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Die Erfindung betrifft eine Wind- oder Gezeitenströmungskraftanlage, umfassend einen drehbar angeordneten Rotor, an dem eine Anzahl Flügel angeordnet sind, wobei sich jeder Flügel in eine zum Rotor radiale Richtung erstreckt.
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Wind- oder Gezeitenströmungskraftanlagen dieser Art sind im Stand der Technik bekannt. Bei Windenergieanlagen befinden sich an einem Rotor mehrere Flügel, so dass durch den Wind der Rotor angetrieben wird. Letzterer steht mit einem Generator in Verbindung, so dass Strom erzeugt werden kann. Entsprechendes gilt, wenn in einer Gezeitenströmungskraftanlage Strom erzeugt wird. Die Übertragung des Drehmoments vom Rotor bis zum Generator erfolgt zumeist durch ein Getriebe, das für die richtige Übersetzung der Drehbewegung sorgt.
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Demgemäß stellen die Flügel einer Anlage der genannten Art das zentrale Element für die Energieumwandlung aus Strömung in Bewegung bzw. in Strom dar.
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Abhängig vom konkreten Einsatzfall – d. h. entweder derjenige einer Windkraftanlage oder derjenige der Gezeitenströmungskraftanlage – werden unterschiedliche Anforderungen an den Flügel und seine Geometrie gestellt. Ferner hängt es auch generell von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums (Luft, Wasser) ab, wie die optimale Gestaltung des Flügels aussieht.
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Bei Gezeitenströmungskraftanlagen treten häufig Strömungsgeschwindigkeiten des Wassers im Bereich von 2 bis 3 m/s auf, in manchen Fällen auch mehr, bei Windkraftanlagen sind eher Mediengeschwindigkeiten zwischen 9 bis 12 m/s typisch. Dabei treten häufig erheblich Unterschiede zwischen den maximal nutzbaren Geschwindigkeiten und minimalen Geschwindigkeiten auf, bei denen noch eine Nutzung zur Stromgewinnung gegeben ist. Das Verhältnis zwischen den genannten minimalen und maximalen nutzbaren Geschwindigkeiten liegt bei Windkraftanlagen zwischen 0,3 und 0,4; bei Gezeitenströmungskraftanlagen ist das Verhältnis typischerweise größer oder gleich 0,4.
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Das bedeutet, dass häufig ungünstige Verhältnisse für die Nutzung einer konkreten Flügelkonstruktion vorliegen, d. h. dass die Strömungsgeschwindigkeiten für eine ökonomische Energiegewinnung zu gering sind.
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Der Flügel einer gattungsgemäßen Anlage muss indes für eine konkrete Strömungsgeschwindigkeit des Mediums ausgelegt werden. Der Flügel, der meist einteilig ausgebildet ist und aus einem Composite-Material besteht (beispielsweise mit Einlagerung von Kohlenstoff- oder Glasfasern), ist somit nur für eine optimale Strömungsgeschwindigkeit des Mediums bestmöglich ausgelegt. Bei höherer bzw. niedriger Geschwindigkeit liegen dann nicht mehr optimale Bedingungen vor.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Wind- oder Gezeitenströmungskraftanlage so auszustatten, dass auch bei sehr unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten des Mediums, also des Windes bzw. des Wassers, eine ökonomische Energiegewinnung möglich ist. Demgemäß soll die Anlage in einfacher Weise so anpassbar sein, dass auch bei veränderter Geschwindigkeit des Mediums ein möglichst optimaler Betrieb möglich ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Flügel mindestens einen Flügelabschnitt aufweist, der wahlweise zur Vergrößerung der Flügelfläche in einen ausgefahrenen Zustand oder zur Verkleinerung der Flügelfläche in einen eingefahrenen Zustand gefahren werden kann, wobei der Flügelabschnitt relativ zum Flügel in radiale Richtung verfahrbar angeordnet ist.
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Der radial verfahrbare Flügelabschnitt ist dabei bevorzugt im radial äußeren Bereich des Flügels angeordnet.
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Er kann so am Flügel angeordnet sein, dass er vollständig im Inneren des Flügels versenkt werden kann.
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Der verfahrbare Flügelabschnitt kann auf oder an einer Linearführung angeordnet sein, wobei die Linearführung im Inneren des Flügels verläuft. Er kann mit einem Aktuator verbunden sein, mit dem er relativ zum Flügel radial bewegt werden kann. Der Aktuator umfasst gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Gewindespindelsystem, dessen Spindel von einem Elektromotor betätigt wird. Gemäß einer Alternative umfasst der Aktuator ein hydraulisches Kolben-Zylinder-System.
