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Die Erfindung betrifft einen Fluidturbinenrotor für eine Vertikalachsen-Fluidturbine, vorzugsweise für eine Vertikalachsen-Windturbine, mit mindestens einem mittels eines Lagermittels drehbar gelagerten Rotorflügelhaltemittel, mindestens einem axial beabstandet zu dem ersten Rotorflügelhaltemittel angeordneten zweiten drehbar gelagerten Rotorflügelhaltemittel, und mehreren im Wesentlichen gleichmäßig entlang des Umfangs der Rotorflügelhaltemittel angeordneten Rotorflügeln, wobei die Rotorflügel in einem radial äußeren Abschnitt der Rotorflügelhaltemittel in einer Rotorflügellagerung derart schwenkbar gelagert sind, dass die Rotorflügel auf einer Fluidangriffsseite jeweils mit ihrem freien Ende derart an Anschlagmitteln anschlagen, dass sie im Wesentlichen quer zu einer Strömungsrichtung ausgerichtet sind und auf der Fluidgegenstromseite mit ihrem freien Ende derart radial nach außen ausschwenken, dass die Rotorflügel im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung ausgerichtet sind.
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Derartige Vertikalachsen-Fluidturbinen werden typischerweise zur Energiegewinnung eingesetzt. Dabei wird durch die kinetische Energie der Fluidströmung ein Fluidturbinenrotor zumeist durch Strömungswiderstände bildende Rotorflügel in eine Drehbewegung versetzt, wobei die Drehbewegung des Fluidturbinenrotors mittels eines Generators in elektrische Energie konvertiert wird. Derartige sogenannte Widerstandsläufer eignen sich als Vertikalachsen-Windturbinen insbesondere für die Gewinnung elektrischer Energie aus Windkraft.
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Im Vergleich zu Horizontalachsen-Windturbinen, die aufwändige Regelungen benötigen, um die Rotorblätter optimal entgegen der Windrichtung auszurichten, besitzen Vertikalachsen-Windturbinen den Vorteil, dass sie windrichtungsunabhängig betreibbar sind. Dadurch eignen sich Vertikalachsen-Windturbinen auch für Gegenden mit turbulenteren Windverhältnissen, wenngleich deren Effizienz aufgrund der auf der Gegenstromseite sich entgegen der Windrichtung drehenden Rotorflügel nicht an die Effizienz von Horizontalachsen-Windturbinen heranreicht.
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Zur Steigerung der Effizienz von Vertikalachsen-Windturbinen offenbart beispielsweise die
US 2012/0301297 A1 eine Fluidturbinenvorrichtung, insbesondere eine Vertikalachsen-Windturbine zur Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie. Die offenbarte Vertikalachsen-Windturbine ist als Widerstandsläufer ausgebildet und weist einen Rotor mit mehreren Rotorflügeln auf, der um eine Rotorachse drehbar ist. Die einzelnen Rotorflügel sind jeweils mittels einer distalen Rotorflügelschwenkachse schwenkbar gelagert, die über eine Rahmenstruktur mit der Rotorachse verbunden ist.
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Auf der Fluidangriffsseite schlagen die Rotorflügel derart an der Rahmenstruktur an, dass die Rotorflügel quer zur Strömungsrichtung ausgerichtet sind und eine Strömungswiderstandsfläche bilden, wodurch die an den Rotorflügeln angreifende Windströmung den Rotor der Windturbine in Rotation versetzt. Folglich bewegen sich die Rotorflügel auf der Fluidangriffsseite in Richtung der Windströmung.
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Auf der Gegenstromseite, die von der Fluidangriffsseite durch eine parallel zur Strömung und durch die Rotorachse verlaufende Ebene strömungstechnisch separiert ist, bewegen sich die Rotorflügel entgegen der Windströmungsrichtung. Um einen möglichst geringen Strömungswiderstand auf der Gegenstromseite sicherzustellen, schwenken die Rotorflügel selbstständig um ihre Rotorflügelschwenkachse und richten sich dadurch parallel zur Strömungsrichtung aus. Somit zeichnet sich eine derartige Vertikalachsen-Windturbine gegenüber einer herkömmlichen Vertikalachsen-Windturbine mit starren Rotorflügeln, die den Energiegewinn auf der Fluidangriffsseite durch ihre starren und auf der Gegenstromseite bremsenden Rotorflügel zumindest teilweise wieder zunichtemacht, durch einen deutlich geringeren Strömungswiderstand auf der Gegenstromseite und folglich durch eine gesteigerte Effizienz aus. Daraus folgt, dass sich eine Vertikalachsen-Windturbine mit schwenkbaren Rotorflügeln hinsichtlich ihres Wirkungsgrades dem Wirkungsgrad einer Horizontalachsen-Windturbine zumindest nähert.
