CH700422B1

CH700422B1 - Axial durchströmte Windturbine.

Info

Publication number: CH700422B1
Application number: CH00726/07A
Authority: CH
Inventors: Roland Rebsamen
Original assignee: Roland Rebsamen
Priority date: 2007-04-28
Filing date: 2007-04-28
Publication date: 2010-08-31

Abstract

Die Erfindung betrifft eine axial durchströmte Windturbine mit einem um eine Rotationsachse (1) drehbaren Rotor und einem von diesem betriebenen Generator (5) zur Erzeugung elektrischer Energie. Der Rotor weist wenigstens ein spiralwendelförmig ausgebildetes, durch den Wind anströmbares Blatt (6, 7) auf. Der äussere Radius (R) des Rotors verjüngt sich in Wind-Strömungsrichtung (W) vom Einströmende (10) zum Abströmende (11) hin kontinuierlich.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft eine axial durchströmbare Windturbine mit einem um eine Rotationsachse drehbaren Rotor und gegebenenfalls einem von diesem antreibbaren Generator zur Erzeugung bzw. zur Gewinnung elektrischer Energie, wobei der Rotor wenigstens ein spiralwendelförmig ausgebildetes, durch den Wind anströmbares Blatt (Windwandler) aufweist.

[0002] Dem Einsatz von herkömmlichen Windrädern sind wegen des grossen Laufrad- bzw. Propellerdurchmessers aus Gründen des Landschaftsschutzes, Geräuschentwicklung im Infraschallbereich, Eisabwurfgefahr, Blitzeinschlaggefahr, Vogelschutz etc. sehr oft Grenzen gesetzt. Bei sehr starkem Wind müssen diese Windräder aus Gründen der Lärmbelästigung und der Betriebssicherheit relativ oft ausser Betrieb gesetzt werden. Trotz der grossen Durchmesser der bekannten Windräder mit Propeller ist deren Windenergieausbeute jedoch beschränkt, da aus einem grossen Bereich der die Windflügel überstrichenen Fläche keine Energie gewonnen werden kann.

[0003] Insbesondere für kleinere Windkraftenergie-Anlagen ist beispielsweise aus der US 4 218 175 eine Windturbine bekannt, mit einem Rotor, der in einem sich nach beiden Enden hin trichterförmig erweiternden Gehäuse angeordnet ist. Der Aussendurchmesser des Rotors vergrössert sich in Durchflussrichtung entsprechend der Konizität des Gehäuses. Diese Windturbine ist wegen des Gehäuses sehr aufwändig und kostspielig.

[0004] Die US 6 948 910 enthält eine ausführliche Abhandlung über alle Arten von Propellerformen, unter anderem auch in Fig. 14a und 14b eine Schiffsschraube mit bogenförmigen Blättern, die an Ihren Enden mit einer Nabe verbunden sind. In Fig. 15 ist ein Windrad dargestellt, das etwa analog ausgebildet ist. Zur Energieumformung dürfte dieses Windrad jedoch kaum taugen bzw. würde ein Fachmann der Winderegiegewinnung wohl kaum bei bekannten Bootsschiffsschrauben nach neuen Lösungen für bestehende Probleme suchen. Sowohl Schiffsschrauben, wie auch Windräder haben eine hunderte Jahre alte unterschiedliche geschichtliche Entwicklung genommen.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windturbine zu schaffen, die einfach aufgebaut ist und einen hohen Wirkungsgrad erreicht und die Windnutzung optimiert. Die oben angegebenen Probleme sollen vermieden werden.

[0006] Gemäss der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass der Rotor einen sich in Wind-Strömungsrichtung vom Einströmende zum Abströmende hin kontinuierlich verkleinernden Abstand zu seiner Rotationsachse aufweist. Durch den sich in Strömungsrichtung über Länge des Rotors kontinuierlich verjüngenden äusseren Radius des Rotors wird sichergestellt, dass der gesamte die Windturbine anströmende Bereich des Windes vom Rotor erfasst und in mechanische Energie umgesetzt wird.

