DE10105570B4

DE10105570B4 - Windkraftmaschine

Info

Publication number: DE10105570B4
Application number: DE10105570A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Althaus; Herbert Welters
Original assignee: Althaus Wolfgang Dr-Ing
Current assignee: CES CLEANTEC ENERGY SOLUTIONS GMBH, DE
Priority date: 2001-02-06
Filing date: 2001-02-06
Publication date: 2005-03-24
Anticipated expiration: 2021-02-07
Also published as: DE10105570A1

Abstract

Windkraftmaschine, mit einem um eine vertikale Achse drehbaren Rotor, mit mindestens drei im wesentlichen radial angeordneten Rotorblättern, die den Rotor in gleich große Sektoren unterteilen, wobei die Rotorblätter in jeweils mehrere nach dem Widerstandsprinzip arbeitende Teilblätter unterteilt sind, und wobei zwischen den Teilblättern vertikale Spalte zum Durchtritt der Luft angeordnet sind, gekennzeichnet durch zwischen den Teilblättern (5) verlaufende konvergente Kanäle (16), wobei die Teilblätter (5) während der Hintour als Widerstandsläufer (7) oder Auftriebsläufer und während der Rücktour als Auftriebsläufer (11) wirkend ausgebildet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windkraftmaschine.

Windkraftmaschinen sind bekannt und sind heute als horizontal rotierende Windräder bereits vielfach im Einsatz. Die horizontal rotierenden Windräder weisen zwar bereits einen beachtlichen Wirkungsgrad, aber auch die bekannten Nachteile wie z. B. große Bauhöhe, Geräuschentwicklung, Notwendigkeit zur Nachführung, starke mechanische Belastung der Bauteile durch Fliehkräfte und Vibrationen auf. Die mechanischen Belastungen treten insbesondere auch dann auf, wenn das Windrad notwendigerweise in den Wind gedreht werden muß. Außerdem benötigen die bekannten Anlagen entweder eine relativ hohe Anfangswindgeschwindigkeit oder müssen anfangs durch Hilfsmotoren in Rotation versetzt werden.

Aus diesem Grunde sind vertikal rotierende Windräder, d. h. Windräder mit vertikaler Achse, konzipiert worden, die diese Nachteile beseitigen sollen (vgl. DE 195 01 036 A1 , DE 196 03 982 A1 , DE 198 47 469 A1 , DE 197 15 373 A1 ). Der wesentliche Vorteil dieser Vertikalrotoren besteht darin, dass sie keinerlei Windrichtungsnachführung benötigen und die Komponenten leicht zügänglich in Bodennähe angebracht werden können. Aber auch die Vertikalrotoren weisen folgenden prinzipiellen Nachteil auf: Die momentenerzeugenden Profile bewegen sich auf einer Kreisbahn und laufen, wenn der Vertikalrotor auf seiner gesamten Breite vom Wind angeströmt wird, auf der Hintour einmal mit dem Wind und auf der Rücktour gegen den Wind. Dabei rufen die Profile auf der Rücktour durch ihren Strömungswiderstand eine bremsende Wirkung hervor, was den Wirkungsgrad gegenüber dem Horizontalrotor ent scheidend verringert. Es ist versucht worden, diesem Problem dadurch zu begegnen, dass der Rotor in einem Gehäuse eingeschlossen wird, bei dem nur an bestimmten Stellen Luft ein strömt (vgl. US 4,350,900 ). Hierbei ergibt sich jedoch wiederum das Problem, den Wind so zu führen, dass er gezielt in diese Öffnungen eintritt. Hierzu ist dann wieder eine Windrichtungsnachführung erforderlich.

Ein anderer Ansatz sieht vor, die Rotorblätter in mehrere Teilblätter zu unterteilen (vgl. WO 88/09873 A1). Das unterteilte Profil setzt dabei dem Wind bei der Rücktour einen geringeren Widerstand entgegen. Trotz dieser Maßnahme weisen jedoch derartige Windkraftmaschinen nur einen bescheidenen Wirkungsgrad auf.