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Am äußeren radialen Ende des Flügelabschnitts kann weiterhin eine Abdeckung angeordnet sein, die im eingefahrenen Zustand des Flügelabschnitts den Flügel an seinem radial äußeren Ende abdeckt. Am Flügel bzw. an der Abdeckung kann ferner ein Dichtelement angeordnet sein, das im eingefahrenen Zustand des Flügelabschnitts die Abdeckung zum Flügel abdichtet.
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Der Flügel oder ein angrenzendes Bauteil kann des Weiteren mit Mitteln versehen sein, mit denen ein Gas, insbesondere Luft oder Helium, unter Druck in das Flügelinnere geleitet werden kann.
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Die Erfindung stellt also auf eine Ausgestaltung des Flügels einer Wind- oder Gezeitenströmungskraftanlage ab, bei dem ein teleskopartig verfahrbares Flügelelement gegeben ist, mit dem die wirksame Flügelfläche vergrößert bzw. verkleinert werden kann. Die Flügelfläche, auf die das Medium (Wind, Wasser) auftrifft, kann somit optimal an gegebene Strömungsverhältnisse angepasst werden. Somit kann bei einer größeren Bandbreite an Strömungsgeschwindigkeiten des Mediums eine ökonomische Energiegewinnung sichergestellt werden, als es mit bekannten Anlagen möglich ist, die insoweit Flügel mit fester Geometrie einsetzen.
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Im Falle niedriger Strömungsgeschwindigkeiten des Mediums wird der verfahrbare Flügelabschnitt, der sich zunächst noch im Inneren des Flügels befindet, ausgefahren, so dass sich die wirksame Flügeloberfläche vergrößert, auf die das Medium trifft.
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Die Verstellung des Flügelabschnitts kann über ein konventionelles Spindel-Mutter-System erfolgen, das von einem Elektromotor angetrieben wird. Genauso ist auch ein hydraulischer Antrieb möglich, wobei dann ein Kolben-Zylinder-System eingesetzt werden kann. Die Spindel kann aus keramischem Material bestehen oder mit einem Material beschichtet sein, das Korrosionsbeständigkeit gewährleistet. Damit kann in jedem Falle auch eine gute Notlaufeigenschaft sichergestellt werden, falls – im Falle der Anwendung in einer Gezeitenströmungskraftanlage – Salzwasser in das Flügelinnere eindringen sollte.
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Der im Inneren des Flügels beweglich angeordnete Flügelabschnitt erfüllt auch eine weitere Funktion: Die Belastung des Flügels steigt mit steigenden Medienströmungsgeschwindigkeiten stark an. Bei steigenden Geschwindigkeiten wird der Flügelabschnitt ins Innere des Flügels eingefahren. Damit fungiert der Flügelabschnitt in dieser hoch belastenden Situation als Verstärkungselement für den Flügel. Indes sind die Belastungen bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten, wenn der Flügelabschnitt ausgefahren ist, relativ gering, so dass der Verstärkungseffekt durch den Flügelabschnitt nicht erforderlich ist.
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Bei steigender Strömungsgeschwindigkeit des Mediums kann der ausgefahrene Flügelabschnitt in einfacher Weise in die Flügelbasis eingefahren werden. Der radial äußere Abschnitt des Flügelabschnitts ist mit einer Abdeckung versehen, die strömungsgünstig ausgestaltet werden kann.
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Der Übergang zwischen beweglichem Flügelabschnitt und Flügel sollte, zumindest im Falle einer Gezeitenströmungskraftanlage, gut abgedichtet werden, damit kein Wasser eindringen kann. Dichtungssysteme hierfür sind hinlänglich bekannt. Das gilt auch für Dichtungsmaterial, das Salzwasser-resistent ist.
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Wenn in das Flügelinnere ein Gas (z. B. Luft oder Helium) mit leichtem Überdruck eingegeben wird, kann ergänzend sichergestellt werden, dass kein Wasser ins Flügelinnere gelangt.
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Damit bei allen fahrbaren Mediengeschwindigkeiten optimale Arbeitsbedingungen gewährleistet sind, empfiehlt sich ein entsprechendes Getriebe zwischen Rotor und Generator sowie eine Regelung der Drehgeschwindigkeiten. Damit kann sichergestellt werden, dass bei niedriger Rotordrehzahl mit hohem Drehmoment in derselben effizienten Weise Energie umgewandelt werden kann wie im Falle hoher Rotordrehzahlen bei geringem Drehmoment. Hierbei sind Erfahrungswerte für den Betriebsbereich der Rotoren bzw. Flügel zu berücksichtigen. So empfiehlt es sich, Drehzahlen bei üblichen Rotoren in Gezeitenströmungskraftanlagen nicht schneller als 10 bis 15 U/min drehen zu lassen, um Kavitationserscheinungen am Flügel zu vermeiden. Um dies in einfacher Weise sicherzustellen, kann der Einsatz eines stufenlosen Getriebes oder eines mehrstufigen Planetengetriebes angezeigt sein. Die Rotordrehzahl und diejenige des Generators kann so an optimale Bedingungen angepasst werden. In beiden Fällen ist der Einsatz eines permanentmagnetischen Generators für die kontinuierliche Energiegewinnung vorteilhaft.
