Es ist zwei Arten der Windräder bekannt:
die 1. Art – mit
der Drehensfläche
der Flugel, die übereinstimmend
mit die Richtung des Winden ist, und die 2. Art – mit der Drehensfläche der
Flügel,
die perpendicular zur Richtung des Windes ist. Beide Arten treffen sich
in der Technik: die 1. Art wird in Anemometer (die Geräte für das Messen
der Geschwindigkeit des Windes) verwendet, die 2. Art wurde früher in Windmühlen und
jetzt in der Mehrheit gegenwärtiger
Windkraftwerke verwendet. Ein Vorteil des Windrades der 2. Art ist
seine Anwendbarkeit bei den Windrichtungen, die bedeutend weit von
perpendicular zur Drehensfläche
des Windrades sind. Es ist für
die Windmühlen
und jene Windkraftwerke besonders wesentlich, die die Möglichkeit
nicht hat, die Drehensfläche des
Windrades zu ändern,
da der Turm, auf dem sie aufgestellt sind, hat die Möglichkeit
nicht, sich um die eigene senkrechte Achse umzudrehen.
Die Windräder der 1. Art waren (als das
Wasserrad) zunächst
mit den ersten Flussdämpfer
verwendet. Solches Rad stellte man am Borde des Dämpfers und
es zusammenrafften das Wasser mit Wasserflügel. Dann fing die Geschwindigkeit
des Wasenades an zu vergrösßern, weil
die Kapazität des
Dampfmotores der Dämpfer
zugenommen hat. Und hier hat sich die kleine Festigkeit der Hebelstangen
des Wasserrades ausgewirkt: bei dem Schlag über das Wasser wurden sie gebrochen.
Und fester machen es kann man nicht, – erstens, sie werden allzu
schwer, und zweitens, es war unmöglich,
schnell sie zu drehen, wegen der grosßen Festigkeit des Wasser.
Dann fing man an, den Schiffsschrauben zu benutzen, die das Wasserrad
der zweiten An vorstellen. Eine Besonderheit dieser An der Räder ist
die Bildung des längsläufigen aerodynamischen
Kraftzuges, das bei den Rädern
der ersten An nicht entsteht.
Die längsläufige Kraftzug entlang der
Bewegungsrichtung des Schiffes entsteht infolge dessen, dass die
Fläche
jeder abgesonderten Schaufel der Schiffsschraube zur Schraubedrehensfläche geneigt ist.
Das ist der Zweck der Schiffsschraube, die längsläufige Kraftzug zu bilden. Das
Windrad des Windkraftwerks hat kein solches Zweck. Es dreht sich,
um nur den Drehmoment an die Welle zu übergeben. Deshalb kann man
hier das Windrad der ersten An benutzen, weil das wirksamer als
das Windrad der zweiten An den Windandrang verwendet.
In Anemometer stellt man die Drehensfläche des
Windrades in die Fläche
der Windrichtung oder manuell, oder mit Hilfe von der Wetterfahne
auf. Die Anemometersschwingen haben konkave Form, um die vergrößernde Effektivität des Zusammenwirkens der
Schwinge mit dem Wind, besonders im Falle des heftigen Windes, zu
bekommen. Der Mangel des Windrades gewähnlicher Anemometer besteht
darin, dass die Windsangriffsflächen
an die beiden Seiten der Achse gleich sind, nur die aerodynamische
Koeffiziente der konkaven und konvexen Oberflächen verschieden sind. Der
Anemometer dreht sich nur infolge der Umgleichheit dieser Koeffiziente.
In der vorliegenden Erfindung sind die Windsangriffsflächen der
Schwingen des Windrades an verschiedenen Seiten von der Drehensachse
auch ungleiche.
Gemäß der Erfindung hat der Oberteil
des Windkraftwerksturmes die Möglichkeit,
sich um der senkrechten Achse umzudrehen. Die Drehensfläche des
Windrades wird mit Hilfe von dem Windrichtungsanzeiger aufgestellt.
