DE102006058767A1 - Wind deflector generator for wind power system has lee side with shell sleeve that tangentially encloses inner region and outwardly facing guide surfaces that bound inner region on lee side - Google Patents

Wind deflector generator for wind power system has lee side with shell sleeve that tangentially encloses inner region and outwardly facing guide surfaces that bound inner region on lee side Download PDF

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Abstract

The generator consists of a supporting pivot axle, an axle (10) supporting a shaft and a lamella system, at least one generator and an outer sleeve with two shells (1,2) and lamellas (5) defining an outlet zone (15). The lee side has a shell sleeve (2) that tangentially encloses the inner region and outwardly facing guide surfaces that bound the inner region on the lee side.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vertikalachsenanlage, im folgenden als Windleitflächengenerator (WLFG) benannt.The The present invention relates to a vertical axis system, hereinafter as wind deflector generator (WLFG) named.

Der Stand der Technik von Windkraftanlagen wird durch Horizontalachsenanlagen und Sonderformen von Vertikalachsenanlagen dokumentiert.Of the The state of the art of wind turbines is characterized by horizontal axis systems and special forms of vertical axis systems documented.

Diesen Anlagen ist der Nachteil gemeinsam, dass sie dem Wind im Verhältnis zu ihrer Bauhöhe bzw. der Rotorfläche eine vergleichsweise geringe Stirn- bzw. Wirkfläche entgegensetzen und somit nur einen geringen Teil der die Anlage durch- bzw. umströmenden Luftmasse nutzen.this Plants have the disadvantage in common that they are relative to the wind their height or the rotor surface to oppose a comparatively small frontal or effective surface and thus only a small part of the system through or flowing around the air mass use.

Nachteilig daran ist des weiteren der geringe Ertrag bei geringen Windgeschwindigkeiten aufgrund der hohen Masse der bewegten Teile.adversely this is further the low yield at low wind speeds due to the high mass of moving parts.

Nachteilig bei den Horizontalachsenanlagen ist die durch den hohen Schwerpunkt auf Nabenhöhe bedingte aufwendiger Statik sowie aus Sicherheitsgründen ein großer systembedingter Abstand zur Umgebung. Des weiteren lassen die bekannten Bauformen von Windkraftanlagen nur eine geringe Integration in das Umfeld zu.adversely in the horizontal axis systems is due to the high center of gravity at hub height conditional complex statics and for security reasons a large systemic Distance to the environment. Furthermore, the known types of wind turbines only a low integration into the environment to.

Die vorgestellte Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, den Wirkungsgrad zu verbessern, eine bessere Integration mit der Umwelt zu ermöglichen und eine optimiert und vereinfachte Konstruktion zur effizienten Nutzung der Windenergie zu realisieren.The presented invention has therefore set itself the task, the Improve efficiency, better integration with the environment to enable and an optimized and simplified design for efficient To realize the use of wind energy.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Anlage gemäß Hauptanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.These Task is according to the invention with a Plant according to the main claim solved. Advantageous embodiments can be found in the subclaims.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass der durch die gesamte Stirnfläche definierte und von der Windleitfläche in Richtung L'–L'' über das Profil geleitete Volumenstrom ein hohes Energiepotential erschließt. Dadurch ergibt sich über der Abluftzone, im folgenden als Austrittszone (15) benannt, eine wesentlich höhere effektive Strömungsgeschwindigkeit als die eigentlich reelle Windgeschwindigkeit. Aufgrund der resultierenden höheren Sogwirkung über der Austrittszone kann nun die Strömungsenergie des Windes in nutzbare elektrische oder mechanische Energie umgewandelt werden. Weiter ist erkannt worden, dass die Bauform des Windleitflächengenerators neue Standorte erschließt.According to the invention, it has been recognized that the volume flow defined by the entire end face and guided by the wind deflecting surface in the direction of L'-L '' over the profile opens up a high energy potential. This results over the exhaust zone, hereinafter referred to as exit zone ( 15 ), a much higher effective flow velocity than the actually real wind speed. Due to the resulting higher suction effect over the exit zone, the flow energy of the wind can now be converted into usable electrical or mechanical energy. It has also been recognized that the design of the wind deflector generator opens up new locations.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigenIt are now different ways to design the teaching of the present invention in an advantageous manner and further education. On the one hand to the claim 1 subordinate claims, on the other hand, to the following explanation of an embodiment of the invention with reference to the drawing. Combined with the explanation are also generally preferred embodiments and developments explained the teaching. In the drawing show

