DE102023000044A1

DE102023000044A1 - Novel slat control of wind turbines with rows of slats arranged one behind the other with diagonal flow

Info

Publication number: DE102023000044A1
Application number: DE102023000044.2A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2023-01-10
Filing date: 2023-01-10
Publication date: 2024-07-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine neuartige Lamellensteuerung für eine Windenergieanlage, die dem Wind einen Teil seiner Bewegungsenergie entzieht, indem zwei in Windrichtung hintereinander liegende Reihen von schräg angeströmten flächigen Lamellen gegenläufig bewegt werden. Die Lamellen werden über Achsen an ihren Längsenden, die durch die runden Öffnungen von Hohlbolzenketten, Rollenketten mit Mitnehmerlaschen oder entsprechend ausgestatteten Riemen reichen, geführt. Die Wellen werden nach Durchgang durch die Ketten Z-förmig abgeknickt und an ihren Enden in Schienen geführt, durch deren veränderliche Lage die Neigung der Lamellen permanent zwangsgesteuert wird.The invention relates to a new type of slat control for a wind turbine, which extracts part of the kinetic energy from the wind by moving two rows of flat slats, one behind the other in the direction of the wind, in opposite directions. The slats are guided by axes at their longitudinal ends, which extend through the round openings of hollow pin chains, roller chains with carrier plates or appropriately equipped belts. After passing through the chains, the shafts are bent in a Z shape and guided at their ends in rails, the changing position of which permanently controls the inclination of the slats.

Description

Die Erfindung betrifft eine neuartige Lamellensteuerung für eine Windenergieanlage mit zwei in Windrichtung hintereinander liegenden Reihen von schräg angeströmten, flächigen Lamellen, die gegenläufig bewegt werden.The invention relates to a novel slat control for a wind turbine with two rows of flat slats arranged one behind the other in the direction of the wind and facing an oblique flow, which are moved in opposite directions.

Windenergieanlagen mit diesem grundsätzlichen Aufbau sind seit längerem bekannt. Sie unterscheiden sich vor allem in der Art der Steuerung der Lamellenneigung.
So ist in der abgelaufenen Druckschrift WO2013/109007 vom 03.01.2013 eine ähnliche Anlage beschrieben, deren Lamellensteuerung aber deutliche Nachteile aufweist. So ist die einseitige Führung der Lamellen über 124 / 126 in Verbindung mit 140/142 instabil, da sie die Drehung nur in einer Richtung begrenzt. Sie wird dadurch anfällig bei äußeren Einwirkungen (z.B. Vogelanprall) und es entstehen Klappergeräusche bei geringen oder wechselnden Windgeschwindigkeiten. Außerdem ist eine stabile, horizontale Lamellenausrichtung bei Sturm über 124 / 126 nicht möglich. Beim unteren Übergang der Führung von 142 auf 140 ist die Lamelle kurzzeitig führungslos, fällt zunächst in vertikale Lage F und wird erst durch den Wind in die Lage G gedreht. Dabei kommt es zu Geräuschentwicklungen und eventuell zu unkontrollierten Drehungen der Lamelle bei Windverwirbelungen. Die zusätzliche Gewindesteuerung braucht eine axiale Gegenkraft zu der Kraft aus der Bewegung der Steuerplatten 540 und Behinderung der Verdrehung der Innengewindeschrauben 527, die von den Ketten in Querrichtung dauerhaft und ohne größere Reibungsverluste nicht aufgebracht werden können.Wind turbines with this basic structure have been known for a long time. They differ mainly in the way the blade inclination is controlled.
In the current publication WO2013/109007 from January 3rd, 2013, a similar system was described, but its slat control has significant disadvantages. For example, the one-sided guidance of the slats via 124/126 in conjunction with 140/142 is unstable because it only limits rotation in one direction. This makes it susceptible to external influences (e.g. bird strikes) and rattling noises occur at low or changing wind speeds. In addition, stable, horizontal slat alignment is not possible in storms above 124/126. At the lower transition of the guide from 142 to 140, the slat is briefly unguided, initially falls into vertical position F and is only rotated into position G by the wind. This leads to noise and possibly uncontrolled rotation of the slat in wind turbulence. The additional thread control requires an axial counterforce to the force from the movement of the control plates 540 and the hindrance to the rotation of the internally threaded screws 527, which cannot be applied by the chains in the transverse direction permanently and without major friction losses.

