DE102008051953A1

DE102008051953A1 - Antriebssystem zur Optimierung von Windkraftanlagen

Info

Publication number: DE102008051953A1
Application number: DE102008051953A
Authority: DE
Inventors: Gernot Kloss
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-10-16
Filing date: 2008-10-16
Publication date: 2010-04-22

Abstract

Die Rotoren heutiger Windkraftanlagen arbeiten meist mit propellerartigen Flügeln. Diese Bauart weist eine geringe Effizienz auf, bei der fehlende Leistung durch große Rotoren ersetzt werden muss. Die sich hierdurch ergebenden großen Angriffsflächen führen bei hohen Windgeschwindigkeiten, wie sie besonders im Offshorbereich vorherrschen, zu hohen Belastungen. Um das auszugleichen, müssen diese Windkraftanlagen sehr massiv gebaut werden, was ihre Baukosten extrem verteuert. Bei neueren Windkraftanlagen, deren Vortrieb mittels Magnus-Effekt erfolgt, werden die Drehflügel durch Motorkraft gedreht. Hierbei werden die sich bietenden Möglichkeiten nur ungenügend genutzt, da die für den Vortrieb so wichtigen Luftmasssen innerhalb der um die Drehflügel gebildeten Luftmäntel nur durch Oberflächenreibung gebildet werden und völlig unzureichend sind. Zudem wird die erbrachte Leistung durch Leistungsabgaben an die Antriebsmotoren verringert. Durch Führen in Drehlagern, die keine großen Belastungen aufnehmen können, ist die Länge der Drehflügel und somit ihre Leistung stark eingeschränkt. Um den Magnus-Effekt optimaler nutzen zu können, müsste auch der Vortrieb zu den Flügelenden hin zunehmen, da sich aufgrund unterschiedlich großer Radien unterschiedlich große Laufstrecken ergeben. Die in ihrer Länge nicht unterteilten Drehflügel lassen dies nicht zu. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine effektivere Nutzung der Windkraft und aller Systemmöglichkeiten den ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem zur Optimierung von Windkraftanlagen aller Art, insbesondere für den Offshore-Bereich.
Es ist bekannt, zur Erfüllung einiger Erfordernisse Antriebssysteme in Form von Windturbinen mit propellerartigen Flügeln oder mit Flügeln in Form sich drehender, nach dem Magnuseffekt arbeitender Zylinder zu versehen.
Systeme mit propellerartigen Flügeln sind schwerfällig und wenig effizient. Ihre fehlende Leistung muss durch große Rotoren ersetzt werden aus denen sich große Angriffsflächen ergeben, die bei hohen Windgeschwindigkeiten zu hohen Belastungen führen. Um diese auszugleichen, muss die gesamte Windkraftanlage sehr massiv gebaut werden, was ihre Baukosten extrem erhöht. Bei großen Flügeln erfolgt das Regeln des Vortriebs sowie die Windnachführung über Drehmechanismen, die aufwändig und anfällig sind.
Bei nach dem Magnuseffekt arbeitenden Systemen bestehen die Flügel aus sich drehenden Zylindern. Die hiermit erzeugte Vortriebskraft setzt sich aus der Windkraft, der Drehgeschwindigkeit der Zylinder und den auf den Zylinderoberflächen durch Reibung gebildeten Luftmantelmassen zusammen. Zum Drehen der Zylinder werden Motoren benötigt. Der mögliche Wirkungsgrad dieser Systeme ist höher als der von Systemen mit propellerartigen Flügeln, wird aber nach dem heutigen Stand der Technik nur unzureichend genutzt, wobei die erbrachte Leistung sich zudem um die Leistungsabgabe an die Antriebsmotoren verringert. Zudem wird bei diesem System, durch das Führen in Drehlagern, die keine großen Belastungen aufnehmen können, die Länge der Zylinder und somit die Leistung stark eingeschränkt. Um den Magnus-Effekt besser zu nutzen, müsste auch der Vortrieb der Zylinder zu den Flügelenden hin zunehmen, da die zurückzulegenden Streckenlängen der Radien nach außen hin zunehmen. Die in ihrer Länge nicht unterteilten Drehflügel lassen dies nicht zu.
