DE202008005724U1

DE202008005724U1 - Axial durchströmte Windturbine

Info

Publication number: DE202008005724U1
Application number: DE202008005724U
Authority: DE
Original assignee: WASSER- und ELEKTRIZITAETSWERK DER GEMEINDE BUCHS; WASSER und ELEK ZITAETSWERK DE; Wasser- und Elektrizitatswerk Der Gemeinde Buchs
Current assignee: REBSAMEN, ROLAND, CH
Priority date: 2007-04-27
Filing date: 2008-04-24
Publication date: 2008-09-18
Anticipated expiration: 2018-04-25

Abstract

Axial durchströmbare Windturbine mit einem um eine Rotationsachse drehbaren Rotor und gegebenenfalls mit einem von diesem betriebenen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie, wobei der Rotor wenigstens ein spiralwendelförmig ausgebildetes, durch den Wind anströmbares Blatt aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor einen sich in Wind-Strömungsrichtung vom Einströmende zum Abströmende hin kontinuierlich verjüngenden Abstand zur Drehachse aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine axial durchströmbare Windturbine mit einem um eine Rotationsachse drehbaren Rotor und gegebenenfalls einem von diesem antreibbaren Generator zur Erzeugung elektrischer Energie, wobei der Rotor wenigstens ein spiralwendelförmig ausgebildetes, durch den Wind anströmbares Blatt (Windwandler) aufweist.
Dem Einsatz von herkömmlichen Windrädern sind wegen des grossen Laufrad- bzw. Propellerdurchmessers aus Gründen des Landschaftsschutzes, Geräuschentwicklung im Infraschallbereich, Eisabwurfgefahr, Blitzeinschlaggefahr, Vogelschutz etc. sehr oft Grenzen gesetzt. Bei sehr starkem Wind müssen diese Windräder aus Gründen der Lärmbelästigung und der Betriebssicherheit relativ oft ausser Betrieb gesetzt werden. Trotz der grossen Durchmesser der bekannten Windrädern mit Propellern, ist deren Windenergieausbeute jedoch beschränkt, da aus einem grossen Bereich der durch den die Windflügel überstrichenen Fläche keine Energie gewonnen werden kann.
Insbesondere für kleinere Windkraftenergie-Anlagen ist beispielsweise aus der US 4,218,175 eine Windturbine bekannt, mit einem Rotor der in einem sich nach beiden Enden hin trichterförmig erweiternden Gehäuse angeordnet ist. Der Aussendurchmesser des Rotors vergrössert sich in Durchflussrichtung entsprechend der Konizität des Gehäuses. Diese Windturbine ist wegen des Gehäuses sehr aufwändig und kostspielig.
Die US 6,948,910 enthält eine ausführliche Abhandlung über alle Arten von Propellerformen, unter anderem auch in 14a und 14b eine Schiffschraube mit bogenförmigen Blättern, die an Ihren Enden mit einer Nabe verbunden sind. In 15 ist ein Windrad dargestellt, das etwa analog ausgebildet ist. Zur Energieerzeugung dürfte dieses Windrad jedoch kaum taugen, bzw. würde ein Fachmann der Winderegiegewinnung wohl kaum bei bekannten Bootsschiffs schrauben nach neuen Lösungen für bestehende Probleme suchen. Sowohl Schiffschrauben, wie auch Windräder haben eine hunderte Jahre alte unterschiedliche geschichtliche Entwicklung genommen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windturbine zu schaffen, die einfach aufgebaut ist und einen hohen Wirkungsgrad erreicht und die Windgewinnung optimiert. Die oben angegebenen Probleme sollen vermieden werden.
Gemäss der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass der Rotor einen sich in Wind-Strömungsrichtung vom Einströmende zum Abströmende hin kontinuierlich verkleinernden Abstand zu seiner Drehachse aufweist.
