DE102013004893A1

DE102013004893A1 - Omnidirektionaler Windrotor. Kugelförmiger Windrotor mit vertikaler Achse, Wirkungsgrad in alle Richtungen, Funktionsweise als Auftriebsläufer unter Ausnutzung des Strömungsverhaltens beim Magnus Effekt

Info

Publication number: DE102013004893A1
Application number: DE201310004893
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2014-09-25

Abstract

Inhalt der Erfindung ist ein kugelförmiger Windrotor mit vertikaler Achse, Wirkungsgrad in allen Richtungen, Funktionsweise als Auftriebsläufer unter Ausnutzung des Strömungsverhaltens beim Magnus-Effekt.

Description

Der Omnidirektionale Windrotor (01) ist ein Vertikal-Achsen-Rotor. Seine Bauform entspricht hauptsächlich einer Hohlkugel, allerdings mit Durchbrüchen und profilierter Oberfläche. Er wandelt Wind aus unterschiedlichsten Anströmrichtungen in Rotation um, ohne dass es einer Richtungsnachführung oder Ausrichtung bedarf. Diese Rotation kann als kinetische Energie mechanisch und zum Zweck der Stromerzeugung genutzt werden. Der Omnidirektionale Windrotor funktioniert gleichermaßen mit anderen anströmenden Medien, wie z. B. Wasser.
Stand der Technik:
Als derzeitiger Stand der Technik sind hauptsächlich drei Arten von Vertikal-Achsen-Rotortypen zu unterscheiden. Der Savonius Rotor, der überwiegend auf dem Prinzip des Staudrucks des anströmenden Mediums in Rotation versetzt wird. Der Darrieus Rotor, der über mehrere senkrecht angeordnete Rotorblätter verfügt, die in ihrem Verlauf eine unterschiedliche Profildicke aufweisen und sich gegenseitig nicht beeinflussen. Dadurch sind sie nicht sehr zahlreich und in größerem Abstand voneinander angeordnet. Der Flettner Rotor ist ein Beispiel für zahlreiche Abwandlungen von Rotoren, bei denen es sich um rotierende Rundkörper mit geschlossener Oberfläche handelt, die die strömungsbedingte Kraft, die Magnus-Kraft, die senkrecht zur Windrichtung wirkt in ihren Vortrieb mit einbeziehen,
Die Aufgabenstellung für die Entwicklung des Omnidirektionalen Windrotors war, einen Rotor zu entwickeln, der keine Nachführung in Windrichtung benötigt, Wind aus möglichst allen Richtungen effektiv in kinetische Rotationsenergie umsetzen kann, sehr kostengünstig in der Herstellung ist, über ein starres Rotorblattsystem verfügt und möglichst laufruhig und leise ist. Diese Anforderungen sollen den Omnidirektionalen Windrotor dazu eignen, unter anderem auf Hausdächern montiert zu werden, ohne eine Geräuschbelastung für die Hausbewohner darzustellen. Zudem war es die Aufgabe, eine Bauform zu entwickeln, die das optische Erscheinungsbild der Dachlandschaft, und die anliegenden Bewohner nicht unnötig durch Reflektionen oder Schattenschlag belastet und dadurch eine hohe Akzeptanz in der Bevölkerung findet.
Beschreibung Omnidirektionaler Windrotor:
Charakteristisch für den Omnidirektionalen Windrotor ist seine Bauform, die eine nahezu geschlossene Kugel bildet. Die Anzahl der Rotorblätter ist dementsprechend zahlreich gewählt und der Anstellwinkel der Rotorblätter, also der Winkel zwischen Kreistangente und Profilsehne zwischen 5° und 10°. Die Rotorblatt-Profilierung ist nur minimal. Bei der Profilierung handelt es sich um ein nach außen gewölbtes Hohlprofil mit gleichmäßiger Profildicke von maximal 10% der Profilsehnenlänge (02). Die Rotorblätter bestehen aus dünnem, festem Material, wie z. B. Kunststoff oder Metall, und besitzen genügend Eigensteifigkeit, um unter Belastung ihre Form zu behalten. Bei beginnendem Wind beginnt sich der Rotor aufgrund der Auftriebskraft der angeströmten Rotorblätter zu drehen. Durch die dichte Aneinanderreihung der Rotorblätter entsteht eine Wechselwirkung zwischen den einzelnen Rotorblättern, wodurch das jeweils dahinter liegende Rotorblatt günstiger angeströmt wird, als dies bei größerem Abstand der Fall wäre. Dies ist, als Stand der Technik, aus der Schifffahrt als Interaktionseffekt zwischen Vorsegel und Hauptsegel bekannt. Durch die hohe Anzahl der Rotorblätter wirkt der Omnidirektionale Windrotor wie ein geschlossener Rotationskörper auf das anströmende Medium. Aufgrund der Rotation bildet sich ein Strömungsverlauf des Mediums aus, wie dies bei rotierenden Rundkörpern, die angeströmt werden, grundlegend der Fall ist. Dies entspricht, als Stand der Technik, dem Strömungsverlauf der beim Magnus-Effekt auftritt. (03)
Magnus-Effekt am Omnidirektionalen Windrotor:
Wie an allen rotierenden runden Körpern tritt auch am Omnidirektionalen Windrotor der Magnus-Effekt auf (04). Allerdings wird dadurch, dass die Rotorachse fixiert ist und der Rotor über geeignete Lagerung, wie z. B. Gleit- oder Wälzlagern, drehbar mit der Rotorachse verbunden ist, der Rotor nicht durch die Magnus-Kraft zur Seite bewegt. Vielmehr wird der Magnus-Effekt aufgrund des veränderten Strömungsverlaufs des Mediums zu Nutzen gemacht. Durch den Magnus-Effekt liegt die Luftströmung über einen größeren Bereich des Omnidirektionalen Windrotors laminar an, als dies bei einer geringeren Rotorblattanzahl, ohne Magnus Effekt der Fall wäre. Die Rotorblätter (04, 1-1; 1-2; 1-7; 1-8) werden tangential angeströmt, was zu vermehrtem Vortrieb aufgrund von Auftriebskraft führt. Hierbei addieren sich die Kraftvektoren der anströmenden Luft und der Luftströmung, die aufgrund der Rotation auftritt (Fahrtwind), geometrisch. Sie ergeben den tatsächlich am Rotorblatt wirkenden Wind. Lediglich Rotorblatt 1-6 (04) erzeugt eine resultierende Kraft, die der Drehrichtung des Rotors entgegenwirkt. Die resultierenden Kräfte auf die Rotorblätter 1-3; 1-4; 1-5 wirken sich zusätzlich unterstützend auf den Rotationsprozess aus. Die resultierenden Auftriebskräfte stehen jeweils senkrecht auf der, zwischen 5° und 10° geneigten Profilsehne des Rotorprofils und wirken damit in Drehrichtung. Durch den laminaren Strömungsverlauf, liegt die Luftströmung überwiegend nicht turbulent am Rotor an. Als Ergebnis davon ist keine signifikante Geräuschemission des Rotors auszumachen.
Anströmung aus unterschiedlichen Winkeln, Omnidirektionalität:
Durch die kugelförmige Bauform kann der Omnidirektionale Windrotor auch Luftströme, die aus anderen Richtungen, als aus horizontaler Richtung auftreffen, z. B. schräg von oben, bzw. schräg von unten in Rotation umsetzen. Versuche haben sogar gezeigt, dass selbst Anströmung direkt von Oben oder Unten den Omnidirektionalen Windrotor in Rotation versetzen. Dies wirkt sich insbesondere bei Montage auf ein Satteldach positiv aus. Zudem wird die anströmende Luft durch die Dachschräge zusätzlich verdichtet und beschleunigt, was die Effektivität des Rotors steigert. (05)
Zeichnungsliste:
01 Omnidirektionaler Windrotor, Vorderansicht und Raumbild
02 Omnidirektionaler Windrotor, horizontaler Schnitt
03 Stand der Technik, Strömungsverlauf an rotierendem Rundkörper (Magnus-Effekt)
04 Strömungsverlauf am Omnidirektionalen Windrotor, horizontaler Schnitt (Magnus-Effekt)
05 Strömungsverlauf am Omnidirektionalen Windrotor bei Dachmontage
06 Omnidirektionaler Windrotor, Beispiel für Dachmontage
Bezugszeichenliste