Diese Nachteile werden beseitigt durch die nachfolgend beschriebene, permanente Zwangssteuerung der Lamellen gemäß den Patentansprüchen 1 bis 5.These disadvantages are eliminated by the permanent forced control of the slats described below according to patent claims 1 to 5.

Andere Druckschriften wie WO2013/008672 vom 13.07.2011, EP2735734 vom 27.11.2012, DE 20 2011101 016 U1 vom 03.11.2011, DE 8813 208 , US4186314 und DE 10 2016 010 416 unterscheiden sich in ihren grundsätzlichen Aufbauten und Wirkungsweisen deutlich.Other publications such as WO2013/008672 dated 13.07.2011, EP2735734 dated 27.11.2012, EN 20 2011101 016 U1 dated 03.11.2011, DE 8813 208 , US4186314 and EN 10 2016 010 416 differ significantly in their basic structures and modes of operation.

Nachfolgend soll die permanente Zwangssteuerung als neuartige Lamellensteuerung anhand der 1 und 2 und dem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.In the following, the permanent forced control is to be described as a new type of slat control based on the 1 and 2 and the embodiment will be explained in more detail.

Dabei zeigt

1: Beispielhafte luvseitige Ansicht ohne Verkleidung und ohne Generator, Darstellung nur der luvseitigen Lamellenreihe einschließlich der dazugehörigen Z-förmig abgebogenen Wellen, gestrichelte Linien sind sichtbare hintere Kanten der luvseitigen Lamellen, Wellen nicht durch ganze Lamellenlänge wegen besserer Erkennbarkeit
2: Schnitt gemäß Schnittführung 1, Führungsschiene im oberen Bereich teilweise verdeckt durch Hohlbolzenkette, Wind in Pfeilrichtung

This shows

1 : Example windward view without fairing and without generator, representation of only the windward slat row including the associated Z-shaped bent waves, dashed lines are visible rear edges of the windward slats, waves not through the entire slat length for better visibility
2 : Cut according to cutting guide 1 , guide rail in the upper area partially covered by hollow bolt chain, wind in direction of arrow