[0007] Um ein plötzliches Abbremsen des Windes beim Auftreffen auf das Blatt zu verhindern, ist es zweckmässig, dass die Querschnitte des Blattes relativ zur Rotationsachse gegen das Einströmende hin geneigt sind. Der Wind wird somit gegen das Zentrum hin abgelenkt und kann im weiteren Verlauf ein zweites oder drittes Mal auf das Blatt auftreffen und zur Energie-Erzeugung genutzt werden.

[0008] Der Neigungswinkel der Querschnitte gegenüber der Rotationsachse beträgt vorteilhaft zwischen 45[deg.] und 80[deg.], vorzugsweise etwa 60[deg.]. Innerhalb dieses Winkelbereichs wird sichergestellt, dass keine grösseren Turbulenzen entstehen. Der Neigungswinkel kann auch - zur individuellen Optimierung - über die Länge des Rotors variieren.

[0009] Die Breite des Blattes bleibt über dessen Längsverlauf vorteilhaft etwa konstant. Somit können für das Blatt beispielsweise gewalzte oder stranggepresste Profile verwendet werden. Dies erleichtert die Herstellung des Rotors wesentlich und ermöglicht Kosteneinsparungen.

[0010] Eine weitere zweckmässige Ausführung besteht darin, dass die Breite des Blattes über dessen Längsverlauf vom Einströmende her gegen das Abströmende hin kontinuierlich abnimmt. Somit ist die vom Wind angeströmte, projizierte Fläche beim Einströmende gross und reduziert sich gegen das Abströmende, wobei auch der Luftwiderstand reduziert wird.

[0011] Eine zusätzliche Verbesserung des Wirkungsgrades kann vorteilhafterweise dadurch erreicht werden, dass der Querschnitt des Blattes nach Art eines asymmetrischen Flügelprofils, mit einer gewölbten und einer etwa geraden, bzw. flachen Seite ausgebildet ist. Durch die unterschiedlichen Formen auf beiden Seiten des Flügelprofils entstehen unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten und somit unterschiedliche Drücke. Dieser Druckunterschied ergibt eine Erhöhung des Drehmomentes.

[0012] Die flache Seite des Flügelprofils ist zweckmässigerweise der Windströmungsrichtung entgegengesetzt gerichtet. Dadurch entsteht auf der windabgewandten Seite des Blattes ein Unterdruck und somit auch eine gewisse Sogwirkung, welche eine Erhöhung des Wirkungsgrades durch Erzeugung eines zusätzlichen Drehmoments ermöglicht.

[0013] Im Prinzip funktioniert der Rotor auch mit einem einzigen Blatt. Um insbesondere bei höheren Drehzahlen durch Asymmetrie Vibrationen zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenigstens zwei Blätter vorzusehen. Die einzelnen Blätter werden dann symmetrisch zueinander um die Rotationsachse angeordnet.

[0014] Um bei wechselnder Windrichtung stets optimale Verhältnisse zu haben, ist es zweckmässig, dass die Windturbine um eine zur Rotationsachse senkrecht stehende Achse schwenkbar gelagert ist und wenigstens eine die Windturbine in die momentane Windrichtung ausrichtende Windfahne vorgesehen ist. Bei grösseren Anlagen kann dieses Ausrichten auch durch Regelantrieb mit Windsensor erfolgen.

[0015] Eine weitere Verbesserung zur Adaptierung an jeweilige lokale Gegebenheiten ist möglich, indem die senkrecht stehende Achse über ein Gelenk verfügt, um das die Neigung der Turbinenachse zur Horizontalen einstellbar ist. Dadurch können u.U. Montagen auf Hanglagen, an Dächern usw. windströmungsmässig optimiert werden. Details dieser Ausgestaltung können aus dem Schweizer Patent 695 790 entnommen werden. Der Inhalt dieser Anmeldung wird hierzu als Referenz eingefügt, insbesondere die Figuren und die dazugehörende Figurenbeschreibung.

[0016] Für eine kompakte Bauweise ist der Generator zweckmässigerweise auf der Rotationsachse angeordnet. Somit werden keine Übertragungselemente wie Transmissionen, Gelenkwellen oder dgl. benötigt.

[0017] Der Generator ist vorteilhaft mit dem Rotor direkt gekuppelt. Ggf. kann jedoch auch ein Übersetzungsgetriebe dazwischengeschaltet werden, um in einen für die Stromerzeugung günstigen Drehzahlbereich zu kommen.

