ROTORBLATT, HALTEARM UND ROTOR FÜR EINE VERTI ALACHSWINDENERGIEANLAGE SOWIE HERSTELLVERFAHREN UND VERTIKALACHS WINDENERGIE ANLÄGE

[01] Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt, einen Haltearm und einen Rotor für eine Vertikalachswindenergieanlage sowie eine Vertikalachswindenergieanlage.

[02] Windenergieanlagen sind aus dem Stand der Technik zahlreich bekannt. Eine Windenergieanlage verwendet einen Rotor zur Umwandlung der kinetischen Energie des Windes in mechanische Energie einer Welle. Bei auftriebsbasierten Windenergieanlagen erfüllen die aerodynamischen Kräfte an den Rotorblättern des Rotors diese Aufgabe.

[03] Bezogen auf die Drehachse der Windenergieanlage gibt es zwei unterschiedliche Typen. Zum einen gibt es Windenergieanlagen mit horizontaler Achse zum anderen Windenergieanlagen mit vertikaler Achse, so bezeich- nete Vertikalachswindenergieanlagen. Bei den auftriebsbasierten Verti- kalachswindenergieanlagen gibt es unterschiedliche Typen. Dabei hat sich der sogenannte H-Rotor durchgesetzt, bei dem sich im Gegensatz zum Dar- rieus-Rotor und zu herkömmlichen Windenergieanlagen mit horizontaler Achse die Rotorblätter über die gesamte Länge in einem konstanten Abstand zu dieser Achse befinden.

BESTÄTIGU NGSKOPI E [04] Um die am Rotorblatt wirkenden Kräfte und Momente auf die Welle zu übertragen, benötigen Vertikalachswindenergieanlagen eine Rotorblatt- halterung. Als Rotorblätter kommen bei Vertikalachswindenergieanlagen derzeit lediglich solche zum Einsatz, die durch vierstellige NACA- Parametrisierung mit drei Profilparametern erzeugt worden sind. Dabei handelt es sich insbesondere um das NACA0018 und das NACA4418 Profil.

[05] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern oder ihm eine Alternative zur Seite zu stellen.

Die Aufgabe wird nach einem ersten Aspekt der hier vorliegenden Erfindung gelöst durch ein Rotorblatt für eine Vertikalachswindenergieanlage, wobei das Profil des Rotorblatts gemäß einem Polynom nach der PARSEC-11- Parametrisierung gestaltet ist, wobei das Profil des Rotorblattes mindestens sieben, bevorzugt acht, neun, zehn oder alle der folgenden PARSEC-11- Parameter aufweist: r zwischen 0,000 bis 0,100, vorzugsweise zwischen 0,005 bis 0,080, besonders bevorzugt von 0,005 bis 0,050 x _up zwischen 0,10 bis 0,60, vorzugsweise zwischen 0,20 bis 0,50, besonders bevorzugt von 0,25 bis 0,45 y _up zwischen 0,000 bis 0,150, vorzugsweise zwischen 0,000 bis 0,135, besonders bevorzugt von 0,050 bis 0,120 a ² ,

zwischen 0,0 bis 2,0, vorzugsweise zwischen 0,2 bis 1,5, besonup

ders bevorzugt von 0,4 bis 1 ,3

x _low zwischen 0, 10 bis 0,60, vorzugsweise zwischen 0,20 bis 0,50, besonders bevorzugt von 0,25 bis 0,40

9 low zwischen 0,00 bis 0,15, vorzugsweise zwischen 0,00 bis 0,12, besonders bevorzugt von 0,04 bis 0,12

₂ ^0W zwischen 0,0 bis 2,0, vorzugsweise zwischen 0,2 bis 1,5, beson- ö ^x low

ders bevorzugt von0,4 bis 1 ,3

ß in Grad zwischen 0 bis 25, vorzugsweise zwischen 0 bis 20, besonders bevorzugt von 0 bis 18

a in Grad zwischen 0 bis 25, vorzugsweise zwischen 0 bis 20, besonders bevorzugt von 0 bis 15

y _te zwischen -0,3 bis 0,3, vorzugsweise zwischen -0,15 bis 0,15, besonders bevorzugt von 0

