen
verwenden gerade Schaufeln, die mit einem oder mehreren Schaufel-Stützarmen
an einer vertikalen Achse angebracht sind.
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Anstatt
den Luftwiderstand zu verwenden, benutzen moderne vertikalachsige
Turbinen aerodynamische Profile, die einen Auftrieb bieten, um den Motor
mit einer Bewegungskraft zu versehen. Im Vergleich mit Geräten von
Typ mit Luftwiderstand verbessert die Verwendung von auftriebserzeugenden aerodynamischen
Profilen die aerodynamische Effizienz der Motoren stark. Jedoch
weisen herkömmliche
vertikalachsige Turbinen, auch mit auftriebserzeugenden aerodynamischen
Profilen, im Vergleich mit horizontalachsigen Turbinen einige Nachteile
auf. Der Spitzenwert der aerodynamischen Effizienz, den die meisten
vertikalachsigen Windturbinen erreichen, liegt bei etwa 25 %–30 %. Auch
sind vertikalachsige Windturbinen nicht von Natur aus selbstanlaufend, und
erfordern die Verwendung eines Startmotors, damit sie sich zu drehen
beginnen können.
Es wurde mit einigen Verbesserungen zum grundlegenden Entwurf von
vertikalachsigen Windturbinen versucht, die ihr anhaftenden Probleme
zu lösen.
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Das
U.S. Patent Nr. 4.115.027, dessen Beschreibung hierin durch Referenz
miteinbezogen ist, offenbart eine vertikalachsige Windmühle vom
Typ mit Auftrieb. Um einen Rotor zu bilden sind vertikale aerodynamische
Profile, die einen aerodynamischen Auftrieb bereitstellen, mit Streben
rund um einen zentralen Schaft montiert.
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Die
U.S. Patente Nr. 5.027.696 und 5.332.925, deren Beschreibung hierin
durch Bezugnahme aufgenommen sind, offenbaren verschiedene Verbesserungen
zu der Windmühle
des U.S. Patents Nr. 4.115.027. Zu den Verbesserungen zählen ein neues
Bremssystem, die Verwendung dicker aerodynamischer Profile, ein
Antriebs-Riemengetriebe, einen Betrieb mit zwei Geschwindigkeiten
sowie drehbare Statoren, welche die Effizienz verbessern und die
strukturellen Belastungen während
starker Winde begrenzen.
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Die
EP 0046122 und U.S. 4156580
offenbaren jeweils eine vertikalachsige Windturbine, wobei Verkleidungen
zwischen angrenzenden Windturbinen angeordnet sind.
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Die
Windturbinen in allen oben verwiesenen Patenten verwenden stationäre Verkleidungen
an der Außenseite
des Rotors, um den Windfluss durch den Rotor zu leiten, und die
Effizienz zu verbessern. Während
herausgefunden wurde, dass dieser Ansatz die Leistungsfähigkeit
der Windturbine erheblich verbessert (die aerodynamische Effizienz
wurde sogar mit 52 % gemessen), erfordert er auch zusätzliche Struktur,
die gestützt
werden muss, und er führt
zu mehr Umrissfläche,
welche die Windbelastung auf die Struktur in Sturmbedingungen erhöht. Es wäre wünschenswert, ähnliche
Leistungssteigerungen zu erzielen, ohne Strukturelle Elemente, wie
etwa stationäre
Verkleidungen, zu benötigen.
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Die
Windturbinen der oben verwiesenen Patente verwenden auch ein mechanisches
Bremssystem, welches sich als sehr zuverlässig herausgestellt hat, welches
jedoch nach der Aktivierung auch ein manuelles Rücksetzten erfordert. Das kann
bei der Turbine zu hohen Ausfallzeiten und einer geringen Verfügbarkeit
führen,
wenn eine Bedienungsperson nicht die gesamte Zeit am Standort anwesend
ist. Es wäre
wünschenswert
ein Bremssystem einzubauen, welches sich automatisch einschaltet,
wenn in dem Turbinensystem ein Fehler auftritt, und dass sich automatisch
zurückstellt,
nachdem ein Fehlerzustand beseitigt wurde, und die Turbine wieder
in Dienst stellt.
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Es
wäre wünschenswert
eine vertikalachsige Windturbine bereitzustellen, die eine hohe
aerodynamische Effizienz erzielt, während sie eine minimale Stützstruktur
erfordert. Es wäre
auch wünschenswert eine
vertikalachsige Windturbine bereitzustellen, die für die Verwendung
unterhalb einer bestehenden Reihe von horizontalachsigen Windturbinen
in einer „Busch-Baum"-Konfiguration geeignet
ist, um die Energieproduktion auf einem Grundstück zu maximieren. Es wäre weiters
wünschenswert,
eine vertikalachsige Windturbine bereitzustellen, die ein kräftiges und
verlässliches
automatisches aerodynamisches und mechanisches Bremssystem enthält, das sich
selbst zurückstellt,
nachdem ein Fehler beseitigt wurde. Weiters wäre es wünschenswert, die Wartungshäufigkeit,
sowie Schwierigkeiten zu minimieren, indem ein einfacher Zugang
zu Teilen bereitgestellt wird, die eine häufigere Aufmerksamkeit erfordern,
wie etwa der Getriebekasten und der Generator. Es wäre wünschenswert,
die Turbine sogar noch weiter strukturell zu vereinfachen, indem
eine verspannte Schaftstruktur verwendet wird, oder eine Kombination
aus einem verspannten und einem extern gestützten Rahmen, anstatt dass
ein externer Stützrahmen
verwendet wird. Eine extern verspannte Struktur würde die
Anzahl der erforderlichen Teile minimieren. Diese Strukturen können auch
ein reineres aerodynamisches Flussfeld bereitstellen, um den Wirbeleffekt
der Turbinen zu verbessern. Es wäre weiters
wünschenswert,
den Wirbeleffekt der Turbine zu verbessern, und die Selbstanlauf-Fähigkeit
zu verbessern, indem ein Rotor mit hoher Flächendichte verwendet wird.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung sieht, durch eine Wirbel-Wechselwirkung zwischen
zwei angrenzenden Windturbinen, und indem Rotoren mit hoher Flächendichte
verwendet werden, eine Windturbine mit einer verbesserten aerodynamischen
Effizienz vor. Die Wirbel-Wechselwirkung
ist das Ergebnis der engen Aufstellung angrenzender Turbinen, sowie
ihrer winkeligen Ausrichtung in Bezug auf die Richtung des vorherrschenden
Energiewinds. Die angrenzenden Turbinen müssen auch in unterschiedliche
Richtungen rotieren, um die gekoppelte Wirbel-Wechselwirkung zu
erzielen.
