DE102004019620B4 - Strömungsgesteuertes Windrad - Google Patents

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Abstract

Strömungsgesteuertes Windrad (1) für eine Windkraftanlage mit einem oder mehreren, um eine vertikale, zentrale Achse (4) über ein Hauptlager (5) rotierenden Flügeln (3), die parallel zu der senkrechten Achse (4), über Horizontalträger (6) verbunden, in Lagern (7) frei drehbar angeordnet und in Windrichtung (10) ausrichtbar sind, wobei die Flügel (3) über ihre gesamte Länge im Querschnitt ein aerodynamisches, symmetrisches Profil (8) aufweisen und zur Erfassung der Windrichtung eine Windfahne (9) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein erster Steuermechanismus (11) angeordnet ist, der den oder die Flügel (3) auf den Horizontalträgern (6) an jedem Umlaufpunkt ihrer Bahn (13) um die zentrale, vertikale Achse (4), gesteuert durch die Windfahne (9), mit ihrem Profil (8) längs in Windrichtung (10) ausrichtet,
ein zweiter Steuermechanismus (12) angeordnet ist, der den oder die Flügel (3) auf den Horizontalträgern (6) an jedem Umlaufpunkt ihrer Bahn (13) um die zentrale, vertikale Achse (4) derart zur...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein strömungsgesteuertes, durch eine Windfahne ausrichtbares Windrad mit senkrechter Drehachse für eine Windkraftanlage, dessen Flügel die Drehachse vertikal rotierend umkreisen.
  • Windräder mit senkrechten Achsen sind als Savonius-Rotoren, Darrieux-Rotoren, Vertikal-Doppel-Rotoren und Jackson'sche Windräder bekannt. Die Jackson'schen Windräder haben nicht nur eine senkrechte Achse, sondern besitzen auch flügelähnliche Platten, die die senkrechte Achse umkreisen und gleichzeitig in sich selbst um 180° drehen.
  • Nach Bauart der Jackson'schen Windräder sind z. B. die Lösungen in den Erfindungsbeschreibungen DE 198 47 469 A1 , DE 81 119 10 U1 und DE 39 18 184 A1 ausgeführt.
  • Die Erfindung DE 30 18 211 C2 ist wie ein Darrieux-Rotor aufgebaut. Dieses Windrad besitzt jedoch nur begrenzt bewegliche Flügel. Der Wirkungsgrad von Darrieux-Rotoren ist gering. Sie benötigen starke Winde und meistens eine Startantriebshilfe.
  • Die häufigsten in der Praxis eingesetzten Windkraftanlagen besitzen Windräder mit einer waagerechten Drehachse, auf der sich propellerähnliche Flügel drehen.
  • Die nach diesem Prinzip arbeitenden Windradflügel sind außen wesentlich flacher eingestellt als in der Nähe ihres Drehpunktes. Sie nutzen nur 16–27% der theoretisch vorhandenen Windenergie aus. Der Turm, auf welchem die sich auf einer waagerechten Achse drehenden Windräder angeordnet sind, muss höher sein als bei Windrädern mit senkrechter Drehachse. Die Flügel, die wie Propeller arbeiten, bewegen sich über ihre Länge ungleich zum Windstrom. Sie sind in Achsennähe langsamer als an den Flügelspitzen. Die Folge ist eine hohe Geräuschentwicklung und eine schlechte Ausnutzung der Windangriffsfläche.
  • In der Erfindungsbeschreibung DD 232 959 A1 wird ein Windkraftrotor für Windkraftanlagen mit vertikaler Achse beschrieben, bei dem unsymmetrische Profile verwandt werden, die untereinander automatisch oder zwangsläufig in jedem Moment der Rotierung verschiedene Anstellwinkel aufweisen sollen, so dass die Luftkräfte sich laufend so verändern, dass eine Drehrichtung eingehalten wird. Mit Vergrößerung der Windgeschwindigkeit tritt durch Veränderung der Anstellwinkel der Rotorflügel eine Verringerung der Drehzahl ein und die Luftkräfte gehen gegen Null.
  • Die Flügel dieser Windkraftanlage stehen einerseits über Zahnkränze und Zahnriemen in einer festen Wirkverbindung, sind aber andererseits frei beweglich, damit sie sich mit ihrem besonderen aerodynamischen Profil automatisch und optimal in Windrichtung ausrichten. Nicht zu entnehmen ist aber, wie die Grundausrichtung der Rotorflügel in Windrichtung erfolgen soll, um ein selbständiges Anlaufen der Windkraftanlage zu ermöglichen.
