AT399373B

AT399373B - Einrichtung zur umwandlung von wasser- oder windenergie

Info

Publication number: AT399373B
Application number: AT0190193A
Authority: AT
Original assignee: Schweighofer Franz; Berger Franz; Essl Ferdinand; Weichenberger Franz
Priority date: 1993-09-21
Filing date: 1993-09-21
Publication date: 1995-04-25
Also published as: ATA190193A; WO1995008708A1

Description

AT 399 373 B

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Umwandlung von Wasser- oder Windenergie mit einem um eine vorzugsweise vertikale Rotordrehachse drehbaren Rotor, der zwei oder mehrere drehbar am Rotor gelagerte Leitprofile trägt, wobei der Winkel, den jedes Leitprofil mit dem Rotor einschließt, über eine Steuereinrichtung einstellbar ist, wobei die Steuereinrichtung ein mit dem Rotor mitrotierendes, vorzugswei-5 se ringförmiges Element aufweist, von dem aus Steuerstangen nach außen zu den Leitprofilen führen.

Derartige Wind- bzw. Wasserräder werden häufig mit vertikaler Rotorachse betrieben und weisen im allgemeinen stromlinienförmige Leitprofile auf. Ein solcher Rotor ist beispielsweise der Darrieus-Rotor oder eine Abwandlung davon mit geraden Leitprofilen (H-Rotor). Der Darrieus-Rotor ist beispielsweise in der US-PS 1,835,018 beschrieben. Bei dem dort in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine aus einem io exzentrischen, ringförmigen Element und Steuerstangen bestehende Steuereinrichtung vorgesehen, um den Winkel der Leitprofile relativ zum Rotor während des Umlaufs laufend Zu verändern. Über die genaue Führung des ringförmigen exzentrischen Elementes gibt die US-PS 1,835,018 keine Auskunft. Der Darrieus-Rotor funktioniert aber auch dann, wenn die Leitprofile ständig tangential zum Wind ausgerichtet sind, wie dies beim dem in Fig. 2 der US-PS 1,835,018 beschriebenen Ausführungsbeispiel der Fall ist. Allerdings 75 benötigt diese Ausführungsform eine Fremdhilfe zum Anlaufen, denn erst ab einer bestimmten Drehzahl kann der Wind aufgrund der Anströmverhältnisse an den Leitprofilen ein Drehmoment erzeugen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Umwandlung von Wasser- oder Windenergie der eingangs genannten Gattung zu schaffen, mit der eine optimale Anpassung an die Stärke der Strömung und/oder die Richtung der Strömung möglich ist. 20 Erfindungsgemäß ist die Einrichtung gekennzeichnet durch eine Verstelleinrichtung zum Verstellen der Lage der Drehachse, um die sich das vorzugsweise ringförmige Element dreht, relativ zur Drehachse des Rotors.

Im folgenden wird der Einfachkeit halber auf ein Windrad Bezug genommen, wofür sich die erfindungsgemäße Einrichtung besonders eignet. Es wird jedoch festgehalten, daß sich die erfindungsgemäße . 25 Einrichtung grundsätzlich auch zur Umwandlung von Wasserenergie oder irgendeines anderen strömenden Mediums eignet.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung dreht sich das im allgemeinen nahe der Drehachse des Rotors angeordnete vorzugsweise ringförmige Element mit der gleichen Umfangsgeschwindigkeit wie der Rotor, ist also mit diesem mitrotierend. Die Lage der Drehachse des vorzugsweise ringförmigen Elementes läßt sich 30 jedoch gegenüber der Lage der Drehachse des Rotors vorzugsweise verstellen, sodaß diese beiden Drehachsen nicht notwendigerweise zusammenfallen, sondern im allgemeinen eine Exzentrizität des ringförmigen Elementes in bezug auf die Drehachse des Rotors vorhanden ist. Durch diese Exzentrizität wird bewirkt, daß die über Steuerstangen mit dem vorzugsweise ringförmigen Element verbundenen Leitprofile bei ihrem Umlauf ständig ihren relativen Winkel zum Rotor verändern und damit eine optimale Ausnutzung 35 der Windenergie erlauben. Insbesondere beim Anlaufen des Rotors ist es günstig, wenn die Leitprofile einen gegenüber der tangentialen Stellung ihrer Umlaufbahn abweichenden Winkel an der dem Wind zugewandten und der dem Wind abgewandten Stelle der Umlaufbahn einnehmen können. Später, wenn der Rotor seine Nenndrehzahl erreicht hat, können die Leitprofile dann vollkommen tangential gestellt werden, sodaß sie bei ihrem Umlauf ihren relativen Winkel zum Rotor nicht verändern. Dazu braucht das ringförmige 40 Element, von dem aus die Steuerstangen zu den Leitprofilen führen, nur so verstellt zu werden, daß seine Drehachse mit der Drehachse des Rotors zusammenfällt, womit die Exzentrizität verschwindet. Bei entsprechender Länge der Steuerstangen kann man dann eine exakte Tangentialsteilung der Leitprofile an ihre Umlaufbahn einstellen.

