DE102018000558A1

DE102018000558A1 - Rotorblatt in Deltaform für Windkraftanlagen

Info

Publication number: DE102018000558A1
Application number: DE102018000558.6A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-01-24
Filing date: 2018-01-24
Publication date: 2019-07-25

Abstract

Vertikalachs-Windkraftanlagen verwenden asymetrische und symetrische Auftriebsprofile. Die Flügel sind gerade oder gebogen oder verwunden mit gleichbleibendem Querschnitt entlang der Längsachse. Leistung, Wirkungsgrad und die Schnelllaufzahl sind nicht wesentlich besser geworden. Durch die Deltaform der Flügel wird die Leistung, der Wirkungsgrad und die Schnelllaufzahl wesentlich verbessert.Der Deltaflügel (6) erzeugt in der Summe mehr Auftrieb. In seiner Form mit Auftriebsprofil (13) erzeugt er Randwirbel und Auftrieb durch Überströmung in der Anlaufphase.Der Deltaflügel lässt sich für alle Windkraftanlagen vorzugsweise für Vertikalachs-Windkraftanlagen in jeder Größe verwenden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vertikalachs-Windturbine mit mindestens einem Rotorblatt mit Randwirbel und Auftrieb durch Überströmung erzeugender Blattform, vorzugsweise in Deltaform mit der Spitze in Laufrichtung.
Vertikalachs-Windturbinen verwenden asymetrische- und symetrische Auftriebsprofile. Horizontalachs-Windturbinen werden ausschließlich mit asymetrische Auftriebsprofile ausgestattet. Die Rotorblätter dieser Turbinen haben einen nach außen abnehmenden Querschnitt und sind in sich um 10° bis 20° verwunden. Bei all diesen Profilen wird der Auftrieb durch Überströmung des Blattes erzeugt. Windturbinen mit vertikaler Achse haben gegenüber solchen mit horizontaler Achse den Vorteil, dass der ganze Rotor nicht in die gerade vorherrschende Windrichtung gedreht werden muss. Die Rotorblätter haben einen gleichbleibenden Querschnitt ohne Verwindung und können an mehreren Punkten gehalten werden. Trotzdem werden Horizontalachs-Windturbinen bisher bevorzugt, da sie einen etwas höheren Wirkungsgrad haben und einen breiteren Bereich der Windgeschwindigkeit nutzen, während bisherige Vertikalachs-Windturbinen außerhalb eines engen Bereichs der Schnelllaufzahl in ihrer Leistung schnell abfallen. Außerdem stellt der Anlauf von Vertikalachs-Windturbinen ein Problem dar. Es sind deshalb bereits große Anstrengungen unternommen worden, um sowohl die Anlaufprobleme bei Vertikalachs-Windturbinen zu lösen, den Bereich der Schnelllaufzahl zu verbreitern und auch die Steuerbarkeit der Rotorblätter zu ermöglichen.
Rotoren mit Rotorblätter, deren Anstellwinkel gegenüber ihren Tragstangen während jeden Umlaufs durch eine Steuereinrichtung verstellt werden können, wie sie z.B. in DE-OS 43 05 600 vorgeschlagen wurde, haben sich indessen auf Grund der komplizierten Mechanik, des Verschleißes und der notwendigen Steuerenergie nicht bewährt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vertikalachs-Windturbine anzugeben, die mit hoher Energieausbeute arbeitet und einen breiten Bereich der Schnelllaufzahlen erreicht. Außerdem soll sie selbst anlaufen können und gegebenenfalls mit einfachen Mitteln steuerbar sein.