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Zur weiteren Steigerung des Wirkungsgrads gegenüber einer Vertikalachsen-Fluidturbine mit schwenkbaren Rotorflügeln gemäß dem Stand der Technik wird ein erfindungsgemäßer Fluidturbinenrotor für eine Horizontalachsen-Fluidturbine mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 vorgeschlagen, der die Fluidangriffskraft effizienter nutzt.
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Der erfindungsgemäße Fluidturbinenrotor umfasst mindestens ein Rotorflügelhaltemittel, welches mittels eines Lagermittels drehbar gelagert ist. Ferner umfasst der Fluidturbinenrotor mindestens ein weiteres Rotorflügelhaltemittel, welches axial beabstandet zu dem ersten Rotorflügelhaltemittel angeordnet ist. Weiterhin umfasst der Fluidturbinenrotor mehrere im Wesentlichen gleichmäßig entlang des Umfangs der Rotorflügelhaltemittel angeordnete Rotorflügel, die in einem radial äußeren Abschnitt der Rotorflügelhaltemittel gelagert sind. Dieser radial äußere Abschnitt erstreckt sich vorzugsweise von der Hälfte des Fluidturbinenrotor-Radius bis zu dem radial äußeren Ende des Fluidturbinenrotors. Die Rotorflügel sind axial beidseitig in jeweils einem der Rotorflügelhaltemittel schwenkbar in einer Rotorflügellagerung gelagert, die beispielsweise durch ein Lagermittel in dem Rotorflügelhaltemittel gebildet sein kann, in welche beispielsweise ein an dem Rotorflügel angeordneter Zapfen greift.
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Grundsätzlich können in einem Rotorflügelhaltemittel axial einseitig mehrere oder alle Rotorflügel gelagert sein. Dazu können die Rotorflügelhaltemittel jeweils als Kreisscheibe ausgebildet sein, wobei jeweils ein Rotorflügelhaltemittel jeweils ein axiales Ende aller Rotorflügel aufnimmt. Alternativ kann jeder Rotorflügel axial beidseitig in jeweils einem separaten Rotorflügelhaltemittel gelagert sein.
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Die Rotorflügel sind derart angeordnet, dass sie auf einer Fluidangriffsseite, mit ihrem freien Ende jeweils an Anschlagmitteln anschlagen. Dabei schlägt jeder einzelne Rotorflügel derart an dem jeweiligen Anschlagmittel an, dass er im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung ausgerichtet ist, d.h. jeder Rotorflügel ist auf der Fluidangriffsseite derart angeordnet, dass er sich im Wesentlichen in radialer Richtung zwischen einer Rotorachse des Fluidturbinenrotors und seiner jeweiligen Rotorflügelschwenkachse erstreckt. Dadurch bildet jeder Rotorflügel auf der Fluidangriffsseite eine Strömungswiderstandsfläche, an der die Fluidströmung angreift, sodass jeder einzelne Rotorflügel auf der Fluidangriffsseite durch die Strömung angeschoben wird, wodurch der Fluidturbinenrotor in Rotation versetzt wird. Die Fluidangriffsseite definiert somit die Seite des Fluidturbinenrotors, auf der sich die einzelnen Rotorflügel zumindest teilweise in Strömungsrichtung bewegen. Die Fluidangriffsseite ist somit von der Strömungsrichtung abhängig und erstreckt sich über einen Winkel von 180°.
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Grundsätzlich schlägt jeder Rotorflügel an den Anschlagmitteln an, solange sich seine jeweilige Rotorflügellagerung auf der Fluidangriffsseite befindet und solange die Fluidströmung an der dem Anschlagmittel gegenüberliegenden Seite des Rotorflügels angreift, d.h. solange die dem Anschlagmittel gegenüberliegende Seite des Rotorflügels angeströmt wird. Aufgrund der Drehbewegung des Rotors verändert sich lediglich der Anstellwinkel des Rotorflügels in Bezug auf die Strömungsrichtung auf der Fluidangriffsseite, dennoch ist auf der Fluidangriffsseite permanent mindestens eine Komponente des Anstellwinkels quer zur Strömungsrichtung ausgerichtet.
