DE102011100630A1

DE102011100630A1 - Savonius-Turbine

Info

Publication number: DE102011100630A1
Application number: DE102011100630A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Wunderlich Bernd; Prof. Dr.-Ing. habil. Thévenin Dominique; Mohamed Hassan Ahmed Mohamed
Original assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date: 2011-05-05
Filing date: 2011-05-05
Publication date: 2012-11-08
Also published as: DK201200305A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Savonius-Turbine (1), die exakt ein erstes und ein zweites Schaufelblatt hat, wobei jedes des ersten und des zweiten Schaufelblattes eine Form hat aufweisend einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt, wobei der erste und der zweite Abschnitt zusammen das Schaufelblatt (5) definieren, wobei der erste Abschnitt länger ist als der zweite Abschnitt, dabei zusammen eine L-förmige Gesamtgeometrie des Schaufelblattes formen, wobei der erste Abschnitt angeordnet ist an einer vertikal oder horizontal arrangierten Welle (4) der Savonius-Turbine (1), und der erste und der zweite Abschnitt jeweils eine gekrümmte Geometrie aufweisen, die unterschiedlich zueinander sind, wobei ein Hindernis (2) und ein Deflektor (3) jeweils nahe zu den Schaufelblättern angeordnet sind, beeinflussend den Windstrom, der genutzt wird zum Antrieb der Savonius-Turbine (1), wobei das Hindernis (2) nahe zu dem ersten, zurückkommenden Schaufelblatt angeordnet ist, während der Deflektor (3) nahe zu dem zweiten, herankommenden Schaufelblatt angeordnet ist.