Es ist demzufolge Aufgabe der vorliegenden Erfindung, unter Vermeidung der aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile eine Windkraftmaschine mit einem um eine vertikale Achse drehbaren Rotor zu schaffen, die einen hohen Wirkungsgrad aufweist sowie leicht und preiswert herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Windkraftmaschine mit einem um eine vertikale Achse drehbaren Rotor, mit mindestens drei im wesentlichen radial angeordneten Rotorblättern, die den Rotor in gleich große Sektoren unterteilen, wobei die Rotorblätter in jeweils mehrere nach dem Widerstandsprinzip arbeitende Teilblätter unterteilt sind, und wobei zwischen den Teilblättern vertikale Spalte zum Durchtritt der Luft angeordnet sind, gelöst, die gekennzeichnet ist durch zwischen den Teilblättern verlaufende konvergente Kanäle, wobei die Teilblätter während der Hintour als Widerstandsläufer oder Auftriebsläufer und während der Rücktour als Auftriebsläufer wirkend ausgebildet sind.

Wenn die Teilblätter der Windkraftmaschine derart optimiert werden, dass ihr strömungstechnischer Widerstand oder ihr strömungstechnischer Auftrieb bei der Hintour maximiert und ihr strömungstechnischer Widerstand bei der Rücktour minimiert bzw. der Auftrieb maximiert sind, lassen sich gegenüber konventionellen Vertikalrotoren erhebliche Wirkungsgradverbesserungen erzielen. Besonderer Bedeutung kommen dabei den zwischen den Teilblättern verlaufende konvergenten Kanälen zu. Hierdurch wird bewirkt, dass die sich beschleunigende Strömung nicht abreißt und es nicht zu Verwirbelungen mit Energieverlust kommt. Weiterhin sind somit höhere Anstellwinkel möglich, die einen größeren Auftrieb bewirken.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Vorteilhafterweise beträgt das Kontraktionsverhältnis der konvergenten Kanäle 0,6 bis 0,8.

Die konvergente Kanalführung wird bevorzugt durch die Profilierung der Teilblätter erzeugt.

Es ist jedoch auch möglich, die konvergente Kanalführung durch eine Verstellung der Teilblätter während eines Umlaufs zu erzeugen. Dies setzt jedoch eine vergleichsweise aufwendige mechanische Lösung z. B. mit Schrittmotoren voraus.

Das Kontraktionsverhältnis muß nicht über den gesamten Kanal konstant sein, sondern kann in einem hinteren Kanalabschnitt größer sein als in einem vorderen Kanalabschnitt. Hierdurch wird wiederum die Beschleunigung der Strömung gezielt dort beeinflußt, wo die Gefahr von Ablösungen am größten ist.

Die in radialer Richtung benachbarten Teilblätter weisen nach einer bevorzugten Ausführungsform gleiche Abstände zueinander auf.

Soweit unter Berücksichtigung aller weiteren Parameter wie Profilierung, Zahl der Teilblätter etc. strömungstechnisch günstig, können die in radialer Richtung benachbarten Teilblätter auch unterschiedliche Abstände zueinander aufweisen.

Gleiches gilt für die Profilierung der Teilblätter, die bei allen Teilblättern gleich oder unterschiedlich ausgebildet sein kann. Aus Symmetriegründen sollten jedoch nur die Teilblätter jedes. Sektors und nicht die in Umfangsrichtung verteilten Teilblätter unterschiedliche Profilierungen aufweisen, da es ansonsten zu Unwuchten kommt.

Auch die konvergenten Kanäle können entweder alle gleich oder innerhalb eines Sektors unterschiedlich ausgebildet sein.

Vorteilhaft ist schließlich, wenn das Profil der Teilblätter eine konvexe Unterseite aufweist.