  • Die DE 197 15 373 A1 beschreibt schließlich einen Durchströmrotor für strömende Medien, welcher ebenfalls nach Art der Jackson'schen Windräder gebaut ist. Er besteht aus einem Drehgestell mit einer vertikalen Rotorachse M1 zur Halterung von mindestens zwei Rotorblättern mit ebenfalls vertikalen Rotorachsen M2, die um die vertikale Rotorachse M1 kreisen.
  • Die Achsen M2 der Rotorblätter sind drehbar gelagert sowie untereinander und mit dem Drehgestell, z. B. über Kegeltriebe oder Zahnräder/Zahnriemen derart kinematisch verkoppelt, dass bei einer durch die strömenden Medien hervorgerufenen Rotation des Drehgestells, die Rotorblätter, die mit unterschiedlichen Winkeln angestellt sind, sich synchron und mit untersetzter Winkelgeschwindigkeit drehen.
  • Die Rotorblätter sind zwar frei drehbar angeordnet, können aber, aufgrund ihrer starren kinematischen Abhängigkeit ihren Winkel zur Anströmrichtung zur Erzeugung eines optimalen Auftriebs und einer Anpassung an die Geschwindigkeit der Strömung nicht verändern.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein strömungsgesteuertes Windrad mit senkrechter Drehachse zu schaffen, das aerodynamisch und mit höchster Effektivität den antreibenden Wind nutzt, einen relativ einfachen Steuerungsmechanismus besitzt und durch eine Windfahne ansteuerbar ist.
  • Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des 1. Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Das Windrad dient dem Antrieb einer Windkraftanlage und besitzt einen oder mehrere, um eine vertikale, zentrale Achse rotierende Flügel, die parallel zu der senkrechten Achse, über Horizontalträger verbunden, frei drehbar angeordnet sind. Die Flügel weisen im Querschnitt über ihre gesamte Länge ein aerodynamisches, symmetrisches Profil auf und sind durch eine Windfahne in Windrichtung ausrichtbar.
  • Die Flügel werden durch einen ersten und einen zweiten Steuermechanismus in jedem Punkt ihrer Umlaufbahn um die zentrale, vertikale Achse derart beaufschlagt, dass sie durch eine Luftmassenströmung (Wind) gleichmäßig und mit einem bestmöglichen aerodynamischen Wirkungsgrad arbeiten.
  • Der erste Steuermechanismus richtet den oder die Flügel auf den Horizontalträgern an jedem Umlaufpunkt ihrer Bahn um die zentrale, vertikale Achse, gesteuert durch die Windfahne, mit ihrem Profil längs in Windrichtung aus und der zweite Steuermechanismus stellt den oder die Flügel auf den Horizontalträgern an jedem Umlaufpunkt ihrer Bahn um die zentrale, vertikale Achse derart zum Wind ein, dass in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Horizontalträgers zur Windfahne und der Drehgeschwindigkeit des Horizontalträgers, der oder die Flügel mit ihren Längsachsen an jedem Umlaufpunkt ihrer Bahn zur Erzeugung einer optimalen aerodynamischen Kraft ausgerichtet sind.
  • Der zweite Steuermechanismus ist dabei dem ersten Steuermechanismus, der die Grundausrichtung zum Wind bewirkt, überlagert.
  • Um kontinuierliche Drehmomente zu erzeugen, wird das Profil der Windflügel bei seiner Kreisbewegung um die senkrechte Achse immer so zum Wind ausgerichtet, dass der Wind-Angriffswinkel zur Erreichung eines optimalen Auftriebs plus oder minus zur Windrichtung in Abhängigkeit vom Drehwinkel ausgerichtet ist.
  • Die Windkraftanlage kann auf einem Turm, einem Gebäude oder in strömungsgünstigen Gebieten angeordnet werden.
  • Die erfindungsgemäßen Merkmale sind analog auch für eine Wasserturbine nutzbar, indem das Drehmoment in Drehrichtung hydrodynamisch erzeugt wird.
