DE102004041281A1

DE102004041281A1 - Vertikalrotor und Verfahren für die Gewinnung elektrischer Energie aus Windenergie

Info

Publication number: DE102004041281A1
Application number: DE102004041281A
Authority: DE
Inventors: Fiedrich Prof. Dr.-Ing. Zastrow; Heiko Schier; Kirsten Böhm
Original assignee: HOCHSCHULE BREMERHAVEN
Current assignee: HOCHSCHULE BREMERHAVEN
Priority date: 2004-08-25
Filing date: 2004-08-25
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2024-08-26
Also published as: DE102004041281B4

Abstract

Bei einem Vertikalrotor für die Gewinnung elektrischer Energie aus Windenergie mit mindestens einem Rotorblatt (11), das ein aerodynamisches Profil aufweist, und mit einer Achse (12), um die das Rotorblatt (11) drehbar gelagert ist, läßt sich bereits bei relativ geringen Windgeschwindigkeiten eine gute Energieausbeute erzielen, wenn das Rotorblatt (11) gegen die Achse (12) geneigt und um eine zu der Achse (12) koaxiale Zylinderfläche (31) gebogen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Vertikalrotor für die Gewinnung elektrischer Energie aus Windenergie mit mindestens einem Rotorblatt, das ein aerodynamisches Profil aufweist, und mit einer Achse, um die das Rotorblatt drehbar gelagert ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren für die Gewinnung elektrischer Energie aus Windenergie, bei dem mittels eines Generators elektrische Energie aus der Drehung eines Rotors erzeugt wird.

Ein solches Verfahren und insbesondere ein solcher Verttikalrotor wird häufig dann eingesetzt, wenn im kleinen Maßstab Energie bereitgestellt werden soll, beispielsweise um Meßstationen zu betreiben. Vertikalrotoren haben dabei den Vorteil, daß auf Getriebe im allgemeinen verzichtet werden kann. Da bei den verhältnismäßig langen Betriebszeiten eines Windkraftrotors übers Jahr gesehen Getriebe besonders stark beansprucht werden, ist es von Vorteil, wenn hierbei keine Getriebe benötigt werden. Nachteilig bei den bekannten Vertikalrotoren ist es, daß insbesondere bei schwachem Wind keine brauchbare Leistungsausbeute möglich ist. Insbesondere kann es bei schwachem Wind passieirn, daß der Vertikalrotor gar nicht erst anläuft. Es sind vielmehr verhältnismäßig hohe Windgeschwindigkeiten erforderlich, damit ein solcher Vertikalrotor zufriedenstellende Ergebnisse liefert.

Das der Erfindung zugrundeliegende Problem ist es, einen Vertikalrotor und ein Verfahren für die Gewinnung elektrischer Energie aus Windenergie anzugeben, mit denen sich bereits bei relativ geringen Windgeschwindigkeiten elektrische Energie gewinnen läßt.

Das Problem wird dadurch gelöst, daß bei einem Vertikalrotor der eingangs genannten Art das Rotorblatt gegen die Achse geneigt und um eine zu der Achse koaxiale Zylinderfläche gebogen ist.

Auf diese Weise läßt sich das Anlaufverhalten eines Vertikalrotors, insbesondere bei schwachem Wind, deutlich verbessern. Dadurch ergibt sich auch bereits bei geringen Windgeschwindigkeiten ein gutes Anlaufverhalten des Vertikalrotors und insbesondere ein hohes, verhältnismäßig gleichmäßiges Drehmoment, was sich gut in elektrische Energie umwandeln läßt.

Nach einem anderen Aspekt der Erfindung wird das Problem dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art mittels einer Steuerung der Generator zum schubweisen Erzeugen von elektrischer Energie gesteuert wird.

Insbesondere bei geringen Windstärken, bei denen der Generator sonst beim Erzeugen von Strom den Rotor bis zum Stillstand abbremsen könnte, so daß kein Strom erzeugt werden kann, ergibt sich dadurch die Möglichkeit, den Rotor mit auf- und abschwingender Drehzahl zu betreiben, so daß zunächst Windenergie in Rotationsenergie des Rotors umgewandelt und sodann beim Abbremsen durch den Generator in elektrische Energie umgewandelt werden kann.

Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Vertikalrotors beträgt die Neigung des Rotorblattes gegen die Achse 10° bis 30°, insbesondere 18°. Bei dieser Neigung wird die Wirbelbildung an dem Rotorblatt stark reduziert, während gleichzeitig das Rotorblatt über einen großen Winkelbereich gleichbleibend großes Drehmoment liefert.

Vorzugsweise werden mehrere, insbesondere drei Rotorblätter verwendet. Mittels mehrerer Rotorblätter läßt sich das Anlaufverhalten verbessern und die Ausbeute erhöhen. Insbesondere bei der Verwendung von drei Rotorblättern, die auf der gleichen Zylinderbahn angeordnet sind, ist diese Wirkungssteigerung ohne nennenswerte nachteilige Effekte durch Wirbelbildung des jeweils vorhergehenden Rotorblattes zu erzielen.

Es ist bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung von Vorteil, wenn das Rotorblatt an seinem axialen Ende ein Winglet zum Verhindern eines Druckausgleichs quer zur Strömungsrichtung aufweist. Dieses Winglet zwingt die Strömung, dem Profil des Rotorblattes zu folgen, so daß Leistungsverluste durch Druckverluste vermieden werden.

Als besonders vorteilhaft hat sich eine Verwendung eines Profils erwiesen, das dem Profil NACA 0021 entspricht. Wenn dieses bekannte Standardprofil um eine Zylinderaußenumfangsfläche gewölbt wird, läßt sich ein besonders guter Wirkungsgrad beobachten.

Vorteilhaft ist außerdem das Vorsehen einer Steuerung zum Steuern eines Generators zum schubweisen Erzeugen von elektrischer Energie aus der Rotordrehung. Dies verbessert die Ausbeute, insbesondere bei schwachem Wind.

