DE10342113B4

DE10342113B4 - Windkraftmaschine

Info

Publication number: DE10342113B4
Application number: DE10342113A
Authority: DE
Inventors: Fritz Kadletz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-09-10
Filing date: 2003-09-10
Publication date: 2009-08-20
Anticipated expiration: 2023-09-11
Also published as: DE202004014105U1; EP1678420A1; DE10342113A1; WO2005026536A1

Abstract

Windkraftmaschine mit einem zwei- oder mehrblättrigen Rotor (2), dessen Drehachse (3) im wesentlichen parallel zur Windrichtung (4) angeordnet ist, wobei jedes Rotorblatt als bogenförmig gestalteter, dünnwandiger Flächenflügel (12, 13) aus einem biegesteifen Material gefertigt ist, die beiden Bogenenden (14, 15) des Rotorblattes an der Drehachse (3) des Rotors (2) befestigt sind und der Flächenflügel (12, 13) in seiner Projektion auf eine Ebene wenigstens annähernd als zweieckiger Grundkörper eines Toroidalflächenausschnittes ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftmaschine mit einem zwei- oder mehrblättrigen Rotor, dessen Drehachse im wesentlichen parallel zur Windrichtung angeordnet ist.
Aus DE 94 14 258 U1 ist eine Strömungskraftmaschine mit einem Rotor bekannt, der eine Halterung, eine Welle und mindestens einen auf der Welle angebrachten Flügel aufweist, der bandförmig ist und sich längs der Drehachse der Welle in einem Bogen radial zur Drehachse erstreckt und in sich derart gebogen ist, dass er bei Blick in Richtung der Drehachse die Form einer Schlaufe oder annähernd die Form der Hälfte oder eines Teils der Hälfte einer Acht hat, wobei der Flügel biegsam ist. Der Flügel der vorbekannten Strömungskraftmaschine ist profiliert, und zwar ragt ein erster Teil des Flügels aus einer durch die Drehachse und den Scheitelpunkt des Bogens definierten Ebene entgegen der Drehrichtung heraus und weist bezüglich der Drehachse ein nach außen gewölbtes Flügelprofil auf, während ein zweiter Teil des Flügels aus einer durch die Drehachse und den Scheitelpunkt des Bogens definierten Ebene in der Drehrichtung herausragt und ein bezüglich der Drehachse nach innen gewölbtes Flügelprofil aufweist. Der Flügel ist mit seinen beiden Enden an längs der Welle voneinander beabstandeten Befestigungspunkten befestigbar, wobei der Abstand der Befestigungspunkte veränderbar ist.
Aus DE 198 20 766 A1 ist eine Strömungskraftmaschine mit wenigstens einem an zwei Enden drehbar um eine Achse gelagerten Flügel bekannt, wobei sich zwei Flügel zwischen ihren beiden Enden auf einer gedachten Kugelfläche sinusförmig um die Drehachse erstrecken und jeder Flügel ein Tragflügelprofil mit einer Vorder- und Hinterkante hat, das zwischen den beiden Enden Auftrieb in derselben Richtung erzeugt und mit der Hinterkante in der Kugelfläche liegend gegenüber dieser umfangsgeschwindigkeitsabhängig angestellt und abhängig von der relativen Anströmgeschwindigkeit derart eingestellt ist, dass sich der Einstellwinkel in Bezug auf einen für jede Sinushälfte gedachten Pol des Einstellwinkels zwischen den Enden fortschreitend ändert.
Aus WO 03/021105 A1 ist eine Strömungskraftmaschine mit wenigstens zwei entgegengesetzten, auf einer Drehachse angeordneten Flügeln bekannt, wobei jeder Flügel im wesentlichen längs der Oberfläche eines gedachten Rotationskörpers verläuft, dessen Achse mit der Drehachse zusammenfällt und der durch Rotation einer bogenförmigen, stetig gekrümmten Kurve entsteht.
Aus DE 202 06 942 U1 ist ein Rotorblatt für Windenergieanlagen mit einer Schale bekannt, deren Profilquerschnitt gegen Biegung in Schlagrichtung durch paarweise vorgesehene Gurte und Stege zwischen diesen versteift ist, wobei die Gurte aus in Längsrichtung faserverstärktem Kunststoff bestehen und die Gurte in Längsrichtung einen glasfaser- und einen carbonfaserverstärkten Abschnitt aufweisen.
Bekannt sind somit Windkraftmaschinen mit aus Tragflügelprofilen geformten Rotorblättern. Bei diesen erfolgt die Umsetzung der Windenergie in Rotationsenergie nach dem Bernoullischen Gesetz aufgrund einer unterschiedlichen Druckverteilung auf der Unterseite gegenüber der Oberseite des Flügels der unter Wind angeströmten Tragfläche, die zu einer Querkraft für den Flügel und damit zu einem Drehantrieb des Rotors führt. Die vom Windflügel extrahierbare Leistung ist dabei unter anderem proportional zu der von den Flügeln überstrichenen Fläche.
Die derzeitigen technologischen Verbesserungen und Weiterentwicklungen von Windkraftanlagen zielen im wesentlichen dahin, einerseits die Wirtschaftlichkeit zu verbessern, andererseits die Umweltbeeinflussung und dabei insbesondere die Geräuschemission zu minimieren. Die Wirtschaftlichkeit einer Windkraftanlage hängt in großem Maße von der spezifischen Turmkopfmasse ab. Langsamlaufende Windrotoren erzeugen hohe Drehmomente und benötigen entsprechend schwere Bauteile, insbesondere Getriebe mit hohem Übersetzungsverhältnis und/oder entsprechend aufwändige langsamlaufende Generatoren. Von daher liegt es auf der Hand, die Auslegungsdrehzahlen bzw. die Umfangsgeschwindigkeiten von Windkraftrotoren so hoch wie möglich anzusetzen. Dem steht jedoch entgegen, dass mit steigender Umfangsgeschwindigkeit die aerodynamische Geräuschentwicklung an den Rotorblättern zunimmt. Während beim Stand der Technik alle übrigen Maschinengeräusche durch Maßnahmen wie Präzisionsverzahnung, Körperschallentkopplung und Kapselung usw. verhältnismäßig gut beherrschbar geworden sind, bilden die aerodynamisch bedingten Geräusche am Rotor ein nach wie vor schwer beherrschbares Problem.