DE10125938A1

DE10125938A1 - Strömungsenergieanlage, insbesondere Windkraftanlage

Info

Publication number: DE10125938A1
Application number: DE10125938A
Authority: DE
Inventors: Gunter Kraus
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-05-23
Filing date: 2001-05-23
Publication date: 2003-02-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strömungsenergieanlage, insbesondere Windkraftanlage, wobei an einem Mast (1) ein um eine vertikale Achse rotierender Rotor (2) drehbar gelagert ist, sowie mit an einer Rotorplatte (3) angeordneten Rotorblättern (4), wobei eine sich vertikal erstreckende Seite (5) der Rotorblätter (4) radial nach innen und die gegenüberliegende sich vertikal erstreckende Seite (6) der Rotorblätter (4) radial nach außen weist. Erfindungsgemäß ist im definierten Abstand zu den nach außen weisenden Seitenkanten (6) der Rotorblätter (4) eine, sich vertikal erstreckende, Verschlussklappe (8) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsenergieanlage, insbesondere Windkraftanlage, wobei an einem Mast ein um eine vertikale Achse rotierender Rotor mit Rotorblättern angeordnet ist, und die durch die Windströmung erzeugte Rotation des Rotors in elektrische Energie umgewandelt wird.

Bei derartigen Windenergieanlagen ist von Nachteil, dass zur Erzielung großer Leistungen die Anlagen sehr groß dimensioniert werden müssen. Insbesondere werden Anlagen mit mehr Rotordurchmesser benötigt. Nach DE 299 20 899 U1 ist eine Windkraftanlage mit Vertikalrotor und Frontalanströmung bekannt, mit welcher durch eine spezielle Eileitflächenkonstruktion eine Eintrichterung bzw. ein Sog erzielt werden soll, womit höhere Durchströmgeschwindigkeiten erzielbar sind. Nachteilig ist jedoch, dass die Einleitflächen der Windrichtung nicht anpassbar sind. Bei einer derartigen Windenergieanlage ist daher die Strömungsausnutzung der Windkraft nicht optimal.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Windkraftanlage mit Vertikalrotor zu schaffen, bei welcher die Energie, insbesondere die Bewegungsenergie des strömenden Mediums mit einem hohen Wirkungsgrad in andere Energieformen überführt werden kann.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Windkraftanlage weist einen an einem Mast angeordneten um eine vertikale Achse rotierenden Rotor mit Rotorblättern auf, wobei eine sich vertikal erstreckende Seite der Rotorblätter radial nach innen und die gegenüberliegende sich vertikal erstreckende Seite der Rotorblätter radial nach außen weist. Erfindungsgemäß ist in definiertem Abstand zu den nach außen weisenden Seiten der Rotorblätter eine, sich vertikal erstreckende, Verschlussklappe um die Achse des Rotors, insbesondere in Abhängigkeit von der Windrichtung, schwenkbar angeordnet.

Dabei ist die entgegen der Drehrichtung des Rotors weisende und sich vertikal erstreckende Kante der Verschlussklappe so ausgerichtet, dass der Wind diese tangential anströmt. Bevorzugt ist die Verschlussklappe radial nach außen so gewölbt, dass sie dem Verlauf eines, die nach außen weisenden Enden der Rotorblätter umspannenden, Hüllkreises angepasst ist. Der Radius der Verschlussklappe wird dabei entsprechend des gewünschten Abstandes von den Rotorblättern gewählt.

Die Länge der Verschlussklappe sollte in etwa dem Abstand der nach außen weisenden Kanten zweier Rotorblätter entsprechen.

Zur Gewährleistung der Schwenkbewegung kann die Verschlussklappe z. B. oben und unten in einem Lagerring geführt und die Schwenkbewegung über die einen Stellmotor und einen Stellkranz erfolgen. Die Schwenkbewegung der Verschlussklappe kann dabei z. B. in Abhängigkeit von einer, durch den Wind drehbaren, Windfahne gesteuert werden. Die Hohe der Verschlussklappe sollte in etwa der Höhe der Rotorblätter entsprechen. Durch die Anordnung der Verschlussklappe in relativ geringem Abstand von den Rotorblättern, wobei die Verschlussklappe tangential angeströmt wird, ist eine überraschend starke Sogwirkung zu verzeichnen, die eine große Steigerung der Durchströmgeschwindigkeit und damit der Drehzahl des Rotors zur Folge hat. Dadurch kann die Leistung der Windkraftanlage um ca. 25% gesteigert werden. Weiterhin kann eine zusätzliche Erhöhung der Durchströmgeschwindigkeit dadurch erzielt werden, dass sich der Abstand der Verschlussklappe in Richtung des anströmenden Windes trichterförmig vergrößert. Als vorteilhaft hat sich auch erwiesen, dass die entgegen der Windrichtung angeordnete vertikale Kante der Verschlussklappe etwas nach außen gebogen ist.