Erfindungsgemäß werden die Aufgaben gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Danach sind das oder die Rotorblätter in einer Randwirbel erzeugenden Form, vorzugsweise eine Deltaform, mit der Spitze in Laufrichtung gestaltet. Der Spitzenwinkel kann zwischen 30° und 160° liegen. Die angeströmte Kante kann gerade oder gebogen oder in Stufen abgeknickt gestaltet sein. Das Rotorblatt kann mit einem Auftriebsprofil und ohne Auftriebsprofil ausgeführt werden. Die hintere Kante kann in der Draufsicht gerade oder gebogen oder wellenförmig oder in Stufen abgeknickt nach innen oder außen gestaltet sein.
In vorteilhafter Weise können die Rotorblätter an der Spitze abgerundet geformt sein. Die Enden der Flügel können spitz zulaufen oder abgeschnitten oder abgerundet oder mit einem Wirbelverlustschutz versehen sein.
Auch die gesamte Flügelfläche kann eben oder gebogen oder gewellt oder abgeknickt sein. Weiterhin kann der Flügel insgesamt entsprechend der Umlaufbahn gekrümmt sein. Die angeströmten Kanten können unterschiedlich lang und damit bezüglich der horizontalen Mittellinie asymetrisch gestaltet sein.
Die erfindungsgemäße Rotorblattgestaltung bietet mehrere Vorteile. Der Auftrieb entsteht in zwei Phasen, anfänglich durch Überströmung des Profils, bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten bilden sich Randwirbel, die einen zusätzlichen Auftrieb bewirken. In der Summe entsteht deutlich mehr Auftrieb als an konventionellen Auftriebsprofilen. Diese Flügel ermöglichen die Energiegewinnung sowohl beim vorderen Umlauf als auch beim hinteren Umlauf. In der Wirkung kommt das einem Hintereinanderaufbau zweier Rotoren gleich. Der System c_p steigt somit erheblich an.
Zusätzlich können ein oder mehrere Rotorblätter um eine senkrechte imaginäre Blattachse drehbar gelagert sein. Über ein Gestänge kann ihr Anstellwinkel individuell verstellt werden. Eine zyklische Rotorblattverstellung ist dagegen nicht vorgesehen. Im Betriebsbereich kann durch die Verstellung die Leistungsabgabe gesteuert und der selbständige Anlauf erreicht werden. Auch eine Sturmabschaltung ist dadurch möglich.
Durch die erfindungsgemäße Blattform wird der Bereich der Schnelllaufzahl, in dem die Windturbine unter Leistungsabgabe betrieben werden kann, wesentlich erweitert. Auch der Bereich des günstigen Anstellwinkels zum Wind ist bei Randwirbel erzeugenden Blättern breiter, was beim Vertikalumlauf und bei Windgeschwindigkeitsschwankungen Vorteile liefert.
Der Rotor kann auf ein Getriebe und einen Generator oder auch direkt auf einen getriebelosen Generator arbeiten. Rotor und Generator können über eine lange Welle in unterschiedlicher Höhe angeordnet sein. Auch die mehrfache Anordnung von Generatoren ist möglich, um bei unterschiedlich starkem Wind auch den Teillastbereich (ca. 3-15 m/s) voll zu nutzen. Dabei können die Generatoren verschiedene Nennleistungen aufweisen.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