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, deren Rotor schnell laufen und damit hohe Drehmomente erzeugen kann, und bei der die Umweltbeeinflussung und dabei insbesondere die Geräuschemission minimiert ist.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Jedes Rotorblatt ist als bogenfömig gestalteter, dünnwandiger Flächenflügel aus einem biegesteifen Material gefertigt, wobei die beiden Bogenenden des Rotorblattes an der Drehachse des Rotors befestigt sind. Dem Prinzip der Erfindung folgend ist die geometrische Gestaltung des erfindungsgemäßen Rotors dergestalt, dass der Flächenflügel in seiner Projektion auf eine Ebene wenigstens annähernd als zweieckiger Grundkörper eines Toroidalflächenausschnittes bzw. eines Kugeloberflächenausschnittes ausgebildet ist.
Durch die besondere geometrische Gestaltung jedes Rotorblattes und seine Anordnung an der Drehachse des Rotors wird einerseits eine erhebliche Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der erfindungsgemäßen Windkraftmaschine und andererseits eine deutliche Minimierung der Geräuschemission erreicht. Die erfindungsgemäße Windkraftmaschine hat einen schnelllaufenden Windrotor, der auch bei geringeren Windgeschwindigkeiten ein hohes Drehmoment erzeugt. Da die vom Windflügel extrahierbare Leistung nicht von der von den Flügeln überstrichenen Fläche wie bei den vorbekannten Flügeln abhängt, sondern im wesentlichen proportional ist zu dem von den Flügeln umschlossenen Volumen, können bereits bei geringeren Windgeschwindigkeiten hohe Energieumsetzungen erreicht werden. Die Geräuschemission ist bei der erfindungsgemäßen Windkraftmaschine u. a. deshalb wesentlich geringer als bei vorbekannten Windanlagen, da die auf den Flügeln durch den Wind beaufschlagte Stauwirkung wesentlich geringer ist als bei vorbekannten Flügeln. Dennoch sind der Leistungsbeiwert und damit der Wirkungsgrad im Hinblick auf das Verhältnis der umgesetzten Energie zur Windenergie ausreichend groß.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann der Flächenflügel sattelförmig gekrümmt und mit einem konvex gebogenen Flügelprofil ausgebildet sein.
Vorzugsweise ist das Rotorblatt der erfindungsgemäßen Windkraftmaschine aus einem biegesteifen Material gefertigt, insbesondere aus einem Fibermaterial, beispielsweise Glasfaser- oder Karbonfasermaterial.
Die Erfindung ist nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht einer Windkraftmaschine nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine schematische Vorderansicht des ersten Ausführungsbeispieles und
3 eine schematische Seitenansicht einer Windkraftmaschine nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das in den 1 und 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst eine Windkraftmaschine 1 mit einem zweiblättrigen Rotor 2, dessen Drehachse 3 im wesentlichen parallel zur Windrichtung gemäß Pfeil 4 angeordnet ist. Der gemäß Pfeil 5 drehende Rotor 2 ist mit seinen vom Wind beaufschlagten Teilen und den diese tragenden Teilen gemäß Pfeil 6 schwenkbar an einer Halte- und Stützeinrichtung 7 gelagert, deren Schwenkachse 8 im wesentlichen senkrecht zur Drehachse 3 des Rotors 2 angeordnet ist. Die Drehachse 3 treibt einen in den Figuren nicht näher dargestellten Generator an, der die vom Wind umgesetzte Rotationsenergie in elektrische Energie wandelt. Bei der dargestellten, bevorzugten Ausführung der Erfindung weisen die den Rotor 2 tragenden Teile einen an der Halte- und Stützeinrichtung 7 befestigten Bügel 9 auf, auf dessen Bügelenden 10, 11 die Drehachse 3 des Rotors 2 drehbar gelagert ist.
Erfindungsgemäß ist jedes Rotorblatt 12 und 13 als bogenförmig gestalteter Flächenflügel aus einem beigesteifen Material gefertigt, wobei die beiden Bogenenden 14, 15 jedes Rotorblattes 12, 13 an der Drehachse 3 des Rotors 2 befestigt sind. Ferner ist jeder Flächenflügel 12, 13 in seiner Projektion auf eine (gedachte) Ebene wenigstens annähernd als zweieckiger Grundkörper eines Toroidalflächenausschnittes bzw. eines Kugeloberflächenausschnittes ausgebildet. Beide unter einem Winkel vom 180° versetzt an der Drehachse 3 des Rotors 2 angeordneten bzw. befestigten Flächenflügel 12, 13 sind dünnwandig ausgebildet und haben eine möglichst geringe Masse. Jedes Rotorblatt 12, 13 ist vorzugsweise aus einem Fibermaterial gefertigt.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann jeder Flächenflügel 12, 13 sattelförmig gekrümmt und mit einem konvex gebogenen Flügelprofil ausgebildet sein, wie dies in 2 mit einer gestrichelten Randlinie 16 dargestellt ist.
Das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst eine Windkraftmaschine 1, bei der ein Stabgenerator 17 auf bzw. in der Drehachse 3 des Rotors 2 integriert ausgebildet ist. Im übrigen unterscheidet sich diese Ausführung nicht von dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel, so dass sich dieselben Bezugsziffern auf analoge Bestandteile und Merkmale beziehen.

