DE102009013666A1

DE102009013666A1 - Windrad mit vertikaler Achse

Info

Publication number: DE102009013666A1
Application number: DE102009013666A
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl.-Ing. Hoferichter; Frank Dipl.-Ing. Stark; Simon Franz
Original assignee: BBA KONSTRUKTIONSBUERO und VER; Bba Konstruktionsbuero und Vertrieb Bau- und Bergbauausruestung GbR (vertretungsberechtigter Gesellschafter Simon Franz 08280 Aue)
Current assignee: BBA KONSTRUKTIONSBUERO und VER; Bba Konstruktionsbuero und Vertrieb Bau- und Bergbauausruestung GbR (vertretungsberechtigter Gesellschafter Simon Franz 08280 Aue)
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2010-10-07

Abstract

Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein Windrad mit vertikaler Achse 1, dessen vertikal am äußeren Durchmesser des Windrades angeordnete Antriebselemente entweder zweiteilig sind, wobei der eine Teil, das Rotorblatt 2, die Form eines Tragflügels besitzt und in Drehrichtung Z davor ein nach vorn spitz oder kurvenförmig gebogenes, nach hinten offenes Profil 3 als zweites Teil gleicher Länge fest oder verstellbar auf dem Element 4 angeordnet ist oder als einteilige Profilrotorblätter 9, 10 ausgebildet sind, deren Form durch Krümmung zur Achse 1 bestimmt ist und die ein in Drehrichtung Z nach innen oder außen angesetztes spitzes oder kurvenförmiges Profil 9, 10 haben, das entgegen der Drehrichtung Z offen ist, wobei zwischen den ein- oder zweiteiligen Antriebselementen oder Profilrotorblättern 9, 10 horizontal angeordnete Streben 6, die in Drehrichtung Z eine spitze Ausformung 7 und gegen die Drehrichtung eine stumpfe Ausformung 8 haben oder offen sind, mit der auf der Achse 1 gelagerten Nabe 5 des Windrades die Verbindung herstellen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Windrad mit vertikaler Achse.
Windräder mit vertikaler Achse funktionieren entweder als Widerstandsläufer, d. h. die Staudruckdifferenz am Rotorprofil wird für das Erzeugen des Drehmoments genutzt oder als Auftriebsläufer, d. h. der Strömungsdruck erzeugt am Rotorflügel Auftrieb, der das Drehmoment erzeugt.
Widerstandsläufer wie sie in DE 10 2004 053 477 A1 oder DE 19939146 A1 beschrieben sind, haftet der Mangel an, daß die Leistungsausbeute des Windes gering ist.
Auftriebsläufer der Bauform H-Darrieus-Rotor, wie in DE 10 2004 041 281 A1 beschrieben, erreichen eine etwas höhere Leistungsausbeute des Windes, sie ist jedoch geringer wie die bei Windkraftanlagen mit horizontaler Achse.
Damit Windräder mit vertikaler Achse effektiver arbeiten, gibt es Versuche durch Kombinationen von Widerstandsläufern und Auftriebsläufern wie z. B. in DE 20 2007 008 125 U1 beschrieben, wo im Zentrum des Windrades Rotorblätter angeordnet sind, die das Widerstandsprinzip nutzen und am Außendurchmesser des Windrades sind Tragflügel vertikal angeordnet, deren Auftrieb aus Windrichtung und Drehbewegung Vortrieb erzeugen. Auch diesen Lösungen haftet der Nachteil an, daß der Widerstandsläufer, im Zentrum angeordnet, zwar eine hohe Drehzahl erzeugen will, die aber der Drehzahl, der am äußeren Durchmesser angeordneten Tragflügel, nicht entspricht, wodurch die Leistungssteigerung durch den innenliegenden Widerstandsläufer unbedeutend ist.
Deshalb ist bei dieser Kombination die Leistungsausbeute bei niedrigen Windgeschwindigkeiten nur unbedeutend höher.
Bei allen bisher beschriebenen H-Darrieus-Rotoren werden die Rotorblätter mit der Nabe des Windrades durch diagonale Streben verbunden, die bei Rotation den Wind so verwirbeln, daß die Auftriebskraft sinkt und die mögliche Leistungsausbeute nicht erreicht wird.
Der Erfindung liegt das Problem zu Grunde, ein um eine vertikale Achse rotierendes Windrad bzw. seine Antriebselemente bzw. Rotorblätter so auszubilden, daß sie in der Lage sind, sowohl den Staudruck des Windes als auch die Strömungsenergie des Windes in eine möglichst große Leistung – Produkt aus Drehmoment und Drehzahl – umzuwandeln, wobei die notwendigen Streben zwischen Nabe und Antriebselementen die Energieumwandlung des Windes in Rotationsenergie des Windesrades nicht stören, sondern unterstützen.
Erfindungsgemäß wird das gelöst, indem die auf dem Außendurchmesser D angeordneten Rotorblätter, zwei- oder einteilig so ausgebildet sind, daß jedes Rotorblatt bei einer Umdrehung über 2 × 120° durch die Auftriebskraft aus der Windgeschwindigkeit getrieben wird und zusätzlich über ca. 150° durch die Staudruckdifferenz des Windes getrieben wird, weil sowohl Rotorblätter als auch die Verstrebung zwischen Rotorblättern und Nabe so ausgebildet sind, daß sie in Windrichtung große C_w-Werte und gegen den Wind kleine C_w-Werte haben.
Bei den zweiteiligen Antriebselementen, bestehend aus gleichlangem Rotorblatt und vorgesetztem Profil, geschieht diese Ausbildung, indem sie durch ein in Drehrichtung vorgesetztes spitz oder kurvenförmig gebogenes und nach hinten offenes Profil zu einem zweiteiligen Antriebselement ergänzt werden oder indem bei den einteiligen Rotorblättern diese als gekrümmte Profilrotorblätter ausgebildet sind und in Drehrichtung ein, nach innen oder außen angearbeitetes spitzes oder kurvenförmiges, Profil haben, das entgegen der Drehrichtung offen ist.
Bei den Verstrebungen zwischen Antriebselementen bzw. Rotorblättern und Nabe geschieht diese Ausbildung, indem diese horizontal angeordnet und in Drehrichtung spitz oder kurvenförmig ausgeformt sind und gegen diese stumpf oder offen sind.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 Ansicht des Windrades mit drei zweiteiligen Antriebselementen und mit den Schnitten A und B
2 Ansicht des Windrades mit vier einteiligen Profilrotorblättern und mit dem Schnitt C
1 zeigt die Ansicht des Windrades mit vertikaler Achse 1 und mit drei vertikal angeordneten zweitteiligen Antriebselementen, die aus dem Rotorblatt 2 und dem vorgesetzten Profil 3 bestehen, das auch mehrfach, mit mittigen vertikalen Schlitzen ausgestattet, angeordnet sein kann. Die Rotorblätter 2 und die vorgesetzten Profile 3 werden mittels der Elemente 4, die auch strömungstechnische Funktionen als obere und untere Begrenzung der Rotorblätter erfüllen, verbunden.
Dabei kann das Profil 3 oder Teile von ihm fest oder schwenkbar auf den Elementen 4 angeordnet sein.
Zwischen Nabe 5 und Rotorblättern 2 stellen horizontale Streben 6 die Verbindung zwischen Rotorblättern 2 und Nabe 5 her.
Die Streben 6 besitzen in Drehrichtung Z eine spitze Ausformung 7 und gegen die Drehrichtung Z eine stumpfe Ausformung 8, d. h. in Windrichtung und gegen die Windrichtung sind die Windwiderstände sowohl bei den Profilen 3 als auch bei den Streben 6 durch die Form unterschiedlich ausgebildet, wodurch die Kräfte F_s in Drehrichtung Z größer sind.
Aus der Windgeschwindigkeit v_wind entsteht an den Antriebselementen der Auftrieb F_A.
Er ist am größten, wenn die Rotorblätter 2 quer zur Windrichtung stehen.
Das Windrad kann mit zwei bis sechs Antriebselementen ausgestattet sein.
2 zeigt die Ansicht eines Windrades mit vier Profilrotorblättern 9, 10.
Im Schnitt C ist an zwei Profilrotorblättern 9 in Drehrichtung Z das Profil nach innen gebogen und an zwei Profilrotorblättern 10 ist das Profil nach außen gebogen dargestellt.
Diese einfachen Profilrotorblätter 9, 10 eignen sich für kleine bis mittlere Leistungen.
Die Vorteile der beschriebenen Erfindung liegen zum einen in der hohen, über 80% Energieausbeute, durch die am äußerem Durchmesser D des Windrades angeordneten Widerstands und Auftrieb nutzenden Antriebselemente bzw. Profilrotorblätter und die damit verbundene Energieerzeugung bei geringen Windgeschwindigkeiten sowie durch die speziell gestalteten und angeordneten Streben, die diese Elemente mit der Nabe verbinden- zum anderen resultieren die Vorteile aus der einfachen Herstellungs- und Betriebsweise des Windrades, das durch Verstellung der Antriebselemente gebremst bzw. geregelt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102004053477 A1 [0003]
- DE 19939146 A1 [0003]
- DE 102004041281 A1 [0004]
- DE 202007008125 U1 [0005]

