DE10319003A1

DE10319003A1 - Auftriebsverbessernde Oberflächenstruktur für Windenergiekonverter

Info

Publication number: DE10319003A1
Application number: DE10319003A
Authority: DE
Inventors: Eugen Radtke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-04-25
Filing date: 2003-04-25
Publication date: 2004-11-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Windenergiekonverter mit Auftriebs- und/oder Widerstandsläufern, bei der mindestens 25% umströmten Oberfläche der Auftriebs- und/oder Widerstandsläufer Einbuchtungen aufweisen, mit denen Turbulenzen erzeugbar sind, die Energie in die Auftriebs- und/oder Widerstandsläufer umgebende Grenzschicht eintragen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Windenergiekonverter mit Auftriebs- und/oder Widerstandsläufern, bei dem mindestens 25 % der umströmten Oberfläche eines Rotors Einbuchtungen aufweisen, mit denen Turbulenzen erzeugbar sind, die Energie in die die Auftriebs- und/oder Widerstandsläufer umgebende Grenzschicht eintragen. Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung von Einbuchtungen auf der Oberfläche von Auftriebs- und/oder Widerstandsläufern zur Erzeugung von Auftrieb, Sog und/oder zur Reduzierung von Wirbelschleppenbildung.

Erneuerbare Energien nehmen eine immer größere Bedeutung bei der heutigen Energieversorgung ein. Besonders wichtig sind dabei sogenannte Windenergiekonvertoren, die Windenergie in elektrische Energie umwandeln. Diese Windenergiekonvertoren haben jedoch heutzutage den Nachteil, dass sich hinter den sich drehenden Rotoren, die als Auftriebs- und/oder Widerstandsläufer ausgebildet sind, große Wirbelschleppen bilden, die sich negativ auf den Wirkungsgrad der Windenergiekonvertoren auswirkt, insbesondere weil der jeweils nachfolgende Flügel in eine stark verwirbelte Luft eintaucht.

Es bestand deshalb die Aufgabe, einen Windenergiekonverter zur Verfügung zu stellen, der die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch einen Windenergiekonverter gemäß Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen des Windenergiekonverters sind durch die Merkmale der Unteransprüche abgedeckt.

Es war für den Fachmann überaus erstaunlich und nicht zu erwarten, dass es mit dem erfindungsgemäßen Energiekonverter gelingt, den Luftwiderstand der Auftriebs- und/oder Widerstandsläufer erheblich zu reduzieren, bessere Auftriebs- und Sogbedingungen zu erzeugen sowie die Wirbelschleppenbildung zu reduzieren, was einzeln aber auch insgesamt zu einer besseren Konvertierung der Windenergie in elektrische Energie führt.

Erfindungsgemäß weisen mindestens 25 % der umströmten Oberfläche der Auftriebs- und/oder Widerstandsläufer Einbuchtungen auf, mit denen Turbulenzen erzeugbar sind, die Energie in die die Auftriebs- und/oder Widerstandsläufer umgebene Grenzschicht eintragen. Dadurch wird die Ausdehnung der Grenzschicht gezielt manipuliert, um den Wirkungsgrad von Windenergieanlagen zu erhöhen.

Ein Auftriebs- und/oder Widerstandsläufer im Sinne der Erfindung ist jeder beliebige Läuferrotor, der an Windkraftanlagen montiert werden kann und mit dem die Windströmung in eine rotatorische Bewegung umgewandelt wird. Beispielhaft, jedoch nicht abschließend, seien hierbei für Widerstandsläufer der Savonius-Rotor, Darrius-Rotor, H-Darrius-Rotor sowie das Schalenkreuzanemometer genannt.

