DE102010052947B4

DE102010052947B4 - Windrichtungsunabhängige Windturbine mit vertikalem Rotor, mehrreihiger Einleitflächenkonstruktion und tropfenförmig profilierten Rotorflügeln

Info

Publication number: DE102010052947B4
Application number: DE102010052947.8A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2030-12-01
Also published as: DE102010052947A1

Abstract

Windrichtungsunabhängige Windturbine mit Vertikalrotor, wobei der Rotor die Energie nach dem Grundprinzip der Durchströmung umsetzt und um den Rotor herum eine Einleitkonstruktion aus vertikalen und horizontalen Einleitflächen angeordnet ist dadurch gekennzeichnet, a) dass die Einleitkonstruktion mehrere Reihen von unterschiedlich ausgerichteten vertikalen Einleitflächen aufweist, wobei den äußeren Rand der Einleitkonstruktion eine umlaufende Reihe, bestehend aus vertikalen Einleitflächen (1) bildet, deren Profil jeweils linear auf den Achsmittelpunkt der Anlage ausgerichtet ist und näher am Rotor liegend mindestens eine weitere umlaufende Reihe, bestehend aus vertikalen Einleitflächen (2) angeordnet ist, deren Profile im Verhältnis zu einer über den Achsmittelpunkt gezogenen geraden Linie, jeweils angewinkelt oder abgebogen sind, sodass sie den eingeleiteten Wind auf die Antriebseite des Rotors umlenken, wobei sie die Strömung in mehrere unterschiedlich ausgerichtete Windströme teilen, deren Richtungslinien sich auf einer bogenförmig verlaufenden Überkreuzungsbahn auf der Antriebseite schneiden und b), dass der Rotor mindestens drei aerodynamisch profilierte Rotorflügel aufweist, deren Profil-Längssehne (a) etwa der 1,5 bis 2-fachen Länge der Profil-Quersehne (b) entspricht, wobei die Rotorflügel am äußeren Rotorrand platziert und ihre Profile in Drehrichtung des Rotors ausgerichtet sind und die Länge ihrer Quersehnen (b) bei einem drei Flügel aufweisenden Rotor ca. einem Drittel des Rotorradius entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft eine windrichtungsunabhängige Windturbine mit einem Vertikalrotor, der in einer Einleitkonstruktion gelagert ist, welche die Windkraft verstärkt, indem sie zunächst den anströmenden Wind mit einer am äußeren Rand der Anlage umlaufend angeordneten Reihe von vertikalen Einleitflächen linear in Richtung zum Zentrum der Anlage hin einleitet und anschließend mit einer weiteren, näher am Zentrum liegenden Reihe von gegenüber einer über die Rotormitte gezogenen geraden Linie angewinkelten oder eine Biegung aufweisenden Einleitflächen auf die Antriebseite des Rotors konzentriert wobei vorzugsweise ein Teil der Einleitflächen zur Steuerung der Anlage auf vertikalen Achsen verstellbar ist und ein im Zentrum weitgehend offener Rotor mindestens drei am Rotorrand platzierte, vorzugsweise tropfenförmig profilierte und in Drehrichtung ausgerichtete Rotorflügel aufweist die beim Umlauf im Rotor sowohl an der Einströmseite als auch an der rückseitigen und den seitlichen Ausströmseiten, gleichzeitig Schubkräfte in Drehrichtung des Rotors entwickeln.
Im Vergleich zu Windturbinen mit horizontaler Achse haben Anlagen mit vertikalem Rotor eine Reihe von Vorteilen. Einer der Vorteile ist, dass sie das Landschaftsbild optisch weniger stören da geringere Bauhöhen möglich sind und die weithin sichtbaren Windräder entfallen. Ein weiterer Vorteil ist, dass diese Anlagen unabhängig von der Windrichtung arbeiten, womit eine kostspielige und wartungsbedürftige Windnachführung des Rotors entfällt. Bei Gruppierung von mehreren Anlagen nebeneinander, ist ein weiterer Vorteil, dass der Schwenkradius für die Windräder entfällt, wodurch der Grundflächenbedarf wesentlich geringerer ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass diese Anlagen im Gegensatz zu Windturbinen mit horizontaler Achse geräuschlos arbeiten und durch Ihre kompakte Bauform auch in der Nähe von Wohnsiedlungen, auf gewerblichen- und landwirtschaftlichen Flächen, in Industriegeländen sowie als Kleinanlage im privaten Bereich oder auf Schiffen einsetzbar sind.
Mit der Lösung gemäß DE 692 20 857 T2 ist eine artgleiche Anlage mit Durchströmrotor bekannt. Diese Anlage weist jedoch den Nachteil auf, dass sie nur einen geringen Teil des Windes verwertet. Eine Ursache dafür ist, dass die 16 Einleitelemente zu schräg angeordnet sind, wodurch sie den an der Anlagenfront ankommenden Wind teilweise zur Seite hin ablenken. Eine weitere Ursache ist, dass die Einleitflächen zusammen mit den Rotorblättern in der Mitte des acht Flügel aufweisenden Rotors einen Engpass bilden, dessen Breite nur einem 6-tel der Breite der Frontalanströmfläche der Anlage entspricht. Durch diesen Engpass ist die Durchströmung des Rotors stark gehemmt, weil in den stark konisch zulaufenden Einleit- und Rotorfächern ein Rückstau entsteht, der die Durchflussmenge erheblich reduziert, wobei sich vor der Anlage ein Luftkissen bildet, welches weiteren Wind zur Seite hin verdrängt. Hinzu kommt der Nachteil, dass der Wind beim Eintritt in die Rotorfächer erheblich gegen die bauchige Vorderseite der Rotorblätter drückt, wodurch in den stark konisch zulaufenden Fächern zwischen den Rotorblättern nahezu ein Druckgleichgewicht entsteht. Auch die auf der Rückseite laufenden Rotorblätter können ihre Wirkung nur schwach entfalten, da der Windstrom durch die Mitte des Rotors zu gering ist. In Folge dieser Nachteile benötigt die Anlage stärkere Winde um überhaupt anzulaufen und in geringem Maße Energie zu gewinnen. Ein erheblicher Nachteil dieser Lösung ist vor allem, dass der Rotor sich schon bei geringfügig schnellerer Umdrehung kräftemäßig neutralisiert, weil seine Rotorblätter bei höherer Geschwindigkeit den Wind nach außen drücken und damit die Durchströmung des Rotors zum Stillstand bringen. Damit ist der Wirkungsgrad dieser Lösung viel zu gering, um eine rentable Stromausbeute zu realisieren.