Die beschriebene Veränderung der Leitprofilstellung kann in Abhängigkeit von der Rotordrehzahl 45 erfolgen, insbesondere über einen Fliehkraftregler, der je nach Rotordrehzahl den Abstand zwischen der Drehachse des Rotors und der Drehachse des vorzugsweise ringförmigen Elementes (also das Ausmaß der Exzentrizität) einstellt.

Ein Einstellparameter ist das genannte Ausmaß der Exzentrizität, also der Abstand der Drehachse des Rotors von der Drehachse des vorzugsweise ringförmigen Elementes. Ein weiterer Paramter, der die Lage 50 der Drehachse des vorzugsweise ringförmigen Elementes relativ zur Drehachse des Rotors charakterisiert, besteht in der Lage der gedachten Verbindungslinie zwischen der Drehachse des Rotors und der Drehachse des vorzugsweise ringförmigen Elementes relativ zur Windrichtung, die ja im allgemeinen nicht festliegt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, daß eine Führung, die das mit dem Rotor mitrotierende, vorzugsweise ringförmige Element führt, mit einer Ringfahne in Verbindung steht 55 und von dieser relativ zur Windrichtung ausgerichtet wird. Durch diese Ausrichtung der Führung kann die Lage der gedachten Verbindungslinie zwischen der Drehachse des Rotors und der Drehachse des vorzugsweise ringförmigen Elementes relativ zum Wind automatisch eingestellt werden. 2

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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachstehenden Figurenbeschreibung näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung in Form eines Windrades. Die Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung in schematischer Darstellung. Die Hg. 3 zeigt einen Längsschnitt durch den zentralen Bereich eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Windrades. Die Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform in einer schematischen Draufsicht.

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Windrad scheint einen Rotor 1 auf, der um eine Drehachse 2 drehbar an einem Ständer 3 gelagert ist. An dieser Drehachse kann dann beispielsweise über einen nicht dargestellten Generator od.dgl. elektrische Energie gewonnen werden. Es ist aber auch möglich, über mechanische Getriebeketten od.dgl. irgendwelche Maschinen, Pumpen, etc. direkt mechanisch zu betreiben.

Der Rotor 1 trägt in seinem äußeren Bereich vier stromlinienförmige Leitprofile 4, die gegenüber dem Rotor an diesem drehbar gelagert sind, wobei die Ringverstellung relativ zum Rotor über Steuerstangen 5 festgelegt wird. Die Steuerstangen 5 sind innen an einem mit dem Rotor 1 mitrotierenden, vorzugsweise ringförmigen Element 6 befestigt. Dieses ringförmige Element 6 ist durch einen nicht mitrotierenden Teil 7 geführt, entlang dessen Umfang sich das vorzugsweise ringförmige Element 6 drehen kann. Die Lage des scheibenförmigen Teiles 7 legt somit die Lage der Drehachse 8 des vorzugsweise ringförmigen Elementes 6 fest. Grundsätzlich wäre es möglich, daß das ringförmige Element 6 einfach entlang der zylindrischen Umfangsfläche des scheibenförmigen Teiles 7 gleitet. Zur Verminderung der Reibung zwischen diesen beiden Teilen 6 und 7 kann jedoch dazwischen auch ein Rollenlager od.dgl. angeordnet sein, wie dies noch im Zusammenhang mit der Fig. 3 beschrieben werden wird.

Die Lage des scheibenförmigen Teiles 7 und damit die Lage der Drehachse 8 des vorzugsweise ringförmigen Elementes 6 ist nun erfindungsgemäß in zweifacher Hinsicht verstellbar. Einmal kann der Abstand der Drehachse 8 des vorzugsweise ringförmigen Elementes 6 von der Drehachse 2 des Rotors 1 eingestellt werden. Außerdem kann die Lage der gedachten Verbindungslinie 9 zwischen den beiden Drehachsen 2 und 8 relativ zur Windrichtung 10 ausgerichtet werden.

