DD232959A1

DD232959A1 - Windkraftrotor fuer windkraftanlagen

Info

Publication number: DD232959A1
Application number: DD27170584A
Authority: DD
Inventors: Gerd Otto
Original assignee: Gerd Otto
Priority date: 1984-12-27
Filing date: 1984-12-27
Publication date: 1986-02-12

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Windkraftrotor fuer Windkraftanlagen mit vertikaler Achse fuer stationaere oder mobile Stromversorgungseinrichtungen von Einfamilienhaeusern, Melkeinrichtungen, Wasserpumpen, Funk- oder Campingeinrichtungen. Insbesondere ist der erfindungsgemaesse Windkraftmotor fuer mobile Stromversorgungseinrichtungen geeignet, die auf LKW oder PKW-Haenger installiert sind. Es ist Ziel der Erfindung ein hocheffektives aerodynamisches Luftkraftsystem zu realisieren, dass schon auf besonders kleine Windgeschwindigkeiten anspricht und eine aerodynamische-automatische Drehzahlregulierung beinhaltet, die sturmsicher ist. Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass aerodynamisch hochwirksame unsymmetrische druckpunktfeste Profile verwandt werden, die untereinander automatisch oder zwangslaeufig in jedem Monat der Rotierung verschiedene Anstellwinkel haben und deren Luftkraefte sich laufend so veraendern, dass eine Drehrichtung eingehalten wird. Der Windkraftrotor ist unabhaengig von der Windanstroemrichtung und kann so dimensioniert werden, dass mit der Vergroesserung der Windgeschwindigkeit eine Verringerung der Drehzahl eintritt und die Luftkraefte gegen Null gehen. Der besondere Vorteil des vertikalen Windrotors besteht darin, dass nur ein aerodynamisch guenstiges Profil im System Verwendung findet, dessen Formwiderstand im Falle des Sturmes kleinste Werte hat. Fig. 1

Description

beispielsweise so angelegt sein, daß in der dargestellten Stellung die Anstellwinkel zueinander von + nach — wandern. In dieser Anordnung wirkt an P3 die größte Kraft in Drehrichtung; an P1 wirkt ein kleinerer Auftrieb in Drehrichtung; an P2 schließlich hat sich infolge eines negativen Anstellwinkels ein negativer Auftrieb eingestellt, der folglich ebenfalls in Drehrichtung wirkt. Im freien Lauf stellt sich ein dauernd wechselndes Kräftegleichgewicht ein, dessen Summe immer in Drehrichtung wirkt. Werden die Profilflügel im DrehpunktD mit einer Drehfeder F versehen, so werden mitVergrößerung der Windgeschwindigkeit, die Anstellwinkel der Flügel P so verändert, daß sie bei relativ hohen Windgeschwindigkeiten annähernd gleich werden; dadurch werden auch alle Auftriebskräfte an den Flügeln positiv. Hierdurch wird nicht nur wegen der Verkleinerung der angreifenden Windkräfte die Sturmsicherheit automatisch erreicht, sondern es stellt sich auch eine aerodynamische Drehzahlregulierung ein, weil mit einer Verringerung der Anstellwinkel auch eine Verkleinerung der Auftriebskräfte verbunden ist, die schließlich null werden können; d.h. sie können so festgelegt werden, daß ab bestimmten sehr hohen Windgeschwindigkeiten der Rotor zum Stillstand kommt und nur noch die Formwiderstandskomponente des Profilflügels wirksam ist. Dieser Widerstand ist gegenüber Repellerflügelsystemen sehr klein, weil sich der zum Wind kleinste Widerstand des einzigen Profils des Systems einstellt. Beim Repellerflügel hingegen wird die Bruchgefahr mit der Vergrößerung der Windgeschwindigkeit immer größer, weil sich negative Auftriebskräfte einstellen, die ein Verwinden des Flügels zur Folge haben und schließlich zum Zerborsten des Repellersführen. Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Windrotors ist; alle Flügel in gleicher Stellung fest mit seinem Rotorschenkels Rs zu verbinden. Obwohl in dieser Anordnung ein Flügel rückwärtig angeblasen wird, liegt seine Auftriebskraft in Drehrichtung. Diese Ausführung ist nicht sturmsicher, für kleine Anlagen jedoch sehr betriebssicher. Durch Einbringen von Drehfedern im Punkt D oder Auslenkmechanismen können ebenfalls Drehzahländerungen und Sturmsicherheit erzielt werden.