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Auf einer der Fluidangriffsseite gegenüberliegenden Gegenstromseite bewegen sich die Rotorflügel zumindest teilweise entgegen der Strömungsrichtung des Fluids. Die Gegenstromseite erstreckt sich somit über die verbleibenden 180° des Fluidturbinenrotors, die gegenüber der Fluidangriffsseite angeordnet sind. Die Gegenstromseite und die Fluidangriffsseite sind folglich strömungstechnisch durch eine die Rotorachse aufnehmende parallel zur Strömungsrichtung angeordnete Ebene getrennt.
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Sobald die Rotorlagerung die Gegenstromseite erreicht, greift die Fluidströmung auf der Anschlagseite des Rotorflügels an, wodurch sich der jeweilige Rotorflügel von seinem jeweiligen Anschlagmittel abhebt. Infolgedessen schwenkt der Rotorflügel um seine jeweilige Rotorflügelschwenkachse im Wesentlichen radial nach außen und richtet sich parallel zur Strömungsrichtung des Fluids aus. Dadurch bildet jeder einzelne Rotorflügel auf der Gegenstromseite einen relativ geringen Strömungswiderstand. Durch die schwenkbare Lagerung des Rotorflügels behält der Rotorflügel seine strömungsgünstige parallele Ausrichtung während sich der Fluidturbinenrotor weiter dreht und sich die jeweilige Rotorflügellagerung entgegen der Strömung bewegt.
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Wenn die Rotorflügellagerung wiederum die Fluidangriffsseite erreicht, wird erneut die dem Anschlagmittel gegenüberliegende Seite des Rotorflügels angeströmt, wodurch der Rotorflügel erneut mit seiner Anschlagseite gegen das jeweilige Anschlagmittel anschlägt und sich quer zur Strömungsrichtung ausrichtet.
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Die Rotorflügel sind als elastisch verformbare Flächenelemente ausgebildet, d.h. die Rotorflügel weisen eine gewisse Biegsamkeit auf, wodurch sie sich auf der Fluidangriffsseite infolge der Fluidangriffskraft elastisch verformen. Die elastischen Flächenelemente verformen sich infolge der Fluidangriffskraft derart, dass sie eine gewölbte bzw. gekrümmte Form annehmen. Dabei ist die konkav gekrümmte Seite der Flächenelemente im Wesentlichen entgegen der Strömung ausgerichtet. Durch die Drehung des Rotors verändert sich der Anstellwinkel der Rotorflügel auf der Fluidangriffsseite permanent, wodurch sich die Strömungsverhältnisse gleichermaßen permanent ändern. Je nach Anstellwinkel wird durch die gekrümmte Form des Flächenelements eine zusätzliche Auftriebskraft erzeugt, die einen Unterdruck auf der Leeseite des Rotorflügels bewirkt, und dadurch als Schubkraft in Rotationsrichtung wirkt. Verglichen mit einem herkömmlichen als Widerstandsläufer ausgebildeten Fluidturbinenrotor mit starren und nicht elastischen Rotorflügeln erreicht der erfindungsgemäße Fluidturbinenrotor durch die elastischen Rotorflügel einen höheren Wirkungsgrad. Zusätzlich nehmen die elastischen Flächenelemente auf der Gegenstromseite ihre im wesentlichen ebene Ausgangsform an, wodurch die Rotorflügel auf der Gegenstromseite einen besonders geringen Strömungswiderstand aufweisen.
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Ferner wird durch die Verformung der Flächenelemente ähnlich einer Feder in dem verformten Flächenelement ein zusätzlicher Betrag an kinetischer Energie der Fluidströmung in Form von potentieller Energie gespeichert, die den Gesamtenergieertrag jedes einzelnen Rotorflügels gegenüber einem herkömmlichen Fluidturbinenrotor mit starren Rotorflügeln erhöht. Die in dem elastisch verformten Flächenelement gespeicherte potentielle Verformungsenergie bewirkt bei ihrer Freisetzung, nämlich bei der Ausschwenkbewegung des Rotorflügels während seines Übergangs von der Fluidangriffsseite auf die Gegenstromseite, eine zusätzliche Beschleunigung des Rotorflügels, die auf der Gegenstromseite wiederum einen zusätzlichen Impuls in Rotationsrichtung des Rotors erzeugt. Der zusätzliche Impuls resultiert in einer zusätzlichen Schubkraft in tangentialer Richtung, der die durch den Rotorflügel erzeugte Tangentialkraft und somit das resultierende Drehmoment des Fluidturbinenrotors zusätzlich kurzzeitig erhöht.