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Die
verspannte Schaftstruktur kann in einer Reihenanordnung in großer Nähe aufgestellt
werden, indem eine Stützpunkt-Konfiguration
mit entweder drei oder vier Kabeln in einer gestaffelten Anordnung verwendet
wird, die einen Freiraum von Kabel zu Kabel und von Kabel zu Rotor
vorsieht. Die Windturbinen können
in einer langen Reihe von gekoppelten Windturbinen angeordnet sein,
wobei die aerodynamischen Verbesserungen überall in der Turbinenreihe
auftreten. Die Turbinenreihe sollen im rechten Winkel auf die vorherrschende
Energiewindrichtung ausgerichtet sein. Diese Ausrichtung der Turbinen
ist besonders gut geeignet für
geografische Gebiete mit einer starken vorherrschenden Windrichtung,
und einer geringen Richtungs-Veränderlichkeit.
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Die
Reihe von Wirbel-Gekoppelten Turbinen kann unterhalb einer Reihe
von horizontalachsigen Turbinen angeordnet sein. Diese „Busch-Baum"-Konfiguration maximiert
die Energieausbeute, die von einem Grundstück erlangt werden kann. Es
ist auch möglich,
dass die aerodynamische Leistung der horizontalachsigen Turbinen
auf Grund der Anwesenheit der vertikalachsigen Turbinen darunter
verbessert werden könnte.
Es ist möglich
dass die Reihe von vertikalachsigen Turbinen einen vertikalen Mischeffekt
bereitstellen könnte,
der einen höheren
Energiefluss in das Flussfeld der horizontalachsigen Windturbinen
bringt.
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Die
Turbine verwendet ein pneumatisches Bremssystem, welches automatisch
gelöst
wird, nachdem ein Fehlerzustand beseitigt worden ist, und der Turbine
ermöglicht,
den Betrieb wieder aufzunehmen. Die pneumatische Bremse ist mit
einem Gewicht vorgespannt, sodass sie normalerweise über das
Gewicht angezogen ist, und freigegeben wird, wenn ein pneumatischer Zylinder
unter Druck gesetzt wird, um die Bremse und das Gewicht anzuheben. Ein
normalerweise geschlossenes Magnetventil steuert den Druck auf dem
pneumatischen Zylinder. Das Ventil wird elektrisch aktiviert. Wenn
der elektrische Strom ausgeschaltet ist, öffnet das Ventil, um den Zylinderdruck
freizugeben. Wenn der Strom zurückkehrt,
schließt
das Ventil, und ein Kompressor setzt den Zylinder unter Druck, um
das Gewicht anzuheben, und die Bremse freizugeben. Diese stellt
sicher, dass im Fall eines Stromausfalls die Bremse angezogen wird,
um die Turbine zu stoppen, und dass sie wieder freigegeben wird,
wenn die Stromversorgung wiederhergestellt ist. Ein Wechselschalter
ist vorgesehen, um das Magnetventil zu öffnen, in dem Fall, dass der
Strom nicht ausgefallen ist, der Generator jedoch aus einem anderen
Grund nicht arbeiten kann.
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Eine
Verbindung koppelt die mechanische Bremse mit einem System, um die
Schaufelneigung anzupassen. Wenn die Bremsen angezogen werden, stellen
sich die Schaufeln auf 45 Grad ein, um als Luftwiderstandbremse
zu wirken. Auf diese Weise verfügt
die Turbine für
eine größere Zuverlässigkeit über ein
mechanisches und ein aerodynamisches Bremsen.
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Turbinenteile,
die eine hohe Abnutzung erfahren, und die eine Wartung erfordern,
sind auf Bodenniveau angeordnet. Der abgespannte Turbinenschaft
ist auf einem Lagerpaar gelagert, das am unteren Ende des Schafts
angeordnet ist. Die zwei Lager sind vertikal etwa 0,92 m (3 Fuß) von einander getrennt.