Durch den sich in Strömungsrichtung über Länge des Rotors kontinuierlich verjüngenden äusseren Radius des Rotors wird sichergestellt, dass der gesamte die Windturbine anströmende Bereich des Windes vom Rotor erfasst und in mechanische Energie umgesetzt wird.
Um ein plötzliches Abbremsen des Windes beim Auftreffen auf das Blatt zu verhindern, ist es zweckmässig, dass das die Querschnitte des Blattes relativ zur Rotationsachse gegen das Einströmende hin geneigt sind. Der Wind wird somit gegen das Zentrum hin abgelenkt und kann im weiteren Verlauf ein zweites oder drittes Mal auf das Blatt auftreffen und zur Energie-Erzeugung genutzt werden.
Der Neigungswinkel der Querschnitte gegenüber der Rotationsachse beträgt vorteilhaft zwischen 45° und 80°, vorzugsweise etwa 60°. Innerhalb dieses Winkelbereichs wird sichergestellt, dass keine grösseren Turbulenzen entstehen. Der Neigungswinkel kann auch – zur individuellen Optimierung – über die Länge des Rotors variieren.
Die Breite des Blattes bleibt über dessen Längsverlauf vorteilhaft etwa konstant. Somit können für das Blatt beispielsweise gewalzte oder stranggepresste Profile verwendet werden. Dies erleichtert die Herstellung des Rotors wesentlich ermöglicht Kosteneinsparungen.
Eine weitere zweckmässige Ausführung besteht darin, dass die Breite des Blattes über dessen Längsverlauf vom Einströmende her gegen das Abströmende hin kontinuierlich abnimmt. Somit ist die vom Wind angeströmte, projizierte Fläche beim Einströmende gross und reduziert sich gegen das Abströmende, wobei auch der Luftwiderstand reduziert wird.
Eine zusätzliche Verbesserung des Wirkungsgrades kann dadurch vorteilhafterweise dadurch erreicht werden, dass der Querschnitt des Blattes nach Art eines asymmetrischen Flügelprofils, mit einer gewölbten und einer etwa geraden, bzw. flachen Seite, ausgebildet ist. Durch die unterschiedlichen Formen auf beiden Seiten des Flügelprofils entstehen unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten und somit unterschiedliche Drücke. Dieser Druckunterschied ergibt eine Erhöhung des Drehmomentes.
Die flache Seite des Flügelprofils ist zweckmässigerweise der Windströmungsrichtung entgegengesetzt gerichtet ist. Dadurch entsteht auf der windabgewandten Seite des Blattes ein Unterdruck und somit auch eine gewisse Sogwirkung, welche eine Erhöhung des Wirkungsgrades durch Erzeugung eines zusätzlichen Drehmoments ermöglicht.
Im Prinzip funktioniert der Rotor auch mit einem einzigen Blatt. Um insbesondere bei höheren Drehzahlen durch Asymmetrie Vibrationen zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenigstens zwei Blätter vorzusehen. Die einzelnen Blätter werden dann symmetrisch zueinander um die Rotationsachse angeordnet.
Um bei wechselnder Windrichtung stets optimale Verhältnisse zu haben, ist es zweckmässig, dass die Windturbine um eine zur Rotationsachse senkrecht stehende Achse schwenkbar gelagert ist und wenigstens eine die Windturbine in die momentane Windrichtung ausrichtende Windfahne vorgesehen ist. Bei grösseren Anlagen kann dieses Ausrichten auch durch Regelantrieb mit Windsensor erfolgen.