Die Schrift DE 20 2006 008 289 U1 offenbart eine weitere artgleiche Lösung. Diese Anlage arbeitet mit einem dreiflügeligen Rotor nach dem Prinzip des bekannten Savoniusrotor. Auch dieser Anlage haftet der Nachteil an, dass sie den Wind nur gering auswertet. Hauptursache dafür ist die Form und Stellung der Rotorblätter, die beim Umlauf im Rotor nur phasenweise Schubkräfte in Drehrichtung entwickeln, indem sie sich größtenteils kräfteneutral verhalten oder durch ihr kontraproduktives Profil sogar teilweise gegen die Drehrichtung des Rotors arbeiten. Grund dafür ist der viel zu enge Durchlass im Zentrum des Rotors, der dem einströmenden Wind den Weg durch die Rotormitte weitgehend versperrt, wodurch sich in den Kammern zwischen den großen Rotorflügeln ein Stau bildet, der das Nachströmen des Windes in den Rotor behindert und in den Rotorfächern nach beiden Seiten Druck auf die Rotorflügel erzeugt. Bedingt durch die weitgehend geraden Innenflächen der Rotorblätter, lässt der Rotor den Wind auf der Antriebseite zu leicht nach außen entweichen, sodass er für eine weitere Verwertung im hinteren Bereich des Rotors verloren ist. Die an den Profilspitzen angebrachten Rundstäbe sind in ihrer Ausprägung viel zu dünn, um dieses vorzeitige Entweichen des Windes zu verhindern. Hinzu kommt, dass der wenige durch das verengte Zentrum des Rotors strömende Wind in der Mitte des Rotors auf sehr ungünstige Hebelverhältnisse trifft, welche verhindern, dass er dort bedeutsame Kräfte in Drehrichtung erzeugen kann. Nachteilig ist auch der immense Luftreibungswiderstand, den die großflächigen Rotorblätter beim Umlauf im Rotor erzeugen, indem sie große Luftmengen vor sich her schieben müssen, womit der Rotor abgebremst wird. Besonders nachteilig ist auch, dass die großen Einleitflächen der Einleitkonstruktion, je nach Windrichtung, die beiden seitlichen Einleitfächer mehr oder weniger vom Wind abschirmen, sodass im besten Falle nur ca. 80% des an der Anlagenfront ankommenden Windes in das Zentrum der Anlage eingeleitet werden. Bei ungünstiger Richtung des Windes werden sogar nur ca. 40% des Windes in den Rotor eingeleitet, weil an der Peripherie der Anlage Einleitflächen fehlen, die den Wind in die abgeschirmten seitlichen Windfächer zwischen den großen Einleitflächen lenken würden. Bedingt durch diese nachteiligen Gegebenheiten kann der Rotor sogar eine Stellung einnehmen, aus der er selbst bei stärkerem Wind nicht mehr selbsttätig anläuft. Eine Nutzung der überwiegend vorkommenden leichteren Winde (1–3 m/s.) ist auch mit dieser Lösung nicht zu erreichen.
Aus der Schrift DE 299 07 940 U1 ist eine weitere artgleiche Lösung bekannt. Auch diese Anlage arbeitet mit einem dreiflügeligen Rotor ähnlich dem Savoniusrotor. Auch dieser Anlage haftet der Nachteil an, dass sie den Wind zu gering auswertet. Ursache dafür ist vor allem, dass die Rotorblätter bis über die Mittelachse in den Rotor hinein ragen, wodurch auch hier der Durchlass in der Mitte viel zu eng wird und wie bei der oben beschriebenen Lösung von einem durchströmten Rotor kaum mehr gesprochen werden kann. Eine dicke, in voller Höhe durchgehende Achse, die den Generator beinhaltet, verengt zusätzlich den schmalen Durchgang im Zentrum des Rotors, sodass dieser im besten Falle nur die Windmenge von einem der vier Einleitfächer, die jeweils in einer Rotorkammer münden, aufnehmen kann, sodass sich der übrige Wind zurück staut und gleichzeitig nach beiden Seiten gegen die Rotorblätter drückt. Durch diesen Rückstau kommt die Nachströmung in den Rotor besonders auf der linken Einströmseite weitgehend zum Stillstand. Hinzu kommt, dass der Rotor auf der Antriebseite durch die ungünstige Form der Rotorblätter den Wind zu leicht nach rechts aus dem Rotor entweichen lässt, sodass er im hinteren Bereich des Rotors keine weitere Arbeit leisten kann. Das jeweils über die Rückseite des Rotors laufende Rotorblatt ist weitgehend vom Wind abgeschirmt, sodass es ausschließlich auf den dünnen Windstrom, der durch die verengte Rotormitte kommt, angewiesen ist und damit nur sehr geringe Schubkraft erzeugen kann. Hinzu kommt, dass sich auch hier der Luftreibungswiderstand, den die großflächigen Rotorblätter beim Umlauf im Rotor erzeugen, bremsend auf den Rotor auswirkt. Da auch bei dieser Lösung die behindernden Kräfte nur knapp von den Antriebskräften übertroffen werden, ist auch hier der Wirkungsgrad viel zu gering, um eine rentable Stromausbeute zu ermöglichen.