Ay _te zwischen 0 bis 0,1, vorzugsweise zwischen 0 bis 0,01, besonders bevorzugt von 0,004, wobei das Profil an jedem Punkt seiner Kontur um maximal y _up 15stel vom von PARSEC- 1 1 definierten Polynom abweichen kann, bevorzugt maximal um y _up 20stel oder um y _up 50stel, wobei das Profil besonders bevorzugt dem Polynom genau folgt. [06] Begrifflich sei erläutert, dass sich die Parametrisierung auf die sogenannte PARSEC-1 1 Definition bezieht gemäß Marnett, Markus: PARSEC- 1 1 Parameterization, Techn. Report, Institute of Aerodynamics, RWTH Aachen University, 201 1.

[07] Weiter begrifflich sei erläutert, dass alle Winkelangaben mit der Ein- heit„ ° " DEG- Angaben sind, also mit einem Vollkreis von 360 °.

[08] Es sei ausdrücklich daraufhingewiesen, dass im Rahmen der hier vorliegenden Offenbarung ein unbestimmter Artikel wie„ein...",„zwei" usw. als eine mindestens- Angabe zu verstehen ist, also„mindestens ein...",„mindestens zwei..." usw., sofern sich nicht aus dem jeweiligen Kontext ergibt, dass dort etwa nur„genau ein...",„genau zwei..." usw. gemeint ist.

[09] In einer verschlechterten Ausführungsform können sogar ein nicht po- lynomisierbarer Verlauf und/oder ein unstetiger Verlauf der Kontur noch einen gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung gestalteten Verlauf aufweisen.

[10] Da der Wirkungsgrad des gesamten Rotors im Wesentlichen von den aerodynamischen Kräften am Rotorblatt abhängt, wird mit dem soeben beschriebenen Parametersatz für die Rotorblätter ein verbesserter Wirkungsgrad erzielt. Die hierbei verwendete PARSEC-1 1 -Parametrisierung von Prof. Dr. Sobieczky bietet die Möglichkeit, die Profilform eindeutig zu definieren. Diese Parametrisierung beinhaltet elf Parameter, die in Figur 3 dargestellt sind. Dabei sind die Oberseite als die Außenseite des Rotors und die Unterseite als die Innenseite des Rotors zu verstehen. Diese bestimmen sich folgendermaßen:

• r steht für den dimensionslosen Radius an der Vorderkante

• x _up steht für die dimensionslose %-Koordinate des höchsten Punktes auf der Oberseite

• 9up steht für die dimensionslose y-Koordinate des höchsten Punktes auf der Oberseite

d ² y _u

• ₂ ^up beschreibt die 2. Ableitung von y nach x bei den Koordinaten

OX _U p

• x _iow steht für die dimensionslose x-Koordinate des tiefsten Punktes auf der Unterseite

• iow ^ste ht für die dimensionslose y-Koordinate des tiefsten Punktes auf der Unterseite

• _Ά ~2 ° ^w beschreibt die 2. Ableitung von y nach x bei den Koordinaten d ^x low

• ß ist der Öffnungswinkel des Profils an der Hinterkante in Grad

• a ist der Neigungswinkel des Profils an der Hinterkante in Grad

• 9te ist der dimensionslose vertikale Abstand der Hinterkante zur x- Achse

• Ay _te ist die dimensionslose Dicke an der Hinterkante

[11] Ein zweiter Aspekt der Erfindung, der auch unabhängig erfinderisch ist, betrifft einen Haltearm für eine Vertikalachswindenergieanlage, wobei der Haltearm eine sich längs erstreckende Haltestruktur aufweist, die ein Hohlkörper ist, dessen Wandstärke in einem Bereich abnimmt und deren Steifigkeit nach außen geringer wird.

[12] Hierdurch kann Material gespart werden, was zu einer Verringerung der Masse führt. Die Masse der Aufhängung sollte möglichst gering sein, sodass die Drehzahl der Windenergieanlage schnell an die sich ändernde Windgeschwindigkeit angepasst werden kann, um den Rotor der Windenergieanlage gleichmäßig bei einem guten Wirkungsgrad betreiben zu können. Bei der Haltestruktur kann es sich beispielsweise um ein aus Kunststoff oder anderen Materialien gegossenes Teil handeln. Dabei kann es sich um einen Voll- oder Hohlkörper handeln, welche einen Konturgradienten aufweisen können. Auch andere Materialien - wie Metall - sind denkbar.