Description

Die folgende Erfindung betrifft eine spezifische Savonius-Turbine, deren Nutzung und ein Verfahren zum Auslegen dieser Savonius-Turbine.
Savonius Windturbinen sind üblicherweise vom Typ einer Vertikalachsen-Windturbine, abgekürzt VAWT, die genutzt wird zum Konvertieren der Windenergie in ein Drehmoment an einer rotierenden Welle. Die Turbine weist eine Anzahl von Flügeln auf, die üblicherweise aber nicht immer vertikal an einer rotierenden Welle oder einem Rahmenwerk befestigt sind, im wesentlichen bodengestützt. Aus der US 5,494,407 geht eine typische S-förmige Form eines Savonius Rotors als schon bekannt hervor, welche zwei Schaufelblätter aufweist. Aus der US 7,008,717 ist es bekannt, Kanäle zu nutzen, welche die Schaufelblätter aufweisen. In US 6,283,711 ist es beschrieben, zwei symmetrisch geformte Flügel zu nutzen, die um eine Achse rotieren. Die Flügel können teilweise bewegt werden aufgrund der Rotation um die Achse, wodurch die Geschwindigkeit des Savonius Rotors beschränkt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Savonius-Turbine mit erhöhter größerer Ausgangsleistung zur Verfügung zustellen, wobei die Savonius-Turbine mit nur einer geringen Anzahl an Teilen hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit einer Savonius-Turbine gemäß den Merkmalen des Anspruches 1, einer Nutzung der Turbine mit den Merkmalen des Anspruches 11 und einem Verfahren zum Auslegen gemäß den Merkmalen des Anspruches 12 gelöst. Weitere Verbesserungen sind aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche wie auch aus der nachfolgenden Beschreibung hervorgehend.
Es wird eine Savonius-Turbine vorgeschlagen, welche genau ein erstes und ein zweites Schaufelblatt aufweist, wobei jedes des ersten und des zweiten Schaufelblattes eine Form aufweisend einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist, wobei der erste und der zweite Abschnitt zusammen das Schaufelblatt definieren, wobei der erste Abschnitt länger ist als der zweite Abschnitt, wodurch zusammen eine L-förmige Gesamtgeometrie des Schaufelblattes geformt wird, wobei der erste Abschnitt an einer vertikal oder horizontal angeordneten Welle der Savonius-Turbine angeordnet ist, und der erste und der zweite Abschnitt jeweils eine gekrümmte Geometrie aufweisen, die unterschiedlich voneinander sind, wobei ein Hindernis und ein Deflektor in der Nähe der Schaufelblätter angeordnet sind, jeweils den Windstrom beeinflussend, der genutzt wird zum Antreiben der Savonius-Turbine, wobei das Hindernis nahe zu dem ersten zurückkommenden Schaufelblatt angeordnet ist, während der Deflektor nahe zu dem zweiten herannahendem Schaufelblatt angeordnet ist.
Die Nutzung des Deflektors zielt darauf, die Strömungsbedingungen für das ankommende Schaufelblatt zu verbessern, während die Nutzung des Hindernisses darauf abstellt, zumindest teilweise das zurückkehrende Schaufelblatt abzuschirmen. Die vorgeschlagene Geometrie einer L-förmigen Gesamtgeometrie erlaubt, die erreichbare Ausgangsleistung im Vergleich zu einer Standard-halbzylindrischen Form eines Schaufelblattes zu erhöhen. Die L-förmige Geometrie mit ihren gekrümmten Geometrien ebenso wie die Geometrie und Position des Hindernisses beziehungsweise des Deflektors kann optimiert werden, besonders mit Hinsicht auf einen bevorzugten Windstrombereich. Die Position wie auch die Geometrie von jedem dieser Teile kann unabhängig voneinander entwickelt werden. Nichtsdestotrotz wird gemäß der vorgeschlagenen technischen Lehre eine Optimierung durch das Verbinden dieser Teile miteinander in Form eines automatischen Programmes ausgeführt, welches eine Optimierungsberechnung erlaubt, die beeinflussende Effekte dieser Teile untereinander Rechnung trägt. Die Optimierung ist bevorzugt eingestellt, um eine bessere Ausgangsleistung zu erzielen. Diese Ausgangsleistung kann gemessen werden durch
wobei C_p der Leistungskoeffizient ist und C_m der Drehmomentkoeffizient ist, berechnet mit den folgenden Parametern
H: Savonius-Rotorhöhe, U: zuströmende Windgeschwindigkeit, P: mechanische Leistung; R: Aussenradius des Savonius-Rotors; T: Ausgangsleistung Drehmoment und ρ: Dichte.
Ein Optimierungsprozess kann beispielsweise beginnen basierend auf einer halbzylindrischen Geometrie für die Schaufelblätter und geraden Geometrien für das Hindernis beziehungsweise den Deflektor. Startparameter können nichtsdestotrotz ausgewählt werden ebenfalls basierend auf weiteren Grenzbedingungen wie die Position der Savonius-Turbine, ihre Gesamtgroße, der axialen oder helischen Anordnung der Welle, dem Geschwindigkeitsbereich des Windes wie Parameter wie maximaler Rotation der Schaufelblätter.
Gemäß einer weiteren Verbesserung der Savonius-Turbine verengen das Hindernis und der Deflektor einen Durchgangsweg für den Windstrom, der zu dem herankommenden Schaufelblatt geführt wird.
Die Dimensionierung des Deflektors beziehungsweise des Hindernisses als solche können teilweise die Schaufelblätter abdecken, insbesondere aus der Sicht eines Windstromes. Darüber hinaus können das Hindernis wie auch der Deflektor eine der Länge nach Geometriegröße aufweisen, welche größer ist als der Radius der Schaufelblätter. Auf diese Weise kann ein Überlappen angeordnet werden, wenn der Rotor und/oder das Hindernis beziehungsweise der Deflektor größenbestimmt werden.
Der Deflektor kann zumindest teilweise gekrümmt sein. Das Hindernis kann ebenfalls zumindest teilweise gekrümmt sein. Es ist ebenfalls möglich, dass das Hindernis und der Deflektor beide aus einer geraden Geometrie bestehen, welche den Windstrom beeinflusst. Eine Mischung von verschiedenen Geometrien entweder für den Deflektor oder das Hindernis ist ebenfalls möglich wie auch für beide.
Weitere Informationen sind insbesondere beschrieben aber nicht beschränkend betreffend Möglichkeiten zur Kalkulation wie auch Definition eines Systems für die Savonius-Turbine "Optimization of Savonius turbines using an obstacle shielding the returning blade" von M. H. Mohammed, G. Janiga, E. Pap und D. Thévenin, veröffentlicht in "Renewable Energy" 35 (2010), 2618–2626, "Optimal blade shape of a modified Savonius turbine using an obstacle shielding the returning blade" by M. H. Mohammed, G. Janiga, E. Pap und D. Thévenin veröffentlicht in "Energy Conversion and Management" 52 (2011) 236–242, und in "Design Optimization of Savonius and Wells Turbines", Promotionsschrift of M. Sc. Mohammed Hassan Ahmed Mohammed, vorgelegt an der Universität Otto von Göhricke, Magdeburg, Fakultät für Verfahrens- und Systemtechnik, zur Veröffentlichung in 2011 bestimmt. Der gesamte Inhalt von all diesen Dokumenten ist hiermit eingeschlossen in die Offenbarung betreffend weitere Details bezüglich der Erfindung, insbesondere bezüglich der Programmierung, der Optimierung, aber ebenso betreffend die verschiedenen Teile der vorgeschlagenen Savonius-Turbine und ihrer Nutzung.