1 eine Darstellung einer Vertikalachs-Windkraftanlage nach der Erfindung,
2 ein Rotorblatt nach der Erfindung in Seitenansicht,
3 ein Rotorblatt nach der Erfindung in Draufsicht in der Schnittebene.

1 zeigt eine Vertikalachs-Windkraftanlage 1 für den Netzparallelbetrieb. Der Rotor ist aus drei gleichen, mit der Spitze in Laufrichtung drehenden Rotorblättern 6 aufgebaut. Die Rotorblätter 6 werden von den Tragkonstruktionen 7 aufgenommen und sind darüber mit der Nabe 8 verbunden. Die Tragkonstruktionen können selbst als Auftriebsprofile gestaltet sein. Sie bringen einen zusätzlichen Beitrag zur Rotorleistung. Wie insbesondere aus 2 ersichtlich haben die Rotorblätter 6 eine DeltaForm mit 105° Spitzenwinkel und mit parallel zur horizontalen Symetrieachse abgeschnitten gestaltete Enden. An der angeströmten Kante des Delta-Flügels befindet sich innen ein Auftriebsprofil 13.
Die Rotorblätter 6 werden aus Epoxyd-Glasfasermaterial mit inneren Versteifungen hergestellt. Aus 3 ist die Lage des Auftriebsprofils 13 ersichtlich. Die Tragkonstruktionen 7 bestehen vorzugsweise aus Aluminiumprofilen. Sie werden über Haltevorrichtungen 10 und Halteseile 9 mit den Rotorblättern 6 verbunden. Die Fliehkräfte werden zusätzlich durch die Halteseile 9 aufgenommen. Die Abtriebswelle 5 wird in einem Stützrohr 11 geführt. Das Stützrohr 11 ist mit dem Maschinenhaus 12 verbunden. Hier wird über das Getriebe 4 der Generator 3 angetrieben. Das Maschinenhaus 12 ist auf einen Turm 2 montiert.
Zur Sturmabschaltung werden ein oder mehrere Rotorblätter 6 an der Haltevorrichtung 10 so montiert, dass sie bei Überdrehzahl durch einen Federmechanismus ausklappen.
Durch die Erfindung ist es möglich, die prinzipiellen Vorteile der Vertikalachs-Windturbinen konkurrenzfähig zum Einsatz zu bringen. Die Vorteile dieser Windkraftanlage, die Windrichtungsunabhängigkeit und damit der Wegfall der Windnachführungseinrichtung, der zwei phasen Auftrieb an den Delta-Flügeln, der Gewinn aus vorderem und hinterem Umlauf und der Auftrieb an der Tragkonstruktion kommen zum Tragen. Die kostengünstigere, weil das Maschinenhaus weiter unten im Turm angeordnet ist, Turmkonstruktion kommt hinzu. Damit ist eine höhere Wirtschaftlichkeit der Windenergienutzung als bisher zu erreichen. Diese Grundprinzipien lassen sich auf Anlagen jeder Größe übertragen.
Bezugszeichenliste

1: Vertikalachs-Windkraftanlage
2: Turm
3: Generator
4: Getriebe
5: Bereich (der Abtriebswelle)
6: Rotorflügel
7: Traggestänge
8: Nabe
9: Halteseile
10: Haltevorrichtung
11: Stützrohr
12: Maschinenhaus
13: Auftriebsprofil

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

DE 4305600 [0003]

Claims

Vertikalachs-Windturbine mit mindestens einem Rotorflügel (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Flügelform Randwirbel erzeugt, vorzugsweise in Deltaform (6) mit der Spitze in Laufrichtung.
Vertikalachs-Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spitzenwinkel des Rotorflügels (6) zwischen 30° und 160° liegt.
Vertikalachs-Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die angeströmte Kante des Rotorflügels (6) gerade oder gebogen oder in Stufen abgeknickt gestaltet ist.
Vertikalachs-Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze des Rotorflügels (6) abgerundet geformt ist.
Vertikalachs-Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden des Rotorflügels (6) spitz zulaufen oder abgeschnitten oder gebogen oder mit einem Wirbelverlustschutz versehen sind.
Vertikalachs-Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hintere Kante des Rotorflügels (6) in der Draufsicht gerade oder gebogen oder wellenförmig oder in Stufen abgeknickt nach innen oder außen gestaltet ist.
Vertikalachs-Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorflügel (6) mit einem Auftriebsprofil (13) versehen ist oder ohne Auftriebsprofil.
Vertikalachs-Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche des Rotorflügels (6) eben oder gebogen oder gewellt oder abgeknickt ist.
Vertikalachs-Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorflügel (6) an die gekrümmte Umlaufbahn angeformt ist.
Vertikalachs-Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorderen angeströmten Kanten des Rotorflügels (6) unterschiedlich lang und damit asymetrisch bezüglich der horizontalen Mittellinie gestaltet sind.