    •
  • An Hand von Zeichnungen wird die Erfindung in einer bevorzugten Ausführung näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 Eine isometrische Gesamtansicht der Windkraftanlage mit dem strömungsgesteuerten Windrad,
  • 2 Darstellung einer zweckmäßigen Ausführungsform der Steuermechanismen zur Ausrichtung der Windradflügel,
  • 3 Schematische Darstellung der drehwinkelabhängigen Steuerung eines Flügels in zwei ausgewählten Positionen.
  • Die Windkraftanlage besteht in 1 aus einem Turm 2, auf dessen Spitze ein Windrad 1 drehbar über ein Hauptlager 5 gelagert ist. Das Windrad 1 besitzt drei, um eine vertikale, zentrale Achse 4 rotierende Flügel 3, die parallel zu der senkrechten Achse 4, über Horizontalträger 6 verbunden sind. Die Flügel 3 sind an den Enden der Horizontalträger 6 in Lagern 7 frei drehbar angeordnet. Die Flügel 3 drehen sich erstens mit den Horizontalträgern 6 um die zentrale, vertikale Achse 4 und zweitens in sich selbst in den Lagern 7 an den Enden der Horizontalträger 6. Die Flügel 3 weisen über ihre gesamte Länge im Querschnitt ein aerodynamisches, symmetrisches Profil 8, ähnlich einer Flugzeug-Tragfläche auf.
  • An der zentralen Achse 4 ist konzentrisch im Hauptlager 5 auf dem Turm 2 eine Windfahne 9 zur Erfassung der Windrichtung 10 angeordnet.
  • Die Flügel 3 umkreisen, gesteuert durch einen ersten und einen zweiten Steuermechanismus 11 und 12, mit ihren Lagern 7 die senkrechte Achse 4 derart auf einer Kreisbahn 13, dass die Flügelprofile 8 immer parallel zur Windrichtung 10 ausgerichtet sind und gleichzeitig plus oder minus für einen optimalen Angriffswinkel gegenüber der von der Windfahne 9 vorgegebenen Windrichtung 10 ausgerichtet sind.
  • Eine zweckmäßige Ausführungsform der Steuermechanismen 11 und 12 zur Ausrichtung der Windradflügel 3 ist in 2 dargestellt.
  • Auf dem Turm 2 der Windkraftanlage ist mittels des Hauptlagers 5 das Windrad 1 um die zentrale, vertikale Achse 4 drehbar gelagert. Von dem Hauptlager 6 des Windrades 1 ist ein Horizontalträger 6 in Bildebene verkürzt dargestellt und ein zweiter Horizontalträger 6 nach hinten abgewinkelt angedeutet.
  • Innerhalb einer Buchse des Hauptlagers 5 ist die Windfahne 9 mit einem Keilriemenrad 14, das drei Ebenen besitzt, unabhängig zum Hauptlager 5 und konzentrisch in diesem drehbar gelagert. Von jeder Ebene des Keilriemenrades 14 führt ein Keilriemen durch jeweils einen Horizontalträger 6 zu einem Flügel 3. Dieser Keilriementrieb 14 bildet den ersten Steuermechanismus 11, der die Flügel 3 an jedem Punkt ihrer Umlaufbahn 13 parallel zur Windfahne 9 ausrichtet. Aus diesem Grund sind die Flügellager 7 für jeden Windflügel 3 in unterschiedlicher Höhe an dem jeweiligen Horizontalträger 6 angeflanscht.
  • Innerhalb jedes Flügellagers 7 befindet sich ein Schrittmotor 15, der über ein Schneckengetriebe als zweiter Steuermechanismus 12 jeden Flügel 3 zusätzlich zu der parallelen Ausrichtung zur Windfahne 9 in einem Winkel plus oder minus für einen optimalen Windangriffswinkel verstellt.
  • Durch den ersten Steuermechanismus 11 werden die Flügel 3 auf jedem Umlaufpunkt ihrer Bahn 13 um die zentrale, vertikale Achse 4, gesteuert durch die Windfahne 9, mit ihrem Profil 8 längs in Windrichtung 10 ausgerichtet.
  • Zur Realisierung zweier unabhängiger Drehbewegungen in den Flügellagern 7 bestehen diese ebenfalls aus zwei konzentrisch ineinander angeordneten und unabhängig zueinander drehbaren Buchsen.