Die erfindungsgemäß vorhandenen Einbuchtungen können jede beliebige Form und Größe aufweisen. Vorzugsweise weisen die Einbuchtungen jedoch einen kreisförmigen, ovalen und/oder vieleckigen Querschnitt auf. Die Einbuchtungen können eine beliebige Tiefe haben, wobei die Ausformung der Tiefe durch Werkzeuge mit einem gleichmäßigen oder ungleichmäßigen Radius, dessen Mittelpunkt vorzugsweise außerhalb der Oberfläche liegt, erzeugt werden kann. Die Vertiefungen auf einer Oberfläche können gleich oder unterschiedlich geformt sein. Des weiteren können die Vertiefungen hintereinander oder mit Versatz angeordnet sein. Es ist auch denkbar, dass sich Vertiefungen unterschiedlicher Form und Tiefe auf einer Oberfläche befinden.

Die Einbuchtungen können homogen oder nicht homogen auf der Oberfläche der Auftriebs- und/oder Widerstandsläufer verteilt sein.

In der Regel weist der Windenergiekonverter weitere Bauteile, wie beispielsweise einen Mast auf, der vorzugsweise ebenfalls mit Einbuchtungen versehen ist, um beispielsweise dessen Luftwiderstand zu reduzieren.

Die erfindungsgemäßen Einbuchtungen können in das Material des Auftriebs- und/oder Widerstandsläufers eingeprägt werden. Des weiteren können die Einbuchtungen beispielsweise auch durch einen Anstrich, oder durch sonstige chemische und/oder physikalische Verfahren, wie beispielsweise Laserablation oder Eloxierung oder dergleichen, in die Oberfläche des Auftriebs- und/oder Widerstandsläufers eingebracht werden. Vorzugsweise sind die Einbuchtungen Teil einer Folie oder Ummantelung, die dann auf die Auftriebs- und/oder Widerstandsläufer aufgebracht, vorzugsweise aufgeklebt, wird. Vorzugsweise ist diese Klebung reversibel, so dass die Ummantelung und/oder Folie nach einer gewissen Zeit ausgetauscht werden kann.

Für den Fall, dass der Auftriebs- und/oder Widerstandsläufer ein Rotorblatt ist, werden die Einbuchtungen bezogen auf die Umströmungsrichtung, vorzugsweise in dessen hinterem Bereich, angeordnet. Weiterhin bevorzugt dehnen sich die Einbuchtungen von der hinteren Rotorblattkante angefangen gleichmäßig oder ungleichmäßig in Richtung der vorderen Rotorblattkante aus. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist lediglich die Rotorblattober- oder -unterseite mit Vertiefungen versehen und/oder die Einbuchtungen auf der Rotorblattober- bzw. -unterseite unterscheiden sich in ihrer Anzahl der Dimensionen und/oder Form.

Beispielsweise ist es denkbar, dass die Einbuchtungen von der Rotorblattvorderkante zu der Blatthinterkante in ihrer Dimension zu- oder abnehmen.

Wird z.B. eine Halbkugel eines Schalenkreuzanemometer mit seiner runden Seite in eine horizontale Strömung gehalten, muß sich der Teil der Strömung beschleunigen, der den Umweg um die Halbkugel nehmen muß. Durch die Geschwindigkeitserhöhung wird sich an ihrer rechten und linken Seite ein Unterdruck bilden. Da man in diesem Falle von Druck ist proportional zu Kraft ausgehen kann, folgt, dass an beiden Seite dieselbe Kraft wirkt. Die resultierende Kraft bei dieser Halbkugel in einer horizontalen Strömung ist also gleich null. Setzt man nun aber eine Halbkugel in eine horizontale Strömung deren rechte äußere Oberfläche mit Vertiefungen ausgebildet ist (6), so wird die Strömung, aufgrund der erzeugten Grenzschicht, dem Profil auf der rechten Seite länger folgen als auf der linken Seite. Die Wirbelschleppe wird reduziert. Des weiteren ergibt sich eine Luftströmungsgeschwindigkeitsdifferenz zwischen der linken und rechten Seite der Halbkugel. Die daraus resultierende Druckdifferenz erzeugt einen Auftrieb bzw. Sog, der zur Rotationserzeugung und Unterstützung genutzt werden kann.