Die Erfindung stellt sich deshalb zur Aufgabe, bereits leichte Winde zur rentablen Stromerzeugung nutzbar zu machen, indem der an der Anlagenfront ankommende Wind in vollem Umfang in die Anlage eingeleitet und auf die Antriebseite des Rotors umgelenkt und konzentriert wird. Im weiteren Verlauf soll der gebündelte Windstrom durch ein in der Mitte weitgehend offenes Rotorzentrum geleitet werden, wobei das Kräftepotential des Windes beim Durchströmen des Rotors bestmöglich abgeerntet werden soll. Besonderer Wert wird dabei auf die Profilform und Stellung der Rotorflügel gelegt, die geeignet sein sollen in jeder Phase des Umlaufs Schubkräfte zu entwickeln und auf den Rotors zu übertragen, wobei sie den im Rotor entstehenden Luftwiderstand mit geringstem Reibungsverlusten überwinden sollen. Um die besten Hebelverhältnisse im Rotor zu nutzen sollen die Schubkräfte der Rotorflügel auf den äußersten Rand des Rotors übertragen werden. Die Erfindung stellt sich außerdem die Aufgabe, durch gleichmäßige Kraftübertragung und Ausgewogenheit der Massen einen möglichst schwingungsfreien Lauf des Rotors zu realisieren. Zur individuellen Steuerung und Sturmsicherung der Anlage soll eine praktikable Lösung gefunden werden.
Diese Aufgaben werden durch die im Anspruch 1 sowie in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale erfüllt.
Ein mit der Erfindung erzielbarer Vorteil gegenüber Windturbinen mit horizontaler Achse besteht darin, dass beim Bau der Anlagen wesentlich geringere Bauhöhen und ein unauffälligeres Erscheinungsbild möglich sind. In landschaftlich empfindlichen Gegenden kann damit eine optisch verträgliche Alternative zu den weithin sichtbaren, das Landschaftsbild störenden Windflügelanlagen angeboten werden, womit die Nutzung der Windenergie auf eine wesentlich breitere Basis gestellt wird. So können mit der erfindungsgemäßen Lösung sowohl Großanlagen für Windparks als auch kleinere Anlagen in siedlungsnahen oder in Gewerbegebieten erstellt werden. Gegenüber bekannten Anlagen mit Vertikalrotor, die meist eine Anlaufhilfe und stärkere Winde benötigen, besteht bei erfindungsgemäßen Anlagen ein wesentlicher Vorteil darin, dass alle Rotorflügel gleichzeitig Schubkräfte in Drehrichtung entwickeln, wodurch bereits leichteste Winde ab ca. 1 m/Sek. ausreichen, um den Rotor selbsttätig in Betrieb zu setzen. Durch diese optimierte Umsetzung der Windenergie ist es möglich, auch im Binnenland Strom in rentabler Größenordnung zu erzeugen.
Die Erfindung wird nachstehend in mehreren Ausführungsbeispielen beschrieben. Die dazugehörigen Zeichnungen erläutern die Arbeitsweise der Beispiele.
Es zeigen die Zeichnungen:
1: Einen Horizontalschnitt durch eine erfindungsgemäße Windturbine, wobei der Rotor drei tropfenförmige, asymmetrisch profilierte Rotorblätter (8) aufweist. Die Einleitkonstruktion weist am äußeren Rand der Anlage eine ringförmig umlaufende Reihe von insgesamt 20 Stück starr in der Konstruktion befestigten Einleitflächen (1) auf, deren Profil zentral auf den Achsmittelpunkt (4) ausgerichtet ist, wobei fünf der Einleitflächen in ihrer räumlichen Ausdehnung verstärkt und als statisch tragende Einleitflächen (1b) ausgebildet sind. Räumlich näher am Rotor liegend, weist die Einleitkonstruktion eine weitere Reihe von 20 Stück verstellbaren Einleitflächen (2) auf, deren Profile bei Arbeitsstellung im Winkel von vorzugsweise 20° zu einer über den Rotormittelpunkt gezogenen Linie stehen, womit sie den Windstrom konzentriert auf die Antriebseite des Rotors umlenken. Zur Steuerung und Sturmsicherung der Anlage sind die Einleitflächen (2) jeweils auf einer vertikalen Achse (3) verstellbar in der Einleitkonstruktion gelagert. Die Verlaufslinien (21) der durch die verstellbaren Einleitflächen (2) gebildeten Windströme (20) überschneiden sich auf einer bogenförmigen Überkreuzungsbahn (22) etwa in der Mitte der Antriebseite. Durch das Zusammenlenken der Windströme (20) erfolgt eine Verstärkung und Konzentration des Windes auf der Antriebsseite womit gleichzeitig die Rotorblätter beim Rücklauf vom Gegenwind abgeschirmt sind.
2 Halbkreisförmiger Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Einleitkonstruktion, wobei die verstellbaren Einleitflächen (2) zur Stilllegung der Anlage rings um den Rotor angelegt sind.
3 Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung, wobei die in der Einleitkonstruktion außen liegenden Einleitflächen (1) auf einer vertikalen Achse (3) verstellbar gelagert sind. Auf der linken Seite der Zeichnung sind die verstellbaren Einleitflächen in angelegtem Zustand und rechts in Normalstellung dargestellt. Die näher am Rotor platzierten Einleitflächen (2) sind bei dieser Ausgestaltung starr in der Einleitkonstruktion montiert.
4a Beispiel für eine Anordnung der Einleitflächen, wobei die Einleitfläche (1) starr in der Einleitkonstruktion montiert und ihr Profil linear auf einer über die Mitte des Rotors gezogenen geraden Linie (d) ausgerichtet ist, während die verstellbare Einleitfläche (2) im Winkel von 20° zu einer über das Rotorzentrum gezogenen geraden Linie (d) steht und auf einer vertikalen Achse (3) verstellbar gelagert ist.
4b Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, wobei die verstellbaren Einleitflächen (2) zur Aussteifung eine abgekantete Einleitfläche (1c) aufweisen, die in Arbeitsstellung wie eine Einleitfläche (1) linear zum Rotormittelpunkt hin ausgerichtet ist.