Das obere der zwei Lager wird in einer fixen Position gehalten und
stützt
nur das statische Gewicht des Hauptschafts. Das untere Lager kann
horizontal gleiten, was es dem verspannten Schaft ermöglicht,
zu schwanken. Das untere Lager stützt das Gewicht der Schaufeln,
sowie die Vertikalkräfte
vom Luftwiderstand auf den Rotor. Die Last auf dem oberen Lager
ist gering genug, dass das Lager über die Lebensdauer der Turbine
hält. Das
untere Lager ist dort angeordnet, wo es für einen Kassettenwechsel leicht
entfernt werden kann. Die Auflage des unteren Lagers sich kann durch
Anwendung eines einfachen Kugellagerrahmens horizontal bewegen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Andere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der anschließenden detaillierten
Beschreibung unter Hinzunahme der beigefügten Zeichnungen klar werden,
wobei:
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1 eine
Perspektivansicht der abgespannten vertikalachsigen Windturbine
ist, die kein Teil der vorliegenden Erfindung ist.
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2 eine
Perspektivansicht eines zweiten Beispiels ist, welches kein Teil
der vorliegenden Erfindung ist.
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3 eine
Perspektivansicht der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist, wobei zwei Windturbinen gemäß der vorliegenden Erfindung
in einer gekoppelten Wirbelkonfiguration angeordnet sind.
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4 eine
schematische Ansicht von oben eines Paars vertikalachsiger Windturbinen
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist, die in einer gekoppelten Wirbelkonfiguration angeordnet
sind.
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5 eine
Perspektivansicht einer Vielzahl von vertikalachsigen Windturbinen
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist, die in einer Reihe in einer gekoppelten Wirbelkonfiguration
angeordnet sind.
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6 eine
schematische Ansicht von oben einer Vielzahl von vertikalachsigen
Windturbinen gemäß der vorliegenden
Erfindung ist, die in einer Reihe in einer gekoppelten Wirbelkonfiguration
angeordnet sind.
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7 eine
Perspektivansicht einer Reihe von vertikalachsigen Windturbinen
ist, die in einer gekoppelten Wirbelkonfiguration entlang einer
Reihe horizontalachsiger Windturbinen in einer Busch-Baum-Konfiguration
angeordnet sind.
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8 eine
schematische Aufrissansicht eines Antriebsstrangs und einer Generatoranordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist.
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9 eine
schematische Aufrissansicht einer Bremsen- und Schaufelbetätigungsanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist.
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10 eine
schematische Aufrissansicht der Bremsen- und Schaufelbetätigungsanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist, wobei die Bremsen angezogen sind.
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11 eine
Draufsicht eines Bremsen-Auslöseschalters
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist.
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12 eine
Perspektivansicht einer Rolllager-Oberfläche ist.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Wie
in 1, die kein Teil der vorliegenden Erfindung ist,
gezeigt ist, besteht der Aufbau aus einer Windturbine 1,
die einen Hauptschaft 2 aufweist, der sich um eine vertikale
Achse dreht. Der Hauptschaft 2 ist vorzugsweise aus einem
Stahlrohr von ausreichender Dicke hergestellt, und hat einen ausreichenden
Durchmesser, um Druck-, Drehmomenten- und Biegebelastungen standzuhalten,
sowohl während
eines Betrieb der Turbine, als auch bei starken Winden, bei denen
die Turbinen gestoppt würden.
An den Hauptschaft 2 sind vier Schaufeln 3 angebracht.
Die Anzahl der Schaufeln könnte
sich, wie dies beim Entwurf ausgewählt wird, ändern, obwohl die Profillänge oder
der Rotordurchmesser sich ändern
müssten,
um die gewünschte
Flächedichte
zu bewahren. Die bevorzugte Ausführungsform
weist vier Schaufeln auf. Jede Schaufel 3 ist mit einem Paar
Schaufelarmen 4 an den Hauptschaft 2 angebracht.
In der bevorzugten Ausführungsform
werden zwei Schaufelarme 4 für jede Schaufel 3 verwendet, obwohl
es denkbar ist, einen einzelnen Schaufelarm 4 für jede Schaufel 3 zu
verwenden. Es ist auch bevorzugt, dass die Schaufelarme 4 beweglich
an jede Schaufel 3 an den Enden der Schaufel 3 angebracht sind,
um aerodynamische Effekte an der Spitze der Schaufeln zu vermindern,
und um Biegespannungen am Befestigungspunkt des Schaufelarms 4 an
der Schaufel 3 zu vermeiden. Es ist bevorzugt, dass die Schaufel 3 mit
einer momentenfreien Verbindung an den Arm 4 befestigt
ist, wie etwa eine Stiftverbindung.
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Die
Höhe des
Rotors H ist durch die Länge der
Schaufeln 3 definiert. Der Durchmesser D des Rotors ist
durch die doppelte Entfernung von der Mittellinie des Schafts 2 zu
der Profilsehnenlinie der Schaufel 3 definiert. Der gesamte
Schwenkbereich des Rotors ist durch die Rotorhöhe H mal dem Rotordurchmesser
D definiert. Jede Schaufel 3 weist eine Umrissfläche auf,
die durch die Profil C der Schaufel mal der Länge H der Schaufel definiert
ist. Die gesamte Schaufel-Umrissfläche ist das vierfache der Umrissfläche für eine einzelne
Schaufel, da sich in dem Rotor vier Schaufeln befinden. Die gesamte Schaufel-Umrissfläche dividiert
durch die Rotorfläche ist
als Rotor-Flächendichte
bekannt. Im Fall der vorliegenden Erfindung ist die Rotor-Flächendichte
vorzugsweise 33 %. Für
Windmühlenrotoren
vom Luftwiderstandstyp wäre
die Flächendichte
viel höher
als 33 % und beträgt
oft 100 %. Durch experimentieren wurde gezeigt, dass eine Rotor-Flächendichte
im Bereich von 30 % bis 40 % eine optimale Leistung bietet, und
eine Flächendichte
von 33 % ist bevorzugt.