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Somit wird durch den erfindungsgemäßen Fluidturbinenrotor nicht nur das Drehmoment durch die zusätzliche von den gekrümmten Rotorflügeln erzeugte Auftriebskraft erhöht und der Strömungswiderstand auf der Gegenstromseite gegenüber einem herkömmlichen Fluidturbinenrotor mit starren Rotorblättern reduziert, sondern durch die Speicherung und Freisetzung von zusätzlicher Energie durch die elastisch verformbaren Flächenelemente auf der Gegenstromseite ein zusätzlicher Drehmomentschub bewirkt, der die Gesamteffizienz des Fluidturbinenrotors und damit den Wirkungsgrad der Vertikalachsen-Windturbine verbessert.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Ausschwenkbewegung jedes Rotorflügels durch einen Schwenkanschlag begrenzt. Der Schwenkanschlag ist derart angeordnet, dass jeder einzelne Rotorflügel nicht in die maximale radiale Ausschwenkposition ausschwenken kann, d.h. der Rotorflügel kann mit seinem freien Ende nicht derart weit ausschwenken, dass er in Bezug auf die Rotorachse vollständig radial ausgerichtet ist. Somit ist der Schwenkwinkel jedes Rotorflügels vorzugsweise kleiner als 180°. Auf der Fluidangriffsseite liegt der Rotorflügel gegen den Anschlag an, sodass sich das freie Ende des Rotorflügels nahezu an der Rotorachse befindet und der Rotorflügel sich im Wesentlichen in Bezug auf seine Rotorflügelschwenkachse radial nach innen erstreckt. In dem Moment, wenn der Rotorflügel die Gegenstromseite erreicht, schwenkt der Rotorflügel unter hoher Beschleunigung aus und richtet sich grundsätzlich parallel zur Strömung aus. Aufgrund des Schwenkanschlags kann der Rotorflügel sich in einem ersten Sektor der Gegenstromseite zunächst nicht vollständig parallel zur Fluidströmung ausrichten und weist gegenüber der Strömung einen leichten Anstellwinkel auf, d.h. das freie Ende des Rotorflügels zeigt leicht entgegen der Rotationsrichtung. Demzufolge greift die Strömung kurzzeitig auf der Gegenstromseite an dem Rotorflügel an und bewirkt eine Tangentialkraft in Rotationsrichtung des Rotors, wodurch auf der Gegenstromseite ein zusätzliches Drehmoment erzeugt wird, dass die Effizienz des Fluidturbinenrotors gegenüber einem herkömmlichen Rotor zusätzlich erhöht.
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Ferner bewirkt das Anschlagen des Rotorflügels an dem Schwenkanschlag und das daraus resultierende abrupte Stoppen der Schwenkbewegung eine elastische Verformung des Rotorflügels bzw. des Flächenelements. Aufgrund der hohen Schwenkgeschwindigkeit des Rotorflügels biegt sich das Flächenelement durch das abrupte Stoppen mit seinem freien Ende in Rotationsrichtung, wodurch ähnlich zur elastischen Verformung auf der Fluidangriffsseite potentielle Energie als Verformungsenergie in dem elastischen Flächenelement gespeichert wird. Diese Verformungsenergie wird freigesetzt, wenn der Rotorflügel bei seinem Übergang von der Gegenstromseite auf die Fluidangriffsseite wieder in Richtung Rotorachse des Fluidturbinenrotor einschwenkt und gegen sein jeweiliges Anschlagmittel anschlägt, wodurch eine weitere zusätzliche tangentiale Schubkraft einen zusätzlichen drehmomentverstärkenden Impuls erzeugt, der in Drehrichtung des Fluidturbinenrotors wirkt.
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Folglich tragen die Schwenkanschläge in Verbindung mit den als elastische Flächenelemente ausgebildeten Rotorflügeln zu einer weiteren Erhöhung des Wirkungsgrads des Fluidturbinenrotors bei und bewirken folglich eine zusätzliche Effizienzsteigerung der gesamten Vertikalachsen-Fluidturbine.
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Vorzugsweise ist das Lagermittel, über welches das mindestens eine Rotorflügelhaltemittel drehbar gelagert ist, als Rotorachse ausgebildet. Die Rotorachse ist vorzugsweise drehbar ausgebildet, sodass das Rotorflügelhaltemittel drehfest mit der Rotorachse verbunden sein kann. Alternativ kann das Rotorflügelhaltemittel beispielsweise mittels einer Wälzlagerung an einer feststehenden Achse gelagert sein, d.h. das Rotorflügelhaltemittel muss nicht drehfest mit der Achse verbunden sein.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die elastischen Flächenelemente aus einem elastisch verformbaren Material hergestellt, welches ein Elastizitätsmodul von 1-10 GPa aufweist. Geeignete Materialien für die Flächenelemente sind insbesondere thermoplastische Kunststoffe auf Polyurethan- oder Polyethylenbasis sowie Faserverbundwerkstoffe beispielsweise glasfaserverstärkte Kunststoffe.
