DE202004017309U1 - Windkraftrotor - Google Patents

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    • F03D3/06Rotors
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    • F05B2240/00Components
    • F05B2240/20Rotors
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    • F05B2240/211Rotors for wind turbines with vertical axis
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • F05B2240/00Components
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    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/74Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Abstract

Windkraftrotor, mit einem um eine vertikale Achse drehbaren Rotor, mit mindestens drei, im Wesentlichen radial angeordneten Flügelpaaren (7), die den Rotor in gleich große Sektoren unterteilen, wobei die Rotorblätter in jeweils mehrere Teilblätter unterteil sind und zwischen den Teilblättern vertikale Spalten zum Durchtritt der Luft angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilblätter während der Hintour als Widerstandläufer oder Auftriebsläufer und während der Rücktour als Auftriebsläufer wirkend ausgebildet sind.

Description

  • Es ist ein Windkraftrotor offenbart, der einen, um eine vertikale Zentralachse drehbaren, mit mindestens drei Flügelpaaren im Wesentlichen radial angeordneten Rotorblättern, die den Rotor in gleich große Sektoren unterteilen, aufweist. Die Flügelpaare sind in jeweils mehrere Teilblätter unterteilt, welche während der Hintour als Widerstandsläufer oder Auftriebsläufer und während der Rücktour als Auftriebsläufer wirkend ausgebildet sind. Zwischen ihnen sind konvergente vertikale Spalten zum Durchtritt der Luft angeordnet. Durch diese Anordnung wird der Wirkungsgrad eines solchen Windkraftrotors erheblich gesteigert.
  • Beschreibung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Windkraftrotor.
  • Windkraftrotoren sind bekannt und sind heute als horizontal rotierende Windräder bereits vielfach im Einsatz. Die horizontal rotierenden Windräder weisen zwar bereits einen beachtlichen Wirkungsgrad, aber auch die bekannten Nachteile, wie z.B. große Bauhöhe, Geräuschentwicklung, Notwendigkeit zur Nachführung, starke mechanische Belastung der Bauteile durch Fliehkräfte und Vibrationen auf. Die mechanischen Belastungen treten insbesondere auch dann auf, wenn das Windrad notwendigerweise in den Wind gedreht werden muss. Außerdem benötigen die bekannten Anlagen entweder eine hohe Anfangswindgeschwindigkeit oder müssen anfangs durch Hilfsmotoren in Rotation versetzt werden.
  • Aus diesem Grunde wurden vertikal rotierende Windräder, d. h. Windräder mit vertikaler Achse, konzipiert, die diese Nachteile beseitigen sollen. Der wesentliche Vorteil dieser Vertikalrotoren besteht darin, dass sie keinerlei Windnachrichtungsführung benötigen und die Komponenten leicht zugänglich in Bodennähe angebracht werden können. Aber auch die Vertikalrotoren weisen folgenden prinzipiellen Nachteil auf einer Kreisbahn auf und laufen, wenn der Vertikalrotor auf seiner gesamten Breite vom Wind angeströmt wird, auf der Hintour einmal mit dem Wind und auf der Rücktour gegen den Wind. Dabei rufen die Profile auf der Rücktour durch ihren Strömungswiderstand eine bremsende Wirkung hervor, was den Wirkungsgrad gegenüber dem Horizontalrotor entscheidend verringert. Es wurde versucht, dem Problem dadurch zu begegnen, dass der Rotor in einem Gehäuse eingeschlossen wird, bei dem nur an bestimmten Stellen Luft einströmt (vgl. US 4,350,900). Hierbei ergibt sich jedoch wiederum das Problem, den Wind so zu führen, dass er gezielt in diese Öffnungen eintritt. Hierzu ist dann wieder eine Windnachrichtungsführung erforderlich.
  • Ein anderer Ansatz sieht vor, die Rotorblätter in mehrere Teilblätter zu unterteilen (vgl. WO 88/09873; DE 101 05 570 ). Das unterteilte Profil setzt dabei dem Wind bei der Rücktour einen geringeren Widerstand entgegen. Trotz dieser Maßnahme weisen jedoch derartige Windkraftmaschinen nur einen bescheidenen Wirkungsgrad auf.