1 gemäß Hauptanspruch 1 die Draufsicht mit Strömungsverlauf 1 according to the main claim 1, the top view with flow

2 gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 der Aufbau als 3D-Schnitt mit Komponenten 2 according to claims 1 to 9, the structure as a 3D section with components

3 die Einheit von Lamelle, Führungselement und Steuerscheibe 3 the unit of lamella, guide element and control disc

4 gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 die Seitenverhältnis von Luvseite L'–L'' und kurzer Seite T'–T'' 4 according to claims 1 to 9 the aspect ratio of windward side L'-L '' and short side T'-T ''

5 Strömungsverlauf als Draufsicht 5 Flow path as a top view

6 Eintrittsspalt, leeseitig 6 Entrance gap, leeward

1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Windleitflächengenerators. Wie in 1 angedeutet, sind die Lamellen starr mit der Welle verbunden. Die formschlüssige Übertragung der Rotation des Lamellenträgers auf einen dem Leistungspotential des Windleitflächengenerators wahlweise mit oder ohne Übersetzungsgetriebe ist hier nicht näher dargestellt. Der Pfeil in der Welle kennzeichnet die Umdrehungsrichtung. 1 shows a preferred embodiment of the invention Windleitflächengenerators. As in 1 indicated, the blades are rigidly connected to the shaft. The positive transmission of the rotation of the disk carrier to a power potential of the Windleitflächengenerators either with or without transmission gear is not shown here. The arrow in the shaft indicates the direction of rotation.

2 zeigt eine Ausführung, wie in den Unteransprüchen belegt, mit klappbaren Lamellen und frei umlaufender Welle. Dadurch wird die Reibung des Volumenstroms innerhalb der Arbeitszone AZ–AZ' und gleichzeitig die Masse der rotierenden Elemente reduziert. Der Spoiler hat zum einen die Funktion den Volumenstrom beim Übergang von der Stirnseite über die Austrittszone zu führen und als Unterstützung eines Stellmotors je nach Windstärke die Ausrichtung des Profils zur Windrichtung zu fungieren. 2 shows an embodiment, as evidenced in the dependent claims, with hinged slats and free rotating shaft. This reduces the friction of the volume flow within the working zone AZ-AZ 'and at the same time reduces the mass of the rotating elements. On the one hand, the spoiler has the function of guiding the volumetric flow during the transition from the front side over the exit zone and, in support of a servomotor, depending on the wind force, to align the profile with the wind direction.

3 zeigt die Funktion der Steuerscheibe, welche durch die an den Stirnseiten der Lamellen platzierten Führungselementen den Lamellenwinkel bestimmt. 3 shows the function of the control disk, which determines the slat angle by the guide elements placed on the end faces of the slats.

Aus 4 geht hervor, dass die luvseitige Windleitfläche L'–L'' um mehr als das 2-fache länger ist als die kürzere Seite T'–T''.Out 4 shows that the windward wind deflecting surface L'-L '' is longer by more than twice the shorter side T'-T ''.

5 zeigt den Strömungsverlauf im Profil und definiert den Bereich der Arbeitszone AZ–AZ' in dem die Steuerscheibe den Lamellenwinkel regelt. Der Winkel von Luvseite zur Windrichtung definiert mit der Stirnfläche das überströmende Volumen. 5 shows the flow profile in the profile and defines the area of the working zone AZ-AZ 'in which the control disc controls the fin angle. The angle of the windward side to the wind direction defines with the end face the overflowing volume.

In 6 ist der Einströmspalt auf der Rückseite der Windleitfläche um das Eindringen von Regen, Eis und andere Fremdkörper zu mindern.In 6 is the inflow gap on the back of the wind deflector to reduce the ingress of rain, ice and other debris.

Hinsichtlich weiterer, in den Figuren nicht gezeigter Merkmale wird auf den allgemeinen Teil der Beschreibung verwiesen.Regarding other, not shown in the figures features is on the general Referred to part of the description.

Abschließend sei darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Lehre nicht auf das voranstehend erörterte Ausführungsbeispiel eingeschränkt ist. Vielmehr sind die unterschiedlichsten Anwendungen möglich.In conclusion, be pointed out that the teaching of the invention is not to the above discussed embodiment is restricted. Rather, a wide variety of applications are possible.