Ausführungsbeispiele

Anhand von Abbildungen wird die Erfindung erläutert.

Fig. 1 Windrotor mit verschiedenen Anstellwinkeln der Flügel

Fig.2 Windrotor mti fest verbundenen Flügeln

Fig. 3 Windrotor mit loser Verbindung der Flügel

Der Windkraftrotor hat eine vertikale Achse V mit der 3 oder mehr Rotorschenkel Rs fest verbunden sind. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind an den Enden der Rotorschenkel jeweils im Drehpunkt D die aerodynamischen Profilflügel von vorzugsweisen gleicher Ausführung angebracht; über einen Zahnriemen Z stehen die Profilflügel P1/P2/P3 in abhängiger Verbindung. Die Flügel sind in Ausgangsstellung so angeordnet, daß sie verschiedene Anstellwinkel in Anströmrichtung des Winkels haben.

Vorzugsweise sind zwei Winkel positiv und 1 Winkel negativ eingestellt. Dadurch wird erreicht, daß sich die Auftriebkräfte untereinander zwar ausgeglichen, aber ihre resultierenden Kräfte am Windrohrsich als wirksame Kraft positiv summieren.

Die beispielsweise eingetragenen Verteilungen der Kräfte anhand von angenommenen Kraftkomponenten zeigen den sich ausgleichenden Lauf der Kräfte am Windrotor. Alle Flügel durchlaufen gleiche Kräfteverteilungen um jeweils 120° am Umlaufradius versetzt. Werden außerdem im Drehpunkt D des einzelnen Profilflügel Drehfedern so eingesetzt, daß sie bei kleiner Windkraft entspannt sind, werden mit steigender Windkraft die Anstellwinkel verkleinert. Dieser Effekt ist für eine automatische Drehzahlregelung nutzbar und kann so ausgeführt werden, daß für sehr hohe Windkräfte die Drehzahl gegen Null geht, weil die Luftkraftkomponenten mit kleinerem Anstellwinkel auch kleiner werden und schließlich nur noch der Formwiderstand des Profils der Windkraft entgegengestellt ist.

In Fig.2 ist eine Ausführung schematisch dargestellt in der die Flügel P mit den Rohrschenkeln Rs fest verbunden sind. Auch in dieser Ausführung verändern sich die Anstellwinkel und die Luftkräfte während des Rotierens fortlaufend. Durch das unsymmetrische Profil ist auch hier die Drehrichtung vorgegeben.

Wegen der während des Umlaufs überwiegend ungünstigen Windkraftkomponenten ist jedoch mit einem bedeutend geringerem Wirkungsgrad zu rechnen. Ähnlich den bisher zum Stand der Technik gehörenden Rotoren mit senkrechter Achse.

In Fig. 3 schließlich ist die Grundausführung des erfindungsgemäßen Windrotors mit Profilflügeln dargestellt, in der sich die Flügel ohne Anstellwinkelabhängigkeit in den Wind stellen. Die Drehrichtung ist auch hier durch das Profil festgelegt. Bei theoretisch gleichem Anstellwinkel aller Flügel entsteht deswegen ein Drehmomentan der Achse V, weil die wirksame Luftkraft am jeweils abwindigen Flügel infolge der relativ kleineren Anströmgeschwindigkeit wesentlich geringer ist. Vorzugsweise werden in dieser Ausführung druckpunktfeste Profile verwendet.

