DE19501036A1

DE19501036A1 - Radial durchströmter Windenergie-Konverter mit vertikaler Drehachse

Info

Publication number: DE19501036A1
Application number: DE19501036A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Richter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-01-16
Filing date: 1995-01-16
Publication date: 1995-07-13

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Vertikalachsen-Windenergie-Konverter (im Nach folgenden Vertikalachsen-WEK genannt), gemäß dem Oberbegriff des Hauptan spruches.

Bekannte Vertikalachsen-WEK′s dieser Art arbeiten entweder nach dem sogenannten Widerstands- bzw. Verdrängungsprinzip oder nach dem aerodynamischen Auftriebs prinzip. Vertikalachsen-WEK′s die nach dem Widerstands- bzw. Verdrängungsprinzip arbeiten, weisen meist feste Widerstandselemente auf, die aufgrund ihrer Gestaltungs weise an der Vorder- und Rückseite unterschiedliche Widerstandsbeiwerte besitzen. Der bekannteste dieser Vertikalachsen-WEK′s ist das Anemometer, welches aufgrund der konkaven Form seiner Widerstandselemente in der Gleichlaufphase (mit dem Wind) einen höheren Widerstandsbeiwert aufweist als in der Gegenlaufphase (gegen den Wind), wo dann die konvexe Form der Widerstandselemente mit dem niedrigeren Widerstandsbeiwert zur Wirkung kommt. Der Wirkungsgrad eines solchen Vertikalachsen-WEK′s ist hierbei im Wesentlichen von der Differenz der beiden Widerstandsbeiwerte in der Gleich- bzw. in der Gegenlaufphase abhängig.

Mit der deutschen Patentschrift Nr. 8 34 077 vom 17. März 1952 ist ein Vertikalachsen- WEK bekannt geworden, dessen Widerstandselemente in Form von Flügelelementen um vertikale Drehachsen gelagert sind und die sich automatisch in die Stellung des größten Widerstandes in der Gleichlaufphase und des kleinsten Widerstandes in der Gegenlaufphase drehen.

Dieser Vertikalachsen-WEK kommt dem Prinzip des Anemometers sehr nahe. Das wesentliche Merkmal dieser Widerstands-Vertikalachsen-WEK′s ist es, daß die Umfangsgeschwindigkeit und somit die auf den Umfang bezogene tangentiale Wind komponente stets kleiner bleibt als die tatsächliche Windgeschwindigkeit Diese Art Widerstands-Vertikalachsen-WEK ist allerdings schon seit 1595 ("Veranzio" Deutsches Museum München) bekannt.

Kennzeichnend für diesen 1952 patentierten Vertikalachsen-WEK ist, daß ein Flügel rad mit vertikaler Drehachse an sternförmig angeordneten Streben Widerstandsele mente aufweist, die um eine vertikale Drehachse gelagert sind und daß sich die Wider standselemente in der Gleichlaufphase an einen auf den Radradius bezogenen inneren Anschlag anlegen um als Krafterzeugungskomponenten nach dem Widerstandsprinzip wirksam zu werden.

Dieses wird dadurch ermöglicht, daß die Teilfläche eines Flügelelementes als Widerstandsfläche in Anströmrichtung gesehen hinter seiner vertikalen Drehachse größer ausgebildet ist als vor seiner vertikalen Drehachse.

Somit erzeugt die hinter dieser vertikalen Drehachse am jeweiligen Flügelelement angreifende resultierende Wind- bzw. Widerstandskraft schon zu Beginn der Gleich laufphase an dem Flügelelement ein Drehmoment, welches die Flügelelementhinter kante zum Radmittelpunkt schwenkt.

Diese Bewegung des Flügelelementes wird dann durch einen auf den Radradius bezogenen inneren Anschlag gestoppt, über den dann auch gleichzeitig die Wind- bzw. Widerstandskraft an den Flügelelementen auf die Drehachse des Vertikalachsen- WEK′s übertragen wird.

In der Gegenlaufphase ändert sich die Anströmung an dem Flügelelement, da hier die auf den Umfang bezogene tangentiale Windkomponente und die tatsächliche Wind komponente die gleiche Richtung haben, so daß sich die Flügelelementhinterkante von dem inneren Anschlag löst und sich das Flügelelement automatisch in die Richtung des geringsten Widerstandes stellt. Hierbei bleibt das Flügelelement bzw. die Flügelelementhinterkante bei der Drehung des Flügelelementes in Richtung des Rad radius nach außen gesehen gesehen, frei beweglich.

Die durch das Widerstandsprinzip bedingte geringe Drehzahl und die hierdurch her vorgerufene nur geringe, auf das Flügelelement einwirkende Fliehkraft ist für die Dreh bewegung der Flügelelementhinterkante in Richtung des Radradius gesehen nach außen ohne irgendeine funktionelle Bedeutung.