4c Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, wobei eine Einleitfläche (1) zusammen mit den Einleitfläche (2) auf einer etwa mittig angeordneten Achse (3) miteinander verbunden und gemeinsam verstellbar ist. Die Einleitflächen sind in diesem Beispiel als nach beiden Enden spitz zulaufende Hohlprofile aus gekanteten Blechen gefertigt.
4d–e Weitere alternative Ausgestaltungen der Erfindung, wobei die Einleitflächen (1) und die Einleitflächen (2) auf einer Achse (3) miteinander verbunden und mit ihr gemeinsam verstellbar sind, wobei statt einer Abkantung alternativ eine Krümmung der Einleitflächen zum Einsatz kommt.
4f–g Weitere alternative Ausgestaltungen der Erfindung, wobei die Einleitflächen (1) und die Einleitflächen (2) eine verbundene Einheit bilden und an der dem Rotor zugewandten Profilseite eine Abkantung oder Biegung aufweisen, wobei sie starr in der Einleitkonstruktion verankert sind und ihre Flächen bzw. Biegungen wie in (4a) ausgerichtet sind.
5 Beispiel für die Koppelung mehrerer Einleitflächen mittels Zahnrädern (26), mit denen die verstellbaren Einleitflächen (2) gemeinsam verstellbar sind.
6 Beispiel einer selbsttätigen Verschluss- und Rückstellmechanik, wobei sich bei starkem Winddruck auf die schräge Einleitfläche (2) die Flächen auf der Achse (3) soweit verdrehen, bis die größere Fläche (1) vom einströmenden Starkwind erfasst wird und sich die beiden Flächen bis zu einem Anschlag quer zur Windströmung verstellen, womit sie den Rotor verschließen. Nach Abklingen des Windes werden die Einleitflächen durch Federdruck in die ursprüngliche Stellung zurückgestellt, indem die Achse (3) mit einer Exzenterscheibe (24) verbunden ist, auf die eine Exzenterrolle (25) mittels Federmechanik Druck auf die Exzenterscheibe ausübt und so die Rückstellung bewirkt.
7 Beispiel für die Koppelung mehrerer Einleitflächen mittels Kettenrädern (15) und einer umlaufenden Antriebskette (16) zur gleichzeitigen Verstellung der Einleitflächen, wobei die verstellbaren Einleitflächen (1 und 2) wie in 4c, auf einer mittig angeordneten Achse (3) verbunden sind. Die Zeichnung zeigt die Stellung der Einleitflächen bei geschlossenem Rotor, während die gestrichelten Linien die Stellung der Einleitflächen in Arbeitsstellung zeigen. Die Schließung des Rotors bei Starkwind erfolgt durch selbsttätiges Querstellen der Einleitflächen. Die Rückstellung der Einleitflächen in ihre Ausgangsposition erfolgt hier vorzugsweise mittels Zugfedern oder Gewichten, deren Zugkraft mittels Ketten, Seilen oder Bändern auf die Antriebskette (16) übertragen wird. Die statisch verstärkten Einleitflächen (1b), weisen bei diesem Beispiel eine Abkantung (31) auf, die in Richtung zur Antriebseite ausgerichtet ist.
Hinweis: Die nachfolgenden 8 bis 12 zeigen Lösungen zur Gestaltung der Rotorflügelprofile, wobei die Profile vergleichbare Eigenschaften in Bezug auf Anlauf- und Schnelllaufverhalten sowie in Bezug auf Antriebskraft und ausgewogene Lastverteilung im Rotor aufweisen. Vorzüge bestehen bei den geschlossenen Profilen in der statischen Belastbarkeit sowie bei den offenen Profilen z. B. in den niedrigeren Herstellungskosten.
8 Zeigt die Merkmale und Anordnung eines erfindungsgemäßen Rotorflügels im Rotor, wobei das Profil vorzugsweise die Form eines dicken, asymmetrisch gekrümmten Wassertropfens aufweist. Die Ausgangsform für das dicke Profilende besteht vorzugsweise aus einem Teilkreis. Ausgehend von der breitesten Stelle der Rundung am Profilkopf laufen zwei unterschiedlich gekrümmte Linien auf einen gemeinsamen Fluchtpunkt am Ende des Profils zu, wobei die im Rotor innen liegende Linie eine leichte Einbuchtung aufweist und die äußere Linie durch einen größeren nach außen gewölbten Bogen gebildet ist. Die Länge der Längssehne (a) des Profils entspricht vorzugsweise der doppelten Länge der Quersehne (b). Die Stellung des Profils im Rotor weist das Merkmal auf, dass eine von der Rotormitte (4) zur Profilspitze gezogene Linie (L1) etwa die gleiche Länge aufweist wie eine zur dicksten Stelle des Profilkopfes gezogene Linie (L2). Die Profildicke (b) entspricht bei einem dreiflügeligen Rotor vorzugsweise einem Drittel des Rotorradius.
9a Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung, bei der das Profil des Rotorflügels die symmetrische Form eines fallenden Wassertropfens aufweist. Die Ausgangsform für das dicke Profilende besteht auch hier aus einem Teilkreis. Ausgehend von der breitesten Stelle der Rundung am Profilkopf verlaufen zwei gleichmäßig leicht nach außen gekrümmte Linien auf einen gemeinsamen Fluchtpunkt am Ende des Profils zu. Die Länge der Längssehne (a) entspricht hier vorzugsweise ca. der 1,7 fachen Länge der Quersehne (b), welche bei einem dreiflügeligen Rotor, vorzugsweise einem Drittel des Rotorradius entspricht. Die Stellung des Profils im Rotor weist vorzugsweise das Merkmal auf, dass die Längssehne des Profils im Winkel von 90° zu einer geraden, über die Rotormitte (4) gezogenen Linie im Rotor steht, wobei zwei von der Rotormitte (4) bis zur Längssehne (a) an den Profilenden gezogene Linien, die gleiche Länge (L=).aufweisen.