Da wird die zwangsweise Wendung vom Oberteil des Turmes mit Hilfe
von elektrischem Antrieb verwendet. Die Konstruktion des Oberteiles
des Turmes ist in Grundriss doppelsymmetrisch, was die Belastungen
auf Antrib während die
Wendung relativ zu dem unteren Teil des Turmes verringert.
Einer der wesentlichen Mängel der
Windräder
der vorhandene Windkraftwerke ist ihre große Trägheit, die schlechte Suszeptibilität zu den
Windstößen. Darauf
wird der bedeutende Effekt verloren: zum Beispiel liegt der große Teil
Europas in der Zone, wo die Jahresdurchschnittsgeschwindigkeit des
Windes für
die wirksamen Arbeit der vorhandenen Windkraftwerke ungenügend ist.
Falls es die Windstöße fangen
könnte,
wäre die
Situation im großen
und ganzen andere. Doch dauert der Windstöß weniger als 5 Minuten, die
dem Windrad zu antreiben notwendig sind, und folglich kommt es diesen
Windstöß nicht dazu
aufzunehmen.
Im größeren Teil Europas haben die
Winde in den Höhen
bis zu 50-100 Meter nicht nur niedrige Jahresdurchschnittsgeschwindigkeit,
sonder auch bedeutende Veränderlichkeitin
der Geschwindigkeit. Durchschnittlich ist 5-7 Tage in den Monat
der Wind auch genug aktiv und hat die Geschwindigkeit von 6-10 m/sec.
Häufig
ist aber der Wind schwach, heftig; oft wendet er seine Richtung.
Der Wind weht innerhalb von 10-40 Sekunden (die Zeit der Wirksamkeit). Dann
weht innerhalb von 30-100 Sekunden der schwache Wind, nicht produktiv
oder bricht die volle Windstille an. Dann wird alles wieder und
wieder wiederholt. Die mittlere Bedeutung der Geschwindigkeit des
Windes während
die langwierige Periode der Zeit übertritt nicht 4 m/sec, aber
die abgesonderten Windstöße haben
die Geschwindigkeit von 8-12 m/sec.
Die Windeskapazität ist direkt proportional zur
kubierenden Geschwindigkeit des Windes. Die Summe der momentanen
Werte der spezifischen energetischdynamischen Parameter des Windes
gibt die wahrhafte Wert der Energiereserven der gegebenen Gegend.
Und dieser Wert ist viel höher
als der statistischen Jahresdurchschnittsparameter. Solche Situation
ist für
ganzen flachen Teil Europas charaktervoll, der von den Meerküsten entfernt
ist.
Die Zeit der Vertreibung des Windrades
standardisierter Art liegt, je nach der Kapazität und der kostruktionsmäßigen Besonderheiten,
innerhalb von 1 bis zur 5 Minuten, und es übertritt die Zeit der Wirksamkeit
des Windstoßes.
Der Wind hat nicht genug Zeit, um das Rad zu antreiben, und beruhigt
sich schon, dann bricht die Windstille an. Das Windrad verzögert den
Lauf wieder und bleibt stehen. Das Windrad kann nicht sich antrieben
bis zu den nominellen Drehgeschwindigkeiten und herauskommen auf
das Arbeitsregime. Die erzeugte Energie wird viel niedriger als
die maximal möglicher
Wert sein. Seinerseits, abhängt
die Zeit der Vertreibung des Windrades von Trägheit der drehenden Massen – der Flügel, des
Getriebes, der Welle, des Generatorsrotors. Je weniger ist die Masse
dieser Komponenten und der Abstand vom Schwerpunkt bis zu der Achse
des Drehens dieser Masse, desto weniger ist die Zeit der Vertreibung.
Diese Faktoren zeigen eindeutig an die kleine Effektivität der traditionellen
Windräder.