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Die elastischen Flächenelemente sind vorteilhafterweise derart ausgebildet, dass sie ein Durchbiegungsverhältnis von mindestens 3% und höchstens 15% in Bezug auf die Rotorflügelbreite aufweisen. Entsprechend weist ein 4 m breiter Rotorflügel beispielsweise eine Durchbiegung von mindestens 0,12 m und höchstens 0,6 m auf.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der radiale Abstand zwischen der Rotorachse und der Rotorflügellagerung verstellbar. Mithilfe eines entsprechenden Verstellmechanismus kann die Schwenkachse des Rotorflügels relativ zur Rotorachse entlang des Radius des Rotorflügelhaltemittels verstellt werden. Grundsätzlich entspricht die Rotorflügelbreite im Wesentlichen dem maximalen radialen Abstand zwischen Rotorachse und Rotorflügellagerung, sodass die Fluidströmung auf der Fluidangriffsseite an einer in Bezug auf den Rotordurchmesser größtmöglichen wirksamen Strömungswiderstandsfläche nämlich der gesamten Rotorflügelfläche angreift. Eine Verkleinerung des radialen Abstands zwischen der Rotorachse und der Rotorflügellagerung verringert die wirksame Strömungswiderstandsfläche, indem ein Teil der Rotorflügelfläche von der Fluidangriffsseite radial über die Rotorachse hinaus auf die Gegenstromseite bewegt wird. Die wirksame Strömungswiderstandsfläche wird dadurch zum einen um den auf der Gegenstromseite angeordneten Teil der Gesamt-Rotorflügelfläche reduziert, wodurch die Drehmomentausbeute des Fluidturbinenrotors sinkt. Zum anderen bewirkt der auf der Gegenstromseite angeordnete Teil der Rotorflügelfläche ein Drehmoment in entgegengesetzter Drehrichtung. Der Verstellmechanismus ermöglicht somit eine Anpassung des Drehmoments und der Drehzahl des Rotors an die Strömungsverhältnisse insbesondere an die Windverhältnisse, wodurch die Vertikalachsen-Fluidturbine bedarfsgerecht genutzt werden kann.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist jeder Rotorflügel relativ zu seiner jeweiligen Rotorflügellagerung in horizontaler Richtung verschiebbar. Durch einen entsprechend ausgebildeten Verschiebemechanismus kann der Rotorflügel derart verschoben werden, dass die Rotorflügellagerung entlang der horizontalen Rotorflügelrichtung zwischen einem in horizontaler Richtung äußeren Ende des Rotorflügels und der Mitte des Rotorflügels verschiebbar ist, d.h. der Verschiebeweg der Rotorflügellagerung in Bezug auf die Rotorflügelbreite beträgt maximal 50% der Rotorflügelbreite.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist jeder Rotorflügel im Wesentlichen eine Vielzahl von Rotorflügelelementen auf. Die Rotorflügelelemente sind vorzugsweise einstückig mit einem Rotorflügelgrundkörper verbunden, d.h. die Rotorflügelelemente bestehen aus demselben Material wie die Rotorflügelgrundkörper. Die Rotorflügelelemente sind vorzugsweise in elastischer Weise mit dem Rotorflügelgrundkörper derart verbunden, dass die Rotorflügel in Bezug auf den Rotorflügelgrundkörper schwenkbar sind. Entsprechend können die Rotorflügelelemente beispielsweise als schwenkbare Klappenelemente ausgebildet sein, die in elastischer Weise mit dem Rotorflügelgrundkörper verbunden sind. An der Verbindungsstelle zwischen dem Rotorflügelelement und dem Rotorflügelgrundkörper ist dazu ein Verformungsbereich gebildet, der es erlaubt, dass die Rotorflügelelemente infolge der Fluidangriffskraft in Strömungsrichtung schwenken, wobei die Rotorflügel vorzugsweise erst ab einer definierten Fluidangriffskraft, bzw. Strömungsgeschwindigkeit schwenken und folglich Öffnungen in der Rotorflügelfläche freigeben, sodass der Rotorflügel im Bereich der Rotorflügelelemente von dem Fluid durchströmbar ist.