Die Drehung des Flügelelementes bzw. der Flügelelementhinterkante von dem inneren Anschlag weg, auf den Radradius bezogen nach außen in die Stellung des geringsten Widerstandes wird beim Eintritt des Flügelelementes in die Gegenlauf phase durch die anströmende Luft hervorgerufen.

Um diese Funktion zu gewährleisten muß der Teilflächenschwerpunkt eines Flügelele mentes hinter der vertikalen Drehachse des Flügelelementes genau so groß sein wie der Teilflächenschwerpunkt vor der vertikalen Drehachse und damit der Flügelelementgesamtschwerpunkt im Zentrum der vertikalen Flügelelementdrehachse angeordnet sein. Somit kann durch die Fliehkraft an dem Flügelelement kein Drehmo ment um die senkrechte Achse hervorgerufen werden.

Ein auf den Radradius bezogener äußerer Anschlag, der die Flügelelemente in ihrer Drehung begrenzt ist deshalb auch nicht vorgesehen.

Eine Krafterzeugung findet daher bei dieser Art Vertikalachsen WEK′s nur während der Gleichlaufphase nach dem Verdrängungs- oder Widerstandsprinzip statt, wobei die Hinterkante des Flügelelementes an einem auf den Radradius bezogenen inneren An schlag anliegt.

Ein weiteres bekanntes Arbeitsprinzip eines Vertikalachsen-WEK′s ist das des Darrieus-Rotors, der nach dem aerodynamischen Auftriebsprinzip arbeitet und be reits im Jahre 1925 entwickelt wurde.

Mit seinen festen Flügelelementen deren Profilsehnen tangential zum Radumfang an geordnet sind, benötigt dieser Vertikalachsen-WEK für seine Funktion sehr hohe Windgeschwindigkeiten, wobei seine Umfangsgeschwindigkeit größer werden kann als die tatsächliche Windgeschwindigkeit.

Um sein schlechtes Anlaufverhalten zu überbrücken wurde dieser Vertikalachsen-WEK oft zusätzlich mit Vertikalachsen-WEK′s, wie beispielsweise dem Savonius-Rotor, der nach dem Widerstandsprinzip arbeitet und der schon bereits bei niederigen Windge schwindigkeiten ein gutes Anlaufverhalten aufweist, kombiniert.

Es kommen hierbei dann aber stets die zwei verschiedenen Arbeitsprinzipien des Widerstandsprinzips und des Auftriebsprinzips, z. B. ein kleinerer Savonius-Rotor für den Anlauf, in Kombination mit einem größeren Darrieus-Rotor in jeweils separater typenspezifischer Ausführung zur Anwendung, wobei dann beide Konverter unab hängig voneinander je nach Windstärke und Drehzahl nacheinander ihre Kraft auf die gleiche Antriebsachse übertragen und ein Drehmoment erzeugen.

Stellt man einen Vergleich zwischen einem Vertikalachsen-WEK der nach dem Widerstandsprinzip arbeitet und einem Vertikalachsen-WEK der nach dem aero dynamischen Auftriebsprinzip (Darrieus) arbeitet an, so kann festgestellt werden, daß der nach dem Widerstandsprinzip arbeitende Vertikalachsen-WEK schon bei kleinen Windgeschwindigkeiten ein gutes Arbeitsverhalten aufweist, wobei der nach dem Auf triebsprinzip arbeitende Darrieus-Rotor aber erst bei hohen Windgeschwindigkeiten ein gutes Arbeitsverhalten zeigt.

Ziel der Erfindung ist es, das Arbeitsprinzip und die Gestaltungsmerkmale des zuvor beschriebenen Widerstandsprinzips (Fig. 4) und das Arbeitsprinzip und die Gestaltungsmerkmale des nach dem aerodynamischen Auftriebsprinzip arbeitenden Darrieus-Rotors (Fig. 5) in einem einzigen Vertikalachsen-WEK mit den gleichen Bauteilen in einer Einheit zu verwirklichen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die in dem Anspruch 1 und den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen getroffen werden.

Daß der Erfindung zugrunde liegende Prinzip ist derart gestaltet, daß dieser Vertikal achsen-WEK (Fig. 1-8) in Kombination mit einer Maßnahme 11 zunächst als Maß nahme 1 an sternförmig angeordneten Streben 24 Flügelelemente 1 aufweist, die um ihre Hochachse 4 frei drehbar gelagert sind, wobei in Profilrichtung 12 gesehen die Flügelelementteilfläche 2 hinter der Drehachse 4 des Flügelelementes 1 größer aus gebildet ist als die vor der Drehachse 4 des Flügelelementes 1 liegende Flügelele mentteilfläche 3.