Gemäß einer Verbesserung sind das Hindernis und/oder der Deflektor jeweils in einem Winkel arrangiert, welcher einen Wert von mehr als 90° hat. Dieser Winkel ist definiert in Relation zu dem auf die Schaufelblätter gerichteten Wind. Nachfolgend sind diese Winkel jeweils näher präzisierend als ein Winkel β und ein Winkel γ. beschrieben. Überraschenderweise resultiert ein Anwachsen von beiden Winkeln auf mehr als 90° zu einer besseren Ausgangsleistung der Savonius-Turbine im Vergleich zu beiden Winkeln, die geringer als 90° sind. Dieses ist nicht erwartet worden, da Winkel von weniger als 90° eine düsenähnliche Geometrie formen, welche die Strömung beschleunigen würde. Nichtsdestotrotz, nachdem alle Geometrien der Teile zusammen optimiert worden sind, scheint eine verschiedene Lösung mit Winkeln von mehr als 90° eher effektiv für die Savonius-Turbine zu arbeiten.
Das Hindernis und/oder der Deflektor sind zumindest teilweise beweglich in Bezug zu den Schaufelblättern. Weiterhin ist es möglich, dass zumindest ein Teil der Geometrie des Hindernisses und/oder des Deflektors einstellbar ist. Es ist möglich, dass die Dimension des Hindernisses und/oder des Deflektors geändert werden kann. Auch kann die Geometrie änderbar sein, zum Beispiel durch unterschiedliches Biegen des Hindernisses und/oder Deflektors. Biegen zum Beispiel kann auftreten aufgrund des Windstromes und Druckdifferenz, erzeugt und angewendet an der Oberfläche des Hindernisses und/oder Deflektors. Auch kann die Geometrie geändert werden durch Nutzen von Klappen oder verschiedenen zusätzlichen Teilen, welche in dem Hindernis und/oder Deflektor enthaltend sind. Weiterhin ist auch möglich, das Hindernis und/oder den Deflektor zu rotieren. Dafür haben das Hindernis und/oder der Deflektor eine Rotationsachse. Durch Rotieren um jede Achse wird erlaubt, den Windstrom zu beeinflussen, der zu den Schaufelblättern geführt wird, und mit Hinsicht auf verschiedene Windgeschwindigkeiten während der Nutzung der Savonius-Turbine zu reagieren. Auf diese Weise ist ein Abdecken des zurückkommenden Schaufelblattes wie auch ein Unterstützen des herankommenden Schaufelblattes möglich, selbst wenn die Windgeschwindigkeit und/oder Windrichtung sich ändern.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Position des Hindernisses und/oder Deflektors änderbar in Bezug zu den Schaufelblättern. Dadurch ist es möglich, auf driftende Winde zu reagieren. Im Falle, dass der Wind sich ändert, ist es gemäß einer Ausgestaltung möglich, die Position des Hindernisses beziehungsweise des Deflektors in einer derartigen Weise einzustellen, dass das Dreieck Deflektor-Hindernis-Rotorwelle konstant ist. Zum Beispiel kann der Deflektor und das Hindernis um die Welle herum bewegt werden, bevorzugt sind sie in der Lage, um die Welle zu rotieren, bis eine definierte Position erreicht ist. Der Deflektor und das Hindernis können zusammen oder auch unabhängig voneinander bewegt werden. Es ist auch möglich, die Position von einem oder beiden auf einem Radius zu ändern, der an der Welle beginnt. Das Hindernis beziehungsweise der Deflektor kann näher oder in die entgegen gesetzte Richtung bewegt werden. Das kann zusammen oder in Bezug auf beide unabhängig von jedem erfolgen.
Gemäß einer weiteren Verbesserung ist ein Controller mit der Savonius-Turbine arrangiert, welcher verantwortlich ist für eine Einstellung, bevorzugt für jede Einstellung von zumindest einem Teil der Savonius-Turbine, insbesondere der Position eines Hindernisses und/oder Deflektors relativ zueinander und/oder zum Rotor. Der Controller kann als eine offene oder geschlossene Reglerschleife ausgeführt sein. Bevorzugt wird ein Motor zum Einstellen jeglicher Position genutzt. Die Savonius-Turbine kann daher eine wiederaufladbare Batterie aufweisen, mit der ein oder mehrere Motoren betrieben werden können.
Es wird vorgeschlagen, die Savonius-Turbine in einem unabhängigen elektrischen Netz zu nutzen zum Liefern elektrischer Energie als regenerative elektrische Quelle. Insbesondere ein elektrisches Netz, welches zu einem Verteilungsnetz nicht verbunden ist, aber genutzt wird als eine isolierte Anwendung, kann die Savonius-Turbine allein oder in Kombination mit anderen Energiequellen wie regenerativer Quellen wie Photozellen oder Wasserturbinen aufweisen. Auch in Kombination mit einer Dieselverbrennungskraftmaschine kann die Savonius-Turbine in einer isolierten Anwendung genutzt werden. Elektrische Energie, die nicht genutzt wird, kann gespeichert werden, zum Beispiel in einem Batteriepack oder durch Pumpen von Wasser in eine höhere Position.
Savonius-Turbinen können auch genutzt werden speziell als eine Einzelinstallation zum Pumpen von Wasser und anderen Anwendungen mit hohen Drehmoment, niedrigen Umdrehungszahlen. Nichtsdestotrotz, diese Savonius-Turbinen können auch an das elektrische Netz angebunden sein. Eine weitere Anwendung der Savonius-Windturbine ist in der Form eines Ventilators, spezifisch eines Flettner Ventilators, welcher beispielsweise genutzt wird auf Dächern, insbesondere von Lastwagen und Bussen, insbesondere auch genutzt als Kühleinrichtung. Der Ventilator nutzt die Savonius-Windturbine zum Antreiben eines Absauggebläses.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Auslegen einer Savoniusturbine wie oben beschrieben und in näheren Details nachfolgend näher erläutert vorgeschlagen, wobei die Schaufelblätter, das Hindernis und der Deflektor durch ein automatisches Programm berechnet worden sind. Nach Erzielen der Resultate der Optimierungsberechnung können technische Zeichnungen generiert werden, basierend auf welchen die weitere Herstellung der Savonius-Turbine beziehungsweise Teile der Savonius-Turbine erfolgt.
Für des weitere Testen wurde eine Turbine, welche eine Schaufelblattsehne von d = 0,85 m hat, optimiert. Die Schaufelblattsehne ist dargestellt zum Beispiel in der oben erwähnten Promotionsschrift auf Seite 14. Basierend auf dieser Schaufelblattsehne d kann eine Berechnung der Hindernislänge wie auch der Deflektorlänge berechnet werden, wie im Folgenden dargestellt:
Lo = 0,7597 × 0,85 = 0,6457 m für die Hindernislänge und
Ld = 1,048 × 0,85 = 0,8909 m für die Deflektrolänge.
Daher sind die Längen des Hindernisses und des Deflektors abhängig von dem Durchmesser d. Gemäß einer Ausgestaltung sind die Längen Lo und Ld in einem Bereich wie folgt: Lo = (0,716 – 0,789) × d Ld = (0,985 – 1,274) × d.
Auswählend einen Bereich für die Schaufelblattsehne d, die Längen des Hindernisses und des Deflektors können wie folgt beispielsweise berechnet werden:
Wenn der Bereich von d zwischen 0,5 m und 5 m ist, ist bevorzugt der korrespondierende Bereich der Längen wie folgt:
Lo zwischen 0,37985 m bis 3,7985 m und der korrespondierende Bereich von Ld zwischen 0,524 bis 5,24 m.
Betreffend die Turbinenhöhe, die getestete Turbine hat eine Höhe von 1 m. Nichtsdestotrotz ist die Erfindung nicht beschränkt auf eine derartige Höhe für die Savonius-Turbine. Die Savonius-Turbine kann eine Höhe in einem Bereich von 1 bis 10 m aufweisen.
Die Hohe des Hindernisses und des Deflektors ist bevorzugt gleich zu der Turbinenhöhe. Daher ist die Höhe des Hindernisses und des Deflektors in demselben Bereich, zwischen 1 bis 10 m.