[13] Vorteilhafterweise ist die Haltestruktur ein Hohlkörper, der in einem Bereich, in dem die Wandstärke abnimmt, einen konstanten äußeren Quer- schnitt aufweist.

[14] Grundsätzlich sind Y-förmige Haltearme von Vorteil, da so das Antriebsmoment besser übertragen werden kann. Bei einem Y-förmigen Haltearm mit einer ebenso geformten Haltestruktur ist es von Vorteil, wenn der Bereich, in dem die Wandstärke bei einem konstanten äußeren Querschnitt abnimmt, zwischen dem Knotenpunkt des Y und der Rotorblattanbindung liegt.

[15] Insbesondere kann die Haltestruktur aus mehreren U-Profilen aufgebaut sein, die ineinander geschoben sind. So entsteht ein Schalenaufbau. Diese einfache Aufbauvariante ist besonders günstig in der Herstellung und bietet beispielsweise bei einer späteren Verkleidung den Vorteil eines konstanten rechteckigen Außenquerschnitts.

[ 16] Ein dritter Aspekt der Erfindung, der auch unabhängig erfinderisch ist, betrifft einen Haltearm, wobei die sich längserstreckende Haltestruktur mit einer Form umhüllt ist und das Profil der Form gemäß der oben beschriebenen PARSEC-1 1-Parametrisierung mindestens sieben, acht, neun, zehn oder bevorzugt alle elf der folgenden Parameter aufweist: r zwischen 0,003 bis 0, 1 10, vorzugsweise zwischen 0,022 bis 0,1 10, besonders bevorzugt von 0, 100 x _up zwischen 0,268 bis 0,420, vorzugsweise zwischen 0,289 bis 0,380, besonders bevorzugt von 0,306 y _up zwischen 0, 151 bis 0,191, vorzugsweise zwischen 0, 154 bis 0,172, besonders bevorzugt von 0,157

OX ₂ ^u _U ^p p zwischen 0,429 bis 0,998, vorzugsweise zwischen 0,740 bis

0,998, besonders bevorzugt von 0,880

*iow zwischen 0,268 bis 0,420, vorzugsweise zwischen 0,289 bis 0,380, besonders bevorzugt von 0,306 iow zwischen 0, 1 1 bis 0, 191 , vorzugsweise zwischen 0, 1 4 bis 0, 172, besonders bevorzugt von 0, 157 ₂ ° ^w zwischen 0,429 bis 0,998, vorzugsweise zwischen 0,740 bis

° ^x low

0,998, besonders bevorzugt von 0,880 ß zwischen 1, 183 bis 19,946, vorzugsweise zwischen 2,442 bis 19,946, besonders bevorzugt von 17,852 zwischen 0 bis 12, vorzugsweise zwischen 0 bis 6, besonders bevorzugt von 0 y _te zwischen -0,2 bis 0,2, vorzugsweise zwischen -0, 1 bis 0, 1, besonders bevorzugt von 0

Ay _te zwischenO bis 0,1, vorzugsweise zwischen 0 bis 0,01 , besonders bevorzugt von 0,004, wobei das Profil der Form an jedem Punkt seiner Kontur um maximal y _up 15stel vom von PARSEC-1 1 definierten Polynom abweichen kann, bevorzugt maximal um y _up 20stel oder um y _up 50stel, wobei das Profil der Form besonders bevorzugt dem Polynom genau folgt. [17] Hierdurch kann eine Verringerung des Widerstandsmoments der An- bindung erzielt werden, indem der Haltearm mit einem auftriebsneutralen PARSEC-Profil ummantelt wird. Der numerischen Berechnung des idealen PARSEC-Profils wird zugrunde gelegt, dass die vier Eckpunkte der Box für die sich längserstreckende Haltestruktur innerhalb der Profilkontur liegen. Insgesamt werden das aerodynamische Widerstandsmoment der Rotorblattaufhängung verringert und damit der Drehmomentenbeiwert des Haltearms minimiert. Dies verbessert wiederum den Wirkungsgrad des Rotors der Ver- tikalachswindenergieanlage.