Ein weiteres Problem liegt darin, dass durch die in den Längsachsen auftretenden Fliehkräfte Teile der Luftmäntel von den Zylindern gelöst werden. Um diesen Vorgang abzuschwächen, ist bekannt, die Durchmesser der Zylinder zu ihren außen liegenden Stirnseiten hin zu vergrößern. Eine weitere, unzureichende Lösung dieses Problems bietet das japanische Unternehmen MECARO durch außen an den Zylindern angebrachte, gewendelte Rippen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch effektivere Nutzung der Windkraft und aller Systemmöglichkeiten den Magnus-Effekt so zu optimieren, dass ein hoch effizientes, kostengünstiges Antriebskonzept für Windkraftanlagen geschaffen wird, das robust und wenig anfällig bei Wechsellasten ist, so dass ein Arbeitseinsatz selbst bei starkem Sturm möglich ist. Aufgrund dieser Vorteile können, außer bei durch Seile oder Stangen versteiften Großrotoren, die Rotoren hinter dem Gondelturm angeordnet sein, um auf aufwändige Fremdsteuerungen für diese zu verzichten. Außerdem sollen Handling und Geräuschentwicklung optimiert werden.
Diese Aufgaben werden erfindungsmäßig dadurch gelöst, dass das Antriebssystem aus einer hohlen Rotornabe mit fest verbundenen, radial austretenden Flügelrohren besteht, die sich zu den Flügelrohrenden hin verjüngen und um die sich in Wälzlager geführte, mit Radialringen versehene Lochblech-Zylinder drehen, deren zur Rotornabe zeigende Stirnseiten offen sind, wobei die Lochblech-Zylinder an ihren äußeren Mantelseiten längsverlaufende, gegen die Drehrichtung geneigte Luftleitbleche und an ihren inneren Mantelseiten Spiralbleche zur Luftführung sowie zur Erhöhung der Drehgeschwindigkeit der Lochblech-Zylinder aufweisen.
Um das Antriebssystem gerade im Offshore-Einsatz vor Vereisung zu schützen, weisen Rotornabe und Flügelrohre in ihrem Inneren einen durchgängigen Abluftkanal auf, durch den die Abwärme des Generators geleitet wird.
Um Turbulenzbildungen an den längs auf den Lochblech-Zylindern verlaufenden Luftleitblechen zu vermeiden, ist deren Querschnitt in Drehrichtung konvex ausgebildet.
Damit sich aufgrund größerer Arbeitswege die Lochblech-Zylinder mit zunehmender Nähe zu den Flügelrohrenden schneller drehen, nimmt die Steigung der Spiralbleche zu den Flügelrohrenden hin ab.
Um diesen Effekt zusätzlich zu verstärken, nimmt die Anzahl der Löcher in den Lochblech-Zylindern zu den Flügelrohrenden hin zu.
Um die Drehgeschwindigkeit des Rotors durch Verringerung der durch die offenen Stirnseiten in die Lochblech-Zylinder einfließenden Luftmassen zu drosseln, sind diese mit Drosselringen versehen.
Damit sich die Drosselringe selbst regulieren können, sind sie mittels Federn geführt.
Damit sich nicht Teile der die Lochblech-Zylinder umschließenden Luftmäntel durch in ihren Längsachsen wirkende, nach außen hin zunehmende Fliehkräfte ablösen, vergrößern sich die Durchmesser der Radialringe zu den Flügelrohrenden hin.
Um auch den Bau von Rotoren mit sehr großen Rotor-Durchmessern zu ermöglichen, sind die Flügelrohre mittels Seile oder Stangen versteift.
Damit bei nicht versteiften Rotoren auf aufwändige und Energie verbrauchende Windnachführungen des Rotors verzichtet werden kann, ist dieser hinter dem Gondelturm angeordnet.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, dass mit der starren Verbindung von Rotornabe und Flügelrohren eine äußerst stabile und sehr filigrane Antriebseinheit geschaffen wird, die aufgrund ihres geringen Querschnitts in der Lage ist, auch schweren Stürmen zu trotzen, wobei der Vortrieb ohne Motorkraft erfolgt. Im Gegensatz zu bekannten Systemen, deren Luftmäntel nur durch Oberflächenreibung erzeugt werden, wird bei der Erfindung das Volumen der die Lochblech-Zylinder umschließenden Luftmäntel durch Zuführung zusätzlicher Luftmassen um ein Vielfaches vergrößert. Entsprechend stark ist der Vortrieb. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die in die Luftmäntel einströmenden Luftmassen selbstätig durch die jeweilige Drehgeschwindigkeit der Lochblech-Zylinder geregelt werden, wobei diese Luftmassen durch die in den Längachsen der Lochblech-Zylinder auftretenden Fliehkräfte zu den Flügelrohrenden hin nochmals verstärkt werden. Dies ermöglicht, die Drehgeschwindigkeit der einzelnen Lochblech-Zylinder durch in ihrem Inneren über Spiralbleche geleitete Luftmassen zu erhöhen, wodurch der Vortrieb nochmals gesteigert wird. Diese Steigerung geschieht nicht gleichmäßig, sondern nimmt durch die abnehmende Steigung der Spiralbleche zu den Rotorrohrenden hin zu, was für die unterschiedlichen Arbeitswege der einzelnen Lochblech-Zylinder sehr hilfreich ist. Dieser Vorgang wird noch dadurch unterstützt, dass sich die Lufteinlassöffnungen an den Stirnseiten der Lochblech-Zylinder durch den zu den Flügelrohrenden hin abnehmenden Flügelrohr-Durchmesser vergrößern.
Damit die Lochblech-Zylinder umschließenden Luftmäntel besser geführt werden und sich nicht Teile von ihnen durch in ihren Längsachsen wirkende Fliehkräfte ablösen, sind die Radialringe so gestaltet, dass ihre Durchmesser zu den Flügelrohrenden hin zunehmen.
Da bei diesem Antriebssystem ein Großteil des Vortriebs durch technische Lösungen erreicht wird, sind hiermit ausgestattete Windkraftanlagen weniger windabhängig. Ihr Lauf ist deshalb homogener und ruhiger, ihre Empfindlichkeit gegen Wechsellasten wie Böen oder Strömungsabrisse entsprechend gering, so dass, außer bei sehr großen Rotoren, deren Flügelrohre aufgrund ihrer Größe durch Seile oder Stangen versteift sind, die Rotoren auch hinter dem Gondelturm angeordnet werden können. Dadurch entfallen die sonst üblichen, aufwändigen Nachführsysteme. Durch diese Bauart lassen sich Windkraftanlagen auch vorteilhaft auf Schwimmbojen errichten, wodurch im Offshorebereich hohe Fundamentkosten eingespart würden. Zudem ließen sich Reparaturen in wettergeschützten Hafenanlagen durchführen. Windkraftanlagen dieser Art können durch selbstregulierende Drosselringe, die die Luftzufuhr in die Lochblech-Zylinder steuern, selbst bei schweren Stürmen gefahrlos arbeiten.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
1 Ansicht und Draufsicht
2 Schnitt A-A
3 Schnitt B-B
Der Vortrieb beim Magnus-Effekt wird aus der Kraft der Windströmung sowie aus der Masse des durch Oberflächenreibung gebildeten Luftmantels und seiner Drehgeschwindigkeit gebildet. Da die Luftströmung vorgegeben ist, lassen sich Luftmassen und Drehgeschwindigkeit nur durch technische Lösungen steigern.
Bei der Erfindung werden die Lochblech-Zylinder 6 allein durch Windkraft über schräg gestellte, längseitig an ihnen verlaufende Luftleitbleche 8 gedreht. Durch Drehimpulse ausgelöste, radiale Fliehkräfte saugen über Lochungen in den Lochblech-Zylindern 6 durch deren offene Zylinderstirnseiten 7 große Luftmengen an und führen diese den bereits durch Luftreibung gebildeten Luftmänteln zu. Außerdem werden die sich in den Längsachsen der Lochblech-Zylinder 6 bildenden, unterschiedlich großen Fliehkräfte dazu genutzt, weitere Luftmassen in die Luftmäntel zu führen, wobei das Luftmassenvolumen in den Luftmänteln mit zunehmender Nähe zu den Flügelrohrenden 3 zunimmt. Diese Luftmassen werden sodann über Spiralbleche 9 geführt, die im Inneren der Lochblech-Zylinder 6 liegen. Da die Steigungen der Spiralbleche 9 zu den Flügelrohrenden 3 hin abnehmen, nehmen die einzelnen Drehgeschwindigkeiten der Lochblech-Zylinder 6 entsprechend zu. Hierdurch ergibt sich ein sehr effizienter und ruhiger Rotorlauf. Die Menge der in die Lochblech-Zylinder 6 einströmenden Luft wird von selbst regulierenden Drosselringen 11 gesteuert, die durch Federn 12 fixiert sind. Bei kleinen bis großen Anlagen ist der Rotor hinter dem Gondelturm 14 angeordnet. Bei sehr großen Anlagen, deren Flügelrohre 2 durch Seile oder Stangen 13 versteift sind, ist der Rotor vor dem Gondelturm 14 angeordnet.