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Der
Hauptschaft 2 ist an seinem unteren Ende in einem Antriebsgehäuse 5 und
an seinem oberen Ende durch ein Lager 6 gelagert. Das obere Lager
ist durch einen Satz Spannkabel 7 gestützt. Der Hauptschaft 2 erstreckt
sich oberhalb des oberen Satzes von Schaufelarmen 4 über eine
Entfernung, die größer ist,
als die Länge
eines Schaufelarms 4, sodass die Spannkabel 7 sich
in einem Winkel von 45 Grad zu Fundamenten 8 erstrecken
können,
die im Boden eingegraben sind. 1 zeigt
einen Aufbau mit drei Spannkabeln, falls gewünscht wäre jedoch auch die Verwendung
von vier oder mehr Spannkabeln möglich,
abhängig
von der Bodenbeschaffenheit, der Topografie und anderen Faktoren
am Standort.
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2 zeigt
ein zweites Beispiel, in dem der Rotor drei Module 9 enthält, die übereinander
gestapelt sind. Jedes Modul enthält
vier Schaufeln 3, die an den Hauptschaft 2 über Schaufelarme 4 angebracht
sind. Jedes Modul 9 in der zweiten bevorzugten Ausführungsform
ist dem Rotor der ersten bevorzugten Ausführungsform ähnlich. Die Flächendichte jedes
Rotormoduls 9 liegt zwischen 30 % und 40 % und beträgt vorzugsweise
33 %. Die drei in 2 gezeigten Module 9 sind
alle mit einem gemeinsamen Hauptschaft 2 verbunden, sodass
sie gemeinsam rotieren können.
Die Schaufeln 3 der drei Module 9 sind zwischen
den Modulen um 30 Grad gestaffelt. Indem die Schaufeln gestaffelt
werden, wird die Ausgangsleistung der Windturbine geglättet. Während in 2 drei
Module gezeigt sind, wäre
es möglich
zwei Module aufzunehmen, oder es wäre denkbar vier oder mehr Module
aufzunehmen.
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3 zeigt
die bevorzugte Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, wobei zwei Windturbinen 1 in nächster Nähe zueinander
angeordnet sind, wobei, wie in 3 gezeigt,
die Kombination von einem linearen Fluss und einem Wirbelfluss von
den zwei Rotoren sich so verbindet, dass die Effizienz beider Rotoren
verbessert wird. 4 zeigt die zwei Windturbinen
in Draufsicht, wobei zu erkenne ist, dass die Mittellinien der Turbinen
mit dem Rotordurchmesser D mit einer Entfernung L von einander entfernt
sind. Wenn L geringfügig
größer ist
als D, dann sind die Rotoren voneinander durch eine Entfernung S
beabstandet, die gleich L minus D ist. Die Entfernung s zwischen
den zwei Rotoren sollte so klein wie möglich gehalten werden, zugleich
sollte sie eine geeignete Sicherheit für Maschine und Personal zulassen.
Eine Entfernung von etwa 0,92 Metern (3 Fuß) ist bevorzugt. Diese nahe
Anordnung zweier angrenzender Rotoren wird als gekoppelte Wirbelanordnung
bezeichnet. In der gekoppelten Wirbelanordnung sollten die zwei
Rotoren in entgegengesetzte Richtungen rotieren, um die gewünschte Verbesserung
der aerodynamischen Effizienz zu erzielen. Die Rotationsrichtungen
für die
zwei Rotoren ist in der 4 durch die Pfeile dargestellt.
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Die
Windturbinen in der gekoppelten Wirbelanordnung sollten so ausgerichtet
sein, dass die Verbindungslinie der Mittellinien der zwei Windturbinen im
rechten Winkel auf die vorherrschende Energiewindrichtung ausgerichtet
ist. Idealerweise sollte die Windrichtung nicht mehr als 20 Grad
im Bezug auf die in 4 gezeigte Richtung abweichen.
An Standorten mit einer starken vorherrschenden Windrichtung, wie
sie etwa an Bergpässen
gefunden wird, kann dies erzielbar sein. An Standorten ohne eine überwiegend
vorherrschende Windrichtung könnte die
gekoppelte Wirbelanordnung für
die Rotoren jedoch nicht so gut arbeiten.
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Wie
in 5 gezeigt ist, kann eine längere Reihe von Windturbinen
in der gekoppelten Wirbelanordnung angeordnet sein. Wenn eine lange
Reihe von Windturbinen so angeordnet ist, dann ist die Mittellinie
jedes Rotors von der Mittellinie des angrenzenden Rotors durch eine
Entfernung L getrennt, die nur geringfügig größer ist als der Rotordurchmesser D,
sodass zwischen jedem Rotorpaar ein geringer Abstand s besteht.
Wie in 6 gezeigt ist, sollte jeder Rotor sich in die
entgegengesetzte Richtung zu seinen benachbarten Turbinen drehen.
Auf diese Weise wird sich jede zweite Turbine von oben aus betrachtet
im Uhrzeigersinn drehen, während
die Turbinen dazwischen sich von oben aus betrachtet gegen den Uhrzeigersinn
drehen werden.