Vorteilhaft ist außerdem, wenn der Einlauf durch Formgebung der Decke und des Bodens gerundet ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger beispielhafter Prinzipdarstellungen näher erläutert, die folgendes zeigen:
1 zeigt in Prinzipdarstellung eine Aufsicht einer erfindungsgemäßen Windkraftmaschine;
2 zeigt die Strömungsverhältnisse an der Windkraftmaschine aus 1;
3 zeigt ein Teilblatt einer Windkraftmaschine im Zustand der Anströmung als Widerstandsläufer; und
4 zeigt das Teilblatt aus 3 im Zustand der Anströmung als Auftriebsläufer, wobei verschiedene Anströmwinkel dargestellt sind.
In 1 ist eine erste Ausführungsform einer Windkraftmaschine 1 dargestellt. Man erkennt den um eine vertikale Achse 2 drehbaren, im wesentlichen dreieckigen Rotor 3. Der Rotor 3 besteht aus drei symmetrisch angeordneten Rotorblättern 4, die den Rotor 3 in drei gleich große Sektoren von je 120° unterteilen.
Jedes Rotorblatt 4 ist in drei Teilblätter 5 unterteilt, wobei zwischen den Teilblättern 5 vertikale Spalte 6 zum Durchtritt der Luft angeordnet sind. Bei Bezugsziffer 16 ist auch gut erkennbar, dass die vertikalen Spalte 6 konvergent ausgebildet sind.
Die Strömungsverhältnisse bei Anströmung des Rotors 3 sind in 2 dargestellt. Zur besseren Unterscheidung sind die Rotorblätter 4 bzw. Teilblätter 5, die alle gleich aufgebaut sind, sich jedoch in unterschiedlichen Positionen befinden, mit unterschiedlichen Bezugsziffern versehen.
Das aus den Teilblättern 7 bestehende Rotorblatt 8 befindet sich in derjenigen Position, in der bei der vorhandenen Anströmung eine Wirkung als Widerstandsläufer erzielt wird. Das aus den Teilblättern 9 bestehende Rotorblatt 10 hingegen befindet sich in der um 240° im Uhrzeigersinn weitergedrehten Position, in der eine Wirkung als Auftriebsläufer erzielt wird. Das zwischen diesen beiden Positionen befindliche, aus den Teilblättern 11 bestehende Rotorblatt 12 befindet sich in einer mehr oder weniger neutralen Position.
Betrachtet man ein Rotorblatt 4, so ergibt sich bei einem gesamten Umlauf damit strömungstechnisch gesehen ein Zyklus von maximalem Widerstand bis hin zu maximaler Auftriebswirkung und wieder bis hin zu maximalem Widerstand mit jeweils dazwischen befindlichen Positionen, in denen der Widerstand abnimmt und der Auftrieb zunimmt bzw. der Auftrieb abnimmt und der Widerstand zunimmt.
In den 3 und 4 ist nochmals vergrößert dargestellt, wie ein Teilblatt 5 allein durch unterschiedliche Anströmung einmal einen Strömungswiderstand bietet (3) und ein anderes mal Auftrieb erzeugt (4). In 4 ist darüber hinaus noch dargestellt, das sich an dem Profil des Teilblattes 5 auch bei Anströmung aus unterschiedlichen Richtungen 13, 14, 15 Auftrieb ergibt.

Claims

Windkraftmaschine, mit einem um eine vertikale Achse drehbaren Rotor, mit mindestens drei im wesentlichen radial angeordneten Rotorblättern, die den Rotor in gleich große Sektoren unterteilen, wobei die Rotorblätter in jeweils mehrere nach dem Widerstandsprinzip arbeitende Teilblätter unterteilt sind, und wobei zwischen den Teilblättern vertikale Spalte zum Durchtritt der Luft angeordnet sind, gekennzeichnet durch zwischen den Teilblättern (5) verlaufende konvergente Kanäle (16), wobei die Teilblätter (5) während der Hintour als Widerstandsläufer (7) oder Auftriebsläufer und während der Rücktour als Auftriebsläufer (11) wirkend ausgebildet sind.
Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontraktionsverhältnis der konvergenten Kanäle (16) 0,6 bis 0,8 beträgt.
Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die konvergente Kanalführung durch die Profilierung der Teilblätter (5) erzeugt wird.
Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die konvergente Kanalführung durch die Zwangsverstellung der Teilblätter (5) während eines Umlaufs erzeugt wird.
Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontraktionsverhältnis in einem hinteren Kanalabschnitt größer ist als in einem vorderen Kanalabschnitt.
Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in radialer Richtung benachbarten Teilblätter gleiche Abstände zueinander aufweisen.
Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in radialer Richtung benachbarten Teilblätter unterschiedliche Abstände zueinander aufweisen.
Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle Teilblätter gleiche Profilierungen aufweisen.
Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilblätter jedes Sektors unterschiedliche Profilierungen aufweisen.
Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass alle konvergenten Kanäle gleich ausgebildet sind.
Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die konvergenten Kanäle eines Sektors unterschiedlich ausgebildet sind.
Windkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil der Teilblätter eine konvexe Unterseite aufweist.
Windkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ihr Einlauf durch die Formgebung ihrer Decke und ihres Bodens gerundet ist.