Das Profil der Flügel kann verschiedene Profiltiefen aufweisen und/oder auch verschiedene Profile haben, um ein Kräftegleichgewicht aerodynamisch auszuschließen.

Claims

Patentanspruch:

1. Windkraftrotorfür Windkraftanlagen mit vertikaler Achse gekennzeichnet dadurch, daß an den Enden der Rotorschenkel (Rs) im Drehpunkt (D) aerodynamische Profilflügel (P) frei drehbar angeordnet sind und mit jeweils einem Zahnkranz (K1-K4) verbunden sind und so über einen Zahnriemen (Z) in fester Bewegungsabhängigkeit stehen; außerdem kann zwischen dem Flügel (P) und dem Zahnkranz K eine Drehfeder angeordnet sein; das Profil der Flügel (P1 bis P4) ist vorzugsweise unsymmetrisch, druckpunktfest und gleich und deren Anstellwinkel verschieden zur Anströmrichtung.
2. Windkraftrotor nach Punkt 1 gekennzeichnet dadurch, daß im Drehpunkt (V) ein Zahnkranz (K₀ frei beweglich angeordnet ist, der mit den Zahnkränzen (K1-K4) in Eingriff steht.
3. Windkraftrotor nach Punkt 1 gekennzeichnet dadurch, daß der Profilflügel (P) als gewölbte Platte mit End- und Zwischenscheiben ausgeführt ist.
4. Windkraftrotor nach Punkt 1 gekennzeichnet dadurch, daß die Profilflügel unabhängig von einander in den Achsen (D) frei beweglich angeordnet sind und mehr als 2 oder 3 Profilflügel auf eine Achse (V) wirken und ihre Schenkel (RS) mit einer zentralen Achse (V) in Verbindung stehen.
5. Windkraftrotor nach Punkt 1 gekennzeichnet dadurch, daß die Profilflügel (P) mit der Achse ihres Rotorschenkels (Rs) in gleichem Winkel fest verbunden sind oder zu dieser gleichwinklig veränderlich angeordnet sind und oder auch nicht mittels Federkraft windabhängig automatisch verstellt werden.
6. Windkraftrotor nach Punkt 1 gekennzeichnet dadurch, daß die Flügel des Rotors verschiedene Profile (P) haben und/oder unterschiedliche Profiltiefen aufweisen.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Windkraftrotor für Windkraftanlagen mit vertikaler Achse für stationäre oder mobile Stromversorgungseinrichtungen von beispielsweise Einfamilienhäusern oder abgelegenen Meldeeinrichtungen bzw. Funkeinrichtungen. Insbesondere ist die Erfindung für mobile Stromversorgungen auf LKW- oder PKW-Hänger geeignet, sie kann aber auch vom Prinzip her für stationäre Großanlagen Verwendung finden.

Charakteristik bekannter technischer Lösungen

Windkraftanlagen werden vorzugsweise mit Repellem ausgerüstet deren Achsen in Windrichtung angeordnet sind. Die Repeller dieser Anlagen sind aerodynamisch komplizierte Gebilde, weil das Profil und der Austellwinkel theoretisch an jeder Stelle des Repellerradius eine Änderung erfahren müßte. Dies ist praktisch nicht durchführbar, weshalb 3 bis 5 verschiedene Profile mit kontinuierlich verändertem Austellwinkel am Repellerflügel realisiert werden. Außerdem ist die Dimensionierung nur für die mittlere Windgeschwindigkeit möglich;