Claims

Optimiertes Antriebssystem für Windkraftanlagen, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem aus einer hohlen Rotornabe 1 mit fest verbundenen, radial austretenden Flügelrohren 2 besteht, die sich zu den Flügelrohrenden 3 hin verjüngen und um die sich in Wälzlager 4 geführte, mit Radialringen 5 versehene Lochblech-Zylinder 6 drehen, deren zur Rotornabe 1 zeigende Stirnseiten 7 offen sind, wobei die Lochblech-Zylinder 6 an ihren äußeren Mantelseiten längsverlaufende, gegen die Drehrichtung geneigte Luftleitbleche 8 und an ihren inneren Mantelseiten Spiralbleche 9 aufweisen.
Optimiertes Antriebssystem für Windkraftanlagen, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Rotornabe 1 und Flügelrohre 2 in ihrem Inneren einen durchgängigen Abluftkanal 10 bilden.
Optimiertes Antriebssystem für Windkraftanlagen, nach Anspruch 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Luftleitbleche 8 in Laufrichtung der Lochblech-Zylinder 6 konvex ausgebildet ist.
Optimiertes Antriebssystem für Windkraftanlagen, nach Anspruch 1–3 dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung der Spiralbleche 9 zu den Flügelrohrenden 3 hin abnimmt.
Optimiertes Antriebssystem für Windkraftanlagen, nach Anspruch 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Löcher in den Lochblech-Zylindern 6 zu den Flügelrohrenden 3 hin zunimmt.
Optimiertes Antriebssystem für Windkraftanlagen, nach Anspruch 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die offenen Stirnseiten 7 der Lochblech-Zylinder 6 mit Drosselringen 11 versehen sind.
Optimiertes Antriebssystem für Windkraftanlagen, nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselringe 11 mittels Federn 12 geführt werden.
Optimiertes Antriebssystem für Windkraftanlagen, nach Anspruch 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Durchmesser der Radialringe 5 zu den Flügelrohrenden 3 hin vergrößern.
Optimiertes Antriebssystem für Windkraftanlagen, nach Anspruch 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügelrohre 2 mittels Seile oder Stangen 13 versteift sind
Optimiertes Antriebssystem für Windkraftanlagen, nach Anspruch 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor bei nicht versteiften Flügelrohren 2 hinter dem Gondelturm 14 angeordnet ist.