DE19912094A1

DE19912094A1 - Windkraftturbine mit einer vertikalen Achse

Info

Publication number: DE19912094A1
Application number: DE1999112094
Authority: DE
Inventors: Hassan Mohamed Soliman
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-03-18
Filing date: 1999-03-18
Publication date: 2000-09-21

Abstract

Bei bekannten Windkrafträdern, die mit vertikalen Achsen angeordnet sind, werden mit zahlreichen aerodynamischen starren Flügeln angetrieben, die mit Hilfe eines komplizierten Steuergerätes ihre entsprechende Richtung erstellen, außerdem liegt der Drehpunkt des Flügels meist entlang der Flügelmittellinie, welche während ihrer Schwingung zu einem hohen Luftwiderstand führt. DOLLAR A Um die Windturbine einfacher und wirtschaftlicher zu gestalten, werden nur zwei Segel benutzt, und werden aus starren Rahmen montiert und mit passendem Segelstoff ausstaffiert (3) und mit einem Drehpunkt (7), der außer der Segelmittellinie plaziert ist, so daß während ihrer Schwingung sich weniger Luftwiderstand ergibt. Als Steuergerät wird eine einfache Drehfeder (16) benutzt. DOLLAR A Die Windturbine kann benutzt werden, um Maschinen mit beständiger oder variabeler Geschwindigkeit zu betrieben, wie z. B. Pumpen und elektrische Generatoren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehvorrichtung mit einer vertikalen Achse und zwei gegenein ander liegenden Segeln die durch einen Luftstrom angetrieben werden wie es zur Nutzung von Windenergie in Windkraftanlagen angewendet wird.

Die Windturbine gmäß der Erfindung hat im Vergleich mit bereits bekannten Windkraft rädern folgende Vorteile:

1. Sie kann einfach und wirtschaftlich hergestellt werden.
2. Sie wird nur mit zwei Segeln (Flügeln) angetrieben.
3. Bei der ist das Oberteil der Antriebswelle deutlich kürzer als bei üblichen Wellen, die meist die ganze Segellänge haben.
4. Bei der kann das Segel aus einfachen rechteckigen Rahmen montiert und mit entsprech endem Segelstoff ausstaffiert werden.
5. Sie läuft selbsttätig an.
6. Sie weist gegen starke Windströmung gute Widerstandsfähigkeit auf 7. Sie weist gute Leistung sowie hohen Wirkungsgrad auf in einem breitem Bereich von Windgeschwindigkeiten.
7. Sie erfordert kein kompliziertes Steuergerät die Richtung des Segels zu kontrollieren, stattdessen wird eine einfache Drehfeder benutzt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen von erfindungsgemäßer Windturbine näher erläutert. Es zeigt,

Fig. 1 Seitenansicht der Turbine,

Fig. 2 Draufsicht auf Fig. 1,

Fig. 3 und 4 Detailzeichnungen aus Fig. 1 und 2,

Fig. 5 Schematische Darstellung verschiedener Lagen eines Segels während des Bewegungs vorgangs,

Fig. 6 Zwei verschiedene Segelanordnungen,

Fig. 7 Die verschiedenen Kräfte die auf das Segel wirken,

Fig. 8 Drei Segel-Ausführungen für verschiedene Windgeschwindigkeiten.

Eine Windturbine gemäß der Erfindung weist eine vertikale Welle 1 auf, die drehbar in geeig netem Lager 4 angeordnet ist. Zwei Radialarme 2 und 2a sind mit der Welle 1 befestigt, die die jeweiligen Segel 3 und 3a tragen. Jeder Arm 2 oder 2a umfaßt zwei Trageglieder 5 und 6 die mittels Stäben mit einander befestigt sind und jeder mit einem Bolzen 7 oder 8 versehen ist, um dies ist das Segel 3 Schwenkbar parallel zur Welle 1 angeordnet.

Das Segel 3 ist als rechteckiges Profil angeordnet und weist zwei Tragarme 9 und 10 auf, die auf der Vorderkante 12 des Segels 3 horizontal befestigt und schräg zur Segelmittellinie ges tellt sind und mit dieser einen Spitzwinkel u einschließt und auf die entsprechenden Bolzen 7 und 8 gelagert sind. Der Segelarm 9 ist mit einem Dreharm 11 bestückt, der mit seinem Stift 15 zwischen beiden Federschenkeln 13 und 14 liegt (Fig. 3 und 4). Das Segel 3 ist aus Metall oder Kunststoffrahmen montiert und mit einem entsprechenden Segelstoff ausstaffiert. Das Segel 3 ist so konstruiert, dass der Schwerpunkt p (Fig. 2) in einer Ebene durch die Bolzen 7 und 8 und senkrecht zur Segelfläche liegt. Das Segel 3 soll so leicht sein, dass das Trägheits moment die Segelbewegung wenig beeinträchtigt.