Der Abstand der beiden Drehachsen 2 und 8, also das Maß der Exzentrizität des scheibenförmigen Teiles 7 bzw. des ringförmigen Elementes 6 in bezug auf die Rotordrehachse 2 bestimmt die Abweichung in der Stellung der Leitprofile 4 von der genau tangentialen Stellung an ihre Umlaufbahn. In den Fig. 1 und 2 ist die Anlaufphase dargestellt. Das vorzugsweise ringförmige Element dreht sich exzentrisch zur Drehachse 2 des Rotors, womit sich die Leitprofile vor allem an der dem Wind zugewandten und der dem Wind abgewandten Seite des Rotors schrägstellen und damit eine im Hinblick auf die Erzeugung eines Drehmoments günstigere Lage relativ zum Wind 10 einnehmen. Wenn sich dann der Rotor zu drehen beginnt, ändern sich durch die Bewegung der Leitprofile auch die Anströmverhältnisse und es ist dann günstiger, wenn alle Leitprofile ständig tangential stehen. Dazu wird einfach das Maß der Exzentrizität des ringförmigen Elementes 6 in bezug auf die Drehachse des Rotors 1 auf Null reduziert, womit die beiden Drehachsen 2 und 8 zusammenfallen. Diese Verstellung wird durch horizontales Verschieben des scheibenförmigen Teiles 7 erzielt. Gesteuert wird das ganze über den Fliehkraftregler 11 in Abhängigkeit von der Drehzahl des Rotors 1. Mit zunehmender Drehzahl des Rotors 1 bewegen sich die Gewichte 12 nach außen. Diese Schwenkbewegung wird dann über Ritzel 13 auf eine Hubbewegung der Stange 14 übertragen. Wenn sich die Stange 14 nach oben bewegt, dreht der Zahnstangenabschnitt 14a der Stange 14 ein Ritzel 15 an, welches in einen Zahnstangenabschnitt 7a am scheibenförmigen Teil 7 eingreift und diesen Teil zur Drehachse 2 des Rotors hin verschiebt. Damit werden die Leitprofile immer tangentialer an die Umlaufbahn bis sie schließlich vollkommen tangential stehen, wenn die beiden Drehachsen 2 und 8 zusammenfallen. Ist der Wind so stark, daß die Nenndrehzahl des Rotors bei tangentialer Stellung der Leitprofile überschritten würde, so kann auch ein Übersteuern der Leitprofile 4 vorgesehen sein, indem sich der scheibenförmige Teil 7 und damit die Drehachse 8 des ringförmigen Elementes 6 auf die gegenüber der Fig. 2 gegenüberliegende Seite der Rotordrehachse 2 bewegen. Dann stehen die Leitprofile so wie dies mit der Linie 16 angedeutet ist (stall-Stellung). Durch die vorgesehene Regelung ist also ein gutes selbständiges Anlaufen des Rotors bereits bei geringen Windstärken möglich. Auch bei Starkwind wird aber ein Überschreiten der Nenndrehzahl verhindert.

Wie bereits erwähnt, wird nicht nur die Exzentrizität der Scheibe und damit des ringförmigen Elementes 6 in Abhängigkeit von der Rotordrehzahl verstellt, sondern auch die Ausrichtung der gedachten Verbindungslinie zwischen den beiden Drehachsen 2 und 8 relativ zur Windrichtung 10. Dies geschieht über die Windfahne 17, die über die Stange 18 drehtest mit dem scheibenförmigen Teil 7 verbunden ist, ohne jedoch dessen horizontale Bewegung in Abhängigkeit von der Rotordrehzahl zu behindern. In Fig. 3 ist der konstruktive Aufbau des zentralen Teiles eines Windrades in größerer Genauigkeit dargestellt. Man sieht 3