1: Rotorblätter (hier 1-1, 1-2, 1-3, 1-4, 1-5, 1-6, 1-7, 1-8)
2: Haltescheibe (identische Ausführung oben und unten)
3: Abdeckung und Lager oben
4: Bundbuchse und Lager unten
5: Standrohr

Claims

Der Omnidirektionale Windrotor ist dadurch gekennzeichnet, dass anströmender Wind aus allen Windrichtungen in Rotation umgesetzt werden kann, ohne dass hierfür eine Nachführung notwendig ist.
Windrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er sich um eine senkrecht angeordnete Achse dreht.
Windrotor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die Rotorblätter ein dünnes Hohlprofil verwendet wird, mit einer gleichmäßigen Profildicke von maximal 10% der Profilsehnenlänge.
Windrotor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Rotorblätter um einen Mittelpunkt gebogen nahezu einen Halbkreis beschreiben.
Windrotor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter durch ihre zahlreiche Anordnung nahezu eine Kugel bilden, deren Zwischenlücken kleiner sind, als die Rotorblattbreite.
Windrotor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel der Rotorblätter, also der Winkel zwischen Kreistangente und Profilsehne zwischen 5° und 10° beträgt.
Windrotor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Auftriebsläufer handelt, der den Strömungsverlauf des Magnus-Effekts in seinen Vortrieb mit einbezieht.
Windrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Rotor auch aus einem einzelnen Materialstück hergestellt sein kann und nicht zwingend aus einzelnen Rotorblättern aufgebaut sein muss.
Windrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor mit einem anderen Medium als Luft angeströmt werden kann.
Windrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor auch an eine horizontale Achse montiert werden kann.