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Wie
in 7 gezeigt ist, könnte die Reihe von Windturbinen
unterhalb einer Reihe von horizontalachsigen Windturbinen angeordnet
sein, um eine „Busch-Baum"-Konfiguration zu
bilden. Dies ermöglicht
eine höhere
Energiegewinnung von einem Grundstück. Es könnte auch die Leistung der
horizontalachsigen Windturbinen verbessern, indem Luft mit geringerer
Energie auf einer geringeren Höhe
mit Luft höherer
Energie von oben vertikal gemischt oder ersetzt wird. Eine weiter
mögliche
Synergie der Busch-Baum-Anordnung ist, dass die Fundamente für die horizontalachsigen
Turbinen modifiziert werden könnten,
um als Ankerpunkte für
die Spannkabeln, die die vertikalachsigen Windturbinen in der gekoppelten
Wirbelreihe stützen,
zu dienen. Diese Anordnung ist besonders gut geeignet für Standorte
mit vorherrschenden Winden in einer Richtung.
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Der
Antriebsstrang der Windturbine der vorliegenden Erfindung ist ähnlich den
im U.S. Patent 5.027.696 oder 5.332.925 beschriebenen, welche beide
hierhin durch Bezugnahme aufgenommen sind. Wie in 8 schematisch
dargestellt ist, besteht der Antriebsstrang aus einem an dem Schaft montierten
Getriebekasten 10, der die Rotationsgeschwindigkeit des
Hauptschaftes 2 auf eine Geschwindigkeit verstärkt, die
für den
Antrieb eines Generators zweckmäßig ist.
Ein Riemenantrieb 11 übermittelt
die Energie von dem Getriebenkasten 10 zu einem Generator 12.
Der Riemenantrieb 11 kann für eine zusätzliche Geschwindigkeitsverstärkung sorgen,
und er bringt auch eine gewisse Flexibilität in den Antrieb ein, um Drehmomentspitzen
zu glätten. Der
Getriebekasten 10 ist von einer an dem Schaft montierten
Bauart und rotiert in der Richtung des Drehmoments, wenn er nicht
gebremst wird. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Getriebekasten 10 auf
eine geringe winkelige Rotationsschrittweite beschränkt, sodass
die Riemenspannung von locker (ohne hinunterzufallen), bis straff
variiert. Diese winkelige Schrittweite ist einstellbar. Ein Stoßdämpfer 13 beschränkt die
Rate der winkeligen Drehung des Getriebekastens 10 in der
positiven Drehmomentrichtung, wodurch der Antrieb während des
Anfahrens stabilisiert wird und Drehmomentspitzen gedämpft werden.
In der bevorzugten Ausführungsform
wird ein leichter Standard-LKW-Stoßdämpfer verwendet.
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Es
ist möglich,
dass der Riemenantrieb 11 aus dem Antriebsstrang entfernt
werden könnte,
obwohl die bevorzugte Ausführungsform
den Riemenantrieb enthält.
Der Generator 12 ist in der bevorzugten Ausführungsform
ein asyncroner Standard-Induktionsgenerator. Es könnten andere
Arten von Generatoren oder Wechselstrommaschinen verwendet werden,
die mit konstanten oder veränderlichen
Geschwindigkeiten arbeiten.
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Das
schematisch in den 9 und 10 gezeigte
Bremssystem für
die Windturbine ist eine kritische Komponente. Das Bremssystem ist
in 9 in einer gelösten
Position dargestellt, in der die Turbine arbeiten kann. 10 zeigt
das Bremssystem in einer angezogenen Position, um die Turbine zu
stoppen. Das Bremssystem der Windturbine muss sicherstellen, dass
die Windturbine nicht zu zerstörerischen Geschwindigkeiten
hoch läuft,
falls das elektrische Stromnetz abhanden kommt, oder der Generator oder
seine Steuereinheiten eine Fehlfunktion aufweisen und der Generator
nicht mehr in der Lage ist, die Geschwindigkeit des Windturbinenrotors
zu begrenzen. Das Bremssystem muss auch in der Lage sein, die Windturbine
in kurzer Zeit zum Stillstand zu bringen, im Falle eines Fehlers
oder eines anderen Problems mit der Windturbine.
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Wie
in den 9 und 10 gezeigt ist, besteht das
Bremssystem aus einer Bremsscheibe 14, die oberhalb eines
unteren Flansches 15 des Hauptschafts 2 angeordnet
ist. Der Innendurchmesser der Bremsscheibe 14 ist geringfügig größer als
der Außendurchmesser
des Hauptschafts 2, wodurch durch der Scheibe 12 ermöglicht wird,
sowohl zu rotieren, als auch sich nach oben oder unten zu bewegen.
Die Scheibe 14 wird durch mehrere Stifte 16, die
vertikal durch den unteren Flansch 15 die Bremsscheibe 14 und
einen Flansch 17, der zu dem unteren Flansch 15 identisch
ist, passen, von ein rotatorischen Bewegung im Bezug auf den Hauptschaft 2 abgehalten. Die
Flansche 15 und 17 sind auf den Hauptschaft angeschweißt, und
ihre äußeren Durchmesser
(welche die gleiche Größe aufweisen)
sind viel kleiner, als der äußere Durchmesser
der Bremsscheibe 14. Die Bremsscheibe 14 kann
sich zwischen den Flanschen 15 und 17 vertikal
frei bewegen. Es gibt zwei Sätze von
Bremsbacken, einen oberen, fixierten Satz Backen 18 und
einen unteren beweglichen Satz Backen 19. Die bewegbaren
Backen 19 sich vertikal bewegbar, sowie in einer vertikalen
Ebene schwenkbar. Die bewegbaren Backen 19 sind an dem
kurzen Ende eines Bremsarmes 20 montiert, der in der vertikalen Ebene
um Drehstift-Wellen 21 schwenkt. An dem Ende des Bremsarms 20 ist
ein Gewicht 22 vorgesehen, um die Bremskraft bereitzustellen.