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Ein an sich bekanntes Propellersteigungs-Verstellsystem kann natürlich auch zum Einsatz kommen, um die genannte Anpassung an die Strömungsverhältnisse zu erleichtern.
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Die vorgeschlagene Anlage erlaubt eine optimale Anpassung der Energiegewinnung an verschiedene Strömungssituationen, so dass diese ökonomisch erfolgen kann. Die wirksame Flügelfläche, an der das Medium angreift, kann in einfacher Weise verändert werden, ohne hierfür komplexe Verstellmechanismen einsetzen zu müssen. Sehr vorteilhaft ist auch der Verstärkungseffekt, den der Flügel bei eingefahrenem Flügelabschnitt erfährt.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
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1 schematisch die Seitenansicht eines Flügels auf einem Rotor einer Windkraftanlage, wobei sich ein verschieblicher Flügelabschnitt in einer ausgefahrenen Position befindet,
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2 die Seitenansicht des Flügels gemäß 1, wobei sich der verschiebliche Flügelabschnitt in einer eingefahrenen Position befindet,
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3 die Seitenansicht des Flügels gemäß 1 mit ausgefahrenem Flügelabschnitt mit Markierung von sechs verschiedenen radialen Positionen des Flügels,
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4 die Querschnitte an verschiedenen radialen Positionen des Flügels mit Darstellung der Strömungsverhältnisse an vier verschiedenen radialen Positionen des Flügels, korrespondierend zu 3,
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5 die Seitenansicht eines Flügels ähnlich zu 1 mit ausgefahrenem Flügelabschnitt mit Markierung von vier verschiedenen radialen Positionen des Flügels,
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6 die Querschnitte an verschiedenen radialen Positionen des Flügels mit Darstellung der Strömungsverhältnisse an vier verschiedenen radialen Positionen des Flügels, korrespondierend zu 5,
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7 den radial außenliegenden Endabschnitt des verschieblichen Flügelabschnitts mit einer Abdeckung und
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8 die Einzelheit „Z“ gemäß 7.
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In 1 und 2 ist eine Windkraftanlage 1 angedeutet, von der im wesentlichen nur der Rotor 2 zu erkennen ist, der mit einem nicht dargestellten Generator in Drehverbindung steht. Derartige Anlagen sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt, so dass sie hier nicht weiter beschrieben werden müssen.
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Am Rotor 2 sind mehrere Flügel 3 angeordnet, die sich von der Drehachse des Rotors 2 in radiale Richtung R weg erstrecken; zu erkennen ist in den genannten Figuren nur einer dieser Flügel 3.
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Wesentlich ist, dass der Flügel 3 über einen Flügelabschnitt 4 verfügt, der in radiale Richtung R verschieblich angeordnet ist. In 1 ist ein ausgefahrener Zustand I dargestellt; in 2 ist der Flügelabschnitt 4 in einen eingefahrenen Zustand II verfahren. Am radial äußeren Ende des Flügelabschnitts 4 ist eine strömungsgünstig ausgebildete Abdeckung 7 angeordnet. Wird der Flügelabschnitt 4 in den eingefahrenen Zustand II verfahren (s. 2), deckt die Abdeckung 7 das radiale äußere Ende des Flügels 3 ab.
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Die Verschiebebewegung des Flügelabschnitts 4 erfolgt mit einem Aktuator 6 in Form eines Spindel-Mutter-Systems. Die Spindel wird von einem Elektromotor 9 angetrieben. Bei seiner Verschiebebewegung wird der Flügelabschnitt 4 entlang einer Linearführung 5 verschoben, die radial ausgerichtet ist.
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In 1 ist der Flügel 3 für eine Windgeschwindigkeit von beispielsweise 5 m/s ausgelegt; demgemäß ist der Flügelabschnitt 4 ausgefahren. Nimmt die Windgeschwindigkeit zu, beispielsweise auf 10 m/s, wird der Flügelabschnitt 4 in die Position gemäß 2 eingefahren. Der Flügel kann so an die jeweilige Strömungsgeschwindigkeit des Mediums angepasst werden.
