-
Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Kleinwindanlage und eine Windkraftanlage, die einen entsprechenden Rotor umfasst.
-
Die Windkraft wird als regenerative Energiequelle bereits in großem Maße zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt. Bei den Anlagen handelt es sich zum Teil um große Windkraftanlagen, die häufig in Windparks mit bis zu über hundert Windkraftanlagen und Leistungen von bis zu einigen Hundert MW konzentriert sind.
-
Daneben gibt es jedoch auch Kleinwindanlagen für den kleinen und mittleren Leistungsbereich von wenigen KW, die sich vor allem zur Eigenversorgung eignen. Damit sind sie besonders für Verbraucher und kleine und mittlere Unternehmen interessant. Kleinwindanlagen sind attraktive Stromlieferanten beispielsweise für Landwirte, für Kläranlagenbetreiber, für Betriebe mit konstantem Stromverbrauch, für Besitzer von Elektrofahrzeugen, aber auch für ökologisch engagierte Privatleute. Sie ermöglichen eine autarke Energieversorgung, beispielsweise von abgelegenen Gehöften, Ferienhäusern und Berghütten, wo es keine Netzanbindung gibt, oder auch auf Schiffen und Segelyachten.
-
Rotoren für Windkraftanlagen können in verschiedener Weise ausgeführt werden. Dabei kann zwischen Rotoren mit vertikaler und horizontaler Rotationsachse unterschieden werden. Bisher werden vorwiegend Kleinwindanlagen in horizontaler Bauweise eingesetzt.
-
Vertikalläufer sind leise, sturmsicher, einfach zu montieren und fast wartungsfrei. Dazu sind sie unabhängig von der Windrichtung. Sie haben bisher in der Regel allerdings ein hohes Gewicht und damit einen relativ niedrigen Wirkungsgrad. Horizontallaufende Windenergieanlagen haben in der Regel einen etwas besseren Wirkungsgrad, sind dafür jedoch technisch aufwendiger, erzeugen Geräusche und sind wartungsintensiv. Im Gegensatz zu Vertikalläufern müssen sie mit der Windrichtung nachgeführt werden.
-
Unter den Vertikalläufern gibt es im Wesentlichen zwei Prinzipien, auf denen die Form des Rotors basieren kann. Darrieus-Rotoren nutzen den aerodynamischen Auftrieb des Profils der Rotorblätter. Savonius-Rotoren sind Widerstandsläufer, die den Strömungswiderstand der Rotorblätter zum Antrieb nutzen.
-
Ein Savonius-Rotor besteht üblicherweise aus zwei an einer vertikalen Rotorachse angebrachten waagerechten Kreisscheiben, zwischen denen zwei oder mehr halbkreisförmig gebogene Flügel senkrecht stehend angebracht sind. Die Flügel sind gegeneinander versetzt angeordnet, so dass ein Teil des Windes von den gerade zur Strömung offenen Schaufelseite umgeleitet wird und auf die Rückseite der dort konkaven Schaufel einwirken kann. Die Wirkungsweise beruht sowohl auf dynamischem Auftrieb als auch auf widerstandsbedingtem Vortrieb. Ungebremst liegt die maximale Schnelllaufzahl bei ca. bei 1,6. Daher gilt der Savonius auch als sturmsicher. Der größte Leistungsbeiwert liegt für den Savonius normalerweise bei einer Schnelllaufzahl von ca. 0,6 bis 0,8 und ein maximaler Wirkungsgrad wird derzeit auf 28% geschätzt. In seiner verbreitetsten Anwendung dient der Savonius-Rotor als Antrieb von Lüftern auf Fahrzeugen und Kaminen.
-
Die Vorteile von Savonius-Rotoren sind dabei ihr geringes Startdrehmoment und eine hohe Ausbringung schon bei geringem Wind. Bereits ab einer Windgeschwindigkeit von 1,5 m/s kann Energie gewonnen werden. Die Rotoren sind robust, wartungsarm und einfach zu installieren. Aufgrund ihrer geringen Schnelllaufzahl müssen sie auch bei Sturm nicht gestoppt werden. Im Gegensatz zu Systemen mit horizontalen Achsen ergibt sich außerdem kein Schattenwurf.