Die Windenergieanlage besteht zunächst aus zwei vorzugsweise horizontal ausgerichteten, in Windrichtung hintereinander liegenden, vertikalen Reihen von Lamellen 1. In den Zeichnungen werden diese zur Vereinfachung als ebene Flächen dargestellt. Der aerodynamisch optimale Querschnitt und die entsprechend der örtlichen Windverhältnisse optimalen Anstellwinkel der Lamellen im Windstrom müssen z.B. mit Hilfe der Evolutionsstrategie gefunden werden. Die Lamellen haben in Richtung ihrer Längsachse und möglichst im Bereich der Schwerlinie der Windkraftresultierenden durchgängige oder bei ausreichend biege- und torsionssteifen Lamellen an deren Enden befestigte Wellen aus Rohren oder Rundstäben 2, die beidseitig über die Lamellenlänge hinausgehen. Die Wellen werden in zweckmäßigen Abständen drehbar durch die runden Öffnungen von Hohlbolzenketten, Rollenketten mit Mitnehmerlaschen oder entsprechend ausgestatteten Riemen 3 geführt. Die Verwendung von Hohlbolzenketten erscheint dabei günstiger, da die Mitnehmerlaschen eventuell notwendige, zusätzliche Ketten- oder Riemenführungen behindern könnten. In den Zeichnungen sind Hohlbolzenketten dargestellt. Die geschlossenen Kettenschlaufen laufen über jeweils zwei Kettenräder 4, die neben den Endlagern 6 von zwei parallel zu den Lamellen verlaufenden und in zweckmäßigem Abstand zueinander befindlichen Hauptachsen / -wellen 5 befestigt sind. Von einer dieser Hauptachsen / -wellen 5 wird dann die gewonnene Energie zu einem Generator, der in den Zeichnungen nicht mit dargestellt ist, weitergeleitet. Die mit den Lamellen 1 verbundenen Wellen 2 sind nach der Durchführung durch die Hohlbolzenketten mindestens an einem Ende zweifach Z-förmig abgebogen. Der Bereich nach dem ersten rechtwinkligen Knick wird im Folgenden als Führungshebel 7 und der Endbereich nach dem zweiten Knick als Führungsstift 8 bezeichnet. Die Führungsstifte 8 enden in Führungsschienen 9 mit z.B. C-förmigem Querschnitt, die verschiebbar auf Grundplatten 10, die wiederum in der hier beschriebenen Ausführung die seitlichen, vertikalen Teile umlaufender Rahmen sind, befestigt sind. Die Grundplatten 10 begrenzen in der hier beschriebenen Lamellenausrichtung die Anlage auf beiden Seiten und nehmen außerdem die Endlager 6 der Hauptachsen / -wellen 5 auf. Die in der hier beschriebenen Ausführung zumeist vertikal verlaufenden Führungsschienen 9 werden durch Stellantriebe 11 in horizontaler Richtung verschoben, was bei zweckmäßiger Anordnung der Komponenten zu Änderungen der Lamellenneigung einschließlich der gegenläufigen Ausrichtung auf der Leeseite führt. Die vertikalen Führungsschienen 9 jeweils auf der Luv- und Leeseite sollten dabei in gewissem Umfang auch unabhängig voneinander in der hier beschriebenen Ausführung in horizontaler Richtung bewegt werden können, da davon ausgegangen werden muss, dass die optimalen Lamellenanstellwinkel beider Lamellenreihen windgeschwindigkeitsabhängig und nicht identisch sind. Dazu müssen die Führungsschienen 9 in den jeweils halbkreisförmigen Umlenkbereichen oben und unten abschnittsweise flexibel ausgebildet werden oder über teleskopartige Einsätze an zweckmäßigen Stellen der Führungsschienen 9 verfügen. Die in 2 erkennbaren, möglichst ausgerundeten Knicke in den Führungsschienen 9 unterhalb des oberen Kettenrades 4 ergeben sich aus Kollisionsproblemen der Lamellen im Bereich der oberen Umlenkung bei den dargestellten geometrischen Verhältnissen. Die Knicke können bei horizontaler Verschiebung der Führungsschienen zum Zweck der Lamellenneigungssteuerung grundsätzlich erhalten bleiben. Dieses Problem kann auch durch die Verkürzung der inneren Lamellenbreite gelöst werden, wodurch aber die Windkraftresultierende außermittig angreift und dies wiederum zu höheren mechanischen Beanspruchungen und damit größeren Reibungsverlusten führt. Die Regelung der Anlage z.B. hinsichtlich der Ausrichtung in Windrichtung, der windgeschwindigkeitsabhängigen Lamellenneigung, d.h. der Lage der Führungsschienen 9 bis hin zur windparallelen Anordnung der Lamellen bei zu starkem Wind erfolgt mit bekannter Technik. Sämtliche Komponenten mit Ausnahme der Lamellen außerhalb der Umlenkungen werden zum Schutz vor Witterungseinflüssen und bei der hier dargestellten oberen Umlenkung zur Vermeidung von Brems-und Verwirbelungseffekten verkleidet, wobei die Verkleidung luvseitig zur lokalen Erhöhung der Windgeschwindigkeit und zur Verstärkung des Sogeffekts auf der Leeseite trichterförmig erweitert werden sollte. In den Zeichnungen ist die Verkleidung nicht mit dargestellt.
Der größte Vorteil solcher Anlagen wäre der deutlich höhere Wirkungsgrad bezogen auf die vom Wind überstrichene Fläche im Vergleich zu herkömmlichen Rotorblattanlagen.