Der Drehstift 21 ist so angeordnet, dass die Entfernung
von ihm zu dem Ende des Bremsarms 20, der das Gewicht 22 trägt, dem
zehnfachen der Entfernung von dem Stift 21 zu dem Mittelpunkt
der bewegbaren Bremsbacken 29 entspricht. An jeder Seite
des Hauptschafts 2 sind zwei parallele Bremsarme 20 montiert.
Wenn das lange Ende des Bremsarmes 20 um den Drehpunkt 21 gesenkt
wird, steigt das kurze Ende auf, wodurch die bewegbaren Backen 19 nach
oben verschoben werden. Die bewegbaren Backen 19 sind unterhalb
der Bremsscheibe 14 angeordnet, und berühren die Scheibe 14,
wenn die Backen 19 angehoben werden. Durch ein weiteres
Absenken des langen Endes der Bremsarme 20 wird die Bremsscheibe 14 angehoben,
bis sie in Kontakt mit den oberen fixierten Bremsbacken 18 gelangt.
Die Scheibe 14 ist dann zwischen den oberen und unteren
Bremsbacken 18 und 19 eingeklemmt. Diese Stellung
ist in 10 gezeigt. Als Bremskraft ergibt
sich dann das Gewicht 22 multipliziert mit dem mechanischen
Vorteil des Hebels, oder das Zehnfache des Gewichts 22.
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Zusätzlich zur
mechanischen Bremskraft der Bremsbacken 18 und 19 auf
die Bremsscheibe 14 enthält die Windturbine auch ein
System, um die Schaufeln 3 zu neigen, um ein aerodynamisches bremsen
bereitzustellen. Das aerodynamische Bremssystem enthält eine
Schaufelaktivierungs-Scheibe 23, die an den Hauptschaft 2 in
einer Höhe
nahe dem unteren Satz Schaufelarme 4 angeordnet ist. Der
innere Durchmesser der Schaufelaktivierungs-Scheibe 23 ist
geringfügig
größer als
der äußere Durchmesser
des Hauptschafts 2, sodass die Scheibe 23 um den
Hauptschaft rotieren kann, sowie entlang dem Schaft 2 sich
nach oben und unten bewegen kann. An die Schaufelaktivierungs-Scheibe sind
ein Satz Schaufelneigungs-Kabel 24 und 25 angebracht.
Der erste Satz Kabeln 24 ist an die Vorderkante einer Schaufel 3 angebracht.
Der zweite Satz Kabeln 25 ist an die Hinterkante einer
Schaufel 3 angebracht. Von jedem Typ Kabel 24 und 25 gibt
es vier Stück,
sodass, wenn die Schaufelstellscheibe 23 im Bezug auf den
Hauptschaft 2 gedreht wird, die Vorderkanten der Schaufeln
von dem Hauptschaft 2 wegbewegt werden und die Hinterkanten
in Richtung des Hauptschafts 2 bewegt werden, um die Schaufeln 3 zu
neigen. Die Schaufeln 3 sind an einer Stelle zwischen der
Hinterkante und dem Schwerpunkt der Schaufeln schwenkbar an den
Schaufelarmen 4 befestigt. Da der Schwerpunkt vor der Schwenkposition liegt,
tendieren die Schaufeln dazu, sich zu neigen, wenn sie nicht von
den Kabeln 24 zurückgehalten werden.
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Wenn
die mechanische Bremse angezogen wird, wird gleichzeitig die Schaufelaktivierungs-Scheibe 23 gedreht.
Ein Satz Schubstangen 26 liegen auf der Oberseite der Bremsscheibe 14 auf, und
erstrecken sich nach oben zu der unteren Seite der Schaufelaktivierungs-Scheibe 23.
Die Schubstangen 26 werden in Löchern in dem Flansch 17 und einem
weiteren Flansch 27, der genau unterhalb der Schaufelaktivierungs-Scheibe 23 angeordnet
ist, geführt
und zurückgehalten.
Die Löcher
in den Flaschen 17 und 27 sind übergroß um es
den Schubstangen zu ermöglich,
sich durch die Löcher
nach oben zu bewegen. Wenn die mechanische Bremse angezogen wird,
wird die Bremsscheibe 14 nach oben bewegt. Die Aufwärtsbewegung
der Bremsscheibe 14 wird über die Schubstangen 26 auf
die Schaufelaktivierungs-Scheibe 23 übertragen, so dass die Schaufelaktivierungs-Scheibe 23 ebenfalls
nach oben bewegt wird. Ein erster Satz Anschläge 28 hält eine
Sperre 29 zurück,
die an der Schaufelaktivierungs-Scheibe 23 befestigt ist,
um diese von einer Drehbewegung in Bezug auf den Hauptschaft 2 abzuhalten.
Wenn jedoch die Schubstangen 26 die Schaufelaktivierungs-Scheibe 23 nach
oben bewegen, kommt die Sperre 29 auf der Schaufelaktivierungs-Scheibe 23 von
den Anschlägen 28 frei.
Die Zentrifugalkraft von den Schaufeln zieht dann an den Kabeln 24 und 25, und
damit die Schaufelaktivierungs-Scheibe 23 in eine neue
Position, in welcher die Sperre 29 mit einem zweiten Satz
Anschläge 30 in
Eingriff gelangt. Der erste Satz Anschläge 28 entspricht einer
Schaufelneigung für
einen Turbinenbetrieb und der zweite Satz Anschläge 30 entspricht einer
Schaufelneigung für
aerodynamisches Bremsen. Idealer Weise sollten sich die Schaufeln
zwischen den Anschlägen 28 und Anschlägen 30 etwa
um 45° neigen.