Die folgende Tabelle präsentiert verschiedene optimierte Dimensionen als Resultat der Berechnung. Die Berechnung mit 8 Freiheitsparametern unterscheidet sich von derjenigen mit 16 Freiheitsparametern insoweit, dass mit 8 Parametern die Schaufelblätter nicht optimiert wurden, während die andere Ausgestaltung mit 16 Freiheitsparametern auch eine Optimierung der Schaufelblätter aufweist. Die Parameter selber werden nachfolgend mit den Figuren erläutert. Optimumkonfigurationen

Parameter	8 Freiheitsparameter	16 Freiheitsparameter
Schaufelblattform
X_P1/r	-	0,54822
Y_P1/r	-	0,19762
X_P2/r	-	0,34849
Y_P2/r	-	–0,37885
X_P3/r	-	0,54593
Y_P3/r	-	0,770346
Leitbleche
X_d1/d	–0,066981	–0,41882
Y_d1/d	1,509671	1,24505
X_d2/d	–0,17377	–0,3433
Y_d2/d	2,28434	2,29074
X₁/d	–1,134209	–1,2828
Y₁/d	–0,286166	–0,4037
X₂/d	–1,0892	–1,27654
Y₂/d	–1,37918	–1,16339
Interner Abstand
a/d	-	–0,00635
e/d	-	0,18286

Ein Optimumwinkel betreffend die Konfiguration des Hindernisses und des Deflektors ist in der nächsten Tabelle dargestellt: Optimumwinkel und Längen für die Leitbleche