-
Savonius-Rotoren sind daher zur Stromerzeugung in Kleinwindanlagen gut geeignet. Dabei kann sowohl eine Einspeisung des erzeugten Stroms in das öffentliche Netz erfolgen oder ein Inselsystem ohne Anschluss an das öffentliche Netz betrieben werden. Mögliche Anwendungen sind die Stromversorgung von Eigenheimen, Bauernhöfen oder Kleinbetrieben, Batterie-Ladestationen für Elektrofahrzeuge, der autarke Betrieb von Straßenbeleuchtung oder Mobilfunkmasten und Ähnliches. Denkbar ist auch die Energieversorgung von Segelschiffen und Lastkraftwagen. Außerdem eignet sich der Rotortyp auch als Wasserturbine, beispielsweise zur Stromerzeugung an kleinen Bachläufen.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen effizienten Rotor für Kleinwindanlagen bereitzustellen.
-
Diese Aufgabe wird durch den Rotor gemäß Anspruch 1 und durch die Windkraftanlage gemäß Anspruch 14 gelöst.
-
Insbesondere wird diese Aufgabe durch einen Rotor gelöst, der umfasst:
- – eine Rotationsachse;
- – einen ersten gekrümmten Hauptflügel mit einer ersten konkaven Vorderfläche; und
- – einen, insbesondere zum ersten Hauptflügel baugleichen, zweiten Hauptflügel mit einer zweiten konkaven Vorderfläche, der bezüglich der Rotationsachse achsensymmetrisch zum ersten Hauptflügel gehaltert und ausgerichtet ist;
- – einen ersten Vorflügel auf der der konkaven Fläche des ersten Hauptflügels zugewandten Seite; und
- – einen, insbesondere zum ersten Vorflügel baugleichen, zweiten Vorflügel auf der der konkaven Fläche des zweiten Hauptflügels zugewandten Seite.
-
Die Aufgabe wird also durch einen Rotor gelöst, der auf dem Prinzip eines Savonius-Rotors beruht und zusätzliche Vorflügel aufweist.
-
Durch das erfindungsgemäße Anbringen zweier Vorflügel am Rotor kann das Drehmoment, das ein durch den Rotor strömendes Fluid, insbesondere Wasser oder Luft, auf den Rotor ausübt, verstärkt werden. Mit Hilfe eines solchen Rotors kann die Effizienz der Stromerzeugung in einer Wind- oder Wasserkraftanlage erhöht werden.
-
Das Vorhandensein der Vorflügel kann dazu geeignet sein, ein räumlich und zeitlich gleichmäßigeres Drehmoment auf den Rotor zu bewirken. Dadurch kann eine Belastung der Konstruktion verringert und ein ruhigerer Umlauf des Rotors bewirkt werden.
-
Der Querschnitt der Vorflügel kann asymmetrisch ausgebildet sein, um einen (überwiegend) dynamischen Auftrieb zu erzeugen. Dabei kann der asymmetrisch geformte Vorflügel von einem Fluid so umströmt werden, dass sich auf der einen Seite ein Druck und auf der anderen Seite ein Sog ergibt. Erfindungsgemäß kann der Vorflügel so ausgeführt sein, dass die daraus resultierende Kraft auf den Flügel ein in Drehrichtung orientiertes Drehmoment auf den Rotor bewirkt. Der Vorteil besteht darin, dass der widerstandsbedingte Antrieb des Rotors durch die Hauptflügel um den aus dynamischem Auftrieb resultierenden Antrieb durch die Vorflügel verstärkt wird. Die Vorflügel können beispielsweise zumindest im Querschnitt ähnlich oder identisch wie ein Flugzeugflügel geformt sein.