Funktionsweisefunctionality

Der Wind wird durch die Oberfläche der Halbschale (1, 2) umgelenkt und beschleunigt über die Austrittszone geleitet. Je nach Windstärke und Windrichtung steht das Profil im entsprechenden Winkel der Windleitfläche L'–L'' zur Strömungsrichtung. Somit wird die relevante Stirnfläche vergrößert oder verkleinert. Die Regulierung des Volumenstromes, der durch die variable Stellung der Luvseite bedingt wird, optimiert so den Ertrag. Zudem bewirkt der Spoiler eine zusätzliche Beschleunigung des Volumenstroms über der Austrittszone. Die Belastung des Systems wird durch den Winkel des Spoilers zur Strömungsrichtung bestimmt und durch die Steuerung des Systems geregelt. Die Strömung überstreicht mit höherer Geschwindigkeit die Lamellen der Austrittszone (15). Der hierdurch entstehende Unterdruck wird durch nachströmende Luft aus der Arbeitszone ausgeglichen. Diese Luft strömt am Eintrittsspalt (14) in das Profil ein, welcher bei geringer bis mittlerer Windgeschwindigkeit direkt und mit Druck beaufschlagt wird. Bei zunehmender Windstärke wird der Winkel von Längsachse L'–L'' zur Windrichtung größer, um die Belastung des Systems zu reduzieren – die Anlage wird in den Wind gedreht. In der Arbeitszone (Strecke AZ–AZ') werden die Klapplamellen durch Steuerelemente im Winkel < 90° Grad zur Drehrichtung aufgestellt. Beidseitig wirken nun Kräfte auf die Lamelle ein: Druck und Unterdruck. Haben die Lamellen (8) die Arbeitszone (AZ–AZ') passiert, werden sie durch die Führungselemente in die neutrale Stellung (0° Grad zur Drehrichtung) zurückgeführt. Die vergleichsweise geringe Masse der von der Strömung aktiv bzw. passiv bewegten Einheiten/Komponenten ermöglicht, bedingt durch die höheren Strömungsgeschwindigkeiten über der Austrittszone im Vergleich zur „reellen/effektiven Strömungsgeschwindigkeit", einen höheren/verbesserten Wirkungsgrad. Bei wechselnder Richtung wird das Profil entsprechend nachgeführt/gesteuert. Der Generator ist formschlüssig mit dem Lamelleneinheit verbunden, wahlweise kann ein Getriebe eingesetzt werden. Das Gefahrenpotential und die Beeinträchtigung im näheren Umfeld des Systems ist aufgrund des kompakten und geschlossenen Aufbaus als sehr gering zu bewerten.The wind is transmitted through the surface of the half-shell ( 1 . 2 ) and accelerated over the exit zone. Depending on the wind strength and wind direction, the profile is in the corresponding angle of the wind deflector L'-L '' to the flow direction. Thus, the relevant face is increased or decreased. The regulation of the volume flow, which is caused by the variable position of the windward side, thus optimizing the yield. In addition, the spoiler causes an additional acceleration of the volume flow over the exit zone. The load of the system is determined by the angle of the spoiler to the flow direction and regulated by the control of the system. The flow sweeps over the fins of the exit zone at higher speed ( 15 ). The resulting negative pressure is compensated by inflowing air from the working zone. This air flows at the entrance slit ( 14 ) in the profile, which is applied directly and under pressure at low to medium wind speed. As the wind strength increases, the angle of longitudinal axis L'-L '' to the wind direction increases to reduce the load on the system - the system is turned into the wind. In the work zone (distance AZ-AZ '), the flap leaves are set up by controls at an angle <90 ° to the direction of rotation. On both sides, forces now act on the lamella: pressure and negative pressure. Did the slats ( 8th ) passes through the working zone (AZ-AZ '), they are returned by the guide elements in the neutral position (0 ° degrees to the direction of rotation). The comparatively low mass of the units / components actively or passively moved by the flow makes it possible to achieve a higher / improved efficiency due to the higher flow velocities over the exit zone compared to the "real / effective flow velocity." If the direction changes, the profile is tracked accordingly The generator is positively connected with the lamellae unit, optionally a gearbox can be used.The danger potential and the impairment in the closer environment of the system is to be evaluated as very small due to the compact and closed construction.