Es ist außerdem von Vorteil, einen überdimensionierten Generator zu verwenden. Dieser Generator kann gleichsam als elektrische Bremse mittels Kurzschließen durch die Steuerung verwendet werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich dadurch, daß die Steuerung die Drehzahl des Rotors bis zu einem vorgegebenen oberen Grenzwert hochlaufen läßt und den Rotor dann mittels Erzeugen einer elektrischen Energie durch den Generator bis auf einen vorgegebenen unteren Grenzwert der Drehzahl abbremst. Vorzugsweise kann die Steuerung dabei das Erzeugen von elektrischer Energie durch den Generator zum Hochlaufenlassen der Drehzahl des Rotors einschränken oder unterbinden. Dadurch wird vermieden, daß der Rotor bei schwachem Wind durch das Erzeugen von Energie bis zum Stillstand abgebremst wird.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Vertikalrotors mit den Erfindungsmerkmalen,
2 ein Rotorblatt des Vertikalrotors von 1,
3 eine schematische Draufsicht auf den Vertikalrotor von 1 mit weggelassenen Winglets,
4 eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms mit den Erfindungsmerkmalen, und
5 ein Diagramm zum Vergleich eines Vertikalrotors nach der Erfindung mit einem konventionellen Vertikalrotor mit vertikal angeordneten Rotorblättern.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Vertikalrotors 10 mit den Erfindungsmerkmalen. Der Vertikalrotor 10 hat mehrere Rotorblätter 11, die drehbar um eine Achse 12 mittels Streben 13 angeordnet sind. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel hat der Vertikalrotor 10 drei Rotorblätter 11, die im wesentlichen gleichartig ausgebildet sind.
Am oberen und am unteren axialen Ende der Rotorblätter 11 sind jeweils sogenannte Winglets 14 angeordnet. Darunter sind ebene Flossen zu verstehen, die ein Stück weit über die seitliche Ausdehnung der Rotorblätter 11 überstehen und so einen Druckausgleich zwischen den beiden Seitenflächen der Rotorblätter 11 quer zur Strömungsrichtung verhindern.
Wie sich der Figur entnehmen läßt, ist die Achse 12 in einem Lagerschaft 15 geführt, der an seinem von den Rotorblättern 11 abgewandten Ende mittels eines Lagerfundamentes 16 befestigt ist. Das Lagerfundament 16 ist einem Gehäuse 17 benachbart angeordnet, in das hinein sich die Achse 12 erstreckt. In dem Gehäuse 17 ist die Achse 12 mittels einer Kupplung 18 mit einem Generator 19 verbunden, der sich gemeinsam mit der Achse 12 dreht. Der Generator 19 ist mittels Leitungen 20, 21 mit einer Steuerung 22 verbunden, die wiederum mittels Leitungen 23, 24 mit einem Verbraucher 25 in Verbindung steht. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Verbraucher 25 ein Akkumulator.
2 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Rotorblattes 11. Wie sich der Figur entnehmen läßt, ist das Rotorblatt 11 mittels zweier Muttern 26 an den Streben 13 befestigt. Das Rotorblatt 11 weist außerdem eine Anströmkante 27 und eine Abströmkante 28 auf. Dabei hat die Anströmkante 27 einen verhältnismäßig großen Krümmungsradius, während die Abströmkante 28 einen verhältnismäßig geringen Krümmungsradius aufweist, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.
3 zeigt eine Draufsicht auf einen Vertikalrotor 10, ähnlich dem von 1. Zur besseren Übersicht sind die Winglets 14 in 3 weggelassen. Wie sich der Figur entnehmen läßt, ist der Krümmungsradius der Anströmkante 27 wie bei üblichen aerodynamischen Profilen größer als der Krümmungsradius der Abströmkante 28. Wie sich der Figur außerdem entnehmen läßt, sind die Rotorblätter 11 um eine zu der Achse 12 koaxiale Zylinderfläche 31 gebogen, so daß sie sich gleichsam entlang einer Kreisbahn erstrecken. In der Figur ist die Zylinderfläche 31 gestrichelt angedeutet. Wie sich der Figur außerdem entnehmen läßt, erstreckt sich jedes einzelne Rotorblatt 11 über einen verhältnismäßig großen Winkelbereich. Bei einer Drehung über diesen verhältnismäßig großen Winkelbereich ist somit immer ein Bereich eines Rotorblattes 11 in einer günstigen Position zum Erzeugen von Vortriebskraft.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms zum Erzeugen von elektrischer Energie mit den Erfindungsmerkmalen. Im Schritt S10 wird das Verfahren gestartet. Zunächst erfolgt im Schritt S11 ein Umsetzen von Windenergie in Rotationsenergie des Vertikalrotors 10, wodurch die Drehzahl des Vertikalrotors 10 zunimmt. Bei Erreichen eines vorgegebenen oberen Grenzwertes für die Drehzahl folgt als nächstes der Schritt S12. Dabei steuert die Steuerung 22 den Generator 19 zum Umwandeln von Windenergie in elektrische Energie. Diese elektrische Energie wird bei dem Ausführungsbeispiel von 1 zum Laden des Akkumulators 25 verwendet. Bei diesem Umwandeln von Rotationsenergie in elektrische Energie nimmt die Drehzahl des Vertikalrotors 10 soweit ab, bis in Schritt S13 das Erreichen eines unteren Grenzwertes für die Drehzahl des Vertikalrotors 10 festgestellt wird. Nach dem Feststellen des Erreichens dieses unteren Grenzwertes erfolgt in Schritt S13 das Beenden des Umwandelns von Rotationsenergie in elektrische Energie durch den Generator 19. Es folgt als nächstes wieder das Hochlaufen der Drehzahl in Schritt S11 und der Verfahrensablauf der Schritte S11, S12 und S13 wird ein weiteres Mal durchlaufen. Dies erfolgt solange, bis in Schritt S13 ein Abbruch, beispielsweise mittels Eingriff des Bedienpersonals, erfolgt und daraufhin das Verfahren im Schritt S14 beendet wird.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Vergleichs des Wirkungsgrades eines Vertikalrotors mit den Erfindungsmerkmalen gegenüber einem Vertikalrotor mit ungekrümmten vertikalen Rotoren. Gezeigt ist eine Auftragung des Vortriebsbeiwertes cm auf der Ordinate gegen die relative Umlaufgeschwindigkeit Lambda des Rotorblattes auf der Abszisse. Die relative Umlaufgeschwindigkeit Lambda ergibt sich aus der Umlaufgeschwindigkeit des Vertikalrotorblattes 11 geteilt durch die Windgeschwindigkeit. Eingezeichnet ist der Auftriebsbeiwert cm eines vertikalen Rotorblattes mit gefüllten Quadraten und versehen mit dem Bezugszeichen 29. Gleichzeitig aufgetragen ist außerdem, mit Rhomben und dem Bezugszeichen 30 versehen, der Vortriebsbeiwert cm eines erfindungsgemäßen Rotorblattes 11. Wie sich der Figur entnehmen läßt, entwickelt ein bekanntes Rotorblatt erst ab verhältnismäßig hohen relativen Rotorgeschwindigkeiten, also verhältnismäßig hohen Drehzahlen, einen nennenswerten Vortriebskoeffizienten und somit ein nutzbares Drehmoment. Im Gegensatz dazu erreicht das erfindungsgemäße Rotorblatt bereits bei geringen Rotorgeschwindigkeiten einen relativ großen Vortriebsbeiwert cm, was dazu führt, daß sich das erfindungsgemäße Rotorblatt 11 auch bei relativ geringen Rotordrehzahlen effizient zur Erzeugung von Energie nutzen läßt. Insgesamt ist über einen breiten relativen Geschwindigkeitsbereich des Rotorblattes 11 ein guter Vortriebsbeiwert cm zu verzeichnen.