Die Drehfeder 16 ist um den Bolzen 7 gewickelt und ist so konstruiert, dass ihr Biegemoment null ist, wenn beide seine Schenkel 13 und 14 parallel zum Dreharm 11 sind und das Segel 3 senkrecht zu dem Turbinenradialarm 2 ist (Fig. 4 und 8a) und, dass das ihr Biegemoment an einem Drehwinkel e = 45°, gleicht das berechnete Drehmoment Mw des Segels 3 an einem Radialarmwinkel n = 135° und einem Segeldrehwinkel e = 45°.

Die Funktion der Drehfeder 16 soll die Windkraft auf der Segelfläche ausgleichen und die Segelrichtung (oder die Winkel e) bestimmen und wird in Fig. 4 und 7 wie folgt erklärt:
Wenn das Segel 3 mit seinem Dreharm 11 sich dreht von Pos. a zu Pos. b, wird der Feder schenkel 13 gezwungen sich mit dem Dreharmstift 15 zu drehen, und seitdem der andere Federschenkel 14 auf dem Stift 17 rastet, wird die Drehfeder 16 gespannt und ergibt ein Drehmoment Mf das gleicht dem Drehmoment Mw, welches sich aus der Windkraft auf die Segelfläche ergibt. Das Gleiche wird geschehen, wenn das Segel die andere Richtung von Pos. a zu Pos. d sich dreht.

Ein passender gewickelter Draht 18 wird zwischen den beiden Federschenkeln 13 und 14 befestigt, um den Winkel e auf ~60° zu begrenzen (Fig. 8).

In Fig. 5 sind schematisch die Größen der Windvektoren angezeigt, die bei verschiedenen Stellungen eines Segels 3 auftreten. Die Windgeschwindigkeit und die Segelumfanggeschwin digkeit sind als Vw und Vs bezeichnet. Die Resultierende aus den beiden Vektoren bildet den relativen Windvektor Vr, der als wirksamer Windstrom auf dem Segel 3 angesehen werden kann,

Fig. 5 Pos. 8 zeigt, dass das Segel 3 parallel zur Windrichtung ist, und senkrecht zum Radialarm 2, und der Dreharm 11 liegt zwischen beiden Federschenkeln 13 und 14 (Fig. 4 und Fig. 8a); in dieser Position ergibt Segel 3 keine Arbeit.

In Fig. 5 Pos. 1 bis 4 läßt das Segel 3 nach und dreht sich nach innen und befindet sich im Gleichgewicht zwischen der Windstärke und der Federspannung.

In Fig. 5, zwischen Pos. 4 und Pos. 5 (Übergangsperiode) dreht sich das Segel 3 schnell von innen nach außen, und bleibt in dieser Richtung bis Pos. 7 und stellt sich noch mal ins Gleich gewicht zwischen der Windstärke und der Federspannung.

In der Übergangsperiode soll das Segel 3 wenigstens Widerstand zum Wind leisten. Fig. 6a zeigt ein Segel, das mit einem Drehpunkt an der Vorderkante des Segels angeordnet ist, es bewegt sich senkrecht in dem Wind und ergibt den maximalen Windwiderstand. Fig. 6b zeigt ein Segel gemäß der Erfindung das mit einem Schrägarm angeordnet ist, es bewegt sich schräg oder besser gesagt, es gleitet in dem Wind, beim Erzeugen des geringsten Widerstandes.

Im Falle eines starken Windes und um die Beschädigung des Segels zu vermeiden, ist ein Relais 19 angebracht (Fig. 3), das den Stift 17 hinunterzieht und läßt die Federschenkel 13 und 14 und den Dreharm 11 frei bewegen und das Segel 3 wie eine Wetterfahne wirkt und die Turbine zum Halt bringt (Fig. 8c).