-
In einem Ausführungsbeispiel ist der Abstand zwischen einem äußeren Rotationsradius eines der Vorflügel und einem inneren Rotationsradius eines der Vorflügel kleiner, insbesondere um 40%–80%, als ein äußerer Rotationsradius eines der Hauptflügel. Unter dem Rotationsradius kann dabei der Radius eines Kreises verstanden werden, den ein Punkt in einer Querschnittsfläche des Rotors bei der Rotation um die Rotationsachse beschreibt. Der äußere Rotationsradius eines der Hauptflügel oder eines der Vorflügel kann dabei der Radius eines Kreises sein, den der von der Rotationsachse am weitesten entfernte Punkt des Hauptflügels oder Vorflügels beschreibt. Der innere Rotationsradius kann entsprechend durch einen Kreis definiert sein, den ein der Rotationsachse nächstliegender Punkt eines Flügels beschreibt. Die Vorflügel können also kleiner ausgeführt werden als die Hauptflügel. Durch das daraus resultierende Größenverhältnis der Vorflügel zu den Hauptflügeln können die Vorflügel bestmöglich dazu geeignet sein, das durch die Hauptflügel erzeugte, und auf den Rotor wirkende, Drehmoment zu verstärken.
-
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der äußere Rotationsradius eines der Vorflügel kleiner als der äußere Rotationsradius eines der Hauptflügel. Die Vorflügel können also gegenüber den Hauptflügeln nach innen versetzt sein.
-
Die Vorflügel können in einem bestimmten Winkel zu den Hauptflügeln angeordnet sein. Dabei kann die Außensehne des ersten Vorflügels gegenüber der Außensehne des ersten Hauptflügels um einen Winkel von 70° bis 100° gedreht sein. Entsprechend kann die Außensehne des zweiten Vorflügels gegenüber der Außensehne des zweiten Hauptflügels ebenfalls um einen Winkel von 70° bis 100° gedreht sein. Unter einer Außensehne kann die längste mögliche Verbindungslinie zwischen zwei Punkten des konkaven Abschnitts eines Flügels in einer Querschnittsfläche verstanden werden. Die Orientierung der Haupt- und Vorflügel soll den widerstandbedingten Vortrieb durch die Hauptflügel optimal durch dynamischen Auftrieb an den Vorflügeln verstärken.
-
Der Rotor oder Teile des Rotors, insbesondere die Hauptflügel und/oder die Vorflügel, können zumindest teilweise aus einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere GFK, CFK oder Aramidfaser, hergestellt sein. Der Einsatz modernster Faserverbundwerkstoffe ermöglicht eine ultraleichtgewichtige Bauweise bei höchster Festigkeit, UV-Beständigkeit und Witterungsbeständigkeit. Ein Rotor aus ultraleichten Materialien kann einen höheren Wirkungsgrad als ein Rotor aus herkömmlichen Werkstoffen aufweisen. Darüber hinaus zeichnet sich ein Rotor aus Faserverbundwerkstoffen durch geringes Gewicht und seine einfache Transportierbarkeit aus.
-
Der Rotor kann aus einzelnen Modulen aufgebaut sein, die entlang der Rotationsachse formschlüssig verbunden werden. Die einzelnen Module sind vorzugsweise baugleich. Durch eine modulare Bauweise ergibt sich eine hohe Flexibilität, da bestehende Anlagen zur Leistungserhöhung nachgerüstet und bei Schäden einzelne Komponenten ausgetauscht werden können. Die modulare Bauweise erleichtert zudem den Transport des Rotors.
-
Eine formschlüssige Verbindung soll insbesondere auch dann bestehen, wenn die Flächen der Hauptflügel und Vorflügel sich nicht parallel zur Rotationsachse erstrecken sondern um diese spiralförmig verdreht sind. Dazu können die einzelnen Module selbst einen Teil der Verdrehung aufweisen. Formschlüssig kann insbesondere bedeuten, dass die Hauptflügel und Nebenflügel an den Grenzflächen zwischen zwei Modulen keine Kanten aufweisen.