Hier konnte im Versuchsaufbau bei einer Windstärke von lediglich 6 m/s bereits eine wesentlich höhere Drehzahl (ca. 15%) nachgewiesen werden. Des weiteren kann man auch beide äußeren Seiten der Halbkugel mit Vertiefungen ausbilden (8). Über eine unterschiedliche Anbringung der Vertiefung in Form, Tiefe, Anzahl, Ausdehnung der rechten gegenüber der linken Seite einer Halbkugel kann man die horizontale und vertikale Ausdehnung der Grenzschicht von der rechten bzw. linken Seite gezielt beeinflussen und somit eine Geschwindigkeitsdifferenz der Luftströmung erzeugen. Der daraus resultierende Druckunterschied erzeugt wiederum einen Auftrieb bzw. Sog.

Der erfindungsgemäße Energiekonverter hat den Vorteil, dass aus einem Widerstandsläufer ein kombinierter Auftriebs- und Widerstandsläufer gemacht werden kann. Dies erhöht die Effizienz von Widerstandsläufern, die mit den Einbuchtungen versehen sind, da sowohl der Luftwiderstand als auch der Auftrieb zur Energiegewinnung genutzt wird. Des weiteren hat der erfindungsgemäße Energiekonverter den Vorteil, dass die Wirbelschleppenbildung erheblich reduziert und damit der Wirkungsgrad erhöht wird. Bei einem kombinierten Auftriebs- und Widerstandsläufer, dessen Rotor die erfindungsgemäße Oberflächenstruktur aufweist, ist eine laminare Luftströmung nicht zwingend erforderlich, was eine niedrige Bauhöhe des Windrades ermöglicht. Bei Windenergiekonvertoren mit Auftriebsläufern ist die erfindungsgemäße Technik ebenfalls anwendbar. Bestehende anlagen können durch Folienummantelungen, Lackierungen oder Glasuren, die die gewünschte Oberflächenstruktur aufweisen, nachträglich umgerüstet werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der 1 bis 8 erläutert. Diese Erläuterungen sind lediglich beispielhaft und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.
1 zeigt die Vertiefungen in zwei Ansichten,
2 zeigt weitere Ausgestaltungsformen der Vertiefungen in zwei Ansichten,
3 zeigt ein Strömungsprofil um einen luftumströmten Körper,
4 zeigt die aerodynamischen Auswirkungen der eingebrachten Vertiefungen,
5 zeigt ebenfalls die Beeinflussung der Grenzschicht durch die Vertiefungen,
6-8 zeigen jeweils ein Schalenanemometer mit den Einbuchtungen.
1 zeigt die Einbuchtungen in zwei Ansichten. In dem vorliegenden Fall sind die Einbuchtungen kreisförmig und versetzt zueinander angeordnet.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Oberfläche mit den Einbuchtungen. In dem vorliegenden Fall haben die Einbuchtungen eine unterschiedliche Form und Größe.
3 zeigt das Strömungsprofil bei der Umströmung eines aerodynamischen Körpers mit den erfindungsgemäßen Einbuchtungen. Nahe der Oberfläche des Auftriebs- und/oder Widerstandsläufers ist die Strömungsgeschwindigkeit der Luft nahezu Null. Von dort aus steigt die Strömungsgeschwindigkeit bis zum oberen Ende der Grenzschicht an. Durch das gezielte Einbringen von Turbulenzen in die Grenzschicht wird deren Ausdehnung beeinflußt, so dass innerhalb der Grenzschicht ein Strömungsprofil erzeugt wird, welches sich von einem Strömungsprofil ohne Einbuchtungen unterscheidet. Manipuliert man nun die Grenzschicht des luftumströmten Profils mittels Vertiefungen und den dadurch eingebrachten Turbulenzen so, dass die Grenzschicht der einen Seite des Profils sich in ihrer Ausdehnung von der Grenzschicht auf der anderen Seite des Profils unterscheidet, so erzeugt man Strömungsgeschwindigkeitsprofile, welche sich ebenfalls in ihrer Ausdehnung unterscheiden wodurch gemäß der Bernoulli-Gleichung ein Druckunterschied zwischen den beiden Seiten des Profils entsteht, welcher einen Sog oder Auftrieb bewirkt. In 3 ist insbesondere das Luftströmungsgeschwindigkeitsprofil bei unterschiedlicher Ausdehnung der Grenzschicht bei einem aerodynamischen mit beidseitiger unterschiedlicher Vertiefung versehenen Körpers dargestellt. V_g ist die gleichförmige Geschwindigkeit; V die Geschwindigkeit, deren Größe durch die Länge der Pfeile symbolisiert wird.
4 zeigt die Auswirkung von Vertiefungen auf der Oberseite eines luftumströmten Profils. Durch die Einbuchtungen folgt die Luft dem Profil eines Körpers länger als ohne Vertiefungen, so dass sich auf der Oberseite ein geringerer Druck als auf der Unterseite einstellt. Des weiteren zeigt die Darstellung, dass die Wirbelschleppenbildung auf der Oberseite erheblich vermindert ist.
5 zeigt unterschiedliche Vertiefungen auf der Ober- bzw. Unterseite. Durch die Vertiefungen auf der Unterseite wird die Ausdehnung der Grenzschicht zwar vermindert, jedoch die Wirbelschleppenbildung nicht völlig unterdrückt. Auch hier stellt sich auf der Oberseite ein geringerer Druck als auf der Unterseite ein, was zu einem Auftrieb bzw. Sog und damit zu einer höheren Effizienz der Energieumwandlung führt. Des weiteren werden durch die Vertiefungen der Luftwiderstand des aerodynamischen Profils reduziert.
6 bis 8 zeigen ein Schalenanemometer mit Einbuchtungen auf der luftumströmten Seite. Die Einbuchtungen sorgen jeweils für unterschiedliche Strömungsverhältnisse auf den beiden Halbseiten des Widerstandsläufers, was jeweils einen Sog und damit eine höhere Effizienz des Schalenanemometers bewirkt. Bei gleicher Anströmgeschwindigkeit stellen sich bei den Schalenanemometern gemäß 6–8 höhere Drehgeschwindigkeiten ein, als bei Schalenanemometern ohne Einbuchtungen.