9b Beispiel für eine weitere symmetrische Profilform, wobei ausgehend von der Rundung des Profilkopfes zum Profilende hin zwei gerade Linien verlaufen.
9c Beispiel für eine weitere symmetrische Profilform, wobei ausgehend von der Rundung des Profilkopfes zum Profilende hin zwei nach innen eingebuchtete Linien verlaufen.
10 Arbeitsweise eines asymmetrisch profilierten Rotorflügels (8), wobei die Rotorflügel am äußeren Rotorrand platziert sind und vom einströmenden Wind (EW), schräg angeströmt werden, wodurch sie einen Segelzug (S) in Drehrichtung des Rotors entwickeln. Bei höherer Rotorgeschwindigkeit wird an allen Rotorflügeln zusätzlich ein Drehmoment (D) erzeugt, das Kräfte in Drehrichtung des Rotors bewirkt, indem an den Profilenden durch die Krümmung des Profils ein Druck nach außen entsteht. Die Krümmung der Profile bewirkt außerdem, dass der Windstrom den Rotor nicht vorzeitig nach außen verlässt, sondern von allen im Rotor umlaufenden Rotorflügeln ein nach innen versetzter Luftstrom (23) entsteht, wodurch im Rotorinneren ein leichter Überdruck entsteht, der sich schließlich auf der Ausströmseite entlädt, indem er zwischen den Rotorflügeln den Rotor verlässt. Hierbei wird von allen seitlich und hinten laufenden Rotorflügeln eine zusätzliche Antriebskraft auf den Rotor übertragen, indem der ausströmende Wind (AW), am runden Profilkopf leichter aus dem Rotor entweichen kann als an den spitzen Profilenden, wodurch der Druck auf die Profilenden und damit das antreibende Drehmoment (D) zusätzlich verstärkt wird. Das Versetzen des Luftstromes (23) nach innen, bewirkt außerdem, dass die nachfolgenden Rotorflügel stets im Windschatten des voraus laufenden Rotorflügels laufen, wodurch sie nur einen äußerst geringen Luftwiderstand überwinden müssen. Die leichte Schrägstellung der asymmetrischen Profile im Rotor bewirkt zudem, dass auf der Einströmseite die Nachströmung des Windes in den Rotor erheblich beschleunigt wird, indem die Rotorflügel, besonders bei schneller laufendem Rotor, das Medium zügig zur Rotormitte hin befördern, womit eine Sogwirkung in den Rotor erzeugt wird.
11 Arbeitsweise eines symmetrisch profilierten Rotorflügels mit Tropfenprofil (nach 9a, 9b oder 9c). Der über die Einströmseite des Rotors laufende Rotorflügel wird vom einströmenden Wind (EW), an seiner Außenseite schräg angeströmt, wobei er einen Segelzug (S) in Drehrichtung des Rotors entwickelt. Beim anschließenden Lauf über die hintere Rotorhälfte wird der Rotorflügel von dem nach hinten und seitlich aus dem Rotor ausströmenden Wind (AW), in umgekehrter Richtung an seiner Innenseite angeströmt, wodurch er wiederum einen Segelzug (S) in Drehrichtung des Rotors entwickelt. Gleichzeitig entsteht hier durch Druck auf die Profilenden ein Drehmoment (D) das den Rotor zusätzlich antreibt.
12a–12c Alternative Ausgestaltungen der Erfindung, wobei offene Flügelprofile mit den gleichen Grundmerkmalen zum Einsatz kommen und ähnliche Eigenschaften und Ergebnisse erzielen wie geschlossene Flügelprofile. Die Proportionen sowie die Stellungen im Rotor sind vorzugsweise denen der geschlossenen Profile angeglichen.
13 Schnitt durch eine stapelbare Turbineneinheit, die zu einer Turmanlage nach (15) zusammengefügt wird, wobei das den Rotor tragende Gehäuse der Anlage, durch die vertikalen in ihrer Ausdehnung verstärkten Einleitflächen (1b) zusammen mit den horizontalen Querträgern (7) und der Tragbodenkonstruktion (10), gebildet ist. Der Turbinenrotor ist oben und unten jeweils auf Lagersäulen (11), welche auf der Bodenfläche (10b) der Tragbodenkonstruktion (10) befestigt sind, mittels Rotorlager (12) gelagert. Die Rotorflügel (5) liegen auf den Rotorflügelträgern (13) auf und sind mit diesen kraftschlüssig verbunden. Unter den unteren Rotorflügelträgern ist je Turbine ein getriebeloser Ringgenerator (18) angebracht. Die linear auf das Rotorzentrum ausgerichteten starren Einleitflächen (1) sind mit horizontalen und vertikalen Verbindungsflächen (9) zu einem Bauteil (14) verschweißt, das unten und oben mit den horizontalen Querträgern (7) sowie seitlich mit den statisch verstärkten Einleitflächen (1b) verschraubt ist, während die Einleitflächen (2) jeweils auf einer Achse (3) verstellbar sind die oben und unten mit Lagern (14) in den horizontalen Querträgern (7) gelagert sind. Die gemeinsame Verstellung der Einleitflächen (2) erfolgt mittels Kettenrädern (15) und umlaufenden Antriebsketten (16) die von einem Getriebemotor (17) angetrieben sind, der über eine elektronische Steuerung entsprechende Schaltimpulse erhält.
14 Beispiel für ein modulares Bauteil, das vorzugsweise aus starken Metallblechen besteht, wobei drei in der Mitte positionierte vertikale Einleitflächen (1) mit Verbindungsflächen (9) zu einer starren Einheit verschweißt sind. Das Bauteil ist in der Konstruktion seitlich mit den statisch verstärkten Einleitflächen (1b) sowie oben und unten mit den horizontalen Querträgern (7) verschraubt.