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Die Rotorflügelelemente sind in Bezug auf die Strömungsrichtung unter einem von der Fluidangriffskraft abhängigen Winkel schräg zur Strömung ausgerichtet. Aufgrund der elastischen Verformung nehmen die Rotorflügelelemente eine gekrümmte Form an, die aufgrund der Strömungsverhältnisse einen Auftrieb erzeugt, der zumindest teilweise in Rotationsrichtung wirkt und dadurch eine zusätzliche Schubkraft in Rotationsrichtung erzeugt. Dieser Schubkraftgewinn ist größer als der Verlust an Schubkraft, der durch die von den Rotorflügelelementen freigegebenen Öffnungen in der Rotorflügelfläche verursacht wird, sodass die elastisch schwenkbaren Rotorflügelelemente zu einer weiteren Effizienzsteigerung führen.
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Die horizontale Erstreckung der Rotorflügelelemente ist vorzugsweise größer als deren vertikale Erstreckung, sodass die längere Seite der Rotorflügelelemente in horizontaler Richtung verläuft. Ferner sind die Rotorflügelelemente vorzugsweise an der längeren horizontalen Seite mit dem Rotorflügelgrundkörper verbunden. In Abhängigkeit von den Materialeigenschaften und der Geometrie des Rotorflügels kann durch das Seitenverhältnis der Rotorflügelelemente, d.h. durch das Verhältnis der horizontalen Erstreckung zur vertikalen Erstreckung, die Biegesteifigkeit der Rotorflügelelemente bestimmt werden und folglich deren Schwenkwinkel in Abhängigkeit der Fluidangriffskraft festgelegt werden.
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Besonders bevorzugt ist der Fluidturbinenrotor als Teil einer Vertikalachsen-Fluidturbine mit einer Energieumwandlungsvorrichtung zur Umwandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie gekoppelt. Mithilfe des Fluidturbinenrotors wird die von den Rotorflügeln aufgenommene kinetische Energie der Fluidströmung in eine Rotationsbewegung gewandelt, wobei der Fluidturbinenrotor beispielsweise mittelbar oder unmittelbar mit einem Rotor eines Generators drehfest verbunden ist und diesen antreibt, wodurch die Rotationsbewegung des Fluidturbinenrotors mittels des Generators in elektrische Energie gewandelt wird.
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Nachfolgend werden zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Fluidturbinenrotors anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fluidturbinenrotors mit einer ersten Ausführungsform der Rotorflügel in einem Querschnitt rechtwinklig zur Rotorachse,
- 2 eine schematische perspektivische Darstellung des Fluidturbinenrotors der 1,
- 3 einen Rotorflügel gemäß einer zweiten Ausführungsform für den erfindungsgemäßen Fluidturbinenrotor in einer schematischen Frontalansicht, und
- 4 den Rotorflügel der 3 in einer schematischen vertikalen Schnittdarstellung.
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1 und 2 zeigen einen Fluidturbinenrotor 10, der als Windturbinenrotor einer Vertikalachsen-Windturbine 100 zur Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie eingesetzt wird. Der Fluidturbinenrotor 10 umfasst zwei axial beabstandet zueinander angeordnete jeweils als Kreisscheibe ausgebildete Rotorflügelhaltemittel 20, 25, die jeweils drehfest mit einer als Lagermittel 14 ausgebildeten drehbaren Rotorachse 15 verbunden sind. Ferner umfasst der Fluidturbinenrotor 10 drei gleichmäßig entlang des Umfangs der Rotorflügelhaltemittel 20, 25 angeordnete rechteckige Rotorflügel 30, die als elastische Flächenelemente 31 ausgebildet sind und jeweils in einem radial äußeren Abschnitt der Rotorflügelhaltemittel 20, 25 schwenkbar gelagert sind. Die Flächenelemente 31 sind aus einem polyurethanbasierten Kunststoff mit einem Elastizitätsmodul von ca. 2,5 GPa hergestellt. Jeder Rotorflügel 30 weist an einem ersten horizontalen Ende einen sich axial erstreckenden Lagerzapfen auf, der in einer korrespondierenden Öffnung in dem ersten Rotorflügelhaltemittel 20 sitzt. Der Lagerzapfen und die korrespondierende Öffnung bilden dadurch eine untere Rotorflügellagerung 32, um die der Rotorflügel 30 schwenkbar ist. Auf seiner vertikal gegenüberliegenden Seite weist der Rotorflügel 30 an seinem horizontalen Ende einen sich in axialer Richtung erstreckenden zweiten Lagerzapfen auf, der in einer korrespondierenden Öffnung des zweiten Rotorflügelhaltemittels 25 sitzt und dadurch eine obere Rotorflügellagerung 32 bildet.