Vorteileadvantages

Es können unabhängig von einander mehrere Generatoren bei unterschiedlicher Drehzahlen ihre Leistung abgeben, da bei vertikaler Montage die Strömungsgeschwindigkeit und somit die Drehzahl mit zunehmender Höhe zunimmt. Die Anlage läuft bei geringer Windgeschwindigkeit an, da die Stirnfläche einen großen Volumenstrom beschleunigt. Bei Starkwind oder Sturm dreht sich die Anlage in den Wind, generiert aber weiterhin Strom. Die Schalenhüllen reduziert entstehende Schallemissionen des Systems. Durch die geschlossene Bauweise gibt es keine Gefahrenzone wegen Eisbruch, ein besonderer Sicherheitsabstand zu umgebenden Gebäuden ist nicht notwendig. Die Anlage ragt über das Fundament nicht hinaus und benötigt keine raumgreifende Abspannung, da das System in sich stabil ist. Die Anlage ist vertikal oder horizontal an geeigneten Standorten einsetzbar. Sie hat ein nahezu starres Erscheinungsbild, dadurch ergibt sich eine hohe Integrationsfähigkeit in das vorhandene Umfeld. Die Anlage ist mit leichten Modifizierungen sowohl an Land als auch auf See einsetzbar.It can independently from each other several generators at different speeds give off their power because in vertical mounting the flow velocity and thus the speed increases with increasing altitude. The system runs at low Wind speed, since the end face a large volume flow accelerated. In strong wind or storm, the system turns in the wind, but continues to generate electricity. The shell covers reduced resulting noise emissions of the system. By the closed There is no danger zone due to ice break, a special one Safety distance to surrounding buildings is not necessary. The Plant looms over The foundation does not go out and does not need a bulky bracing, because the system is stable in itself. The plant is vertical or horizontal can be used at suitable locations. She has a nearly rigid Appearance, this results in a high degree of integration into the existing environment. The plant is with slight modifications can be used both on land and at sea.

11
kurze Schalenhülleshort Metal cover
22
langen Schalenhüllelong Metal cover
33
Spoilerspoiler
44
SpoilerträgerSpoiler carrier
55
LeitprofileGuiding
66
Wellewave
77
Lamellenträgerplate carrier
88th
Lamellelamella
99
Hauptachsemain axis
1010
Achse des Lamellensystemsaxis of the slat system
1111
Leitfläche am EinströmspaltGuide surface at the inflow gap
1212
Leitfläche an der AustrittszoneGuide surface at the exit zone
1313
innere Bereich der langen Schalenhülle (2)inner area of the long shell cover ( 2 )
1414
EinströmspaltEinströmspalt
1515
Austrittszoneexit zone
1616
Innenbereich der luvseitigen Schalenhülle (1)Interior of the windward shell cover ( 1 )
1717
Führungselementguide element
1818
Steuerscheibecontrol disc
AZ–AZ'AZ-AZ '
Arbeitszonework zone
L'–L''L'-L ''
Lange Seite/LuvseiteLong Side / weather side
T'–T''T 'T' '
kurzer Seite/Tangente T'–T''short Page / Tangent T'-T ''

Claims (9)