Claims

AT 399 373 B neben dem bereits in Zusammenhang mit der Fig. 1 beschriebenen Teil insbesondere Kugellager 19 zwischen dem nicht mitrotierenden scheibenförmigen Teil 7 und dem mitrotierenden ringförmigen Element 6, von dem aus die Steuerstangen 5 zu den in Fig. 3 nicht sichtbaren Leitprofilen führen. Die Fig. 4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem die Leitprofile zweiteilig ausgeführt sind. Ein Leitprofilteil 4a ist ständig in derselben Lage relativ zum Rotor 1 ausgerichtet. An diesem Teil 4a ist ein zweiter Teil 4b drehbar gelagert und nach Art eines Steuerruders über die Steuerstangen 5 einstellbar. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Sowohl die Anordnung, Anzahl als auch die Ausbildung der Leitprofile kann von den dargestellten Ausführungsbeispielen abweichen. Auch ist es möglich, anstelle der Verstellung über den Fliehkraftregler 11 die Verstellung des vorzugsweise ringförmigen Elementes beispielsweise über einen Elektromotor durchzuführen, der in Abhängigkeit von einem externen Windmeßsystem gesteuert sein könnte. Auch die Ausrichtung des nicht mitrotierenden Teiles 7 relativ zum Bild kann anstelle der direkten mechanischen Ausrichtung über eine Windfahne grundsätzlich motorisch erfolgen, wobei wiederum Eingangssignale von einem externen Windmeßsystem drehbar sind. Patentansprüche 1. Einrichtung zur Umwandlung von Wasser- oder Windenergie mit einem um eine vorzugsweise vertikale Rotordrehachse drehbaren Rotor, der zwei oder mehrere drehbar am Rotor gelagerte Leitprofile trägt, wobei der Winkel, den jedes Leitprofil mit dem Rotor einschließt, über eine Steuereinrichtung einstellbar ist, wobei die Steuereinrichtung ein mit dem Rotor mitrotierendes, vorzugsweise ringförmiges Element aufweist, von dem aus Steuerstangen nach außen zu den Leitprofilen führen, gekennzeichnet durch eine Verstelleinrichtung (7,11,17) zum Verstellen der Lage der Drehachse (8), um die sich das vorzugsweise ringförmige Element (6) dreht, relativ zur Drehachse (2) des Rotors (1).
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung eine in ihrer Lage zur Drehachse des Rotors veränderbare, nicht mitrotierende Führung (7, 19) aufweist, die das mit dem Rotor mitrotierende Element (6) führt.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung (19) am Umfang eines scheibenförmigen oder ringförmigen Teiles (7) ausgebildet ist und vorzugsweise ein Kugel-, Rollen-, Walzen- oder Gleitlager (19) zwischen nicht mitrotierendem Teil (7) und mit dem Rotor mitrotierenden Element (6) umfaßt.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung den Abstand zwischen Drehachse (2) des Rotors (1) und der Drehachse (8) des vorzugsweise ringförmigen Elementes (6) einstellt.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung einen in Abhängigkeit von der Rotordrehzahl arbeitenden Fliehkraftregler (11) umfaßt, der je nach Rotordrehzahl den Abstand zwischen der Drehachse des Rotors (1) und der Drehachse (8) des vorzugsweise ringförmigen Elementes (6) einstellt.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Fliehkraftregler (11) eine vorzugsweise in der gedachten Drehachse (2) des Rotors (1) verlaufende Stange (14) verstellt und ein Mechanismus (7a, 15, 14a) vorgesehen ist, der diese lineare Bewegung der Stange (15) in eine dazu senkrechte Bewegung des die Führung für das vorzugsweise ringförmige Element (6) tragenden Teiles (7) umsetzt.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange (14) einen Zahnstangenabschnitt (14a) aufweist, in welchen ein Ritzel (15) eingreift, das seine Drehbewegung auf einen Zahnstangenabschnitt (7a) am Teil (7) überträgt.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Längen der zu den Leitprofilen (4) führenden Steuerstangen (5) so gewählt sind, daß die Leitprofile (4) tangential an ihre Umlaufbahn stehen, wenn die Drehachse (2) des Rotors mit der Drehachse (8) des vorzugsweise ringförmigen Elementes (6) zusammenfällt. 4 AT 399 373 B
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung die Lage der gedachten Verbindungslinie (9) zwischen der Drehachse (2) des Rotors (1) und der Drehachse (8) des vorzugsweise ringförmigen Elementes (6) relativ zur Windrichtung (10) bzw. Wasserströmungsrichtung einstellt.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung bzw. der Teil (7), die bzw. der das mit dem Rotor (1) mitrotierende, vorzugsweise ringförmige Element (6) führt, mit einer Windfahne (17) oder einer anderen Einrichtung zur Erfassung der Windrichtung oder Wasserströmungsrichtung in Verbindung steht und von dieser relativ zur Windrichtung (10) bzw. Wasserströmungsrichtung ausgerichtet wird.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der die Führung aufweisende, vorzugsweise scheibenförmige Teil (7) drehfest mit einer die Windfahne (17) tragenden Stange (18) verbunden ist.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die gerade Längsachse des Leitprofils (4) parallel zur Drehachse (2) des Rotors (1) verläuft.
13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitprofiie (4) zweiteilig ausgeführt sind, wobei ein erster Teil (4a) fest mit dem Rotor (1) verbunden ist und der zweite Teil (4b) nach Art eines Steuerruders von den Steuerstangen (5) relativ zum ersten Teil (4a) bewegbar ist, vorzugsweise um eine zur Rotorachse (2) parallele Drehachse verschwenkbar ist. Hiezu 4 Blatt Zeichnungen 5