Claims

Windenergiekonverter mit Auftriebs- und/oder Widerstandsläufern, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise mindestens 25% der Oberfläche eines Rotors, als der Auftriebs- und/oder Widerstandsläufer ausgebildet ist, Einbuchtungen aufweist, mit denen Turbulenzen erzeugbar sind, die Energie in den Rotor umgebende Grenzschicht eintragen.
Windenergiekonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbuchtungen einen kreisförmigen, ovalen und/oder vieleckigen Querschnitt aufweisen.
Windenergiekonverter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbuchtungen in der Tiefe einen gleichmäßigen und/oder ungleichmäßigen Radius aufweisen, dessen Mittelpunkt außerhalb der Oberfläche liegt.
Windenergiekonverter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen unterschiedlich tief sind.
Windenergiekonverter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen mit Versatz angeordnet sind.
Windenergiekonverter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche unterschiedlich geformte Vertiefungen aufweist.
Windenergiekonverter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen auf der Oberfläche nicht homogen verteilt sind.
Windenergiekonverter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er neben dem Rotor weitere Bauteile aufweist, die zumindest teilweise mit Einbuchtungen versehen sind.
Windenergiekonverter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbuchtungen auf einer Folie und/oder Ummantelung angeordnet sind, die vorzugsweise reversibel an den Auftriebs- und/oder Widerstandsläufern anbringbar ist.
Windenergiekonverter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er Rotorblätter aufweist und dass die Einbuchtungen bezogen auf die Umströmungsrichtung in deren hinteren Bereich angeordnet sind.
Windenergiekonverter nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass er Widerstandsläufer nach dem Schalenanemometerprinzip aufweist und dass nur eine Hälfte der Schale Einbuchtungen aufweist.
Verwendung von Einbuchtungen auf der Oberfläche von Auftriebs- und/oder Widerstandsläufern zur Erzeugung von Auftrieb, Sog und/oder zur Reduzierung von Wirbelschleppenbildung.