Eine erfindungsgemäße Maßnahme 11 nach Anspruch 2 wird nun in Kombination mit der Maßnahme 1 dadurch getroffen, daß in Profilrichtung 12 (Fig. 2) des Flügelelementes 1 gesehen der Teilflächenschwerpunkt 5 des Flügelelementes 1 hinter seiner Drehachse 4 größer ausgebildet ist als der Teilflächenschwerpunkt 6 vor seiner Drehachse 4, so daß der Flügelelementgesamtschwerpunkt 7 in Profilrichtung 12 gesehen hinter der vertikalen Drehachse 4 des Flügelelementes 1 liegt Die Maßnahme 1 bewirkt, daß sich die Flügelelemente 1 in der Gleichlaufphase 14 (Fig. 4) mit ihrer Hinterkante 10 immer dann an einen auf den Radradius bezogenen inneren Anschlag 8 anlegen, wenn die Wind- oder Widerstandskraft 17 an dem Flügelelement 1 größer ist als die auf den Flügelelementgesamtschwerpunkt 7 einwirkende Fliehkraft 21. Der Vertikalachsen-WEK arbeitet dann nach dem Wider standsprinzip (Fig. 4).

Wird nun bei größer werdender Windgeschwindigkeit 16 auch die Umfangsge schwindigkeit des Vertikalachsen-WEK′s erhöht, so bleibt das Flügelelement 1 unter dem Einfluß der Maßnahme 11 nach Anspruch 2, d. h. infolge der auf den Flügelele mentgesamtschwerpunkt 7 einwirkenden größer gewordenen Fliehkraft 21 mit seiner Hinterkante 10 an dem äußeren Anschlag 9 liegen.

Dieses geschieht immer dann, sobald die auf das Flügelelement 1 einwirkende Fliehkraft 21 größer wird als die auf das Flügelelement 1 einwirkende Wind- oder Widerstandskraft 17.

Eine weitere erfindungsgemäße Maßnahme nach Anspruch 3 wird dadurch getroffen, daß der Vertikalachsen-WEK zusätzlich mit einem für das Flügelelement 1 auf den Radradius bezogenen äußeren Anschlag 9 oder 22 versehen ist, der die Flügelele mentprofilsehne 13 tangential zum Radumfang ausrichtet (Fig. 5-6).

Bleibt die auf den Gesamtschwerpunkt 7 des Flügelelementes 1 einwirkende Fliehkraft 21 infolge hoher Drehzahlen größer als die in der Gleichlaufphase 14 auf die Teilflügel fläche 2 einwirkende Wind- oder Widerstandskraft 17, so verweilt das Flügelelement 1 mit seiner Hinterkante 10 fortwährend an dem äußeren Anschlag 9 bzw. 22 und der Vertikalachsen-WEK arbeitet dann nach dem aerodynamischen Auftriebsprinzip des Darrieus-Rotors (Fig. 5).

Die Masse des Flügelelementgesamtschwerpunktes 7 sowie die geometrische Anord nung von Flügelelementdrehachse 4 und des Flügelelementgesamtschwerpunktes 7 innerhalb der Profiltiefe des Flügelelementes 1, sind hierbei von maßgebender funktioneller Bedeutung.

Weiterhin ist es möglich, anstatt der Flügelelementhinterkante 10 die Flügelelement vorderkante 11 der Flügelelemente 1 in analoger Funktion gegen einen auf den Rad radius bezogenen Anschlag 22 drehen zu lassen (Fig. 6).

Weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften gehen aus dem Ausführungsbeispiel hervor, daß in den Zeichnungen 1-8 dargestellt ist.

Der äußere Anschlag 9 bzw. der Anschlag 22 ist nach Anspruch 4 zusätzlich mit einer Feder 25 (Fig. 6-7) versehen.

Die an dem Flügelelementgesamtschwerpunkt 7 infolge einer Drehzahlzunahme anwachsende Fliehkraft 21 (Fig. 7) drückt den hinter der Flügelelementdrehachse 4 befindlichen Teil 2 (Fig. 3) des Flügelelementes 1 auf den Radradius bezogen entgegen der Kraft der Feder 25 nach außen.

Damit stellt sich das Flügelelement 1 mit seiner gesamten Fläche 2, 3 bei sehr hohen Drehzahlen in einem von der Fliehkraft 21 abhängigen Winkelmaß 25 (Fig. 7) ent gegen der in Umfangsrichtung wirkenden tangentialen Luftströmung 18 (Fig. 7) und das Flügelelement 1 wird dann automatisch zu einer Widerstandsbremse. Desweiteren können der innere Anschlag 8 und der äußere Anschlag 9 bzw. 22 der Flügelelemente 1 nach Anspruch 5 mit Hilfe von elektrischen Haltemagneten oder Stellmotoren in ihrer Stellung fixiert werden.