8 Freiheitsparameter 16 Freiheitsparameter

Hindernis Deflektor Hindernis Deflektor

β_opt. 92,35° - 90,41° -

γ_opt. - 82,15° - 94,13°

Lo d 1,094 - 0,7597 -

Ld d - 0,782 - 1,048
Es ist bevorzugt diese Optimumlängen und Winkel für den Deflektor und das Hindernis zu nutzen, unabhängig von den Dimensionen, die die Savonius-Turbine hat. Kleine Abweichungen können aus verschiedenen Gründen auftreten. Auch ist es beispielsweise möglich, solche Winkelwerte während der Nutzung der Savonius-Turbine aufgrund von verschiedenen Windgeschwindigkeiten zu ändern.
Im Folgenden werden weitere Ausgestaltungen der Erfindung mit Bezugnahme zu den Figuren im Detail näher erläutert. Die Figuren und begleitenden Beschreibungen der resultierenden Merkmale sind nicht beschränkend auf die jeweiligen Ausgestaltungen, dienen jedoch zur Illustrierung einer beispielsweisen Implementierung. Weiterhin können die jeweiligen Merkmale untereinander wie auch mit Merkmalen der obigen Beschreibung genutzt werden für mögliche weitere Entwicklungen und Verbesserungen der Erfindung, speziell bei zusätzlichen Ausgestaltungen, die nicht in näheren Details hier dargestellt sind. Die Figuren zeigen nachfolgend:
1 eine schematische Beschreibung einer Geometrie und freien Optimierungsparametern, genutzt zum Modifizieren der Position des abdeckenden Hindernisses und Deflektors,
2 eine schematische Ansicht eines Ergebnisses betreffend einer Optimumkonfiguration eines Deflektors und eines Hindernisses,
3 eine schematische Beschreibung einer Geometrie einer Savonius-Turbine mit profiliertem Hindernis und profiliertem Deflektor,
4 ein Beispiel für einen Bereich von Eingangsparametern zur Berechnung des Deflektors und des Hindernisses gemäß einer schematischen Anordnung wie in 3 dargestellt,
5 ein Beispiel einer Konfiguration einer Optimumform bezugnehmend zu einem Hindernis und einem Deflektor,
6a–6c eine schematische Ansicht von Geometrien und freien Optimierungsparametern zur gemeinsamen Berechnung der Schaufelblätter, des Hindernisses und des Deflektors,
7 ein Beispiel für einen Bereich von Eingangsparametern zur Berechnung des Deflektors und des Hindernisses gemäß einer schematischen Anordnung wie dargelegt in 6,
8 ein Beispiel eines Ergebnisses erreicht für optimierte Konfigurationen betreffend der Schaufelblattform, des Deflektors, des Hindernisses wie des Abstandes zwischen der Welle und den Schaufelblättern, basierend auf den Startparametern in 7,
9 ein Beispiel für ein optimiertes Design für eine Savonius-Turbine wie beansprucht,
10 ein schematisches Schaufelblatt als Basis für eine Optimierung,
11 eine Starkgeometrie für eine Schaufelblattberechnung,
12 ein Ergebnis einer Optimierung für ein Schaufelblatt,
13/1, 13/2 und 13/3 mehrere momentane Strömungsfelder um eine optimierte Konfiguration bei einem Auslegungspunkt (λ = 0,7), statischem Druck (Pa), Geschwindigkeit und Geschwindigkeitsvektor-Größen (m/s); a) klassischer Savonius mit optimalen Leitblechen, b) optimaler Savonius mit optimiertem Leithindernis und Deflektor,
14 eine schematische Übersicht eines Algorithmusverfahrens, genutzt zur Berechnung der verschiedenen Teile der Savonius-Turbine, und
15 ein schematisches Diagramm der Kombination eines Optimierers und eines CFD Codes, die miteinander zur Kalkulierung optimierter Geometrien von Teilen der Savonius-Turbine gekoppelt sind.
Diese nachfolgenden Figuren sind in näheren Details wie auch in Bezug zum Hintergrund in der Promotionsschrift ”Design Optimization of Savonius and Wells Turbines” wie oben erwähnt, näher beschrieben. Betreffend der Erfindung ist dieses gesamte Dokument daher Teil der Offenbarung der Erfindung.
1 zeigt eine schematische Übersicht einer Geometrie einer Savonius-Turbine 1 und freier Optimierungsparameter genutzt zur Modifizierung der Position eines abdeckenden Hindernisses 2 und eines Deflektors 3. Als eine Möglichkeit sind zuerst der Deflektor 3 und das Hindernis 2 berechnet worden, nutzend einen Rotor 4 aufweisend Schaufelblätter 5 von halbzylindrischer Form. Die Optimierungsarbeit wird für das Hindernis 2 und den Deflektor 3 gleichzeitig mit acht Freiheitsparametern X1, Y1, X2, Y2, Xd1, Vd1, Xd2 und Yd2 ausgeführt, welche zusammen ausreichend sind, um klar die Position, Länge und Winkel der Leitbleche Hindernis und Deflektor zu erhalten, wie dargestellt in dieser Figur.
2 zeigt eine schematische Ansicht eines Resultats betreffend einer Optimumkonfiguration eines Deflektors und eines Hindernisses. Die Optimierung erzielte Optimumparameter, welche zu korrespondierenden Winkeln von 92,35° und 82,15° für Hindernis und Deflektor jeweils führten und führte ebenfalls zu Längen der Leitbleche Lo/d = 1,094 und Ld/d = 0,782. Daher sind Winkel für einige Konfigurationen, insbesondere wenn nicht L-förmig geformte Schaufelblätter genutzt werden, von weniger als 90° immer noch innerhalb eines Optimumbereichs. Andererseits, für einen umlenkenden Schild ist ein größerer Winkel von Vorteil, um jeden Widerstand für das zurückkommende Schaufelblatt zu reduzieren.
3 präsentiert eine schematische Beschreibung einer Geometrie einer Savonius-Turbine mit profiliertem Hindernis und profiliertem Deflektor. Eine Optimierung ist gleichzeitig für dieses Hindernis und diesen Deflektor mit 14 freien Raumparametern beschreibend die Optimumform beider Leitbleche wiederholt worden. Diese 14 Parameter Xd1, Xd2, Yd2, Xd3, Yd3, Xd4, Yd4, X1, X2, Y2, X3, Y3, X4 und Y4 sind variiert worden, während Y1 und Yd1 konstant blieben, um eine höhere Ausgangsleistung zu erreichen, insbesondere im Vergleich zu flachen, geraden Deflektoren beziehungsweise Hindernissen. Jedoch, überraschenderweise, bei Vergleich mit den Resultaten von flachen Leitblechen ist die Differenz im Leistungskoeffizienten nicht immer besser, in der Tat oftmals nur minimal besser oder sogar weniger effizient. Zuerst den Deflektor und das Hindernis optimiert zu haben, ist es möglich, zu beginnen, die Schaufelblätter zu optimieren. Auf diese Weise können die Resultate geprüft werden, ob eine Verbesserung aufgrund verschiedener Schaufelblätter und deren Einfluss auf den Deflektor beziehungsweise das Hindernis möglich ist.
4 zeigt ein Beispiel für einen Bereich von Eingangsparametern zur Berechnung des Deflektors und des Hindernisses gemäß einer schematischen Anordnung wie in 3 beschrieben.
5 zeigt ein Beispiel einer Konfiguration einer weiteren optimierten Form bezogen auf ein Hindernis und einen Deflektor. Dieses Mal sind basierend auf einer Optimierung profilierte Formen erreicht worden. Die Geometrie ist gekrümmt aber nicht flach. Der Deflektor kann eine Geometrie aufweisen, bei der eine Krümmung erreichbar ist, welche in einem Bereich zwischen 45° bis zu mehr als 90° aufgespreizt möglich ist. Hier hat der Deflektor annähernd eine teilweise zylindrisch geformte Geometrie, welche in annähernd flachen Endabschnitten endet. Das Hindernis hat die Form einer leichten S-förmigen Geometrie.