Der Windstoß ist nicht nur einfach Inhomogenität des Windes
im Raum. Der Windstoß ist
mit eigener Struktur charakterisiert und stellt den lokalen Wirbelwind,
d.h. den gedrehtenen Klumpen der Luft, vor. Er hat größere, als
durchschnittlich nach dem Windstrom, Dichte der Luft; er hat die
lineare Geschwindigkeit, die etwas von der Richtung und der Größe des gemeinen
Windstromes sich unterschiedet, sowie hat er auch die Drehbewegung.
Der Windstoß nicht
nur drückt
auf den Flügel,
sondern wirkt auch mit ihr zusammen. Falls hat die Flügel unbefriedigende
Form (von diesem Standpunkt), abspringt der Wirbelwind von dem Flügel und
herabgleitet zur Seite. Er gibt nicht die ganze bei ihm existierende
Energie zurück,
nur den kleinen Teil. Um der Wirbelwind möglichst viel Energie zurückzugeben
und dazu in dem Flügel
möglicherweise
länger
aufzuhalten, muss man erstens den Flügeln die konkave Form geben,
und zweitens, ihre Trägheit
optimisieren. Für
jeden geographischen Punkt gibt es ein charaktervollen Windstoß, deshalb
sollen die Flügel
von jedem Windkraftwerk den Charakteristiken dieses Windstoß angepasst
sein.
Für
die Auffassung der Windstöße ist ein kleines
Windrad notwendig, die schnell sich zu vertrieben fähig. Aber
solches kleine Windrad auf den hohen Turm (oder Mast) zu stellen
ist unvorteilhaft: die Aufwände
für den
passiven Teil der Grundbestände – für dem Turm
und andere Aufbau sind bei der kleinen Kapazität solchen Windkraftwerk allzu
groß. Der
Bau des Turmes wird rechtfertigt sein, falls auf den Gipfel des
Turmes gelingen wird, eine „Girlande" der Windräder anzuhäufen. Und
da solcher Räder viel
sind, ist zweckmäßig, sie
im Block zu vereinigen, um sollen sie alle für einen Elektrostromgenerator funktionieren,
der die Elektroenergie erzeugt. Bei der Sperrung einiger Windräder, die
auf eine Welle mit anderen sich befinden, entsteht das Problem:
der Teil der Räder
befinden sich unter der Einwirkung des Windstoßes, und auf übrige wirkt
nur der schwäche Windstrom
ein. So drehen sie sich mit verschiedenen Geschwindigkeiten.
Um sie zu zwingen, eine gemeine Welle
mit dem Elektrostromgenerator zu drehen, schlägt man vor, mehrere Windräder auf
eine Welle zu unterbringen und jedes mit einem Schnepper zu versehen. Dann
wird die Gruppe am meisten schnell drehenden Räder das Drehen zur Welle übergeben.
Und die Räder,
die in gegebenen Moment langsamer als diese Gruppe sich drehen und
leer funktionieren, akkumulieren die Energie des Drehens. Falls
der Windstoß nur
ein Windrad des Windkraftwerkes antriebt, muss es nicht die Trägkeit der übrigen Windräder überwinden.
Das lässt
einem einzelnem Rad zu, mehr empfänglich an die Windstöße zu sein.
Berücksichtigend die
Verschiedenartigkeit der Windstöße, ist
es zweckmäßig, die
Krümmung
der Flügel
verschiedener Räder
unähnlich
zu machen. In diesem Fall dreht sich die Welle mit der Geschwindigkeit
des schnellsten Rades, und die übrigen
Räder akkumulieren
die Trägheit
des Drehens an. Wenn der Windstoß aufhören wird und die Geschwindigkeit
dieses Rades fallen wird und weniger als bei benachbart wird sein,
sind dann zwei Varianten des Drehens der Welle möglich.
Die erste Variante gibt es bei großer Differenz
zwischen den Geschwindigkeiten ein irgendwelches Windrades im Vergleich
zu übrigen.