Eine weitere Verbesserung zur Adaptierung an jeweilige lokale Gegebenheiten ist möglich, indem die senkrecht stehende Achse über ein Gelenk verfügt, um das die Neigung der Turbinenachse zur Horizontalen einstellbar ist. Dadurch können u. U. Montagen auf Hanglagen, an Dächern usw. windströmungsmässig optimiert werden. Details dieser Ausgestaltung können aus dem Schweizer Patent 695790 entnommen werden. Der Inhalt dieser Anmeldung wird hierzu als per Referenz eingefügt, insbesondere die Figuren und die dazugehörende Figurenbeschreibung.
Für eine kompakte Bauweise ist der Generator zweckmässigerweise auf der Rotationsachse angeordnet ist. Somit werden keine Übertragungselemente wie Transmissionen, Gelenkwellen oder dgl. benötigt.
Der Generator ist vorteilhaft mit dem Rotor direkt gekuppelt. Ggf. kann jedoch auch ein Übersetzungsgetriebe dazwischengeschaltet werden, um in einen für die Stromerzeugung günstigen Drehzahlbereich zu kommen.
Die Bezugszeichenliste ist Bestandteil der Offenbarung.
Anhand von Figuren wird die Erfindung symbolisch und beispielhaft näher erläutert.
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleiche Bezugszeichen bedeuten gleiche Bauteile.
Es zeigen dabei
1 – eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Windturbine,
2 – den Rotor der in 1 dargestellten Windturbine in Seitenansicht und
3 – den Rotor der in 1 dargestellten Windturbine in Stirnansicht
4 – einen vergrösserten Querschnitt durch ein Blatt des Rotors, entlang der Linie IV-IV in 2
5 einen Prototyp mit nur teilweise hergestellten Rotorblättern (nur die Metallrohre, die distale und proximale Kante der Rotorblätter bilden und, wie stellenweise angedeutet durch Leichtbaustoffe überzogen werden, wobei das distale Rohr einen grösseren Durchmesser aufweist, wie das proximale Rohr
6 ein anderes Modell, bei dem ersichtlich ist, das am Ende mit dem geringsten Abstand zur Rotorachse die Blätter nur über Stangen mit der Rotorachse verbunden sind.
Die aus 1 ersichtliche Windturbine besteht aus einer vorzugsweise horizontal angeordneten Rotationsachse 1. Diese Rotationsachse 1 ist in einem Gabellager 2 drehbar gelagert. Das Gabellager 2 ist um eine zur Rotationsachse etwa senkrecht stehende Schwenkachse 3 schwenkbar. Eine Windfahne 4 dient zur optimalen Ausrichtung der Windturbine in die momentane Windrichtung W. Ein Generator 5 zur Erzeugung elektrischer Energie ist mit dem einen Ende des Gabellagers 2 verbunden und direkt mit der Rotationsachse 1 gekuppelt. Zwei spiralwendelförmig ausgebildete Blätter 6, 7 sind an ihren Enden mit der Rotationsachse 1 verbunden. Das ist nicht zwingend so. Bei einer anderen Ausführungsform könnte das Ende mit dem grösseren Abstand zur Rotationsachse auch frei im Raum stehen. Aus Festigkeits- bzw. Stabilitätsgründen wird jedoch die Befestigung von Vorteil sein. Die Befestigung des Blattendes mit dem grössten Abstand zur Rotationsachse kann dabei auch durch einen relativ dünnen Stab erfolgen und muss nicht zwingend in Blattbreite erfolgen. Die Blätter 6, 7 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel zueinander diametral versetzt und ineinander gewunden. Der Wind W bläst von einem Einströmende 10 zu einem Abströmende 11 axial durch die Windturbine.
Aus 2 und 3 geht die Form des Rotors noch etwas deutlicher hervor. Die Blätter 6, 7 weisen einen in Strömungsrichtung sich kontinuierlich verjüngenden äusseren Radius R auf und bilden eine Art aus einer Ebene herausgezogene Spirale. Somit wird praktisch der gesamte Querschnitt von den Blättern abgedeckt und somit vom durchströmenden Wind erfasst.