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Der Fluidturbinenrotor 10 wird von einer Fluidströmung angeströmt, deren Strömungsrichtung S den Fluidturbinenrotor 10 strömungstechnisch in radialer Richtung in eine Fluidangriffsseite A und eine gegenüberliegende Gegenstromseite G unterteilt, wobei sich jede der beiden Seiten A, G jeweils über einen Winkel von 180° erstreckt. Der Rotorflügel 30 schlägt infolge der auf der Fluidangriffsseite A angreifenden Fluidströmung mit einem horizontalen zweiten freien Ende 30A an einem in Bezug auf die angeströmte Seite des Rotorflügels 30 auf der gegenüberliegenden Seite angeordnetes Anschlagmittel 34 an, das durch die Rotorachse 15 gebildet ist. Dadurch ist der Rotorflügel 30 auf der Fluidangriffsseite A quer zur Strömungsrichtung S ausgerichtet, wodurch die an den Rotorflügeln 30 angreifende Strömung den Fluidturbinenrotor 10 in Rotation versetzt. Dabei sind die Rotorflügel 30 jeweils in einem sich mit der Rotation des Fluidturbinenrotors 10 stetig verändernden Anstellwinkel in Bezug auf die Strömungsrichtung S ausgerichtet.
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In den 1 und 2 beträgt der Anstellwinkel des auf der Fluidangriffsseite A angeordneten Rotorflügels 30 90°, d.h., dass der Rotorflügel 30 im Wesentlichen rechtwinklig zur Strömungsrichtung S ausgerichtet ist. In Abhängigkeit des Rotordrehwinkels variiert dieser Winkel über die gesamte Fluidangriffsseite A zwischen 0° und 180°. Infolge der durch die Fluidströmung verursachten Fluidangriffskraft verformt sich das elastische Flächenelement 31 und nimmt aufgrund der beidseitigen Abstützung an den beiden horizontalen Enden einerseits durch die Rotorflügellagerung 32 und andererseits durch die als Anschlagmittel 34 dienende Rotorachse 15 eine entgegen der Strömungsrichtung S konkav gekrümmte Form an. Die Dicke des Rotorflügels 30 ist in Abhängigkeit des Materials derart gewählt, dass sich der Rotorflügel 30 in Bezug auf seine horizontale Rotorflügelbreite um ca. 7,5 % durchbiegt.
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Durch die Umströmung des gekrümmten Flächenelements 31 wird in Abhängigkeit des Anstellwinkels eine in Rotationsrichtung wirkende drehmomentverstärkende Auftriebskraft erzeugt, wodurch ein höheres Drehmoment erzielt wird als mit einem ebenen quer zur Strömungsrichtung S angeordneten Rotorflügel 30. Zusätzlich wird durch die elastische Verformung des Flächenelements 31 ein Teil der Windkraft in Form von potentieller Energie gespeichert, die bei der Rückverformung des Flächenelements 31 wieder freigesetzt wird. Die Rückverformung findet statt, sobald die Fluidströmung nicht mehr an dem Flächenelement 31 angreift, nämlich dann, wenn der Rotorflügel 30 von der Fluidangriffsseite A auf die Gegenstromseite G übergeht.
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Auf der Gegenstromseite G greift die Fluidströmung an der dem Anschlagmittel 34 zugewandten Seite des Flächenelements 31 an, sodass sich das Flächenelement 31 von dem Anschlagmittel 34 abhebt. Folglich schwenkt der Rotorflügel 30 um seine Rotorflügellagerung 32 radial nach außen, wobei die in dem verformten Flächenelement 31 gespeicherte potentielle Energie freigesetzt wird. Durch die Freisetzung der potentiellen Energie wird der Rotorflügel 30 während der Ausschwenkbewegung zusätzlich beschleunigt, sodass eine zusätzliche Schubkraft in Rotationsrichtung wirkt, die das Drehmoment verstärkt.