Ein Satz Federn 31 zieht die Schaufelaktivierungs-Scheibe 23 zurück in die
Betriebsposition, in der die Sperre 29 in die Anschläge 28 eingreift.
Wenn die Rotorgeschwindigkeit abnimmt, ist die Zentrifugalkraft
der Schaufeln nicht groß genug,
um die Kraft der Federn 31 zu überwinden, und die Schaufeln
kehren in ihre Betriebslage zurück.
Wenn die mechanische Bremse freigegeben wird, bewegen sich die Schubstangen 26 nach
unten, und ermöglichen
es, den Sperren 29, in eine Position zu fallen, in der
sie von den Anschlägen 28 zurückgehalten
werden. Auf dieser Weise werden die Schaufeln während eines Bremsbetriebes
geneigt um ein aerodynamisches Bremsen bereitzustellen, sie kehren
jedoch automatisch in ihre Betriebsposition zurück, wenn die Bremse freigegeben
wird. Die aerodynamischen Bremsen sind in 9 in ihrer
Betriebsposition, und in 10 in
ihrer Bremsposition mit geneigten Schaufeln gezeigt.
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In
der in 2 gezeigten Ausführungsform, in der die Windturbine
drei gestapelte Module enthält, ist
die aerodynamische Bremse vorzugsweise nur in dem unteren Modul
enthalten. Die Schaufeln auf den anderen zwei Modulen sind in ihrer
Neigung fixiert, um die Abnutzung und die Wartung bei den oberen Modulen
zu minimieren.
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Wie
in 9 und 10 gezeigt ist, wird das Bremsensystem
mit einem pneumatischen Zylinder 32 betätigt, der das Gewicht 22 am
Ende der Bremsarme 20 anhebt und senkt. Wenn das untere
Ende des Zylinders 32 unter Druck gesetzt wird, wird der innere
Kolben nach oben gedrängt,
wodurch das Gewicht 22 und der Bremsarm 20 angehoben
werden. Der Zylinder 30 muss unter Druck gesetzt werden, um
die Bremsen zu lösen,
und die Bremse wird angezogen, wenn der Druck in dem Zylinder freigegeben ist.
Um das Bremssystem zu steuern, wird die Pressluftversorgung 33 zu
dem Zylinder 32 gesteuert. Ein Luftkompressor 34 stellt
die Druckluft zu dem Zylinder 32 bereit. In der bevorzugten
Ausführungsform stellt
ein Kompressor 34 Druckluft für die Luftzylinder 32 auf
mehreren angrenzenden Windturbinen bereit. Der Fluss in den und
aus dem Luftzylinder wird durch ein Magnetventil 35 gesteuert.
Das Ventil 35 wird durch einen Schaltkreis 36 mit
elektrischer Energie versorgt, der auch die Energie für den Generator 12 bereitstellt,
so dass die Bremse aktiviert wird, wenn die Stromversorgung zu dem
Generator 12 unterbrochen ist. Die Druckluftleitung 33 ist
zwischen dem Zylinder 32 und dem Kompressor 34 offen.
Wenn die Versorgung mit elektrischer Energie zu dem Ventil 33 unterbrochen
wird, schließt
das Ventil 33 zwischen dem Kompressor 34 und dem
Zylinder 32, und lässt die
Druckluft von dem Zylinder 32 entweichen, wodurch das Gewicht 22 und
der Bremsarm 20 sich senken, und das Bremssystem angezogen
wird. Dies ist ein ausfallsicherer Entwurf, da ein Verlust der Stromversorgung
das Magnetventil 35 abschalten wird, und den Druck in der
Luftleitung 33, der den pneumatischen Zylinder 32 versorgt,
freigeben wird, wodurch veranlasst wird, dass die Bremse angezogen
wird. Die Stromversorgung zu dem Ventil 33 kann durch einen
Fehler in dem Turbinenschaltkreis oder der Nutzversorgung unterbrochen
werden. Sie kann auch unterbrochen werden, indem der Magnet- 36 und
Kompressorschaltkreis 37 mit einem Bremsschalter 38 manuell
ausgeschalten wird. Zusätzlich zum
manuellen Schalten kann ein Wechselschalter 39 in dem Magnetschaltkreis 36 durch
einen Auslöserarm 40 ausgeschalten
werden, der sich in die Bahn des Wechselschalters 39 bewegt,
um ihn auszuschalten. Der Auslöserarm 40 und
der Wechselschalter 39 sind in 11 gezeigt.
Der manuelle Schalter 38, sowie der Wechselschalter 39 müssen manuell
zurückgesetzt
werden, oder sie werden durch eine Steuersoftware zurückgesetzt.
Falls ein Fehler in der Versorgungsschaltung auftritt, werden die
Bremsen betätigt,
sie werden jedoch automatisch wieder gelöst, wenn die Stromversorgung
wiederhergestellt ist.
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Wie
in 11 gezeigt ist, wird der Wechselschalter 39 durch
einen Auslösearm 40 aktiviert.
Der Auslösearm 40 ist
auf dem Flansch 15 des Hauptschafts montiert. Der Auslösearm 40 kann
sich frei von dem Hauptschaft 2 wegdrehen, wird jedoch
von einer Feder 41 zurückgehalten.