Windleitflächengenerator bestehend aus einer tragenden Schwenkachse (9), einer die Welle (6) und das Lamellensystem tragenden Achse (10), mindestens einem Generator sowie einer äußeren Hülle mit 2 Schalen (1, 2) und Lamellen (5), die eine Austrittszone (15) definieren, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: a) er besteht aus einer Welle (6) mit äußeren Lamellen (8) b) leeseitig weist diese eine Schalenhülle (2) auf, die in einem inneren Bereich (13) die Lamellen 8) tangential umfasst und die c) nach außen gerichtete Leitflächen (11, 12) aufweist, die einseitig und leeseitig den inneren Bereich (13) begrenzen d) den Leitflächen gegenüberliegend befindet sich eine luvseitige Schalenhülle (1), die ebenfalls die Lamellen (8) tangential umfasst e) zwischen der luvseitigen Schalenhülle (1) und dem Bereich (11) der Schalenhülle befindet sich ein Einströmspalt (14) und f) die Schalenhülle (2) mittels einer im Bereich (11) angeordneten Schwenkachse (9) schwenkbar ist g) und sich an die luvseitige Schalenhülle (1) an der in Strömungsrichtung des den WLF-Generator überströmende Volumenstroms Profil die Austrittszone (15) anschließt, die h) Leitprofile (5) aufweist, deren äußere Kontur der Austrittszone (15) bogenförmig etwa in Strömungsrichtung ausläuft.Wind deflector generator consisting of a supporting pivot axis ( 9 ), one the wave ( 6 ) and the lamella system bearing axis ( 10 ), at least one generator and an outer shell with 2 shells ( 1 . 2 ) and lamellae ( 5 ), which is an exit Zone ( 15 ), characterized by the following features: a) it consists of a wave ( 6 ) with outer fins ( 8th ) b) on the leeward side it has a shell shell ( 2 ), which are located in an inner area ( 13 ) the slats 8th ) comprises tangentially and the c) outwardly directed guide surfaces ( 11 . 12 ), which on one side and leeward the inner area ( 13 ) d) opposite the guide surfaces there is a windward shell cover ( 1 ), which are also the lamellas ( 8th ) tangentially e) comprises between the windward shell cover ( 1 ) and the area ( 11 ) of the shell shell is an inflow ( 14 ) and f) the shell shell ( 2 ) by means of one in the area ( 11 ) arranged pivot axis ( 9 ) is pivotable g) and to the windward shell shell ( 1 ) at the in the flow direction of the WLF generator overflowing volumetric flow profile the exit zone ( 15 ), the h) guiding profiles ( 5 ) whose outer contour of the exit zone ( 15 ) runs in an arc shape approximately in the flow direction. Windleitflächengenerator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (8) gelenkig an der inneren Welle (6) bzw. dem Lamellenträgereinheit (7) angeordnet sind.Windscreen generator according to claim 1, characterized in that the lamellae ( 8th ) hinged to the inner shaft ( 6 ) or the disk carrier unit ( 7 ) are arranged. Windleitflächengenerator nach Anspruch 1–2 dadurch gekennzeichnet, dass der Innenbereich (16) der luvseitigen Schalenhülle (1) einen geringeren Abstand der Welle (6) aufweist, als der innere Bereich (13) der gegenüberliegenden Schalenhülle (2).Wind deflector generator according to claim 1-2 characterized in that the interior ( 16 ) the windward shell cover ( 1 ) a smaller distance of the shaft ( 6 ) than the inner region ( 13 ) of the opposite shell shell ( 2 ). Windleitflächengenerator nach Anspruch 1–3 dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (6) von Lamellen (8) und Lamellenträger (7) entkoppelt ist.Wind deflector generator according to claim 1-3, characterized in that the shaft ( 6 ) of lamellae ( 8th ) and plate carriers ( 7 ) is decoupled. Windleitflächengenerator nach Anspruch 1–4 dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (8) reibungsvermindernde Führungselemente (18) aufweisen, die an dem Innenbereich (16) der luvseitigen Schalenhülle (1) angelegt werden.Windscreen generator according to claim 1-4, characterized in that the lamellae ( 8th ) friction-reducing guide elements ( 18 ), which at the interior ( 16 ) the windward shell cover ( 1 ). Windleitflächengenerator nach Anspruch 1–5 dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (8) mit Steuerscheiben (17) zusammenwirken, die diese vor dem Eintritt in den Bereich der luvseitigen Schalenhülle (16) zurückschwenken.Wind deflector generator according to claim 1-5, characterized in that the lamellae ( 8th ) with control discs ( 17 ) which, before entering the area of the windward shell ( 16 ) swing back. Windleitflächengenerator nach Anspruch 1–6 dadurch gekennzeichnet, dass benachbart zu den Leitprofilen (5) ein winkelveränderbarer Spoiler (3) angeordnet ist.Wind deflector generator according to claim 1-6, characterized in that adjacent to the guide profiles ( 5 ) a variable angle spoiler ( 3 ) is arranged. Windleitflächengenerator nach Anspruch 1–7 dadurch gekennzeichnet, dass das Längenverhältnis der Windleitfläche L'–L'' (Stirnfläche mit Übergang zur Austrittszone) zu Tangente T'–T'' (Austrittszone) das Leitungspotential wesentlich bestimmt, wodurch die Länge der Luvseite die Tangente mindestens um das 2-fache übertrifft (siehe 4).Wind deflector according to claim 1-7, characterized in that the length ratio of the wind deflecting L'L '(end face with transition to the exit zone) to tangent T'-T''(exit zone), the conduction potential significantly determines, whereby the length of the windward side of the tangent at least twice that (see 4 ). Windleitflächengenerator nach Anspruch 1–8 dadurch gekennzeichnet, dass die Zuluftzone auf der Rückseite der Luvseite ist (siehe 6) um das Eindringen von Staub, Eis oder anderem zu reduzieren.Wind deflector generator according to claim 1-8, characterized in that the supply air zone on the back of the windward side is (see 6 ) to reduce the ingress of dust, ice or other.
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