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In 3 und 4 sind nähere Illustrationen für die Gestaltung des Flügels 3 zu erkennen. Für den Flügel 3 sind in 3 mehrere radiale Positionen A, B, C, D, E und F eingezeichnet, wobei an diesen Positionen – ausgenommen Position F – der jeweilige Querschnitt des Flügels 3 dargestellt ist. In 4 sind für die korrespondierenden Positionen B, C, D und E die Anstellungen des Flügels bei ca. 7 m/s Windgeschwindigkeit skizziert. Mit zunehmendem Abstand von der Drehachse des Rotors steigt die Blattgeschwindigkeit linear mit dem Radius an; die Blattgeschwindigkeiten sind in 4 mit Zahlenwerten eingetragen. Die hier mit 7 m/s angenommene Windgeschwindigkeit v ist im unteren Bereich von 4 eingezeichnet.
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Die Querschnitte B bis E entsprechen dem Führungsbereich, innerhalb dessen der Flügelabschnitt 4 geführt wird. Der Querschnitt E entspricht dem Profil des Flügelabschnitts 4, wenn dieser in voll ausgefahrenem Zustand I am Flügel 3 angrenzt. Dieser Querschnitt kann in den jeweiligen Querschnitten B, C und D untergebracht werden, so dass ein vollständiges Einfahren des Flügelabschnitts 4 in den Flügel 3 möglich ist. Gleichermaßen ist im Flügel Platz für die Aufnahme der Linearführung 5 und des Aktuators 6. Im Bereich des Querschnitts A kann dann auch noch der Antriebsmotor für den Aktuator untergebracht werden.
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Ein ähnliches Bild ergibt sich mit Blick auf die 5 und 6. Wiederum ist der Flügelabschnitt 4 in Richtung des Doppelpfeils in 5 beweglich angeordnet; in dieser Figur ist der Flügelabschnitt 4 im ausgefahrenen Zustand I zu sehen. Die Windgeschwindigkeit bzw. Geschwindigkeit v des Wassers im Falle einer Gezeitenströmungskraftanlage ist hier, d. h. in 6, mit 2 m/s eingetragen. die Geschwindigkeit des Flügels 3 ergibt sich mit zunehmendem Abstand von der Drehachse des Rotors analog zu 4.
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Wiederum gilt, dass die Konstruktion der Flügel, d. h. der Rotorblätter, in der Weise erfolgt ist, dass der Querschnitt D in den Querschnitten C und B Platz findet, einschließlich der Linearführung und des Aktuators samt Antrieb. Der Elektromotor 9 (alternativ: der hydraulische Antrieb) ist wiederum im Bereich des Querschnitts A untergebracht.
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In den 7 und 8 sind Einzelheiten einer Lösung zu sehen, mit der die Abdichtung des radial außenliegenden Endes des Flügels 3 erfolgt, wenn der Flügelabschnitt 4 ganz in den eingefahrenen Zustand gefahren ist. Die Dichtung ist dabei so konzipiert, dass sie nicht nur im eingefahrenen, sondern auch im ausgefahrenen Zustand des Flügelabschnitts 4 abdichtet.
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Die Flügelhaut 10 trägt einen umlaufenden Blechring 11; dieser fasst ein Dichtelement 8 ein. Das Dichtelement 8 weist Dichtlippen 12 auf. Diese Dichtlippen sind doppelwirkend für die Flügelspitze (Flügelabschnitt) und die Abdeckung 7.
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Fixiert wird die Anordnung mittels eines Senkkopfniets 13. In 7 ist der ausgefahrene Flügelabschnitt mit 4 bezeichnet. Indes ist die Abdeckung 7 in der eingefahrenen Stellung in 7 skizziert.
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Die Querschnittsform der Abdeckung 7 ist mit 14 illustriert.
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Mit L ist angedeutet, dass Luft unter (leichtem) Überdruck in den Bereich des radialen Endes des Flügels 3 geleitet werden kann, um einen Sperrlufteffekt zu erzeugen und zu verhindern, dass Medium (insbesondere Salzwasser) in das Flügelinnere eindringt, was bei einer Gezeitenströmungskraftanlage eine wesentliche Vorkehrung sein kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wind- oder Gezeitenströmungskraftanlage
- 2
- Rotor
- 3
- Flügel
- 4
- Flügelabschnitt
- 5
- Linearführung
- 6
- Aktuator
- 7
- Abdeckung
- 8
- Dichtelement
- 9
- Elektromotor
- 10
- Flügelhaut
- 11
- Blechring
- 12
- Dichtlippe
- 13
- Senkkopfniet
- 14
- Querschnittsform
- I
- ausgefahrener Zustand
- II
- eingefahrener Zustand
- R
- radiale Richtung
- v
- Windgeschwindigkeit
- L
- Luft