Die Spannung der Feder 41 kann so eingestellt werden, dass
der Auslöserarm 40 sich
in eine Position bewegt, um den Wechselschalter 39 auszulösen, wenn
die Rotorgeschwindigkeit oberhalb einer zulässigen Geschwindigkeit ist,
d.h. geringfügig
höher als
die Erzeugungsgeschwindigkeit. Der Auslöserarm 40 ist vorzugsweise
aus Stahl, um eine ausreichende Masse, und damit eine ausreichende
Zentrifugalkraft, bereitzustellen. In alternativen Ausführungsformen
könnte
der Schalter 39 durch kontaktlose Geschwindigkeitssensoren
oder durch eine PLC-Steuereinheit aktiviert werden.
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Obwohl
das Bremssystem ein redundandes mechanisches und aerodynamisches
Bremsen enthält,
und obwohl das Aktivierungssystem ausfallsicher ist, hat die Erfahrung
mit Windturbinen gezeigt, dass es wünschenswert ist, ein weiteres
redundandes Bremsenauslösesystem
vorzusehen, um zu verhindern, dass Windturbinen außer Kontrolle
geraten. In 9 und 10 ist
ein redundandes Rotorgeschwindigkeitsregelungssystem gezeigt. An
den oberen Schaufelarmen 4 des untersten Rotormoduls ist ein
Satz Gewichts-belasteter Arme 42 gelagert montiert. In
der bevorzugten Ausführungsform
werden zwei Arme 42 verwendet. Wenn der Rotor ruht, hängen die
Arme 42 herunter. Wenn die Rotorgeschwindigkeit sich erhöht, schwingen
die Arme 42 nach oben und nach außen. An jedem Arm 42 ist
in einer geeigneten Entfernung zum Schwenkpunkt des Armes ein Kabel 43 befestigt,
und dieses stellt eine Verbindung zur Oberseite der Schaufelaktivierungs-Scheibe 23 her.
Wenn die Rotorgeschwindigkeit eine Geschwindigkeit übersteigt,
die oberhalb der Geschwindigkeit liegt, an der der Wechselschalter 39 umgelegt
wird, wird in dem Kabel 43 genügend Spannung aufgebaut, um
die Scheibe 23 von ihrem ersten Satz von Anschlägen 28 abzuheben.
Die Schaufeln 3 sind dann frei, um in einen 45° Schwenkwinkel
zu schwenken. Der aerodynamische Bremseffekt hält die Rotorgeschwindigkeit
innerhalb eines strukturell sicheren Bereiches. Dies ist ein ausfallsicheres
System für
den Schutz des Rotors.
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Wie
in 8 gezeigt ist, ist das untere Ende des Hauptschafts 2 auf
zwei unteren Lagern 44 und 45 gelagert. Das Hauptlager
oder obere Lager 44 ist auf den Hauptträger-Querbalken 46 oberhalb
des Getriebekastens 10 und des Fundaments montiert. Das
Schaftsystem enthält
den Hauptschaft 2, sowie einen Antriebsschaft 47.
Das Schaftsystem kann um das Hauptlager 44 schwenken. Beide
Lager sind selbstausrichtend. Das Schaftystem, einschließlich dem
Hauptschaft 2 und dem Antriebsschaft 47, schwankt,
da die Spannkabel 7 sich unter Belastung strecken können. Das
untere Lager 45 muss in der Lage sein, sich in der horizontalen
Ebene zu bewegen, um Biegebelastungen in dem Antriebsschaft 47 abzubauen.
Das Lager 45 ist kleiner als das Hauptlager 44.
Der Antriebsschaft ist an der Unterseite abgestuft, um das Lager 45 aufzunehmen,
und so, dass das Lager 45 Schubbelastungen mit dem Hauptlager 44 teilen
kann. Das untere Lager ruht auf einer Platte 48, die auf
einer in 12 gezeigten Kugellageroberfläche 49 ruht.
Die Kugellagerfläche 49 ermöglicht der
Lager-Trägerplatte 48,
sich frei in der horizontalen Ebene zu bewegen, um ein Biegen des
Antriebsschafts 47 zu entlasten. Alle diese Platten werden von
dem Fundament 50 durch einige Platten gehalten, die durch
Ankerbolzen, die aus dem Fundament 50 hervorstehen, horizontal
fixiert sind. Das untere Lager 45 ist daher durch das Fundament 50 gestützt. Das
untere Lager 43 ruht auf der Platte 48 durch justierbare
Lagerbolzen 51, die für
eine bestimmte Lastaufteilung zwischen dem Hauptlager 44 und
dem unteren Lager 45 eingestellt werden können.
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Die 10 zeigt,
dass die Kugellageroberfläche 49 eine
Oberfläche
ist, die aus einem Feld von Kugellagern 52 gebildet wird,
die durch einen Rahmen 53 an der Stelle gehalten werden.
Alle der Kugellager 52 haben den gleichen Durchmesser.
Der Durchmesser der Kugellager 52 ist größer, als
die Dicke des Rahmens 53, so dass die Stahlplatten oberhalb
der Kugellager 52 auf den kugelförmigen Lagern ruhen. Die obere
Lagerplatte 48 kann auf diesen Lagern 52 herumrollen.
Die oberen 48 und unteren 51 Platten sind an den
Oberflächen,
die an die kugelförmigen
Lager 52 angrenzen, geschmiert.
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Während bevorzugte
Ausführungsformen der
Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, wird es dem Fachmann klar
sein, dass verschiedene Modifikationen bei diesen Ausführungsformen
durchgeführt
werden können,
ohne vom Umfang der Ansprüche
abzuweichen. Daher ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht
auf die bestimmten offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein
soll, sondern dass der Umfang der Erfindung durch die folgenden
Ansprüche
festgelegt ist.