Claims

Windkraftmaschine mit einem zwei- oder mehrblättrigen Rotor (2), dessen Drehachse (3) im wesentlichen parallel zur Windrichtung (4) angeordnet ist, wobei jedes Rotorblatt als bogenförmig gestalteter, dünnwandiger Flächenflügel (12, 13) aus einem biegesteifen Material gefertigt ist, die beiden Bogenenden (14, 15) des Rotorblattes an der Drehachse (3) des Rotors (2) befestigt sind und der Flächenflügel (12, 13) in seiner Projektion auf eine Ebene wenigstens annähernd als zweieckiger Grundkörper eines Toroidalflächenausschnittes ausgebildet ist.
Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorblatt aus einem Fibermaterial gefertigt ist.
Windkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) genau zwei Flächenflügel (12, 13) aufweist, die unter einem Winkel von 180° versetzt an der Drehachse (3) des Rotors (2) angeordnet sind.
Windkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenflügel (12, 13) sattelförmig gekrümmt ist.
Windkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Flügelprofil konvex gebogen ist.
Windkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) mit seinen vom Wind beaufschlagten Teilen und den diese tragenden Teilen schwenkbar an einer Halte- und Stützeinrichtung (7) gelagert ist, deren Schwenkachse (8) im wesentlichen senkrecht zur Drehachse (3) des Rotors (2) angeordnet ist.
Windkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die den Rotor (2) tragenden Teile einen an der Halte- und Stützeinrichtung (7) befestigten Bügel (9) aufweisen, auf dessen Bügelenden (10, 11) die Drehachse (3) des Rotors (2) schwenkbar gelagert ist.