6a, 6b und 6c zeigen eine schematische Übersicht von Geometrien und freien Optimierungsparametern zur Berechnung der Schaufelblätter, des Hindernisses und des Deflektors zusammen in einem Schritt anstelle einer Berechnung der Optimierung in einem Schritt-auf-Schritt Verfahren für verschiedene Teile der Savonius-Turbine.
Eine weitere Ausgestaltung weist die Fähigkeit der Savonius-Turbine auf, sich als ein selbststartendes System zu verhalten. Besonders für dezentrale, niedrig kostende Anwendungen ist es wichtig, ein selbststartendes System zu erreichen. Die Selbststartfähigkeit kann bewertet werden basierend auf einer Untersuchung eines statischen Drehmomentes aufgeprägt auf die Turbine bei einem festem Winkel. Mittels Computeranalyse mit einem CFD Berechnungscode kann eine Funktion dieses Winkels erzielt und interpretiert werden. Während ein konventioneller Savonius Rotor große Variationen des statischen Koeffizienten als eine Funktion des Winkels und insbesondere negative Werte zwischen 140° und 170° aufzeigt, indizierend, dass das System nicht ein selbststartendes System ist, zeigt die vorgeschlagene neue Savonius-Turbine beinhaltend den Deflektor und das Hindernis mit einer neuen Schaufelblattgeometrie ein vollständiges Verschwinden des negativen Drehmomentes. Darüber hinaus ist der statische Drehmomentkoeffizient Cms immer größer als 0,2. Daher ist das neu vorgeschlagene System eindeutig selbstartend basierend auf einer Annahme, dass ein selbstartendes System mit einem statischen Drehmomentkoeffizienten Cms von größer 0 beginnt. Weitere Informationen in Bezug zu der Berechnung und den selbststartenden Eigenschaften sind in der oben erwähnten Promotionsschrift beschrieben, welche Teil der Offenbarung dieser Erfindung ist.
Da die vorgeschlagene Savonius-Turbine selbststartend sein kann, ist es möglich, ein Bremssystem zu der Turbine zu addieren. Durch das Bremsen ist es möglich, einen Start der Turbine, zum Beispiel während zu starker Winde, zu vermeiden, um die Rotation abzubremsen oder um die Rotation der Turbinenwelle in einer Weise zu beeinflussen, die zum Beispiel durch einen Controller vorgegeben ist.
Die vorgeschlagene Savonius-Turbine weist zwei Schaufelblätter mit neuen gekrümmten L-förmigen Geometrien auf. Die beiden Schaufelblätter sind mit der Welle bevorzugt in einer Weise verbunden, die den Schaufelblättern erlaubt, eine gewisse Distanz zu der Turbinenwelle und/oder eine gewisse Überlappung der beiden Schaufelblätter in einem Bereich um die Welle aufzuweisen. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung haben die beiden Schaufelblätter eine interne Distanz e und a zueinander, welche jeweils verschieden zu 0 ist, vergleiche die Promotionsschrift und die folgende Skizze. Gemäß einer weiteren Verbesserung wird der Wert von a negativ, während der Wert für e positiv wird, annehmend, dass die Mitte der Welle die Parameter (0; 0) hat. Es wird vorgeschlagen, eine Anordnung zu erzielen, bei welcher in Bezug zu der Schaufelblattsehne d der folgende Bereich genutzt wird: a/d zwischen –0,005 und –0,008 und e/d zwischen 0,14 und 0,23. Dadurch wird die Strömung weiter gerichtet und eine Drehmomentverbesserung ist erreicht.
7 zeigt ein Beispiel für einen Bereich von Eingangsparametern zur Berechnung des Deflektors und des Hindernisses gemäß einer schematischen Anordnung wie aus der folgenden 6 hervorgehend. Diese Eingangsparameter sind genutzt worden in Übereinstimmung zu einer schematischen Savonius-Turbine, wie sie in 6 dargestellt ist. Der Effekt der Schaufelblattgeometrie und Deflektor- und Hindernispositionen ist simultan eingeflossen während der gleichzeitigen Optimierung mit 16 Parametern; acht Parameter für beide Leitflächen X1, Y1, X2, Y2, Xd1, Yd1, Xd2 und Yd2. Die Schaufelblattform ist durch fünf Punkte beschrieben, zwei feste Punkte P4 und P5 und drei bewegbare Punkte P1, P2, P3. Jeder Punkt hat zwei Koordinaten XPi; YPi, das bedeutet weitere sechs Freiheitsparameter XP1; YP1, XP2; YP2, XP3 und YP3 sind erzielt worden. Alle fünf Punkte kennend, ist das vollständige Profil unter Nutzung von Standard-Spünes rekonstruiert worden. Weitere zwei Parameter sind berücksichtigt worden für interne Abstände der Turbine, a und e. Gemäß einer Ausgestaltung berücksichtigt die Zielfunktion nur eine Ausgabe der Simulation, die soweit wie möglich maximiert werden sollte: den Ausgangsleistungskoeffizienten Cp. Die benutzten Optimierungsparameter sind im Detail aufgelistet in der oben erwähnten Promotionsschrift, speziell Kapitel 5.
8 zeigt ein Beispiel eines Resultats, erreicht für optimierte Konfigurationen betreffend die Schaufelblattgeometrie, den Deflektor, das Hindernis wie auch den Abstand zwischen der Welle und den Schaufelblättern.
9 zeigt ein Beispiel für ein optimiertes Design für eine Savonius-Turbine wie beschrieben, nutzend eine Schaufelblattkalkulation basierend auf der Startgeometrie wie in 10 dargestellt. Die Startparameter sind in 11 aufgeführt und die Optimumparameter sind in 12 aufgelistet, zu den korrespondierenden Winkeln von 90,41° und 94,13° für Hindernis beziehungsweise Deflektor führend. Die Längen der Leitbleche sind Lo/d = 0,7597 und Ld/d = 1,048. Die modifizierte Form nutzt am Besten die Strömungsablenkung induziert durch die Leitbleche, Als Konsequenz ist das Rückdrehmoment reduziert durch das schützende Hindernis und der Strom umgelenkt durch den Deflektor zu dem herankommenden Schaufelblatt; gleichzeitig führt die modifizierte Form zu einem Anwachsen des positiven Momentes des herankommenden Schaufelblattes.
13/1, 13/2 und 13/3 zeigen verschiedene momentane Strömungsfelder um eine optimierte Konfiguration bei einem Auslegungspunkt von λ = 0,7 mit λ = ωR/U, statischer Druckverteilung in Pa, Geschwindigkeitsverteilung und Geschwindigkeitsvektor-Größenverteilung in m/s; a) klassischer Savonius mit optimierten Leitblechen, b) optimierter Savonius mit optimiertem Leithindernis und Deflektor. Das Bild des Strömungsfeldes mit Druck, Geschwindigkeitsgröße und Geschwindigkeitsvektoren ist dargestellt in 13/1 bis 13/3 für das letztendlich optimierte Design und für die klassische halbzylindrische Turbine mit Leitflächen, aufzeigend, dass der eingesetzte CFD alle wichtigen Strömungsmerkmale in der Umgebung des Rotors und Leitbleche erfasst. Die Druckdifferenz erzielt für das optimierte Design ist sehr viel größer, welches die bessere Leistung erklärt.
14 zeigt eine schematische Ansicht eines Algorithmusverfahrens, welches zur Berechnung der verschiedenen Teile der Savonius-Turbine genutzt wird. Dargestellt ist ein Schema eines generischen Algorithmus. Jeder Block in dieser Ansicht wird im Detail im Folgenden dargestellt. Der kanonische GA kodiert das Problem mit binären String-Individuen. Heutzutage werden real oder doppeltpräzise Darstellungen zumeist für Ingenieurprobleme genutzt. Sich entwickelnder Druck wird angewendet in den Schritten der Iterationen, wo die stochastische Technik der Roulettrad-Elternselektion genutzt wird, um Eltern für die neue Population zu wählen. Das Konzept ist wie folgt:

1. Eine Population von N zufällig oder quasi zufälligen Individuen ist initialisiert
2. Fitnessscores werden jeder Individue zugeordnet
3. Roulettrad-Elternselektion nutzend, N/2 Paare von Eltern werden von der momentanen Population ausgewählt, um eine neue Population zu formen.
4. Mit Wahrscheinlichkeit Pc-Crossover-, Kinder werden durch Ausführen eines Crossovers an den N = 2 Paaren an Eltern geformt. Die Kinder ersetzen die Eltern in der neuen Population.
5. Mit Wahrscheinlichkeit Pm-Mutation-, eine Mutation wird auf der neuen Population angewendet.
6. Die neue Population wird die jetzige Population.
7. Wenn die Abbruchkriterien erfüllt sind, Abbruch, andererseits zurück zu Schritt 3.

Die Wahrscheinlichkeiten Mutation und Crossover, Pm und Pc, sind Parameter von dem Algorithmus und müssen durch den Nutzer gesetzt werden. Mit Wahrscheinlichkeit Pm, jedes Bit auf jedem String ist invertiert und modifiziert. Die neue Population bekommt sodann die jetzige Population und der Kreis wird wiederholt, bis einige Abbruchkriterien erfüllt sind. Der Algorithmus läuft typischerweise für eine festgelegte Anzahl an Iterationen oder bis eine Konvergenz innerhalb der Population detektiert wird.
15 zeigt ein schematisches Diagramm der Kombination eines Optimierers und eines computerisierten fluiddynamischen Codes, abgekürzt CFD-Code, miteinander gekoppelt zur Berechnung optimierter Geometrien von Teilen der Savonius-Turbine. Angewendet wird eine Optimierungsbibliothek genannt OPAL – for OPtimisation ALgorithmus, aufweisend viele verschiedenen Optimierungstechniken. Verschiedenen CFD-Löser wie Inhouse-Codes, ANSYS-Fluent und ANSYS-CFX sind gekoppelt worden mit diesem Optimierer. Die unstetigen, Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen sind gelöst worden, nutzend einen sogenannten Simple-Semi-Implicit Method for Pressure-linked Equations(Semi-Implizite Methode für druckverbundene Gleichungen)-Algorithmus zur Druck-Geschwindigkeit-Kopplung. Die Strömungsvariablen und alle turbulenten Einheiten sind diskretisiert in einer Finite-Volumen-Formel nutzend ein Zweiter-Ordnung-Upwind-Schema. Die unstetige Strömung wird durch Nutzung eines Sliding-Mesh-Modells, abgekürzt SMM, gelöst. Die volle numerische Prozedur und insbesondere das angewendete Turbulenzmodell sind überprüft worden durch Vergleich mit publizierten Experimentalergebnissen für konventionelle Savonius-Turbinen. Mehrere verschiedene zweidimensionale Gitter an anwachsender Dichte und Qualität, zusammengestellt von 5.400 bis zu 120.000 Zellen, sind getestet worden für eine konventionelle Zwei-Schaufelblatt Savonius-Turbine mit Hindernis und Reflektor, nutzend ein repräsentatives Beispiel der Ziellösungen.
Es wurde herausgefunden, dass das gröbste Netz mit einer großen Variation des Drehmomentkoeffizienten assoziiert ist. Auf der anderen Seite führen alle verbliebenen Netze nutzend mehr als 80.000 Zeilen zu einer relativen Variation der Ausgabequantität unterhalb von 1,3%. Da die Kosten einer CFD Evaluierung offensichtlich rapide ansteigen mit der Anzahl der Netzzellen, ist ein Zwischennetzbereich zwischen 85.000 und 100.000 Zellen zurückbehalten worden für alle weiteren Ergebnisse. Betreffend Savonius-Turbinen wurde letztendlich eine vollkommen automatische Optimierung vorgenommen, nutzend OPAL als Entscheidungslöser für die zu untersuchenden Konfigurationen, ein kommerzielles Tool namens Gambit für die Geometrie- und Netzgenerierung beinhaltend einen Qualitätscheck und einen industriellen CFD-Code ANSYS-Fluent zur Berechnung der Strömungsfelder um die Turbinen.
Als ein Resultat der CFD Berechnung die Zielfunktion(en) ist bestimmt und abgespeichert in einem Ergebnisfile. Das Vorgehen ist automatisiert, nutzend Protokollskripte zum Wiederstarten von Gambit, Fluent und einer Masterprogramm. Bei Prüfung der Werte, gespeichert in dem Resultatfile, ist OPAL in der Lage zu entscheiden, wie die Eingangsparameter zu modifizieren sind, bevor eine neue Iteration startet. Für diesen Zweck sind verschiedene Parameter in jeder Konfiguration berücksichtigt worden, welche zusammen ausreichend sind, die Geometrie des spezifischen Falles eindeutig festzulegen. Die Zielfunktion berücksichtigt nur eine Ausgabe der Simulation als eine singuläre Zieloptimierung, die, soweit es möglich ist, maximiert werden sollte: Den Ausgangsleistungskoeffizienten Cp. Nichtsdestotrotz, eine Optimierung basierend auf einem oder mehreren anderen Werten ist ebenfalls möglich.
Die Berechnung hat gezeigt, dass das System Savonius-Turbine zuerst beeinflusst wird durch die Geometrie und Position des Hindernisses, dann durch die Geometrie und Position des Deflektors und dann durch die Geometrie der Schaufelblätter. Daher erlaubt das Einstellen eines angepassten Hindernisses zusammen mit einem Deflektor das Ausgangsdrehmoment zu verbessern, welches weiter verbessert werden kann durch Nutzung der Kombination von optimierten Schaufelblättern, Deflektor und Hindernis. Es ist möglich, für eine 1 m Hohe einer derartigen Savonius-Turbine eine Ausgangsleistung von mehr als 200 Watt zu erzielen, insbesondere mehr als 350 Watt und sogar 400 Watt und mehr. Dieses ist zu vergleichen mit einer Standard-Savonius-Turbine, die einer Ausgangsleistung von nur 100 bis 150 Watt je Meter Höhe hat.
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