-
Der Rotor und/oder ein einzelnes Rotormodul kann auf mindestens einer Seite eine zur Rotationsachse senkrechte Platte oder Stege aufweisen, die mit den Hauptflügeln, den Vorflügeln und/oder der Rotationsachse verbunden ist. Diese Platte kann dazu vorgesehen sein, die Position der Hauptflügel und Vorflügel zueinander und zur Rotationsachse zu definieren. Bei der Platte kann es sich um eine Kreisscheibe handeln. Auch eine kreisförmige Platte mit bereichsweisen Aussparungen ist vorstellbar. Auf diese Weise kann Material und Gewicht eingespart werden. Die Platte ist dazu geeignet, Strömungskomponenten in Längsrichtung (Z-Achse) zu unterdrücken. Diese Kräfte können dem Drehmoment zugutekommen.
-
In einem Ausführungsbeispiel sind die Hauptflügel und/oder die Vorflügel entlang der Rotationsachse spiralförmig verdreht. Mit einer solchen Helix-Struktur bieten die konkaven Vorderflächen der Hauptflügel einem aus beliebiger Richtung strömenden Fluid bei jedem Rotationswinkel eine Angriffsfläche. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass der Rotor in jedem Punkt der Rotation ein antreibendes Drehmoment erfährt. Zudem entfallen störende Wechsel von starker und schwacher Belastung der Rotor-Konstruktion während der Rotation.
-
Die spiralförmige Verdrehung der Hauptflügel und/oder der Vorflügel kann so ausgeführt sein, dass die Verdrehung über die gesamte Länge der Rotationsachse einer halben oder ganzen Umdrehung entspricht. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die sich einer bestimmten Anströmrichtung bietende konkave Vorderfläche der Hauptflügel bei jedem Rotationswinkel gleich ist. Auch die Stellung der Vorflügel bietet dann bei jedem Rotationswinkel die gleiche Auftriebswirkung. Damit ergibt sich bei konstanter Anströmung ein über die gesamte Rotation gleichförmiges Drehmoment.
-
Eine Möglichkeit zur Ausführung der Vorflügel sieht eine Maximalwandstärke eines der Vorflügel vor, die mindestens das Doppelte der durchschnittlichen Wandstärke eines der Hauptflügel beträgt. Als Wandstärke kann man dabei den kürzesten Abstand zwischen einem bestimmten Punkt der konkaven Vorderfläche und der konvexen Rückfläche eines Hauptflügels oder eines Vorflügels verstehen. Die Wandstärke der Strömungswiderstand erzeugenden Hauptflügel kann zur Einsparung von Material und Gewicht gering gehalten werden. Zur Erzeugung eines dynamischen Auftriebs können die Vorflügel hingegen ein Profil aufweisen, das eine dickere Wandstärke beinhaltet.
-
Eine weitere Möglichkeit zur Ausführung der Vorflügel sieht eine Rundung der Außenkante eines Vorflügels vor, deren Krümmungsradius mindestens 10% der Maximalwandstärke des Vorflügels beträgt. Als Außenkante kann die von der Rotationsachse am weitesten entfernte Seite des Vorflügels bezeichnet werden. Eine abgerundete Außenkante der Vorflügel kann die aerodynamischen Eigenschaften des Rotors verbessern.
-
Des Weiteren kann die oben genannte Aufgabe durch eine Windkraftanlage gelöst werden, die einen der zuvor beschriebenen Rotoren und einen Generator umfasst, wobei der Rotor mechanisch, insbesondere über ein Getriebe, mit dem Generator verbunden ist.
-
In einem Ausführungsbeispiel ist die Rotationsachse des Rotors vertikal ausgerichtet. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass der Rotor aus beliebigen horizontalen Windrichtungen angetrieben werden kann.
-
Der Generator oder Teile des Generators können in den Rotor, insbesondere in die Rotationsachse, integriert werden. Das ermöglicht eine besonders einfache Übertragung der Bewegung vom Rotor auf den Generator, für die ein Getriebe prinzipiell nicht benötigt wird. Dadurch lässt sich Material und Platz einsparen.
-
Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele ergeben sich anhand der Unteransprüche.