Abweichungen negativieren den Wirkungsgrad. Bei hohen Windgeschwindigkeiten ist mit einer Zerstörung zu rechnen bzw. muß durch geeignete Mittel Stillstand erzwungen werden. Die bekannten Windkraftwerke mit vertikaler Achse haben einen geringeren Wirkungsgrad, als die Repellerkraftwerke, weshalb sie keine allgemeine Einführung erfahren haben; Hierzu gehören der Flettnerrotor und der Rotator von Leschinski. Der Savonius-Rotor ist für kleine Leistungen geeignet. Von besonderer Bedeutung und der Erfindung naheliegend ist der Kippflügelrotor von Just. Diese Kippflügelrotor ist mit einem komplizierten Exzentermechanismus behaftet, der die Störanfälligkeit erhöht und den Wirkungsgrad durch das dauernde Kippen herabsetzt. Ein weiterer wesentlicher Nachteil ist, daß die Aerodynamik nicht voll genutzt werden kann, weil durch das Kippen ein symmetrisches Profil bedingt anzuwenden ist und nur jeweils 2 von 4 Flügeln wirksam sind.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, einen Windkraftrotor zu realisieren, der aerodynamisch mit höchster Effektivität den antreibenden Wind nutzt. Dieses Ziel wird dadurch erreicht, daß alle senkrecht angeordneten Flügel des Windkraftrotors mit nur einem aerodynamisch hochgradig günstigen Profil versehen sind und alle Flügel stets automatisch gegen den Wind gerichtet bleiben ohne zu kippen. Durch die Verwendung eines beispielsweise druckpunktfesten Profils und der stetigen zwangsläufigen Änderung der Anstellwinkel der Flügel zueinander wird der Auftrieb aller Flügel stets in Drehrichtung wirksam. Die besondere Effektivität der Erfindung liegt in der hohen Sturmsicherheit, die durch eine automatische Änderung der Anstellwinkel der Profilflügel erreicht wird.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ohne komplizierten Steuermechanismus unabhängig von der Windrichtung einen stets laufbereiten Winkraftrotor zu realisieren, dessen Antriebsachse senkrecht angeordnet ist. Diese Zielstellung wird insbesondere im Hinblick auf eine hohe aerodynamische Effektivität dadurch erreicht, daß alle Flügel des Rotors am Wind bleibe ihne den Windstrom abreißen zu lassen. Dieses Ziel wurdedurch bekannte technische Lösungen mit stehend angeordneten Flügeln bisher nicht erreicht. Insbesondere konnte nicht fe^gestelIt werden, daß für derartige Windrotoren Hochleistungsprofile zum Einsatz kommen.

Die besonderen Merkmale des erfindungsgemäßen Windkraftrotors sind, daß der anströmende Wind dadurch hochgradig genutzt wird, daß vorzugsweise unsymmetrische Hochleistungsprofile für die Flügel des Windkraftrotors Verwendung finden und ein Rotor mit mindestens 3 Flügeln gleichen Profils bestückt ist.

Ein weiteres Merkmal der Profilflügel des drehenden Windrotors ist, daß die Anstellwinkel der Profilflügel untereinander stets verschieden sind und positiv oder negativ sein können und sich der Auftrieb in jedem Drehwinkel stetig mit negativen oder positiven Werten ändert, diese Werte für die Drehrichtungskraft jedoch immer positiv sind, dabei können die Profilflügel an den Enden der Rotorschenkel Rs frei beweglich angeordnet sein, sie können mit diesen auch fest verbunden sein oder über Zahnräder, Zahnriemen oder Gliederketten miteinander in Abhängigkeit stehen. Der Windkraftrotor hat eine senkrechte Achse von der die indizierte Kraft abgenommen werden kann und mittels Generator in elektrische Energie wandelbar ist. An den Enden der Rotorschenkel Rs sind die vorzugsweise unsymmetrischen Profilflügel P befestigt. Durch das unsymmetrische Profil ist schon im Falle derfreien Beweglichkeit der Flügel durch die Auftriebswirkung die Drehrichtung festgelegt. Wird die Windrichtung durch einen Zahnriemen Z ergänzt, kann die Effektivität der Auftriebsverteilung wesentlich erhöht werden. Der Zahnriemen kann