[18] Ein vierter Aspekt der Erfindung, der auch unabhängig erfinderisch ist, betrifft einen Haltearm, welcher eine sich längserstreckende Haltestruk- tur aufweist, die mit einer Form umhüllt ist, wobei die Form durch eine sich quer erstreckende Spantenstruktur und eine Hülle gebildet ist.

[19] Die sich quer erstreckende Spantenstruktur kann durch einen tragflügelähnlichen Spantenaufbau realisiert werden. Hierdurch wird das Gewicht der Form gering gehalten. [20] Die Hülle kann aus Blech sein, welches eine Dicke von 0,1 bis 2 mm, insbesondere von 0,1 bis 1 mm, besonders bevorzugt von 0,5 mm aufweist.

[21] Eine Befestigung der einzelnen Bestandteile des Haltearms kann durch Nieten, vorzugsweise Blindnieten, erfolgen. Für die Nieten kann ein Hinterschnitt in den Spanten vorgesehen sein. [22] Vorzugsweise weist die Spantenstruktur eine Bohrung auf, durch welche beispielsweise etwaige Versorgungs- und Steuerleitungen für eine Rotorblattverstellung oder Sensorik am Rotorblatt verlegt werden kann. Diese ist bevorzugt in dem in Anströmrichtung hinteren Teil des Spantenaufbaus angeordnet. Die Bohrung dient der Aufnahme von Kabeln und erleichtert so im Vergleich zu einer Anbringung der Kabel innerhalb der sich längs erstreckenden Haltestruktur des Haltearms die Verlegung derselben. [23] Ein fünfter unabhängig erfinderischer Aspekt der Erfindung betrifft einen Rotor für eine Vertikalachswindenergieanlage mit Haltearmen und einem Rotorblatt, wobei der Anstellwinkel in einem Bereich von -5° < d < 0° liegt, vorzugsweise bei d = -2,5°. Dies ist besonders von Vorteil, wenn es sich um ein NACA4418-Profil handelt. Ein weiter bevorzugter Bereich für den Anstellwinkel liegt bei -5° < d < 5°, vorzugsweise bei d = 0°, Dies ist besonders von Vorteil, wenn es sich um ein PARSEC-Profil handelt. Die Definition des Anstellwinkels ist der Figur 4A zu entnehmen. Hierdurch wird der Wirkungsgrad verbessert. Bei dem Anstellwinkel d, wie er in Figur 4 dargestellt ist, handelt es sich um einen negativen Wert.

[24] Ein sechster, ebenfalls unabhängig erfinderischer Aspekt der Erfindung betrifft einen Rotor für eine Vertikalachswindenergieanlage mit Haltearmen und einem Rotorblatt, wobei die Ansatzpunkte von zwei Haltearmen an einem Rotorblatt in Spannweitenrichtung einen Abstand zwischen /0,5-0,5<h _A / h _F < 0,25, insbesondere von h _A / h _F = 0,229, aufweisen.