-
Nachfolgend wird die Erfindung mittels mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben, die anhand von Abbildungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
-
1 eine Schnittfläche eines Rotors;
-
2 eine Schnittfläche eines Rotors und Kreise verschiedener Rotationsradien;
-
3 eine Schnittfläche eines Rotors und Außensehnen eines Haupt- und eines Vorflügels;
-
4 eine Schnittfläche eines Vorflügels;
-
5 ein Rotor; und
-
6 eine Draufsicht auf einen Schnitt durch ein Rotormodul.
-
In den nachfolgenden Beschreibungen werden für gleiche und gleich wirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
-
Die 1 zeigt eine Schnittfläche eines Rotors mit einem ersten gekrümmten Hauptflügel 12 und einem achsensymmetrisch bezüglich einer Rotationsachse 10 angeordneten zweiten gekrümmten Hauptflügel 13. Die beiden Hauptflügel 12, 13 sind insbesondere identisch. Auf den Seiten der konkaven Vorderflächen der Hauptflügel 12, 13 sind ein erster 15 und ein zweiter 16 Vorflügel gehaltert. Die konkaven Vorderseiten der Hauptflügel wirken als Widerstand für ein einströmendes Fluid und erzeugen eine Rotation des Rotors. Die Vorflügel erzeugen bei Anströmung durch ein Fluid einen dynamischen Auftrieb. Beide Effekte führen für den gezeigten Rotor zu einer Drehung im Uhrzeigersinn unabhängig von der Windrichtung.
-
Die in 1 gezeigte Anordnung der Hauptflügel 12, 13 und Vorflügel 15, 16 kann so beschrieben werden, dass die Orientierung des ersten Hauptflügels 12 als 0° bezeichnet wird. Unter der Orientierung kann beispielsweise die Verbindungslinie zwischen den beiden Endpunkten des ersten Hauptflügels verstanden werden. Der Winkel soll dabei von der Rotationsachse 10 aus gemessen werden. Der zweite Hauptflügel 13 ist bei 180° angebracht. Die in 1 gezeigte mögliche Anordnung des ersten Vorflügels 15 befindet sich dann ungefähr bei 50° und die Anordnung des zweiten Vorflügels 16 entsprechend bei 230°.
-
Die 2 zeigt eine Schnittfläche eines Rotors wie in 1 und zusätzlich Rotationsradien 21, 22, 23. Gezeigt sind ein innerer Rotationsradius 21 eines Vorflügels 15, 16, ein äußerer Rotationsradius 22 eines Vorflügels 15, 16 und ein äußerer Rotationsradius 23 eines Hauptflügels 12, 13. Der Rotationsradius 21, 22, 23 ist dabei der Radius eines Kreises, den ein Punkt bei einer Rotation um die Rotationsachse 10 beschreibt. Der äußere Rotationsradius 22, 23 eines Flügels 12, 13, 15, 16 bezieht sich dabei auf den von der Rotationsachse 10 am weitesten entfernten Punkt des Flügels 12, 13, 15, 16 und der innerer Rotationsradius 21 entsprechend auf den der Rotationsachse 10 nächstliegenden Punkt eines Vorflügels 15, 16. Im Ausführungsbeispiel aus 2 ist der Abstand zwischen dem äußeren 22 und dem inneren 21 Rotationsradius eines Vorflügels 15, 16 etwa 60% kleiner als der äußere Rotationsradius 23 eines Hauptflügels 12, 13. Zudem sind die Vorflügel 15, 16 gegenüber den Hauptflügeln 12, 13 nach innen versetzt. Dies zeigt sich darin, dass der äußere Rotationradius 22 der Vorflügel 15, 16 kleiner als der äußere Rotationsradius 23 der Hauptflügel 12, 13 ist.