  • Durch den zweiten Steuermechanismus 12 wird in Abhängigkeit vom ersten Steuermechanismus 11 jeder Flügel 3 auf dem jeweiligen Horizontalträger 6 an jedem Umlaufpunkt seiner Bahn 13 um die zentrale, vertikale Achse 4 derart zum Wind 10 eingestellt, dass in Abhängigkeit vom Drehwinkel des jeweiligen Horizontalträgers 6 zur Windfahne 9 jeder Flügel 3 mit der Längsachse seines Profils 8 an jedem Umlaufpunkt seiner Bahn 13 zur Erzeugung einer optimalen aerodynamischen Kraft ausgerichtet ist.
  • Ferner werden die Flügel 3 in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit der Horizontalträger 6, die sich in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit verändert, derart gegen den Wind 10 eingestellt, dass die Drehgeschwindigkeit annähernd konstant gehalten und eine Überlastung der Windkraftanlage verhindert wird.
  • 3 zeigt in einer schematischen Darstellung die drehwinkelabhängige Steuerung der Flügel 3 in zwei ausgewählten Positionen 3 und 3' ihrer Umlaufbahn 13 um die vertikale Drehachse 4. Der Anstellwinkel der Flügelprofile 8 ist untereinander und abhängig von jedem Punkt ihrer Umlaufbahn 13 verschieden und kann bezogen auf die Windrichtung 10, die eine Windkraft FW erzeugt, sowohl negative als auch positive Werte annehmen, so dass ein Auftrieb FA in jedem Drehwinkel eines Flügels 3 sich stetig mit negativen oder positiven Werten ändert, so dass eine resultierende Kraft FT in Drehrichtung stets positive Werte annimmt.

Claims (7)

  1. Strömungsgesteuertes Windrad (1) für eine Windkraftanlage mit einem oder mehreren, um eine vertikale, zentrale Achse (4) über ein Hauptlager (5) rotierenden Flügeln (3), die parallel zu der senkrechten Achse (4), über Horizontalträger (6) verbunden, in Lagern (7) frei drehbar angeordnet und in Windrichtung (10) ausrichtbar sind, wobei die Flügel (3) über ihre gesamte Länge im Querschnitt ein aerodynamisches, symmetrisches Profil (8) aufweisen und zur Erfassung der Windrichtung eine Windfahne (9) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Steuermechanismus (11) angeordnet ist, der den oder die Flügel (3) auf den Horizontalträgern (6) an jedem Umlaufpunkt ihrer Bahn (13) um die zentrale, vertikale Achse (4), gesteuert durch die Windfahne (9), mit ihrem Profil (8) längs in Windrichtung (10) ausrichtet, ein zweiter Steuermechanismus (12) angeordnet ist, der den oder die Flügel (3) auf den Horizontalträgern (6) an jedem Umlaufpunkt ihrer Bahn (13) um die zentrale, vertikale Achse (4) derart zur Windrichtung (10) einstellt, dass in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Horizontalträgers (6) zur Windfahne (9) und der Drehgeschwindigkeit des Horizontalträgers (6) der oder die Flügel (3) mit den Längsachsen ihres Profis (8) an jedem Umlaufpunkt ihrer Bahn (13) zur Erzeugung einer optimalen aerodynamischen Kraft ausgerichtet sind und der zweite Steuermechanismus (12) dem ersten Steuermechanismus (11) überlagert ist.
  2. Windrad (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermechanismen (11, 12) mechanisch, elektromechanisch, hydraulisch oder pneumatisch betätigbar sind.
  3. Windrad (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den ersten Steuermechanismus (11) ein Keilriementrieb und für den zweiten Steuermechanismus (12) ein Schrittmotor (15) mit einem Schneckentrieb angeordnet ist.
  4. Windrad (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Windfahne (9) auf der zentralen vertikalen Achse (4) konzentrisch drehbar im Hauptlager (5) angeordnet ist.
  5. Windrad (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass alternativ zur Windfahne (9) ein elektronischer Windmesser angeordnet ist.
  6. Windrad (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (3) an den Horizontalträgern (6) in den Lagern (7) nach oben und/oder nach unten weisend angeordnet sind.
  7. Windrad (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (3) durch Horizontalträger (6) gehalten sind, die in mehreren, übereinander angeordneten Ebenen an der zentralen, vertikalen Achse (4) angeordnet sind.
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