[25] Durch die besondere Bauweise der Vertikalachswindenergieanlage ergibt sich die Möglichkeit, ein zweidimensionales Profil zu verwenden, das über die gesamte Höhe ein konstantes Profil aufweist. Um die Produktionskosten möglichst niedrig zu halten, kann es eine Struktur aufweisen, die über die gesamte Höhe konstant ist. Somit kann die dimensionierende Belastung der Rotorblattstruktur, also die innere Vergleichsspannung, proportional zum auftretenden Biegemoment angenommen werden. [26] In Abbildungen 5A und 5B sind die Verteilungen der Biegemomente sowohl für eine konstante Streckenlast (Fig. 5A), die sich bei einer frontalen Anströmung des Tragflächenprofils im Stillstand der Anlage, als auch für eine Streckenlast nach Multhopp (Fig. 5B), die sich durch die aerodynami- sehen Lasten im Betrieb der Anlage, ergeben, dargestellt. Dabei sind bereits die optimalen Ansatzpunkte der beiden Haltearme verwendet worden, die sich durch die Positionen h _A / h _F = 0,25 und h _A / h _F = kennzeichnen. Die geometrischen Definitionen sind den Figuren 4A und 4B zu entnehmen. Weicht man bei den entsprechenden Belastungen von der optimalen Position ab, so erhöht sich das innere Biegemoment des Rotorblattes entweder in der Mitte bei Position z/h _F = 0,25 oder an der Position der Angriffspunkte der Haltearme bei h _A / h _F . Dies ist durch die gestrichelten Biegemomente in der Figur 5 A und 5B deutlich zu erkennen. Dementsprechend ergeben sich die bevorzugten Angriffspunkte. [27] Ein siebter unabhängiger erfinderischer Aspekt der Erfindung betrifft einen Rotor für eine Windenergieanlage mit Haltearmen und einem Rotorblatt, wobei die Angriffspunkte von zwei Haltearmen an einem Rotorblatt in Pro filsehnenrichtung einen Abstand zwischen 0,4c < x _c < 0,5c, insbesondere von x _c = 0,45c , aufweisen. [28] Die Lage des„Angriffspunkts" sei jeweils als auf der Linie der Schar der Hauptachsen des Haltearms liegend verstanden.

[29] In Folge des Abstandes zwischen Neutralpunkt und Schwerpunkt des Rotorblattes ergibt sich ein Moment um den Lagerpunkt des Rotorblattes, da die aerodynamische Normal- und Tangentialkraft im Normalpunkt des Rotorblattes und die Zentrifugalkraft im Schwerpunkt des Rotorblattes angreifen. Zusammen mit dem aerodynamischen Moment wird dieses Moment in die Rotorblattanbindung eingeleitet. Durch eine geeignete Wahl des Lager- punktes oder durch eine Veränderung des Rotorblattschwe unktes kann Einfluss auf das Moment genommen werden. Bei den soeben beschriebenen Werten sind die Belastungen gering.

[30] Hierdurch werden die mechanischen Belastungen am Rotorblatt verringert, insofern kann Material gespart werden und die Rotorblätter werden ko stengünstiger .

[31] Ein achter Aspekt der Erfindung, der ebenfalls unabhängig erfinderisch ist, betrifft einen Rotor für eine Vertikalachswindenergieanlage.

[32] Vorteilhafterweise befindet sich die Saugseite eines Profils auf der Innenseite eines Rotors, eine Druckseite eines Profils auf der Außenseite eines Rotors.

[33] Weiter von Vorteil ist, wenn ein Rotor für eine Vertikalsachswind- energieanlage Haltearme und ein Rotorblatt aufweist,, wobei zwei zu einem Rotorblatt gehörende Haltearme ein Verbindungskreuz aufweisen und das Verbindungskreuz über Gelenke mit den Haltearmen verbunden ist. [34] Das Verbindungskreuz erhöht die Stabilität, wobei die Gelenke gleichzeitig verhindern, dass Biegemomente zwischen den einzelnen Bauteilen übertragen werden. [35] Vorteilhafterweise sind an den Haltearmen Dreiecke angeordnet, die eine axiale Bohrung für eine Verbindung mit einer Welle aufweisen. Auch hier kann die Verbindung zwischen dem Dreieck und dem Haltearm über ein Gelenk erfolgen. Zudem kann das Verbindungskreuz über Gelenke mit den Dreiecken verbunden sein.

[36] Vorteilhafterweise kann das Verbindungskreuz, wenn die längserstreckte Haltestruktur eine Y-Form aufweist, im Knotenpunkt des Y mit den Haltearmen befestigt sein. Da der Radius mit der dritten Potenz in das Widerstandsmoment eingeht, ist es von Vorteil, wenn die Arme ab dem Kno- tenpunkt bis zum Rotorblatt auf der Länge mit einer Form umhüllt sind, die den Widerstandsbeiwert wie oben beschrieben minimiert.

[37] Das Verbindungskreuz kann aus mehreren Stangen bestehen, wobei die Stangen, die den oberen Haltearm fixieren, in der Mehrzahl sind. Die Stangen, die den oberen Haltearm fixieren, werden auf Druck belastet. Daher besteht die Gefahr von Knicken. Durch eine Verstärkung in Form von mehreren Stangen können diese Kräfte besser aufgenommen werden.