-
In der 3 ist eine Schnittfläche eines Rotors mit Außensehnen 25, 26 des ersten Vorflügels 15 und des ersten Hauptflügels 12 gezeigt. Dabei wird die längste mögliche Verbindungslinie zwischen zwei Punkten des konkaven Abschnitts einer Schnittfläche der Flügel 12, 13, 15, 16 als Außensehne 25, 26 bezeichnet. In dem Ausführungsbeispiel in 3 beträgt der Winkel α zwischen der Außensehne 25 des ersten Vorflügels 15 und der Außensehne 26 des ersten Hauptflügels 12 etwa 90°. Eine entsprechende Anordnung gilt für den zweiten Vorflügel 16 und zweiten Hauptflügel 13, da sie in der 3 achsensymmetrisch zum ersten Vorflügel 15 und ersten Hauptflügel 12 bezüglich der Rotationsachse 10 angeordnet sind.
-
Die 4 zeigt einen Schnitt durch einen ersten Vorflügel 15. Um einen dynamischen Auftrieb zu erzeugen, ist der Vorflügel 15 in der Art einer Tragfläche geformt. Gezeigt sind eine Maximalwandstärke 27 und eine Außenkante 29 des Vorflügels 15. Eine Wandstärke bezeichnet den kürzesten Abstand zwischen einem Punkt der konkaven Vorderfläche und der konvexen Rückfläche des Vorflügels. Die Maximalwandstärke 27 wird somit, wie in 4 gezeigt, an der breitesten Stelle des Schnitts durch den Flügel erzielt. Die Außenkante 29 ist die am weitesten von der Rotationsachse 10 entfernte Seite des Vorflügels 15. In der 4 weist die Außenkante 29 eine erfindungsgemäße Rundung auf, die einen Krümmungsradius von nicht weniger als 10% der Maximalwandstärke 27 hat.
-
In der 5 ist ein Ausführungsbeispiel für einen Rotor gezeigt. Die Hauptflügel 12, 13 und die Vorflügel 15, 16 sind spiralförmig um die Rotationsachse 10 verdreht. Die Rotationsachse 10 ist vertikal orientiert. Die Orientierung der konkaven Vorderfläche des ersten Hauptflügels 12 ändert sich über die gesamte Länge der Rotationsachse 10 um 180°. In der 5 zeigt die konkave Vorderfläche des ersten Hauptflügels 12 am oberen Ende des Rotors, bzw. der Rotationsachse 10, vom Betrachter nach hinten, am unteren Ende der Rotationsachse 10 nach vorne. Die Flächen des zweiten Hauptflügels 13 und des ersten 15 und zweiten 16 Vorflügels sind auf entsprechende Weise ausgeführt.
-
In der 6 ist eine Draufsicht auf ein Modul eines Rotors gezeigt. Das Modul wird am unteren Rand durch eine kreisförmige Platte 18 begrenzt. Die zu dem Rotormodul gehörenden Teile der Hauptflügel 12, 13 und der Vorflügel 15, 16 sind mit der Platte 18 verbunden und ragen aus der Ebene der Platte 18 heraus. Um einen Aufbau eines spiralförmig verdrehten Rotors aus baugleichen Modulen formschlüssig zu erzeugen, sind die Teile der Flügel 12, 13, 15, 16 in dem Modul gekippt und führen einen Teil der Verdrehung um die Rotationsachse 10 aus. Bei einem Aneinanderfügen mehrerer solcher Module ergibt sich die in 5 gezeigte durchgängige Form der Hauptflügel 12, 13 und Vorflügel 15, 16.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Rotationsachse
- 12
- Erster Hauptflügel
- 13
- Zweiter Hauptflügel
- 15
- Erster Vorflügel
- 16
- Zweiter Vorflügel
- 18
- Platte
- 21
- innerer Rotationsradius eines Vorflügels
- 22
- äußerer Rotationsradius eines Vorflügels
- 23
- äußerer Rotationsradius eines Hauptflügels
- 25
- Außensehne des ersten Vorflügels
- 26
- Außensehne des ersten Hauptflügels
- 27
- Maximalwandstärke des ersten Vorflügels
- 29
- Außenkante des ersten Vorflügels
- α
- Winkel zwischen der Außensehne des ersten Vorflügels und der Außensehne des ersten Hauptflügels