[0018] Die Bezugszeichenliste ist Bestandteil der Offenbarung.

[0019] Anhand von Figuren wird die Erfindung symbolisch und beispielhaft näher erläutert.

[0020] Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleiche Bezugszeichen bedeuten gleiche Bauteile.

[0021] Es zeigen dabei
<tb>Fig. 1 <sep>eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Windturbine,

<tb>Fig. 2 <sep>den Rotor der in Fig. 1dargestellten Windturbine in Seitenansicht und

<tb>Fig. 3 <sep>den Rotor der in Fig. 1dargestellten Windturbine in Stirnansicht

<tb>Fig. 4 <sep>einen vergrösserten Querschnitt durch ein Blatt des Rotors, entlang der Linie IV-IV in Fig. 2

<tb>Fig. 5 und 6 <sep>einen Prototyp mit nur teilweise hergestellten Rotorblättern (nur die Metallrohre, die distale und proximale Kante der Rotorblätter bilden und, wie stellenweise angedeutet, durch Leichtbaustoffe überzogen werden, wobei das distale Rohr einen grösseren Durchmesser aufweist als das proximale Rohr.

<tb>Fig. 7 und 8 <sep>ein anderes Modell, bei dem ersichtlich ist, dass am Ende mit dem geringsten Abstand zur Rotorachse die Blätter nur über Stangen mit der Rotorachse verbunden sind.

[0022] Die aus Fig. 1 ersichtliche Windturbine besteht aus einer vorzugsweise horizontal angeordneten Rotationsachse 1. Diese Rotationsachse 1 ist in einem Gabellager 2 drehbar gelagert. Das Gabellager 2 ist um eine zur Rotationsachse etwa senkrecht stehende Schwenkachse 3 schwenkbar. Eine Windfahne 4 dient zur optimalen Ausrichtung der Windturbine in die momentane Windrichtung W. Ein Generator 5 zur Erzeugung elektrischer Energie ist mit dem einen Ende des Gabellagers 2 verbunden und direkt mit der Rotationsachse 1 gekuppelt. Zwei spiralwendelförmig ausgebildete Blätter 6, 7 sind an ihren Enden mit der Rotationsachse 1 verbunden. Das ist nicht zwingend so. Bei einer anderen Ausführungsform könnte das Ende mit dem grösseren Abstand zur Rotationsachse auch frei im Raum stehen. Aus Festigkeits- bzw. Stabilitätsgründen wird jedoch die Befestigung von Vorteil sein.

Die Befestigung des Blattendes mit dem grössten Abstand zur Rotationsachse kann dabei auch durch einen relativ dünnen Stab erfolgen und muss nicht zwingend in Blattbreite erfolgen. Die Blätter 6, 7 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel zueinander diametral versetzt und ineinandergewunden. Der Wind W bläst von einem Einströmende 10 zu einem Abströmende 11 axial durch die Windturbine.

[0023] Aus Fig. 2 und 3 geht die Form des Rotors noch etwas deutlicher hervor. Die Blätter 6, 7 weisen einen in Strömungsrichtung sich kontinuierlich verjüngenden äusseren Radius R auf und bilden eine Art aus einer Ebene herausgezogene Spirale. Somit wird praktisch der gesamte Querschnitt von den Blättern abgedeckt und somit vom durchströmenden Wind erfasst.

Bezugszeichenliste

[0024]
<tb>1 -<sep>Rotationsachse

<tb>2 -<sep>Gabellager

<tb>3 -<sep>Schwenkachse

<tb>4 -<sep>Windfahne

<tb>5 -<sep>Generator

<tb>6 -<sep>Blatt

<tb>7 -<sep>Blatt

<tb>8 -<sep>Oberseite

<tb>9 -<sep>Unterseite

<tb>10 -<sep>Einströmende

<tb>11 -<sep>Abströmende

<tb>12 -<sep>Stangen

<tb>13 -<sep>distale Stange

<tb>14 - <sep>proximale Stange

Claims

1. Axial durchströmbare Windturbine mit einem um eine Rotationsachse (1) drehbaren Rotor und gegebenenfalls mit einem von diesem betriebenen Generator (5) zur Erzeugung elektrischer Energie, wobei der Rotor wenigstens ein spiralwendelförmig ausgebildetes, durch den Wind anströmbares Blatt (6, 7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor einen sich in Wind-Strömungsrichtung (W) vom Einströmende (10) zum Abströmende (11) hin kontinuierlich verjüngenden Abstand zur Rotationsachse aufweist.

2. Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte des Blattes (6, 7) relativ zur Rotationsachse (1) gegen das Einströmende (10) hin geneigt sind.

3. Windturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel ([alpha]) der Querschnitte gegenüber der Rotationsachse (1) zwischen 45[deg.] und 90[deg.], vorzugsweise etwa 60[deg.] beträgt.

4. Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Blattes (6, 7) über dessen Längsverlauf konstant bleibt.

5. Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Blattes (6, 7) über dessen Längsverlauf vom Einströmende (10) her gegen das Abströmende (11) hin kontinuierlich abnimmt.

6. Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Blattes (6, 7) nach Art eines asymmetrischen Flügelprofils, mit eine gewölbten (9) und einer etwa geraden, bzw. flachen, Seite (8) ausgebildet ist.

7. Windturbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die flache Seite (8) des Flügelprofils der Windströmungsrichtung (W) entgegengesetzt gerichtet ist.

8. Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Blätter (6, 7) vorgesehen sind.

9. Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Enden des Blattes (6, 7) oder der Blätter (6, 7) mit der Rotationsachse (1) verbunden sind.

10. Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windturbine um eine zur Rotationsachse (1) senkrecht stehende Achse (3) schwenkbar gelagert ist und wenigstens eine die Windturbine in die momentane Windrichtung ausrichtende Windfahne (4) vorgesehen ist, wobei vorzugsweise die Windfahne (4) am Abströmende (11) und der Generator (5) am Einströmende der Windturbine angeordnet ist.

11. Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (5) auf der Rotationsachse (1) angeordnet ist.

12. Windturbine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (5) gegenüber der senkrecht stehenden Achse (3) gegen Mitdrehen gesichert ist.

13. Windturbine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (5) mit dem Rotor direkt gekuppelt ist.

14. Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau eines Blattes (6, 7) wenigstens zwei metallische Randrohrleisten (13, 14) umfasst, zwischen denen sich Leichtbaustoffe erstrecken, oder um die Leichtbaustoffe gelegt und befestigt sind.

15. Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einem trichterförmigen Windfang angeordnet ist.

16. Windturbine nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die senkrecht stehende Achse (3) mit einem fixierbaren Gelenk versehen ist, um die die Neigung der Rotationsachse (1) der Windturbine relativ zur Horizontalen einstellbar ist.

17. Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor einen sich in Windströmungsrichtung (W) vom Einströmende (10) zum Abströmende (11) hin kontinuierlich verjüngenden äusseren Radius (R) aufweist.

18. Windturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel ([alpha]) der Querschnitte gegenüber der Rotationsachse (1) zwischen 45[deg.] und 80[deg.], vorzugsweise etwa 60[deg.] beträgt und sich gegebenenfalls vom Einströmende (10) zum Abströmende (11) hin kontinuierlich ändert - vorzugsweise erhöht.

19. Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (b) des Blattes (6) über dessen Längsverlauf etwa konstant bleibt oder gegen das Abströmende (11) hin kontinuierlich abnimmt.

20. Windturbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die etwa gerade, bzw. flache Seite des Querschnitts des Blattes (6, 7) eine Oberseite (8) und die gewölbte Seite des Querschnitts des Blattes (6, 7) eine Unterseite (9) ist, wobei die Oberseite (8) der Windströmungsrichtung (W) entgegengesetzt gerichtet ist.

21. Windturbine nach einem der Ansprüche 8 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Blätter (6, 7) um 180[deg.] zueinander versetzt vorgesehen sind.

22. Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windturbine um eine zur Rotationsachse (1) senkrecht stehende Achse (3) schwenkbar gelagert ist und wenigstens einen Stellantrieb zur gesteuerten Ausrichtung umfasst.

23. Windturbine nach einem der Ansprüche 8 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass drei Blätter um 120[deg.] zueinander versetzt vorgesehen sind.