[38] Ein neunter auch unabhängig erfinderischer Aspekt der Erfindung betrifft einen Rotor für eine Vertikalachswindenergieanlage, wobei er eine Nickwinkel Verstellung aufweist. [39] Bei Vertikalachswindenergieanlagen mit Nickwinkelverstellung ist der Rotation der Rotorblätter um die Drehachse der Vertikalachswindenergieanlagen eine Oszillation der Rotorblätter um eine weitere Drehachse je Rotorblatt überlagert. Der Verlauf des Verstellwinkels wird Nickwinkelkurve genannt. Durch die Nickwinkelverstellung ergeben sich eine Vielzahl von Verbesserungen.

[40] Während Anlagen mit einer Nickwinkelverstellung derzeit bereits in Betrieb sind, hebt sich die hier vorgeschlagene Nickwinkelverstellung dadurch ab, dass die Nickwinkelkurve in Abhängigkeit von Geometrie- und Betriebspunktparametern optimiert wurde. Die Geometrieparameter sind in Figur 6 zu entnehmen und lauten:

• Anzahl der Blätter b · Solidität σ =— 2*r

• Position der Rotorblattlagerung x _d , y _d , x _d2 , y _d2 , r = y _d + y _d2

• Verdrehwinkel δ d) als Funktion des Azimuthwinkel θ (T)

• Rotorblattkontur

[41] Die Solidität σ beschreibt das Verhältnis (Anzahl der Rotorblätter b mal Rotorblatttiefe c) / (Durchmesser des Rotors). Von Vorteil ist, wenn die Solidität zwischen 0,15 und 0,25, vorzugsweise bei 0,2, liegt.

[42] Ein zehnter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Haltearms mit einer sich längserstreckenden Haltestruktur, wobei in einem ersten Schritt Bleche geschnitten werden, diese in einem zweiten Schritt auf Form gekantet werden, in einem dritten Schritt die geschnittenen und geformten Profilteile ineinander geschoben werden und in einem vierten Schritt die Teile formschlüssig miteinander verbunden werden.

[43] Die Verbindung im vierten Schritt kann durch Nieten erfolgen.

[44] In einem fünften Schritt kann eine Spantenstruktur aufgeschoben und befestigt werden und in einem sechsten Schritt die Spantenstruktur mit einer Hülle ummantelt werden. Bei der Hülle kann es sich um ein dünnes Blech handeln. Die Hülle bzw. das Blech können ebenfalls mit Nieten, insbesondere Blindnieten, an der Spantenstruktur befestigt werden. Dazu kann für Nieten ein Hinterschnitt integriert werden. [45] Gemäß einem elften Aspekt der Erfindung sind die vorstehenden Merkmale zumindest zum Teil in einer Windenergieanlage umgesetzt.

[46] Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Vertikalachswind- energieanlage,

Figur 2 unterschiedliche Rotorformen für Vertikalachswindener- gieanlagen,

Figur 3 eine schematische Darstellung einer Profilform unter Angabe der elf Parameter nach der PARSEC-11 Parametri- sierung von Prof. Dr. Sobieczky, eine schematische Darstellung eines Rotorblatts mit zwei Haltearmen und einer Anbindung an eine Welle in einer Seitenansicht (Figur 4A) und in einer Draufsicht (Figur 4B) unter Angabe der geometrischen Definitionen zur Bestimmung der Angriffspunkte,

Verteilungen der Biegemomente sowohl für eine konstante Streckenlast (Figur 5A) als auf für eine Streckenlast nach Multhopp (Figur 5B), eine schematisch Darstellung eines Rotorblatts mit dazugehörigen Haltearmen sowie der Anbindung über ein Dreieck in der Draufsicht unter Angabe der Geometrieparameter zur Nickwinkelverstellung, eine schematische Darstellung eines Rotors einer Windenergieanlage in perspektivischer Darstellung, einen Querschnitt (Figur 8A) und einen Längsschnitt (Figur 8B) in perspektivischer Ansicht durch die sich längserstreckende Haltestruktur, eine schematische Darstellung eines Schnitts durch die sich längserstreckende Haltestruktur in Form von Profilen mit zwei unterschiedlichen Schnittebenen, Figur 10 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Haltearm mit einer sich längserstreckenden Haltestruktur und einer sich quererstreckenden Spantenstruktur mit einer Hülle, Figur 1 1 eine schematische Darstellung eines Spantenbauteils in perspektivischer Ansicht,

Figur 12 eine schematische Darstellung eines Haltearms in perspektivischer Ansicht und mit aufgeschobener Spantenstruktur und Hülle und Figur 13 eine schematische Darstellung der Haltearmkonstruktion eines Rotors mit sich längserstreckender Haltestruktur und aufgeschobener Spantenstruktur mit Hülle.