1: Rotationsachse
2: Gabellager
3: Schwenkachse
4: Windfahne
5: Generator
6: Blatt
7: Blatt
8: Oberseite
9: Unterseite
10: Einströmende
11: Abströmende
12: Stangen
13: distale Stange
14: proximale Stange

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 4218175 [0003]
- US 6948910 [0004]
- SZ 695790 [0016]

Claims

Axial durchströmbare Windturbine mit einem um eine Rotationsachse drehbaren Rotor und gegebenenfalls mit einem von diesem betriebenen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie, wobei der Rotor wenigstens ein spiralwendelförmig ausgebildetes, durch den Wind anströmbares Blatt aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor einen sich in Wind-Strömungsrichtung vom Einströmende zum Abströmende hin kontinuierlich verjüngenden Abstand zur Drehachse aufweist.
Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das die Querschnitte des Blattes relativ zur Rotationsachse gegen das Einströmende hin geneigt sind.
Windturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel der Querschnitte gegenüber der Rotationsachse zwischen 45° und 90°, vorzugsweise etwa 60° beträgt.
Windturbine nach einem der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Blattes über dessen Längsverlauf etwa konstant bleibt.
Windturbine nach einem der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Blattes über dessen Längsverlauf vom Einströmende her gegen das Abströmende hin kontinuierlich abnimmt.
Windturbine nach einem der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Blattes nach Art eines asymmetrischen Flügelprofils, mit eine gewölbten und einer etwa geraden, bzw. flachen Seite, ausgebildet ist.
Windturbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die flache Seite des Flügelprofils der Windströmungsrichtung entgegengesetzt gerichtet ist.
Windturbine nach einem der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Blätter vorgesehen sind.
Windturbine nach einem der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dass beide Enden des Blattes oder der Blätter mit der Drehachse verbunden sind.
Windturbine nach einem der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windturbine um eine zur Rotationsachse senkrecht stehende Achse schwenkbar gelagert ist und wenigstens eine die Windturbine in die momentane Windrichtung ausrichtende Windfahne vorgesehen ist, wobei vorzugsweise die Windfahne am abströmseitigen Ende und der Generator am anströmseitigen Ende der Turbine angeordnet ist.
Windturbine nach einem der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator auf der Rotationsachse angeordnet ist und gegenüber der senkrechten stehenden Achse gegen Mitdrehen gesichert ist und vorzugsweise mit dem Rotor direkt gekuppelt ist.
nach einem der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau eines Blattes wenigstens zwei metallische Randrohrleisten umfasst, zwischen denen sich Leichtbaustoffe erstrecken, oder um die Leichtbaustoffe gelegt und befestigt sind.
Windturbine nach einem der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einem trichterförmigen Windfang angeordnet ist.
Windturbine nach einem der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die senkrecht stehende Achse mit einem fixierbaren Gelenk versehen ist, um die die Neigung der Rotationsachse der Windturbine relativ zur Horizontalen einstellbar ist.
Axial durchströmte Windturbine mit einem um eine Rotationsachse (1) drehbaren Rotor und einem von diesem betriebenen Generator (5) zur Erzeugung elektrischer Energie, wobei der Rotor wenigstens ein spiralwendelförmig ausgebildetes, durch den Wind anströmbares Blatt aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor einen sich in Wind-Strömungsrichtung (W) vom Einströmende (10) zum Abströmende (11) hin kontinuierlich verjüngenden äusseren Radius (R) aufweist.
Windturbine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das die Querschnitte des Blattes (6, 7) relativ zur Rotationsachse (1) gegen das Einströmende (10) hin geneigt sind.
Windturbine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (α) der Querschnitte gegenüber der Rotationsachse (1) zwischen 45° und 80°, vorzugsweise etwa 60° beträgt und sich gegebenenfalls vom anströmseitigen Ende zum abströmseitigen Ende hin kontinuierlich ändert – vorzugsweise erhöht.
Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (b) des Blattes (6) über dessen Längsverlauf etwa konstant bleibt oder gegen das Abströmende (11) hin kontinuierlich ab nimmt.
Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Blattes nach Art eines asymmetrischen Flügelprofils, mit einer etwa geraden, bzw. flachen Oberseite (8) und einer gewölbten Unterseite (9) ausgebildet ist, wobei vorzugsweise die Oberseite des Flügelprofils der Windströmungsrichtung (W) entgegengesetzt gerichtet ist.
Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Blätter (6, 7) um 180° zueinander versetzt, oder drei Blätter um 120° zueinander versetzt vorgesehen sind.
Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windturbine um eine zur Rotationsachse (1) senkrecht stehende Achse (3) schwenkbar gelagert ist und wenigstens eine die Windturbine in die momentane Windrichtung ausrichtende Windfahne (4) oder einen Stellantrieb zur gesteuerten Ausrichtung umfasst.
Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (5) auf der Rotationsachse (1) angeordnet ist.
Windturbine nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (5) mit dem Rotor direkt gekuppelt ist.