Die Rotorblätter sind in der Art einer dünnen vertikal ausgerichteten Platte ausgebildet und erstrecken sich in einer gewölbten Form von außen nach innen, wobei eine innere freie Längskante der Rotorflächen beabstandet zur Achse angeordnet ist und sich die Dicke der Rotorblätter von der inneren Längskante in Richtung zu ihrer äußeren Längskante erhöht. Die Wölbung der Rotorblätter nimmt dabei in Richtung zur inneren Längskante ab. Der Abstand der inneren Längskante von der Achse des Rotors beträgt in etwa die Hälfte des Durchmessers des Hüllkreises.

Dadurch sind die Rotorblätter mit ihren inneren vertikalen Längskanten weiter nach außen gezogen, wodurch ebenfalls die Sogwirkung verstärkt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematische Darstellung der Windkraftanlage in Seitenansicht,
Fig. 2 Windkraftanlage in der schematisierten Draufsicht,
Fig. 3 Seitenansicht eines Rotors,
Fig. 4 Draufsicht auf den Rotor gem. Fig. 3,
Fig. 5 Darstellung eines Rotorblattes in der Draufsicht,
Fig. 6 schematische Draufsicht auf den Rotor nach Fig. 4 mit einer davon gleichmäßig beabstandeten die Verschlussklappe,
Fig. 7 Draufsicht auf den Rotor und die Verschlussklappe mit einem sich trichterförmig vergrößernden Abstand der Verschlussklappe
Die Windkraftanlage besteht gem. Fig. 1 im wesentlichen aus einem Mast 1, an welchem der Rotor 2 drehbar gelagert ist. Der Rotor 2 weist zwei sich gegenüberliegende, kreisscheibenförmige und axial fluchtende Rotorscheiben 3 auf, welche mit einer zentralen, axialen, länglich zylindrischen Achse A miteinander verbunden sind. An den Rotorscheiben 3 sind drei Rotorblätter 4 angeordnet. Die Rotorblätter 4 sind streifenförmig, gewölbt ausgebildet und erstrecken sich vom Umfang der Rotorscheiben 3 in einer gewölbten oder gebogenen Linie radial nach innen, wobei eine innere freie Längskante 5 der Rotorblätter 4 beabstandet zur Achse A angeordnet ist. Eine äußere Längskante 6 der Rotorblätter 4 schließt mit dem Umfang der Rotorscheiben 3 ab. Durch die gewölbte Ausbildung der Rotorblätter 4 wird zwischen den Längskanten 5, 6 eine konkave Fläche 7.1 und eine konvexe Fläche 7.2 ausgebildet. Die inneren Längskanten 5 der Rotorblätter 4 weisen zur konkaven Fläche 7.1 des nächsten Rotorblattes 4. Gem. Fig. 2 ist in definierten gleichbleibenden Abstand zu dem äußeren Hüllkreis H der Rotorblätter 4, der in diesem Fall dem Außendurchmesser der Rotorscheiben 3 entspricht, eine Verschlussklappe 8 angeordnet. Die Verschlussklappe 8 ist um die Achse A schwenkbar und kann so ausgerichtet werden, dass deren entgegen der Drehrichtung des Rotors gerichtete vertikale Kante im wesentlichen tangential zum Windangriff liegt. Die Länge der Verschlussklappe 8 entspricht dabei in etwa dem Abstand der äußeren Längskanten 6 zweier Rotorblätter 4 und deren Höhe etwa der Höhe der Rotorblätter.
Weiterhin weist die Windkraftanlage vertikale Einleitflächen 10 und sich daran oben und unten anschließend in Richtung zum Rotor erstreckende horizontale Einleitflächen 11 auf.
In Fig. 3 ist ein Rotor 2 in Seitenansicht und in Fig. 3 in Draufsicht dargestellt. Der Rotor 2 weist vier fluchtend übereinander angeordnete Rotorplatten 3 auf. Zwischen der oberen und der unteren Rotorplatte 3 erstrecken sich, die anderen beiden Rotorplatten 3 durchdringend, drei vertikal angeordnete Rotorblätter 4. Die Rotorblätter 4 sind dabei in der Art einer dünnen vertikal ausgerichteten Platte ausgebildet und erstrecken sich in einer gewölbten Form von außen nach innen, wobei eine innere freie Längskante 5 der Rotorblätter 4 beabstandet zur Achse A angeordnet ist und sich die Dicke b der Rotorblätter 4 von der inneren Längskante 5 in Richtung zu ihrer äußeren Längskante 6 erhöht. Die Wölbung der Rotorblätter 4 nimmt in Richtung zur inneren Längskante 5 ab. Der Abstand a der inneren Längskante 5 von der Achse A des Rotors 2 in etwa die Hälfte des Durchmessers D des Hüllkreises H beträgt. Fig. 5 Zeigt eine Einzeldarstellung eines Rotorblattes 4 in der Draufsicht, aus der nochmals die sich in Richtung zur äußeren Kante erhöhende Dicke ersichtlich wird.
Fig. 5 zeigt in der Draufsicht eine in gleichmäßigen Abstand zum Rotor 2 angeordnete Verschlussklappe 8. Die Verschlussklappe ist ebenfalls in der Art einer dünnen, nach außen radial gewölbten Platte ausgebildet.
Eine weitere Variante der Ausbildung der Verschlussplatte 8 ist in Fig. 6 dargestellt, wobei hier der Abstand zwischen Rotor 2 und Verschlussklappe 8 trichterförmig erweitert ist.
Die Schwenkbewegung der Verschlussklappe ist durch verschiedene Möglichkeiten realisierbar, die hier nicht näher dargestellt wurden.
Mit der Windkraftanlage wird eine Turbine angetrieben, die elektrische Energie erzeugt.
Neben den Einsatz als Windkraftanlage kann die Strömungsenergieanlage auch durch flüssige Medien angetrieben werden, z. B. durch Wasser. Da die Flussrichtung in diesem Fall immer gleich sein wird, kann auf eine schwenkbare Anordnung der Verschlussklappe verzichtet werden.