Als eine zweckmäßige Anwendung erscheint der Einbau von ein oder mehrerer derartiger Anlagen in Fuß- und/oder Kopfhöhe in den Wänden bestehender Türme z.B. von herkömmlichen Windenergieanlagen, die dann unabhängig vom meteorologischen Wind durch die Thermik, die durch die Phasenverschiebung der Lufttemperaturverläufe im Tagesverlauf zwischen der Luft innerhalb und außerhalb des Turmes oder durch solare Erwärmung der Luft im Bereich des Turmfußes erzeugt wird, angetrieben werden. Dies würde eine annähernd kontinuierliche Stromerzeugung unter Nutzung vorhandener Türme bei geringer Beeinträchtigung der vorhandenen Anlagen ermöglichen. Eine andere Anwendung ergibt sich z.B. an oder in Gebäuden speziell in Bereichen, in denen sich aerodynamisch die größten Windgeschwindigkeiten ergeben. Das wären z.B. bei quaderförmigen Gebäuden die Gebäudeecken oder Dachkanten. Selbstverständlich können die Anlagen auch auf Masten oder Türmen installiert werden.The wind turbine consists initially of two vertical rows of slats 1, preferably aligned horizontally, one behind the other in the direction of the wind. In the drawings, these are shown as flat surfaces for simplicity. The aerodynamically optimal cross-section and the optimal angle of attack of the slats in the wind flow according to the local wind conditions must be found, for example, with the help of the evolution strategy. The slats have shafts made of tubes or round rods 2 that run through their longitudinal axis and, if possible, in the area of the center of gravity of the wind force resultant, or, in the case of slats with sufficient bending and torsion resistance, are attached to their ends and extend beyond the length of the slats on both sides. The shafts are guided at appropriate intervals through the round openings of hollow pin chains, roller chains with driver plates or appropriately equipped belts 3. The use of hollow pin chains appears to be more advantageous, since the driver plates could hinder any necessary additional chain or belt guides. Hollow pin chains are shown in the drawings. The closed chain loops each run over two chain wheels 4, which are attached next to the end bearings 6 by two main axes/shafts 5 that run parallel to the slats and are located at a suitable distance from each other. The energy gained is then passed on from one of these main axes/shafts 5 to a generator, which is not shown in the drawings. The shafts 2 connected to the slats 1 are bent twice in a Z shape at least at one end after passing through the hollow pin chains. The area after the first right-angled bend is referred to below as the guide lever 7 and the end area after the second bend as the guide pin 8. The guide pins 8 end in guide rails 9 with, for example, a C-shaped cross-section, which are slidably attached to base plates 10, which in turn are the lateral, vertical parts of the surrounding frame in the design described here. The base plates 10 limit the system on both sides in the slat alignment described here and also accommodate the end bearings 6 of the main axes / shafts 5. The guide rails 9, which in the design described here mostly run vertically, are moved horizontally by actuators 11, which, if the components are arranged appropriately, can lead to changes in the slat inclination including the directional alignment on the leeward side. The vertical guide rails 9 on the windward and leeward sides should also be able to be moved horizontally to a certain extent independently of one another in the design described here, since it must be assumed that the optimal slat angle of both rows of slats depends on the wind speed and is not identical. For this purpose, the guide rails 9 must be designed to be flexible in sections in the semi-circular deflection areas at the top and bottom or have telescopic inserts at appropriate points on the guide rails 9. The 2 The visible, rounded kinks in the guide rails 9 below the upper chain wheel 4 result from collision problems of the slats in the area of the upper deflection in the geometric conditions shown. The kinks can generally remain when the guide rails are moved horizontally for the purpose of controlling the slat inclination. This problem can also be solved by shortening the inner slat width, but this causes the wind force resultant to act off-center, which in turn leads to higher mechanical stresses and thus greater friction losses. The system is controlled, e.g. with regard to the orientation in the wind direction, the wind speed-dependent slat inclination, ie the position of the guide rails 9, and even the arrangement of the slats parallel to the wind when the wind is too strong, using known technology. All components, with the exception of the slats outside the deflections, are covered to protect against the effects of the weather and, in the case of the upper deflection shown here, to avoid braking and turbulence effects. The covering should be widened in a funnel shape on the windward side to locally increase the wind speed and to strengthen the suction effect on the leeward side. The covering is not shown in the drawings.
The biggest advantage of such systems would be the significantly higher efficiency in relation to the area swept by the wind compared to conventional rotor blade systems.
One practical application would be to install one or more such systems at base and/or head height in the walls of existing towers, e.g. conventional wind turbines, which would then be powered independently of the meteorological wind by the thermals generated by the phase shift in the air temperature curves over the course of the day between the air inside and outside the tower or by solar heating of the air in the area of the tower base. This would enable almost continuous power generation using existing towers with minimal disruption to the existing systems. Another application is on or in buildings, especially in areas where the wind speeds are aerodynamically highest. In the case of cuboid buildings, for example, this would be the corners or roof edges. Of course, the systems can also be installed on masts or towers.