Dann dreht dieses schnellste Windrad die Welle, und die übrige drehen
sich leer, akkumulierend die Energie, wie es höher beschrieben ist. In diesem
Variant geschieht nur der Übergang
von einem belastendem Rad zu anderem.
Die zweite Variante gibt es, falls
mehrere Windräder
nähere
Drehensgeschwindigkeiten haben. Dann dreht diese Gruppe der Windräder gleichzeitig
die Welle. Man bekommt den größeren drehenden
Moment auf die Welle zu übergeben,
als mit einem Windrad dieser Gruppe. Auf diesen Fall sind im Elektrostromgenerator
zusätzliche
Reservewickelns vorgesehen, die in solchen Momenten der Zeit zwangsweise
angeschlossen werden. Die entstehende zusätzliche Festigkeit des Drehens
der Welle infolge des Anschließens
der Reservewickeln bremst die schnellsten Windräder in dieser Gruppe. Die Geschwindigkeiten
aller Windräder
dieser Gruppe werden gleichen worden und sie gleichzeitig drehen
die Welle. Das automatische Gerät
liest die Geschwindigkeiten aller Windräder aus und nach dem bestimmten
aufgegebenen Algorithmus schaltet an oder schaltet aus die Reservewickeln,
wählend
die erste oder zweite Variante des Drehens der Welle aus. Und wenn
die Welle senkrecht ist, braucht man keinen beweglichen Oberturm.
TECHNISCHE
LÖSUNG
Es ist ein Windrad nach dem Patent
DE 198 26 475 A1 ,
Int.Cl. F 03 D 2/06 bekannt, das mit dem Gehäuse auf eine Halbe des Windrads
versorgt, mit der Absicht die Winderwirkung auf die konvexe Teilen der
Flügel
zu ausschließen.
Der Mangel dieses Windrads ist Unmöglichkeit völlig die Windwirkung auf diese
Teile zu verhindern: zuerst, am Hinausgehen des Flügels von
Gehäuse
drückt
der Wind auf die Flügel in
gegenseitiger Richtung; zweitens, die Zugluft und der Wirbelwind
in Gehäuse
erwirken auch gegen die Drehrichtung der Flügel.
Nach dem US Patent 4 678 394, Int.Cl.
F 03 D 3/04 ist der untene Teil des Windrads mit den Platten zugedeckt.
Es hat desselbe obengenannte Mängel:
die Zugluft und der Wirbelwind im Raum zwischen den Platten machen
den Effekt von den Platten zunichte.
Es ist ein Windrad nach dem US Patent
5 855 470, Int.CI.F 03 D 7/06 bekannt, mit Flügel, die die Achsen parallel
zur senkrechten Windradachse haben. Die Flügel dreht man so, dass sie
in der untene Position waagerechte Lage haben. Der Mängel dieses Windrad
sind, zuerst, die flache Form des Flügels und, zweitens, dass sie
einen zusätzlichen
Motor für
Drehbewegung der Flügel
brauchen.
Wörtlich
derselbe Mängel
haben Windräder nach
US Patent 5 083 902, Int.Cl. F 01 D 5/00 und nach Patent
DE 195 01 036 A1 ,
Int.Cl. F 03 D 3/06.
Das Windrad nach dem Patent
DE 196 14 393 A1 ,
Int.CI.F 03 D 3/06 hat einen zusätzlichen Mangel:
die Bewegung der Flügel
ist mit plötzliche Stöße während Umdrehung
des Flügels
verbunden. Dieser Patent ist wie ein Prototyp angenommen.
Es werden zwei Arten des Windkraftwerks betrachtet:
mit einem oder mit mehrere Windräder. Nach
der ersten Art werden Windkraftwerke in den Gebieten mit ständigen in
Zeit und starken Winden gebaut.