US 5494407 [0002]
US 7008717 [0002]
US 6283711 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

”Optimization of Savonius turbines using an obstacle shielding the returning blade” von M. H. Mohammed, G. Janiga, E. Pap und D. Thévenin, veröffentlicht in ”Renewable Energy” 35 (2010), 2618–2626 [0011]
”Optimal blade shape of a modified Savonius turbine using an obstacle shielding the returning blade” by M. H. Mohammed, G. Janiga, E. Pap und D. Thévenin veröffentlicht in ”Energy Conversion and Management” 52 (2011) 236–242 [0011]
”Design Optimization of Savonius and Wells Turbines”, Promotionsschrift of M. Sc. Mohammed Hassan Ahmed Mohammed, vorgelegt an der Universität Otto von Göhricke, Magdeburg, Fakultät für Verfahrens- und Systemtechnik, zur Veröffentlichung in 2011 [0011]

Claims

Savonius-Turbine (1) aufweisend genau ein erstes und ein zweites Schaufelblatt, wobei jedes dieses ersten und zweiten Schaufelblattes eine Geometrie aufweisend einen ersten und einen zweiten Abschnitt hat, wobei der erste und der zweite Abschnitt zusammen das Schaufelblatt (5) definieren, wobei der erste Abschnitt länger ist als der zweite Abschnitt, wobei zusammen eine L-förmige Gesamtgeometrie des Schaufelblattes gebildet wird, wobei der erste Abschnitt an einer vertikal oder horizontal angeordneten Welle (4) der Savonius-Turbine (1) angeordnet ist, und der erste und der zweite Abschnitt jeweils eine gekrümmte Geometrie aufweisen, die unterschiedlich voneinander sind, wobei ein Hindernis (2) und ein Deflektor (3) in der Nähe der Schaufelblätter angeordnet sind, jeweils den Windstrom beeinflussend, der genutzt wird zum Antreiben der Savonius-Turbine (1), wobei das Hindernis (2) nahe zu dem ersten, zurückkommenden Schaufelblatt angeordnet ist, während der Deflektor (3) nahe zu dem zweiten, herankommenden Schaufelblatt angeordnet ist.
Savonius-Turbine (1) gemäß Anspruch 1, wobei das Hindernis (2) und der Deflektor (3) amen Durchgangsweg für den Windstrom, der zu dem sich herannahendem Schaufelblatt geführt wird, verengt.
Savonius-Turbine (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Deflektor (3) zumindest teilweise gekrümmt ist.
Savonius-Turbine (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Hindernis (2) zumindest teilweise gekrümmt ist.
Savonius-Turbine (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei beide, das Hindernis (2) und der Deflektor (3) aus einer geraden Geometrie bestehen, welche den Windstrom beeinflusst.
Savonius-Turbine (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei das Hindernis (2) und/oder der Deflektor (3) jeweils in einem Winkel angeordnet ist, der einen Wert von mehr als 90° aufweist.
Savonius-Turbine (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei das Hindernis (2) und/oder der Deflektor (3) zumindest teilweise beweglich in Bezug zu den Schaufelblättern sind.
Savonius-Turbine (1) gemäß Anspruch 7 wobei die Position des Hindernisses (2) und/oder des Deflektors (3) veränderbar in Bezug auf die Schaufelblätter ist.
Savonius-Turbine (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Controller mit der Savonius-Turbine (1) angeordnet ist, welcher verantwortlich für eine Einstellung von zumindest einem Teil der Savonius-Turbine (1), insbesondere der Position des Hindernisses (2) und/oder des Deflektors (3) ist.
Savonius-Turbine (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Teil der Geometrie des Hindernisses (2) und/oder des Deflektors (3) einstellbar ist.
Verwendung der Savonius-Turbine (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche in einem unabhängigen elektrischen Netz zur Versorgung elektrischer Energie als erneuerbare Elektrizitätsquelle.
Verfahren zur Herstellung einer Savonius-Turbine (1) gemäß einem der hervorgehenden Ansprüche, wobei die Schaufelblätter, das Hindernis und der Deflektor durch ein automatisches Optimierungsprogramm berechnet worden sind.