Bezugszeichenliste:List of reference symbols:

11: LamellenSlats
22: Wellen in oder auf den Lamellen (in 1 nicht über Lamellenlänge durchgehend)Waves in or on the slats (in 1 not continuous over the length of the slats)
33: Hohlbolzenketten oder Rollenketten mit MitnehmerlaschenHollow pin chains or roller chains with drive plates
44: KettenräderSprockets
55: Hauptachsen / -wellenMain axes / shafts
66: Endlager der Hauptachsen / -wellenEnd bearings of the main axes / shafts
77: Führungshebel (Fortsetzung von 2 nach erstem rechtwinkligen Knick)Guide lever (continued from 2 after first right-angle bend)
88th: Führungsstift (Fortsetzung von 7 nach zweitem rechtwinkligen Knick)Guide pin (continuation of 7 after second right-angled bend)
99: FührungsschienenGuide rails
1010: Grundplatten z.B. als Teile eines umlaufenden RahmensBase plates e.g. as parts of a surrounding frame
1111: Stellantriebe zur Verschiebung der FührungsschienenActuators for moving the guide rails

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2013109007 [0002]
WO 2013008672 [0004]
EP2735734 [0004]
DE 202011101016 U1 [0004]
DE 8813208 [0004]
US 4186314 [0004]
EN 102016010416 [0004]

Claims

Novel slat control of wind turbines with two preferably horizontally aligned vertical rows of slats (1) one behind the other in the direction of the wind, which have continuous shafts made of tubes or round rods (2) in the direction of their longitudinal axis and, if possible, in the area of the center of gravity of the wind power resultant, or, in the case of sufficiently bending and torsion-resistant slats, attached to their ends, which extend beyond the length of the slats on both sides and are guided at appropriate intervals through the round openings of hollow bolt chains (3) which run in closed chain loops over two chain wheels (4) each, which are attached next to the end bearings (6) of two main axes / shafts (5) running parallel to the slats and located at an appropriate distance from one another, whereby the energy gained from one of these main axes / shafts (5) is passed on to a generator, where the shafts (2) connected to the slats (1) are connected at least at one end after passing through the hollow bolt chains be bent twice in a Z shape and the area after the first right-angled bend is referred to below as the guide lever (7) and the end area after the second bend as the guide pin (8) and the guide pins (8) end in guide rails (9) with e.g. a C-shaped cross-section, which are slidably attached to base plates (10), which in turn are the lateral, vertical parts of the surrounding frame in the design described here, whereby the base plates (10) in the slat alignment described here limit the system on both sides and also accommodate the end bearings (6) of the main axes / shafts (5) and whereby the guide rails (9), which in the design described here mostly run vertically, are moved in a horizontal direction by actuators (11), which, if the components are arranged appropriately, leads to changes in the slat inclination including the opposite orientation on the leeward side, whereby the bends in the guide rails (9) below the upper chain wheel (4) are necessary, since otherwise collision problems of the Slats in the area of the upper deflection result from the geometric conditions shown, whereby the kinks can basically be retained during horizontal displacement of the guide rails (9) for the purpose of slat inclination control.

Novel slat control of wind turbines according to Claim 1 where roller chains with drive plates or appropriately equipped belts are used instead of hollow pin chains.

Novel slat control of wind turbines according to Claim 1 in which the vertical guide rails (9) on the windward and leeward sides can be moved to a certain extent independently of one another in the horizontal direction by the actuators (11) in the embodiment described here, which is achieved by a sectionally sufficiently flexible design of the guide rails (9) or by telescopic inserts at appropriate points on the guide rails (9).

Novel slat control of wind turbines according to Claim 1 where the necessary kink in the guide rails (9) can also be replaced by shortening the inner slat width.

Novel slat control of wind turbines according to Claim 1 in which all components with the exception of the slats outside the deflections are covered to protect against the effects of the weather and to avoid braking and turbulence effects, whereby the covering should be widened in a funnel shape on the windward side to locally increase the wind speed and to strengthen the suction effect on the leeward side.