[47] Die in Figur 1 dargestellte Vertikalachswindenergieanlage 1 besteht aus einem Rotor 2 und einem Turm 3, auf welchem der Rotor 2 angebracht ist. Der Rotor 2 wird durch Haltearme wie beispielsweise Haltearm 4 und Rotorblätter wie beispielsweise Rotorblatt 5 gebildet. Durch den Rotor 2 wird der Luft kinetische Energie entzogen und auf eine Welle 6 als mechanische Energie übertragen. Hierbei erfolgt eine Übertragung mechanischer Energie von den Rotorblättern über die Flügelaufhängung in Form der Hal- tearme. [48] Die in Figur 2 gezeigten Vertikalachswindenergieanlagen Rotorformen sind ein H-Rotor (Figur 2A), ein Helix-Rotor (Figur 2B), ein gekrümmter Rotor (Figur 2C) und ein klassischer Darrieus-Rotor (Figur 2D).

[49] In Figur 3 sind wie oben bereits dargestellt die Geometrieparameter für eine Parametrisierung nach PARSEC11 nach Prof. Dr. Sobieczky zu entnehmen.

[50] In Figur 4A und 4B sind jeweils die Geometrieparameter zur Bestimmung der Angriffspunkte der Haltearme zu entnehmen. Zusätzlich wird hier der Aufbau einer Untereinheit 11 eines Rotors für eine Vertikalachswind- energieanlage deutlich. Die kinetische Energie des Windes wird über ein Rotorblatt 12 der Luft entzogen und dann über Haltearme 13, 13' und Dreiecke 14, 14' auf die Welle 15 in Form von mechanischer Energie übertragen. Die Haltearme 13 und 13' sind Y-fÖrmig. Das Rotorblatt 12 ist über Gelenke 16, 16' mit den Haltearmen 13, 13' verbunden und über Gelenke 17, 17', 17" (nicht sichtbar), 17" ' mit Dreiecken 14, 14', welche wiederum mit einer Welle 15 in Verbindung stehen. Eine zusätzliche Stabilisierung erfahren die Haltearme über ein Verbindungskreuz 18, bestehend aus Stangen 19, 20, 21. Hierbei fixiert eine Stange 20 den unteren Haltearm 13', wohingegen die zwei übrigen Stangen 19, 21 den oberen Haltearm 13 fixieren. [51] Auch die Stangen 19, 20 und 21 des Verbindungskreuzes 18 sind über Gelenke 22, 22' mit den Haltearmen 13, 13' sowie über die Gelenke 17, 17', 17", 17"' mit den Dreiecken 14, 14' verbunden. Hierbei erfolgt die Verbindung mit den Haltearmen 13, 13' im Knotenpunkt 23 des Y. Zusammen stellt die Verbindung zwischen der Welle 15 und dem Rotorblatt 12 die Rotoran- bindung dar und die lässt sich in drei Hauptsegmente unterteilen: den oberen und den unteren Anbindungsarm 13, 13' sowie das Verbindungskreuz 18 in der Mitte. Die beiden Gelenke, die die Haltearme mit dem Rotorblatt verbinden, sind in einem bestimmten Abstand auf dem Flügel angeordnet, und zwar entsprechend h _A / h _F = 0,229. In Profilsehnenrichtung sind die Haltearme am Rotorblatt bei x _c = 0,45c angebracht.