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Die Ausschwenkbewegung wird von einem Schwenkanschlag 35 begrenzt, an dem der Rotorflügel 30 in einem ersten Sektor der Gegenstromseite G anschlägt, wodurch eine vollständige radiale Ausrichtung des Rotorflügels 30 blockiert wird. Der maximale Schwenkwinkel jedes Rotorflügels 30 beträgt dadurch ca. 160°. Somit ist der Rotorflügel 30 in dem ersten Sektor der Gegenstromseite G weiterhin unter einem leichten Anstellwinkel gegenüber der Strömungsrichtung S ausgerichtet, wodurch in diesem ersten Sektor die Fluidströmung weiterhin an dem Rotorflügel 30 angreift und über einen definierten Winkel auf der Gegenstromseite G eine Schubkraft in Rotationsrichtung bewirkt. Sobald ein definierter Rotordrehwinkel auf der Gegenstromseite G überschritten wird, liegt der Rotorflügel 30 nicht weiter an dem Schwenkanschlag 35 an und richtet sich folglich parallel zur Strömungsrichtung S aus, sodass der Rotorflügel 30 den geringstmöglichen Strömungswiderstand aufweist. Dementsprechend bieten die sich auf der Gegenstromseite G entgegen der Strömungsrichtung S bewegenden Rotorflügel 30 keinen relevanten Strömungswiderstand, der dem auf der Fluidangriffsseite A gewonnenen Drehmoment entgegenwirken würde.
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2 zeigt ferner, dass der Fluidturbinenrotor 10 als Teil einer Vertikalachsen-Windturbine 100 über seine Rotorachse 15 mit einer als Generator ausgebildeten Energieumwandlungsvorrichtung 80 drehfest verbunden ist. Der durch die Windkraft angetriebene Fluidturbinenrotor 10 versetzt den Rotor des Generators 80 in Rotation, wodurch die Bewegungsenergie des Fluidturbinenrotors 10 in elektrische Energie umgewandelt wird, die beispielsweise im privaten oder gewerblichen Bereich zur Stromversorgung genutzt werden kann.
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3 zeigt eine alternative Ausführung des Rotorflügels 30 des Fluidturbinenrotors 10. Im Gegensatz zu den Rotorflügeln 30 der 1 weist jeder als elastisches Flächenelement 31 ausgebildete Rotorflügel 30 im Wesentlichen sechs rechteckige klappenartige Rotorflügelelemente 36 auf, deren horizontale Erstreckung um ca. 100% größer ist als deren vertikale Erstreckung. Die Rotorflügelelemente 36 sind an ihrer oberen horizontalen Längsseite einstückig und in elastischer Weise mit einem Rotorflügelgrundkörper 33 verbunden.
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Die Rotorflügelelemente 36 bilden eine rechteckige Anordnung, in der in horizontaler Richtung jeweils zwei Rotorflügelelemente 36 beabstandet zueinander und nebeneinander angeordnet sind und in vertikaler Richtung jeweils drei Rotorflügelelemente 36 beabstandet zueinander und übereinander angeordnet sind, wobei der horizontale Abstand zwischen den Rotorflügelelementen 36 in etwa 50% der Breite des Rotorflügelelements 36 entspricht und der vertikale Abstand in etwa der Höhe des Rotorflügelelements 36 entspricht. Insbesondere durch den horizontalen Abstand der zwei in horizontaler Richtung nebeneinander angeordneten Rotorflügelelemente 36 wird ein Verformungsbereich gebildet, der eine Verformung des Flächenelements 31, nämlich eine konvexe Krümmung infolge der Fluidangriffskraft, ähnlich zu der Krümmung des geschlossenen Rotorflügels 30 der 1 und 2 zulässt.
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An der Verbindungsstelle zwischen Rotorflügelelement 36 und Rotorflügelgrundkörper 33 ermöglicht das Rotorflügelmaterial eine elastische Verformung der Rotorflügelelemente 36, sodass infolge der Fluidangriffskraft eine Relativbewegung zwischen Rotorflügelelement 36 und Rotorflügelgrundkörper 33 stattfindet, wodurch die Rotorflügelelemente 36 in Strömungsrichtung S aufschwenken und Öffnungen in dem Rotorflügel 30 freigeben, durch die ein Teil der Strömung hindurch strömen kann, wie in 4 gezeigt ist.
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Die elastischen Rotorflügelelemente 36 nehmen infolge der elastischen Verformung eine gekrümmte tragflächenartige Form an, die von der Strömung umströmt wird. Aufgrund der strömungsdynamischen Effekte der Umströmung wird eine Auftriebskraft erzeugt, die zumindest teilweise in Strömungsrichtung S wirkt, d.h. dass zumindest eine Komponente der Auftriebskraft in Strömungsrichtung S und damit in Rotationsrichtung des Fluidturbinenrotors 10 wirkt. Infolgedessen tritt ein drehmomentverstärkender Effekt auf, der größer ist als der Drehmomentverlust, der durch die Öffnungen in dem Rotorflügel 30 verursacht wird, sodass die Gesamteffizienz des Fluidturbinenrotors 10 gegenüber einem als Widerstandsläufer ausgebildeten herkömmlichen Fluidturbinenrotor steigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2012/0301297 A1 [0004]