  • Es ist demzufolge Aufgabe der vorliegenden Erfindung, unter Vermeidung der aus dem Stand der Technik bekannten Nachteilen, einen Windkraftrotor mit einem, um eine vertikale Achse drehbaren Rotor zu schaffen, die einen hohen Wirkungsgrad aufweist sowie leicht und preiswert herstellbar ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Windkraftrotor mit einem um eine vertikale Zentralachse drehbaren Rotor, mit mindestens drei Flügelpaaren im wesentlichen radial angeordneten Rotorblättern, die den Rotor in gleich große Sektoren unterteilen, wobei die Rotorblätter in jeweils mehrere Teilblätter unterteilt sind. Zwischen den Teilblättern sind vertikale Spalten zum Durchtritt der Luft angeordnet, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Teilblätter während der Hintour als Widerstandsläufer und als Auftriebsläufer wirkend ausgebildet werden.
  • Durch Kombination dieser beiden Wirkprinzipien lassen sich gegenüber konventionellen Vertikalrotoren erhebliche Wirkungsgradverbesserungen erzielen.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn die Teilblätter des Windkraftrotors derart optimiert werden, dass ihr strömungstechnischer Widerstand oder ihr strömungstechnischer Auftrieb bei der Hintour maximiert und ihr strömungstechnischer Widerstand bei der Rücktour minimiert wird.
  • Grundsätzlich ist der Windkraftrotor durch je einen Deckel (2, 3) auf der Ober- und Unterseite als Gehäusebegrenzung eingefasst. Die Gehäusedeckel (2, 3) sind sternenförmig vom Mittelpunkt aus ausgebildet. Besonders bevorzugt ist die Variante mit einem um 120° versetzten, auf einer gedeckten Kreisbahn angeordneten Dreiflügler.
  • Zwischen den beiden Deckeln(2, 3) der Ober- und Unterseite sind die Flügelpaare (7) eingefasst. Diese sind bei der Dreiflügler Variante um 120°, auf eine gedeckte Kreisbahn versetzt ,angeordnet.
  • Die beiden Deckel (2, 3) sind parallel zur Mittelachse, mit bevorzugt drei um 120° versetzten Flügelpaaren (7), verbunden.
  • Das Flügelpaar (7) besteht aus einem Hauptwiderstandsläufer – Profil(5) und am äußeren Ende aus einem Auftriebsläufer – Profil (4). Unter bestimmten klimatischen Bedingungen kann zwischen Hauptwiderstandsläufer – Profil (5) und Auftriebsläufer – Profil (4) ein Nebenwiderstandsläufer (6) angebracht werden.
  • Die Hauptwiderstandsläufer – Profil (5) und die Nebenwiderstandsläufer – Profil (6) sind halbschalenförmig ausgebildet. Der Durchmesser des Hauptwiderstandsläufers – Profils (5) sollte das Verhältnis von bevorzugt 0,2 zum Gesamtdurchmesser des Windkraftrotors haben. Der Durchmesser des Nebenwiderstandsläufers – Profils (6) sollte das Verhältnis von bevorzugt 0,5 zum Hauptwiderstandläufer – Profil (5) haben. Zwischen Hauptwiderstandsläufer – Profil (5) und Nebenwiderstandsläufer – Profil (6) ist eine vertikale Spalte von mindestens 0,5 zum Durchmesser des Nebenwiderstandsläufers – Profil (6) ausgebildet.
  • Die Auftriebsläufer – Profil (4) sind als symmetrische oder asymmetrische Profile ausgebildet. Zwischen Auftriebsläufer – Profil (4) und Nebenwiderstandsläufer – Profil (6) ist eine vertikale Spalte von vorzugsweise 1:1 zum Durchmesser des Nebenwiderstandsläufers -Profil(6) ausgebildet.
  • Der beschriebene Windkraftrotor mit drei, um 120° versetzten Flügelpaaren (7) kann ebenfalls mit vier, um 90° versetzten Flügelpaaren (7) ausgeführt werden.
  • Die in radialer Richtung benachbarten Teilblätter weisen nach einer bevorzugten Ausführungsform gleiche Abstände zueinander auf.
  • Soweit unter Berücksichtigung aller weiteren Parameter, wie Profilierung, Zahl der Teilblätter etc., strömungstechnisch günstig, können die in radialer Richtung benachbarten Teilblätter auch unterschiedliche Abstände zueinander aufweisen.
  • Gleiches gilt für die Profilierung der Teilblätter, die bei allen Teilblättern gleich oder unterschiedlich ausgebildet sein kann. Aus Symmetriegründen sollten jedoch nur die Teilblätter jedes Sektors und nicht in Umfangsrichtung verteilten Teilblätter unterschiedliche Profilierungen aufweisen, da es ansonsten zu Unwuchten kommt.
  • In 1 ist eine erste Ausführungsform eines Windkraftrotors 1 dargestellt. Man erkennt den um eine Zentralachse drehbaren, im Wesentlichen dreieckigen Rotor.
  • 1 Windkraftrotor komplett, Seitenansicht
  • 2 Windkraftrotor geöffnet, ohne oberen Deckel
  • 3 Flügelpaar des Windkraftrotors
  • 4 Windkraftrotor Draufsicht
  • 1
    Zentralachse
    2
    obere Deckel
    3
    untere Deckel
    4
    Auftriebsläufer – Profil
    5
    Hauptwiderstandsläufer – Profil
    6
    Nebenwiderstandsläufer – Profil
    7
    Flügelpaar