15 Ansicht einer Turmanlage, die aus drei übereinander montierten Windturbinen (13) besteht, wobei eine Grundeinheit (29) auf einem entsprechend breit und tief gegründeten Betonfundament verankert ist und mit ihren ausladenden, vorzugsweise aus Stahlbeton bestehenden Betongründungsplatten (6) als Auflage für die statisch verstärkten Einleitflächen (1b) der Windturbinen dient. In der Grundeinheit (29) bildet eine umlaufende Mauer aus Betonfertigteilen einen Innenraum, der die technischen Anlagen zur Steuerung sowie zur Stromumwandlung und Einleitung in das Stromnetz aufnimmt. Den oberen Abschluss der Anlage bildet eine Dachkonstruktion (8).
16 Ansicht einer kleineren Windturbine, die auf einer Säule (27) montiert ist, wobei der Generator vorzugsweise in der Bodengruppe (28) untergebracht ist.
17 Alternative Ausgestaltung einer Windturbine, wobei der Rotor fünf asymmetrisch profilierte Rotorflügel (nach 8) aufweist, welche beim Umlauf gleichzeitig Schubkräfte in Drehrichtung entwickeln, wodurch das Anlaufverhalten bei niedriger Windgeschwindigkeit sowie die Ausgewogenheit und Stabilität des Rotors optimiert ist. Die Dimension der Rotorflügel und damit die Breite der Umlaufbahn (U) sind bei Fünfflüglern entsprechend kleiner und entspricht etwa einem Viertel des Rotorradius.
Ausführungsbeispiel 1
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Großanlage in Form eines Turmes (15) vorgestellt. Die Fundamentierung des Turmes erfolgt auf einem entsprechend breit und tief gegründeten Betonfundament, auf dem die Grundeinheit (29) der Anlage verankert ist. Die Grundeinheit besteht aus fünf vertikalen, trapezförmigen Betongründungsplatten (6), auf denen die statisch verstärkten Einleitflächen (1b) der darüber montierten Turbineneinheit aufsitzen. Zwischen den Betongründungsplatten ist in der Mitte der Grundeinheit ein Raum mit einer umlaufenden Mauer gebildet, in dem die Stromableitungen der gesamten Turmanlage zusammengeführt sind und die Umwandlung und Einspeisung der erzeugten Stromenergie sowie die Steuerung der Anlage erfolgt. Auf der Grundeinheit (29) sind drei baugleiche Turbinen (1 und 13) übereinander gestapelt, wobei jeweils ihre fünf tragenden Einleitflächen (1b) vorzugsweise als Betonfertigteile gefertigt und senkrecht miteinander kraftschlüssig verbunden sind. Die statischen Einleitflächen (1b) sind seitlich mit bogenförmig geformten horizontalen Querträgern (7) verbunden, die eine horizontale Abkantung aufweisen mit der weiterer Wind in den Rotor gelenkt wird. Sie dienen sowohl zur Auflage und Halterung der starren Einleitflächen (1) als auch für die Lager (14) der verstellbaren Einleitflächen (2). Als Tragfläche für den Rotor und den Generator weist jede der Turbinen eine horizontale Tragbodenkonstruktion (10) auf, die vorzugsweise aus Stahlträgern besteht die miteinander verschweißt und an den verstärkten Einleitflächen (1b) verschraubt sind. Auf den Trägern der Tragbodenkonstruktion (10) ist eine begehbare Bodenfläche (10b) aus Stahlblechen verschraubt, die als Auflage für die Lagersäulen (11) des Rotors sowie für die statischen Teile des Ringgenerators (18) dient. Auf den Querträgern (7) sind jeweils zwischen den Einleitflächen (1b) Gitterbauteile (14) eingebaut, die in der Mitte drei vertikal verlaufende zentral auf das Zentrum ausgerichtete Einleitflächen (1) aufweisen und vorzugsweise aus verzinkten Stahlblechen gefertigt sind. Zusammen mit den Außenkanten der Einleitflächen (1b) bilden die Außenkanten der vertikalen Einleitflächen (1) der Gitterbauteile den äußeren Rand der Einleitkonstruktion. Auf der inneren, dem Rotor zugewandten Seite der Querträger (7) befindet sich jeweils zwischen zwei statisch verstärkten Einleitflächen (1b), eine bogenförmig angeordnete Reihe von vier vertikalen, verstellbaren Einleitflächen (2), deren Achsen (3) oben und unten in den Querträgern (7) mit Kugellagern gelagert sind. Zur gruppenweisen Verstellung der Einleitflächen (2) sind die Achsen (3) mittels Kettenrädern (15) und einer umlaufende Antriebskette (16) verbunden. Den Antrieb der Antriebsketten bewerkstelligt ein elektronisch gesteuerter Getriebemotor (17). Durch Verstellung des Anstellwinkels der Einleitflächen (2), wird damit bei Sturmwind die Durchströmung des Turbinenrotors entweder verringert oder der Rotor ganz geschlossen. Der Rotor weist in diesem Beispiel drei vertikale Rotorflügel auf, deren asymmetrisch profilierte Profile (8) vorzugsweise aus Alublechen oder aus Faserverstärktem Kunststoff gefertigt und im Innern durch eine Aussteifung mit verschweißten Streben und Aussteifungsrippen verstärkt sind. Mit ihren oberen und unteren Enden sind sie auf den Rotorflügelträgern (13) befestigt, welche mittels Rotorlagern (12) auf zwei kurzen Lagersäulen (11), an der oberen bzw. unteren Tragbodenkonstruktion (10) verschraubt und gelagert sind. Jede der Turbinen weist vorzugsweise einen getriebelosen Generator auf, der jeweils unterhalb der Rotorflügelträger (13) angebracht ist, wobei vorzugsweise die beweglichen Bauteile des Generators (18) auf einem ringförmigen Träger montiert sind, der auf die Unterseite der Rotorflügelträger aufgeschraubt ist, während die ebenfalls ringförmig angeordneten statischen Bauteile des Generators (18) sowie die Stromableitungen auf der Bodenfläche (10b) montiert sind. Den oberen Abschluss des Turmes bildet eine Dachkonstruktion (8) die auf der obersten Turbineneinheit aufgesetzt ist.