10: Vertikalrotor
11: Rotorblatt
12: Achse
13: Strebe
14: Winglet
15: Lagerschaft
16: Lagerfundament
17: Gehäuse
18: Kupplung
19: Generator
20: Leitung
21: Leitung
22: Steuerung
23: Leitung
24: Leitung
25: Akkumulator
26: Mutter
27: Anströmkante
28: Abströmkante
29: Graph
30: Graph
31: Zylinderfläche

Claims

Vertikalrotor (10) für die Gewinnung elektrischer Energie aus Windenergie mit mindestens einem Rotorblatt (11), das ein aerodynamisches Profil aufweist, und mit einer Achse (12), um die das Rotorblatt (11) drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotorblatt (11) gegen die Achse (12) geneigt und um eine zu der Achse (12) koaxiale Zylinderfläche (31) gebogen ist.
Vertikalrotor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung des Rotorblattes (11) gegen die Achse (12) 10 bis 30 Grad, insbesondere 18 Grad, beträgt.
Vertikalrotor (10) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mehrere, insbesondere drei Rotorblätter (11).
Vertikalrotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotorblatt (11) an seinem axialen Ende ein Winglet (14) zum Verhindern eines Druckausgleichs quer zur Strömungsrichtung aufweist.
Vertikalrotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil dem Profil NACA 0021 entspricht.
Vertikalrotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuerung (22) zum Steuern eines Generators (19) zum schubweisen Erzeugen von elektrischer Energie aus der Rotordrehung.
Vertikalrotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen überdimensionierten Generator (19).
Vertikalrotor (10) nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine elektrische Bremse mittels Kurzschließen des Generators (19) durch die Steuerung (22).
Verfahren für die Gewinnung elektrischer Energie aus Windenergie, bei dem mittels eines Generators (19) elektrische Energie aus der Drehung eines Rotors (10) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Steuerung (22) der Generator (19) zum schubweisen Erzeugen von elektrischer Energie gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (22) die Drehzahl des Rotors (10) bis zu einem vorgegebenen oberen Grenzwert hochlaufen läßt und den Rotor (10) dann mittels Erzeugen von elektrischer Energie durch den Generator (19) bis auf einen vorgegebenen unteren Grenzwert der Drehzahl abbremst.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (22) das Erzeugen von elektrischer Energie durch den Generator (19) zum Hochlaufenlassen der Drehzahl des Rotors (10) einschränkt oder unterbindet.