Claims

1. Strömungsenergleanlage, insbesondere Windkraftanlage, wobei an einem Mast (1) ein um eine vertikale Achse rotierender Rotor (2) drehbar gelagert ist, sowie mit an einer Rotorplatte (3) angeordneten Rotorblättern (4) wobei eine sich vertikal erstreckende Seite (5) der Rotorblätter (4) radial nach innen und die gegenüberliegende sich vertikal erstreckende Seite (6) der Rotorblätter (4) radial nach außen weist, dadurch gekennzeichnet, dass in definierten Abstand zu den nach außen weisenden Seiten (6) der Rotorblätter (4) eine, sich vertikal erstreckende, Verschlussklappe (8)angeordnet ist.

2. Strömungsenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlussklappe (8) um die Achse (A) des Rotors (2) schwenkbar ist.

3. Strömungsenergieanlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlussklappe (8) in Abhängigkeit von der Windrichtung schwenkbar ist.

4. Strömungsenergieanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die entgegen der Drehrichtung des Rotors (2) weisende sich vertikal erstreckende Seite (8.1) der Verschlußklsppe (8) so ausgerichtet ist, daß der Wind den sich bildenden Einlaß zwischen Rotor (2) und der Seite (8.1) der Verschlussklappe (8) tangential anströmt.

5. Strömungsenergleanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlussklappe (8) radial nach außen gewölbt ist.

6. Strömungsenergieanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlussklappe (8) so gewölbt ist, dass sie dem Verlauf eines, die nach außen weisenden Kanten (6) der Rotorblätter (4) umspannenden, Hüllkreises (H) angepasst ist.

7. Strömungsenergieanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, sich der Abstand der Verschlussklappe (8) von dem Hüllkreis (H) in Richtung des anströmenden Windes trichterartig vergrößert.

8. Strömungsenergieanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, sich der Abstand der Verschlussklappe (8) von dem Hüllkreis (H) entgegen der Richtung des anströmenden Windes vergrößert.

9. Strömungsenergieanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Verschlussklappe (8) in etwa dem Abstand der nach außen weisenden Kanten (6) zweier Rotorblätter (4) entspricht.

10. Strömungsenergieanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohe der Verschlussklappe (8) der Höhe der Rotorblätter (4) entspricht.

11. Strömungsenergieanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlussklappe (8) oben und unten in einem Lagerring geführt wird.

12. Strömungsenergieanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlussklappe (8) über einen Stellmotor und einen Stellkranz schwenkbar ist.

13. Strömungsenergieanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkbewegung der Verschlussklappe (8) in Abhängigkeit von einer, durch den Wind drehbaren, Windfahne steuerbar ist.

14. Strömungsenergieanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Schwenkbewegung der Verschlussklappe über eine Magnetsteuerung erfolgt.

15. Strömungsenergieanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter (4) in der Art einer dünnen vertikal ausgerichteten Platte ausgebildet sind, und sich in einer gewölbten Form von außen nach innen erstrecken, wobei eine innere freie Längskante (5) der Rotorflächen (4) beabstandet zur Achse (A) angeordnet ist und sich die Dicke (b) der Rotorblätter (4) von der inneren Längskante (5) in Richtung zu ihrer äußeren Längskante (6) erhöht.

16. Strömungsenergieanlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Wölbung der Rotorblätter (4) in Richtung zur inneren Längskante (5) abnimmt.

17. Strömungsenergieanlage nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) der inneren Längskante (5) von der Achse (A) des Rotors (2) in etwa die Hälfte des Durchmessers (D) des Hüllkreises (H) beträgt.