[52] Die Profilgeometrie eines als Prototyp erfolgreich gebauten Rotorblatts ist durch folgende elf Parameter bestimmt: r 0,051

%up 0,311

0,068

a ² -

Λ γ2 0,452

0,242

0, 147

d ² yi

1,964

d*low

ß 3,896

a 0,631

Ay _te 0,004

[53] In Figur 6 ist der identische Aufbau zu Abbildung 4A dargestellt, jedoch unter Angabe der Geometrieparameter zur Nickwinkelverstellung. Hierbei bestimmt der Pfeil 31 die Anströmrichtung und der Punkt 32 den Drehpunkt.

[54] Für die Biegemomentverläufe in den Figuren 5A und 5B ist jeweils Mb/Mbmax zu z/h _F aufgetragen. Figur 5A zeigt die konstante Flächenlast für h _A / h _F = 0,25 und Figur 5B eine Flächenlast nach Multhopp für h- _A / h _F = -0,5. Die Abweichungen der Biegemomente bei Abweichungen von der optimalen Position sind hier wie oben beschrieben zu entnehmen.

[55] Ein Rotor 41 (vgl. Figur 7) einer Vertikalachswindenergieanlage be- steht beispielsweise aus drei Rotorblättern 42, 42', 42", die jeweils über eine Rotoranbindung 43, 43', 43" mit zwei Dreiecken 44, 44' verbunden sind, die eine Verbindung zu einer Welle (nicht abgebildet) herstellen. Hierbei bestehen die Anbindungen 43, 43', 43" aus jeweils zwei Haltearmen in Form eines oberen Haltearms 45, 46, 47 und eines unteren Haltearms 45', 46' (nicht sichtbar), 47'. Diese sind jeweils Y- förmig ausgestaltet zur besseren Kräfteübertragung. Ein oberer Haltearm 45, 46, 47 und ein unterer Haltearm 45', 46', 47' sind jeweils über Verbindungskreuze 48, 48', 48" verbunden. Diese setzen sich ihrerseits jeweils aus Stangen 49, 49', 49" zur Stabilisierung der unteren Haltearme 45', 46', 47' sowie aus den Stangen 50, 51, 50', 51 ' , 50" , 51 ", die die oberen Haltearme 45, 46, 47 stabilisieren.

[ 56] Zum Aufbau der sich längs erstreckenden Haltestruktur 61 werden wie in Figuren 8 und 9 erkennbar U-Profile 62, 63, 64 ineinander geschoben. Diese werden jeweils durch Profile 65, 66, 67 komplettiert. Über Löcher 68 (exemplarisch beziffert) können diese mit den Nieten verbunden werden.

[57] Um den Drehmomentbeiwert in der Aufhängung zu minimieren, wird ein Haltearmaufbau 71 wie in Figur 10 dargestellt verwendet. Hier wird auf eine sich längs erstreckende Haltestruktur 72 bestehend aus Profilen 73, 74 eine Form 75 aufgebracht, die folgendes Profil aufweist: r 0,100

X, up 0,306

y _up 0,157 ^ 0,880

dx ² up

x _low 0,306

Yiow 0,157

0,880

d*low

ß 17,852

a 0

yte 0

y _te 0,004

[58] Die Form wird gebildet, indem Spanten wie Spante 76 auf die sich längs erstreckende Haltestruktur 72 aufgeschoben werden und mit Nieten wie beispielsweise Niete 77 fixiert werden. Die Spanten wie beispielsweise Spante 76 werden mit einem dünnen Blech 78 umhüllt, das wiederum mit Nieten wie beispielsweise 79 befestigt wird. Eine solche Ummantelung der Haltearme erfolgt wie in Figur 12 und 13 dargestellt an jedem der Y-förmi- gen Haltearme 82, 82', 83 , 83', 84, 84' ab dem Knotenpunkt des Y durch Aufbringung der Formen 85, 85', 86, 86', 87, 87'.

[59] Ein einzelnes Spantenbauteil 91 wie in Figur 1 1 dargestellt weist eine Aussparung 92 für eine sich längs erstreckende Haltestruktur (nicht abgebildet) auf. Zudem sind zahlreiche Öffnungen wie beispielsweise 93 zur Aufnahme von Blindnieten (nicht abgebildet) vorgesehen. Weiter vorgesehen ist eine kreisförmige Öffnung 94, durch welche Kabel (nicht abgebildet) geführt werden können.