Durch Stromunterbrechung oder durch Stromzuschaltung kann dann die Funktion der Anschläge 8, 9 und 22 aufgehoben werden, indem diese ihre Position verändern und die Flügelelemente 1 in ihrer Drehbewegung vollkommen freigeben.

Hierdurch wird die Funktionsweise des Vertikalachsen-WEK′s insgesamt aufgehoben. Die Flügelelemente 1 können sich dann in die Richtung des geringsten Widerstandes in den Wind 16 drehen und werden so als Krafterzeugungskomponenten vollkommen wirkungslos (Fig. 8).

Bezugszeichenliste

1 Flügelelement
2 Flügelelementteilfläche hinter der vertikalen Drehachse des Flügelelementes
3 Flügelelementteilfläche vor der vertikalen Drehachse des Flügelelementes
4 vertikale Drehachse des Flügelelementes
5 Teilflächenschwerpunkt hinter der vertikalen Drehachse des Flügelelementes
6 Teilflächenschwerpunkt vor der vertikalen Drehachse des Flügelelementes
7 Flügelelementgesamtschwerpunkt
8 innerer Anschlag für die Flügelelementhinterkante
9 äußerer Anschlag für die Flügelelementhinterkante
10 Flügelelementhinterkante
11 Flügelelementvorderkante
12 Profilrichtung des Flügelelementes
13 Flügelelementprofilsehne
14 Gleichlaufphase
15 Gegenlaufphase
16 tatsächlicher Wind
17 Wind- oder Widerstandskraft
18 tangentiale Luftströmung
19 Vertikale Drehachse des Konverters
20 Drehrichtung des Konverters
21 Fliehkraft
22 äußerer Anschlag für die Flügelelementvorderkante
23 Winkelmaß
24 Strebe
25 Feder

Claims

1. Anordnung bei Vertikalachsen-Windenergiekonvertern bestehend aus einem Lauf rad, dessen Drehachse rechtwinkelig zur Strömungsrichtung des treibenden Mediums Luft angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Vertikalachsen-Windenergiekonverter unter Verwendung ein und derselben Bauteile in einer Einheit sowohl nach dem Widerstands-oder Verdrängungsprinzip wie auch nach dem aerodynamischen Auftriebsprinzip arbeitet und daß hierbei auf jeden Lenk- oder Steuermechanismus für die Flügelelemente verzichtet wird.

2. Vertikalachsen-Windenergiekonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtschwerpunkt 7 eines Flügelelementes 1 in Profilrichtung 12 gesehen in einem solchen Abstand hinter der Flügelelementdrehachse 4 angeordnet ist, daß die Flügelelementhinterkante 10 durch den Einfluß der auf das Flügelelement 1 einwirken den Fliehkraft 21 entgegen der auf das Flügelelement 1 einwirkenden Wind- oder Widerstandskraft 17 (Fig. 5) auch in der Gleichlaufphase 14 an dem äußeren Flügel anschlag 9 liegen bleibt, oder aber die Flügelelementvorderkante in Analogie an einen ihr zugeordneten Anschlag 22 wandert, wodurch die Flügelelementprofilsehne 13 tangential zum Radumfang ausgerichtet wird (Fig. 5) und hierdurch das Flügelele ment 1 in dieser Position gemäß dem Auftriebsprinzip des Darrieus-Rotors wirksam werden kann.

3. Vertikalachsen-Windenergiekonverter nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vertikalachsen-WEK neben einem auf den Radradius bezogenen inneren Flügelanschlag 8 der die Flügelelementprofilsehne 13 parallel zum Radradius ausrichtet, zusätzlich einen auf den Radradius bezogenen äußeren Flügelan anschlag 9 oder 22 aufweist (Fig. 6), der die Flügelelementprofilsehne 13 tangential zum Radumfang ausrichtet, wobei die Flügelanschläge 8, 9, und 22 sowohl außerhalb als auch innerhalb der Flügelelementdrehachse 4 des Flügelelementes 1 angeordnet sein können.

4. Vertikalachsen-Windenergiekonverter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der auf den Radradius bezogene äußere Anschlag 9 für die Flügelelement hinterkante 10 oder in Analogie der Anschlag 22 für die Flügelelementvorderkante 11 mit einer Feder 25 versehen ist, deren vorgespannte Kraft gegen die auf das Flügel element einwirkende Fliehkraft 21 gerichtet ist (Fig. 7).

5. Vertikalachsen-Windenergiekonverter nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügelanschläge 8, 9, und 22, durch eine magnetische Halterung oder einen Stellmotor in ihrer Stellung fixiert sind, wobei die Stellung der Flügelanschläge 8, 9, 22 durch Strom Zu- oder Abschaltung so verändert werden kann, daß sich die Flügelele mente 1 frei um ihre vertikale Drehachse 4 drehen können und die Anschläge 8, 9, 22 in ihrer Funktion unwirksam werden (Fig. 8).