Claims

Windrad mit vertikaler Achse 1, dessen vertikal am äußeren Durchmesser angeordneten zwei bis sechs, vorzugsweise drei, Antriebselemente, die mit der drehbar auf der Achse 1 gelagerten Nabe 5 durch horizontal angeordnete Streben 6 verbunden sind, zweiteilig bestehend aus einem tragflügelförmigen Rotorblatt 2 und einem vorgesetzten Profil 3, das in Drehrichtung Z spitz oder kurvenförmig ausgebildet und gegen die Drehrichtung Z offen ist, wobei das Rotorblatt 2 in das offene Profil 3 hineinragt, den Hauptantrieb darstellen.
Windrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgesetzten Profile 3 schwenkbar oder in Teilen schwenkbar auf den Elementen 4 angeordnet sind.
Windrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profile 3 mehrfach vor den Rotorblättern 2 angeordnet und mit vertikalen Längsschlitzen unterschiedlicher Breite versehen sein können.
Windrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebelemente einteilig als zur Achse 1 gekrümmte Profilrotorblätter 9, 10 mit nach innen oder nach außen gebogenen Profilen ausgeführt sein können.
Windrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilrotorblätter 9, 10 bzw. deren angebogenen Profile verstellbar angeordnet sein können.
Windrad nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben 6 in Drehrichtung Z spitz oder kurvenförmig und entgegen der Drehrichtung stumpf oder offen ausgebildet sind.
Windrad nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebselemente an den Streben 6 vertikal schwenkbar gelagert sein können.