Claims (16)

  1. Windkraftrotor, mit einem um eine vertikale Achse drehbaren Rotor, mit mindestens drei, im Wesentlichen radial angeordneten Flügelpaaren (7), die den Rotor in gleich große Sektoren unterteilen, wobei die Rotorblätter in jeweils mehrere Teilblätter unterteil sind und zwischen den Teilblättern vertikale Spalten zum Durchtritt der Luft angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilblätter während der Hintour als Widerstandläufer oder Auftriebsläufer und während der Rücktour als Auftriebsläufer wirkend ausgebildet sind.
  2. Windkraftrotor nach Anspruch 1 durch zwei Deckel (2, 3) als Gehäusebegrenzung und Rotoreinfassung auf der Ober- und Unterseite und als statisches Element zur Aufnahme der Lasten und Kräfte des Hauptwiderstandsläufers – Profil (5), des Nebenwiderstandsläufers – Profil (6) und des Auftriebsläufers – Profil (4) ausgebildet.
  3. Windkraftrotor nach Anspruch 1 durch zwei Deckel (2, 3) als strömungstechnisches Element zur optimierten Einfassung der Hauptwiderstandsläufer – Profil (5), Nebenwiderstandsläufer – Profil (6) und Auftriebsläufer – Profil (4). Die Unterbindung des so genannten Flügelspitzenwirbels wird dadurch erreicht.
  4. Windkraftrotor nach Anspruch 1 – 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Deckel (2, 3) als designerisches Element genutzt werden. Sternenförmige, kreisförmige oder geschwungene Ausbildung ist möglich.
  5. Windkraftrotor nach Anspruch 1 oder 2 gekennzeichnet durch, zwischen den Teilblättern verlaufende konvergente Kanäle
  6. Windkraftrotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontraktionsverhältnis der konvergenten Kanäle 0,5 bis 1,0 beträgt.
  7. Windkraftrotor nach Anspruch 1–4, gekennzeichnet durch eine Kombination von einem Widerstandsläufer und einem Auftriebsläufer zu eine Flügelpaar (7).
  8. Windkraftrotor nach Anspruch 1–4, gekennzeichnet durch ein Flügelpaar (7) mit einem von der Zentralachse her angeordnetem Hauptwiderstandsläufer – Profil (5), einem Nebenwiderstandläufer – Profil (6) und einem Auftriebsläufer – Profil (4).
  9. Windkraftrotor nach Anspruch 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass die an der geöffneten Halbschale des Hauptwiderstandsläufers – Profil (5) und des Nebenwiderstandsläufers – Profil (6) angreifende Luftströmung eine Umkehrung erzeugt.
  10. Windkraftrotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die umkehrende Luftströmung für einen strömungstechnischen Verschluss zwischen Hauptwiderstandsläufer – Profil (5), Nebenwiderstandsläufer – Profil (6 und Auftriebsläufer – Profil (4) bei Stillstand bewirkt.
  11. Windkraftrotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die umkehrende Luftströmung für einen strömungstechnischen Verschluss zwischen Hauptwiderstandsläufer – Profil (5), Nebenwiderstandläufer – Profil (6) und Auftriebsläufer – Profil (4) bei Anlauf bewirkt.
  12. Windkraftrotor nach Anspruch 8 – 11, dadurch gekennzeichnet, dass das System ohne zusätzliche elektrische oder mechanische Anfahrhilfe auskommt.
  13. Windkraftrotor nach Anspruch 8–11, dadurch gekennzeichnet, dass im Schwachwindbereich der Hauptwiderstandsläufer – Profil (5) und Nebenwiderstandsläufer – Profil (6) als Hauptenergielieferant dient.
  14. Windkraftrotor nach Anspruch 8–11, dadurch gekennzeichnet, dass in Starkwindbereich der Auftriebsläufer – Profil (4) und der Nebenwiderstandläufer -Profil (6) als Wirbelbremse dienen und eine Überdrehung des Systems verhindern.
  15. Windkraftrotor nach Anspruch 8–11, dadurch gekennzeichnet, dass im Starkwindbereich der Auftriebsläufer – Profil (4) als Hauptenergielieferant dient.
  16. Windkraftrotor nach Anspruch 1–15, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen den Hauptwiderstandsläufer (5) und dem Nebenwiderstandsläufer (6) verlaufenden konvergenten Kanäle auf der Rücktour nur eine geringe Verwirbelung an den Halbschalen ausbilden und bessere Laufeigenschaften bewirken.
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