In diesem Fall steht der Oberturm 2 auf
dem Turm 1 und ist mit Hilfe der Drehplatte 4 um
senkrechte Achse drehbar. Diese Möglichkeit lassen ihm die Lager 5 unter
der Drehplatte (alle Lager sind mit Kreuzchen bezeichnet). Der Oberturm
besteht aus zwei Säulen 3,
auf die die Welle des Windflügelrads hingelegen
sind. Die Säule
sind mit den Windrichtungsanzeigern 6 versorgt, der die
Richtung der Windradachse senkrecht zur Windrichtung hinstellt.
Jeder Flügel hat die Möglichkeit
um seine Längeachse
sich drehen. Mit dieser Absicht ist die Nabe 12 mit der
Lager versorgt. Jeder Flügel
hat eine Konkavität,
die in der obene Position 8 gegen Wind sich befindet. Solche
Form der Schaufel des Drehflügel
bekommt mehr Energie vom Wind des Wirbelwinds, der innerhalb der
Vertiefung sich ergibt. Den Halbmesser der Konkavität wählt man
nach Angaben der Theorie der Aerodynamik.
Der Flügel führt eine Umdrehung um die Längsachse
aus während
die Zeit eines Umlaufes des Windflügelrads. Aber die Drehbewegung
des Flügels
ist ungleichmäßig: von
oben 8 nach unten 9 muss es die Umdrehung mit 270° ausführen, und
von unten nach oben – nur
90° (von
270° bis
zum 360°). Deshalb
hat es in die mittlere Positionen 10 und 11 verschiedene
Drehwinkel: 135° und
315° entsprechend.
Auf solche Weise befindet sich das Flügel in die untere Position
in der Lage hochkant gegen dem Wind. Deswegen hat man in dieser
Position den kleinsten Widerstand des Windes.
An der Welle ist ein Stromgenereator 13 angeordnet,
der auf dem Kragstück 14 sich
gestützt
ist. Die Welle ist mit der Reibradgetriebe versorgt, das von eine
unbewegliche 15 und mehrere bewegliche 17 Reibscheiben
besteht. Die unbewegliche Reibscheibe ist mit dem Kragarm 16 zur
Säule gefestigt. Es
gibt zwei Paare der Reibscheiben: das obere Paar kontaktiert, während das
Flügel
von oben nach unten lauft, das untere Paar – während es von unten nach oben
läuft.
Die Halbmesser jedes Teil der Reibscheiben sind so ausgewählt, um
diese Drehwinkel zu sichern. Die Rotation des Windflügelrads
verursacht die Drehbewegung der Flügel ohne zusätzliche
Elektromotoren. Das Reibradgetreibe kann man mit Zahnradgetreibe
ersetzen. Dieses Windflügelrad
ist sowohl für
waagerechte als auch für
senkrechte Lage der Achse brauchbar.
Nach der zweiten Art werden Windkraftwerke
in jene Gebiete gebaut, wo die Jahresdurchschnittsgeschwindigkeit
des Windes für
die wirksamen Arbeit der Windkraftwerke der erster Art mit einem
Windrad ungenügend
ist.
Die Windkraftwerke der zweiten Art
mit mehrere Windräder
können
die Windstöße Besser
fangen. In diesem Fall ist die Welle mit dem gefederten Schnepper 18 versehen
und die Nabe ist mit einem Lager an der Welle gestellt. Die Welle
ist mit einem Zahn 19 versorgt, der an den Schnepper drücken kann.
Die dehnungssteife des Schneppersfeders wählt man so aus, damit sie die
zusätzliche
Festigkeit des Drehers des Windrades bei dem Durchgang des Zahnes
in der Richtung, die der Richtung des Welledrehens entgegengesetzt
ist, nicht schafft, und sicher fixiert den Zahn bei der Bewegung
des Zahnes in Richtung des Welledrehens.
Endlich können die beide Arten der Windkraftwerke
eine senkrechte Welle haben, dann Oberturm unbeweglich ist.