Ausführungsbeispiel 2
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht eine kleinere Turbinenanlage (16) aus einer Einleitkonstruktion, die vorzugsweise aus gekanteten Blechen besteht, welche miteinander verschraubt oder verschweißt sind. Fünf, in ihrer räumlichen Ausdehnung vergrößerte Einleitflächen (1b), bilden dabei die Eckstützen, die der Anlage statische Festigkeit verleihen, indem sie die Bodengruppe (28) mit der Dachkonstruktion (8) der Anlage kraftschlüssig verbinden. Am äußeren Rand der Anlage, sind jeweils zwischen zwei statisch verstärkten Einleitflächen (1b) drei linear auf das Zentrum der Turbine ausgerichtete Einleitflächen (1) positioniert, die oben und unten auf zwei ringförmigen Trägerplatten im Statikgerüst starr verankert sind. Zur Umlenkung des Windstromes auf die Antriebseite ist am inneren Rand der ringförmigen Trägerplatten, umlaufend vor dem Rotor, eine weitere Reihe bestehend aus 20 Einleitflächen (2) angeordnet, die verstellbar auf einer Achse (3) montiert und in den Trägerplatten oben und unten gelagert sind. In Arbeitsstellung sind die verstellbaren Einleitflächen (2) gegenüber einer über den Mittelpunkt des Rotors gezogenen geraden Linie vorzugsweise im Winkel 20° angewinkelt. Zur Sturmsicherung sind die Achsen der verstellbaren Einleitflächen untereinander mittels Kettenrädern (15) und umlaufenden Antriebsketten (16) gekoppelt und gemeinsam verstellbar, wobei die Stärke der in den Rotor eingeleiteten Windströmung von den verstellbaren Einleitflächen selbsttätig reguliert wird, indem sich bei stärkerem Winddruck ihre Anwinkelung automatisch verstellt, womit weniger Wind in die Anlage eingelassen wird und bei nachlassendem Wind die Einleitflächen mittels Federkraft automatisch wieder in ihre ursprüngliche Arbeitsstellung zurückgezogen werden. Der sich gegen den Uhrzeigersinn drehende Turbinenrotor (17) ist bei dieser Ausgestaltung mit fünf Rotorflügeln ausgestattet, die vorzugsweise das Profil eines gekrümmten Wassertropfens (8) aufweisen und aus faserverstärktem Kunststoff gefertigt sind. Die Rotorflügel sind jeweils oben und unten mit scheibenförmigen Rotortragplatten, die in der Tragkonstruktion oben und unten drehbar gelagert sind, fest verbunden und bilden somit einen stabilen Rotorkörper ohne durchgehende Achse. Das Profil der Rotorflügel ist im Rotor längsseitig in Drehrichtung ausgerichtet (8). Die beiden Rotortragplatten weisen jeweils in ihrem Zentrum eine Rotorachse auf, die oben in der Decken- bzw. unten in der Bodenkonstruktion z. B. mittels Wälzlagern gelagert sind. Dabei ist die untere Rotorachse verlängert und ragt nach unten in die Bodengruppe (28) hinein, wo sie einen Generator antreibt. Die gesamte Turbinenanlage ist auf einer Stahlsäule (27) montiert, in deren Inneren die Ableitung des erzeugten Stromes verläuft. Das Dach der Anlage bildet eine Dachkonstruktion (8).
Bezugszeichenliste

1: starre Einleitfläche, linear zum Mittelpunkt des Rotors ausgerichtet
1b: statisch verstärkte Einleitfläche
1c: abgekantete Einleitfläche
2: verstellbare Einleitfläche (alternativ starr in der Einleitkonstruktion befestigt)
3: Achse
4: Achsmittelpunkt des Rotors
5: Rotorflügel
6: Betongründungsplatte
7: Querträger
8: Dachkonstruktion
9: Verbindungsfläche
10: Tragbodenkonstruktion
10b: Bodenfläche
11: Lagersäule
12: Rotorlager
13: Rotorflügelträger
14: Lager
15: Kettenrad
16: Antriebskette
17: Getriebemotor
18: Ringgenerator
20: Verlaufslinie eines umgelenkten Luftstromes (1).
21: Verlängerte Verlaufslinie eines umgelenkten Luftstromes 20 (1).
22: Bogenförmige Überkreuzungsbahn (1).
23: Luftstrom durch Rotorflügel versetzt
24: Exzenterscheibe (6)
25: Exzenterrolle mit Federmechanik (6)
26: Zahnrad
27: Stahlsäule (16)
28: Bodengruppe (16)
29: Grundeinheit einer Turmanlage (15)
31: Krümmung bzw. Anwinkelung an statisch tragenden Einleitflächen (7)
a: Profil-Längssehne (10 u. 11)
b: Profil-Quersehne (10 u. 11)
S: Wirkungsbereich des Segelzuges (10 u. 11)
D: Wirkungsbereich des Drehmoments (10 u. 11)
L1, L2, L: Abstandslinien zum Rotormittelpunkt (8–9)
H: Zone hohen Luftdruckes
N: Zone niedrigen Luftdruckes
U: Umlaufbahn (10 u. 11)
AW: Ausströmender Wind (10 u. 11)
EW: Einströmender Wind (10 u. 11)

Claims

Windrichtungsunabhängige Windturbine mit Vertikalrotor, wobei der Rotor die Energie nach dem Grundprinzip der Durchströmung umsetzt und um den Rotor herum eine Einleitkonstruktion aus vertikalen und horizontalen Einleitflächen angeordnet ist dadurch gekennzeichnet, a) dass die Einleitkonstruktion mehrere Reihen von unterschiedlich ausgerichteten vertikalen Einleitflächen aufweist, wobei den äußeren Rand der Einleitkonstruktion eine umlaufende Reihe, bestehend aus vertikalen Einleitflächen (1) bildet, deren Profil jeweils linear auf den Achsmittelpunkt der Anlage ausgerichtet ist und näher am Rotor liegend mindestens eine weitere umlaufende Reihe, bestehend aus vertikalen Einleitflächen (2) angeordnet ist, deren Profile im Verhältnis zu einer über den Achsmittelpunkt gezogenen geraden Linie, jeweils angewinkelt oder abgebogen sind, sodass sie den eingeleiteten Wind auf die Antriebseite des Rotors umlenken, wobei sie die Strömung in mehrere unterschiedlich ausgerichtete Windströme teilen, deren Richtungslinien sich auf einer bogenförmig verlaufenden Überkreuzungsbahn auf der Antriebseite schneiden und b), dass der Rotor mindestens drei aerodynamisch profilierte Rotorflügel aufweist, deren Profil-Längssehne (a) etwa der 1,5 bis 2-fachen Länge der Profil-Quersehne (b) entspricht, wobei die Rotorflügel am äußeren Rotorrand platziert und ihre Profile in Drehrichtung des Rotors ausgerichtet sind und die Länge ihrer Quersehnen (b) bei einem drei Flügel aufweisenden Rotor ca. einem Drittel des Rotorradius entspricht.
Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil der Rotorflügel die Form eines asymmetrisch gekrümmten Wassertropfens aufweist, wobei der Profilanfang vorzugsweise durch einen Teilkreis gebildet ist und das Profil im Rotor so angeordnet ist, dass eine vom Rotormittelpunkt zum verjüngten Profilende hin gezogene Linie L1, vorzugsweise die gleiche Länge aufweist wie ein vom Rotormittelpunkt zur dicksten Stelle des Profilkopfes gezogene Linie L2.
Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorflügel ein symmetrisches Profil aufweisen, das der Form eines fallenden Wassertropfens ähnelt, wobei der Profilanfang durch einen Teilkreis gebildet ist und das Profilende, von zwei zusammenlaufenden, geraden oder nach innen bzw. nach außen gewölbten Linien gebildet ist, wobei die Profile im Rotor so angeordnet sind, dass ihre Längssehnen (a) im Winkel von 90° bezogen zu einer über den Mittelpunkt des Rotors gezogenen geraden Linie stehen.
Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter ein offenes Profil aufweisen, wobei der Profilanfang durch einen Teilkreis gebildet ist.
Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Profile der näher am Rotor angeordneten verstellbaren Einleitflächen (2), bei Arbeitsstellung, im Winkel von ca. 20°, bezogen zu einer über den Achsmittelpunkt des Rotors laufenden geraden Linie ausgerichtet sind.
Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei der linear zum Achsmittelpunkt ausgerichteten Einleitflächen (1), in Ihrer Stärke und Ausdehnung vergrößert sind (1b).
Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die statisch tragenden Einleitflächen (1b) an ihren dem Rotor zugewandten Profilenden eine Krümmung oder Abkantung (31) aufweisen.
Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkanten der vertikalen Einleitflächen (1) und die Außenkanten der statisch tragenden Einleitflächen (1b) den äußeren Rand der Einleitkonstruktion bilden.
Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die näher am Rotor angeordneten Einleitflächen (2) eine vertikale Achse (3) aufweisen, mit der sie in der Einleitkonstruktion verstellbar gelagert sind.
Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil der in der Einleitkonstruktion näher am Rotor angeordneten und verstellbaren Einleitflächen (2), eine Abkantung (1c) oder eine Biegung aufweist.
Windturbine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitflächen (1) zusammen mit den Einleitflächen (2) auf der vertikalen Achse (3) kraftschlüssig verbunden und gemeinsam verstellbar sind.
Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die linear auf den Achsmittelpunkt ausgerichteten Einleitflächen (1) zusammen mit den angewinkelten Einleitflächen (2) eine Einheit bilden, die an ihrem dem Rotor zugewandten Profilende eine Abkantung oder eine Biegung aufweisen.
Windturbine nach mindestens einem der Ansprüche 9–12, dadurch gekennzeichnet, dass sich die auf einer Achse (3) verstellbaren Einleitflächen bei starker Wind, selbst regulierend verdrehen und einen selbsttätigen Rückstellmechanismus aufweisen.
Windturbine nach mindestens einem der Ansprüche 9–13, dadurch gekennzeichnet, dass die selbsttätige Rückstellung der verstellbaren Einleitflächen mittels Federkraft oder durch Schwerkraft mittels Gewichten erfolgt.
Windturbine nach mindestens einem der Ansprüche 9–14, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellung der selbsttätig verstellbaren Einleitflächen mittels Zugelementen wie Ketten, Seile oder Bänder erfolgt.
Windturbine nach mindestens einem der Ansprüche 9–15, dadurch gekennzeichnet, dass die verstellbaren Einleitflächen durch eine Mechanik verbunden und mit einem elektrischen Antrieb gemeinsam verstellbar sind.
Windturbine nach Anspruch 1 und mindestens einem der Ansprüche 9–15, dadurch gekennzeichnet, dass die verstellbaren Einleitflächen durch einen hydraulischen Antrieb gemeinsam verstellbar sind.
Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unter bzw. über den Rotorflügelträgern (13) ein getriebeloser Generator zum Einsatz kommt, wobei vorzugsweise dessen bewegliche Teile ringförmig auf einen Tragelement montiert sind, das mit einem Rotorflügelträger (13) oder mit einer Rotorachse (4) kraftschlüssig verbunden ist und die statischen und stromableitenden Teile auf der Tragbodenkonstruktion (10) montiert sind.
Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Turbinen übereinander montiert einen Turm bilden und voneinander unabhängig, jede einen eigenen Generator betreibt.
Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere übereinander montierte Turbinen über ihre Achsen miteinander verbunden sind und gemeinsam einen Generator in der Basiseinheit der Anlage betreiben.