Fig. 7 zeigt die Windvektoren und Kräfte, die auf das Segel wirken und beeinflussen die Segel richtung und die Segelleistung, es zeigt,
Vw = Windgeschwindigkeit und Windrichtung,
Vs = Segelumfanggeschwindigkeit,
Vr = Relative (wirksame) Windgeschwindigkeit
Ve = Effektive (senkrecht zur Segelfläche) Windgeschwindigkeit,
e = Segelwinkel abgemessen von einer Linie senkrecht zum Turbinenradialarm 2 (Fig. 7),
Vp = Windgeschwindigkeitsvektor (senkrecht zum Radialarm 2),
n = Drehwinkel des Radialarms 2 (Fig. 5),
Mw = Drehmoment auf den Bolzen 7, das ergibt sich aus Ve
Mf = Drehmoment auf den Bolzen 7, das ergibt sich durch die Spannung der Feder 16, und gleichzeitig gleicht Mw,
Mr = Drehmoment auf die Antriebswelle 1, das ergibt sich durch Vp.

Im Hinblick auf die Windturbine gemäß der Erfindung, braucht die Umdrehungsgeschwindi gkeit Vs kein bestimmtes Verhältnis zur Windgeschwindigkeit Vw zu besitzen, um einen guten Wirkungsgrad zu erzielen. Und zur Nutzung von dieser Turbine in Kraftanlagen zum Zwecke der Erzeugung elektrischen Stromes, wo eine konstante Umdrehung erforderlich ist, die Umdrehungsgeschwindigkeit Vs soll - am bestens - eine Hälfte der überwiegenden Windgeschwindigkeit haben.

Claims

1. Windturbine, die durch einen Luftstrom angetrieben wird mit einer vertikalen Welle (1) die zwei Radialarme (2 und 2a) aufweist (Fig. 1 und 2), wobei jeder Arm mindestens zwei Trageglieder (5 und 6) umfaßt, die mittels Stäben miteinander befestigt sind, und jede mit einem Bolzen (7 bzw. 8) ausgebildet ist, und um diesen Bolzen ein Segel (3 bzw. 3a) parallel zur Welle (1) schwenkbar angeordnet ist.

2. Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Segel (3) als rechteckiger Rahmen montiert ist und mit entsprechendem Segelstoff ausstaffiert, wobei jedes Segel (3) zwei Tragearme (9 und 10) aufweist, die auf die Vorderkante (12) des Segels (3) horizontal befestigt und schräg zu der Segelfläche angeordnet sind und mit diesen einen Spitzwinkel u einschließt und auf die entsprechenden Bolzen (7 und 8) gelagert sind (Fig. 3 und 4), wobei der Tragearm (9) mit einem anderen Dreharm (11) verbunden ist, und auf ihn ein Stift (15) senkrecht befestigt ist, und zwischen beiden Federschenkeln (13 und 14) liegt (Fig. 3 und 4).

3. Windturbine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehfeder (16) mit zwei Schenkeln (13 und 14) um den Bolzen (7) gewickelt ist, (Fig. 3 und 4), um das Segel (3) sich selbsttätig einstellen kann.

4. Windturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehfeder (16) mit zwei Schenkeln (13 und 14) versehen ist, und so angeordnet, dass im Ruhestand, wenn das Segel (3) senkrecht zu dem Radialarm (2) steht, beide Schenkel parallel zu dem Segeldreharm (11) sind, und den Stift (15) umfassen (Fig. 8a).

5. Windturbine nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Biegemoment Mf der Feder (16) an einen Drehwinkel (e) 45°, gleicht das berechnete Drehmoment Mw das sich aus der Windkraft auf das Segel (3) ergibt an einem Radialarm (2)-Dreh winkel (n) 135° und einem Segeldrehwinkel (e) 45°.

6. Windturbine nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stift (17) in Radialtragearm (5) bzw. (6) zwischen beiden Federschenkeln (13 und 14) befestigt ist, dass wenn ein Schenkel mit dem Drehstift (15) gedreht wird, der andere Schenkel auf diesem Stift rastet (Fig. 4, 8b).

7. Windturbine nach Anspruch 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein gewickelter Draht (18) zwischen die beiden Federschenkel (13 und 14) befestigt ist, um den Dreh winkel (e) auf ~60° zu begrenzen.

8. Windturbine nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stift (17) mit einem Relais (19) angeordnet ist, der im Gefahrfall (Sturm) ausgeklinkt wird, und den Stift (17) herunterziet (Fig. 3 und 8c), daher werden sich die Federschenkel (13 und 14) und der Dreharm (11) frei drehen, und das Segel wie eine Wetterfahne wirkt.