DE202008014838U1

DE202008014838U1 - Freitragender Vertikalachs-H-Durchström-Auftriebs-Rotor

Info

Publication number: DE202008014838U1
Application number: DE202008014838U
Authority: DE
Original assignee: Andrich Detlef Dr-Ing; LORK MARTIN; Lork Martin Dipl-Ing
Current assignee: Andrich Detlef Dr-Ing; LORK MARTIN; Lork Martin Dipl-Ing
Priority date: 2008-11-07
Filing date: 2008-11-07
Publication date: 2009-01-15
Anticipated expiration: 2018-11-08

Abstract

Freitragender Vertikalachs-H-Durchström-Auftriebs-Rotor in der Konfiguration, die dadurch gekennzeichnet ist, dass
1. ein H-Rotorflügel (1) auf der Basis symmetrischer, gewölbter sowie aerodynamisch und geometrisch verwundener Profile in vertikaler Anordnung erfolgt,
2. das Rotorsystem über eine variable Anzahl von H-Rotorflügeln (1) verfügt,
3. auf dem Kreisumfang mit dem Durchmesser der H-Rotorflügel (1) angeordnet sind,
4. sich eine Kontur der H-Rotorflügel (1) mit einer erzeugenden senkrecht stehenden vertikalen bzw. über den Umfang des Kreiszylinders veränderlichen helixförmigen Line (2) ergibt,
5. ein sternförmiges Rotoroberteil (3) und ein Rotorunterteil (4) entsprechend der Drehrichtung ebenfalls mit symmetrischen, gewölbten sowie aerodynamisch und geometrisch verwundenen Profile ausgebildet und mit den H-Rotorflügeln (1) verbunden ist,
6. die Verbindung (5) der Flügelprofile der H-Rotorflügel (1) mit den sternförmigen Rotorober- und -unterteilen (3, 4) in eckiger bzw. gerundeter Ausführung erfolgt,
7. ein Verbindungsteil (6) der sternförmigen Rotorober- und -unterteile (3, 4) mit den...

Description

Die Erfindung betrifft einen freitragenden Vertikalachs-H-Durchström-Auftriebs-Rotor, der als Windenergieanlage mit einem aus verschiedenen Rotorformen kombinierten Vertikalachs-Windrotor-System besteht. Die Anordnung der Rotorflügel sowie die Kombination von aerodynamischem Auftriebs-, Widerstands- und Durchströmläufer in Verbindung mit den wechselnden Betriebspunkten angepassten Profilen realisieren eine optimale Wandlung der zur Verfügung stehenden Windenergie in elektrische bzw. mechanische Energie. Mittels einer elektronischen Steuerung wird zusätzlich der optimale Leistungsbereich entsprechend der Windgeschwindigkeit im Zusammenhang mit den Drehzahl – Momenten und Drehzahl – Leistungscharakteristiken des Rotorsystems eingestellt. Der Vertikalachs-H-Durchström-Auftriebs-Rotor kann auf verschiedenen Mastvarianten mittels eines Adaptersystems freistehend oder Gebäude gebunden installiert werden. Die freitragenden Vertikalachs-Windrotoren der Erfindung können mit einem geringen Abstand untereinander zu einem Mehranlagensystem (Kleinwindenergieanlagenfarm) verbunden werden. Der Einsatz der Vertikalachs-H-Durchström-Auftriebs-Rotoren kann erfolgen als Zusatzleistung für Heizungs- und Elektrosysteme in Einfamilienhäusern, als Insellösungen in ländlichen Versorgungsgebieten, in Gewerbegebieten oder im Offshore Bereich als unterstützende Leistungseinheit. Auf Grund der Bauform ist der Einsatz auf Hochhäusern als Farm zu Unterstützung der Sekundärenergiesysteme wie Treppenaufzüge, Beleuchtung und Pumpensysteme besonders hervorzuheben. Die elektrische Energie kann direkt Verbrauchern zugeführt, oder in verschiedene Kleinspeicher (Akkumulatoren, Warmwasser-/Brauchwasserspeicher, Druckluftspeicher) bzw. über Netzeinspeisevorrichtungen in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden.
Neben der Wandlung der Windenergie in elektrische Energie verfügt das Vertikalachs-Windrotor System über einen mechanischen Abtrieb. Damit kann auf einfache Art und Weise mechanische Energie für verschiedenste Antriebe unter anderem zur Erzeugung von Druckluft bereitgestellt werden.
Infolge des rasanten Anstieges des weltweiten Verbrauches an Primärenergie ist die Nutzung von Windenergie als eine Form der regenerativen Energien bereits bei geringen Wandlerleistungen sinnvoll.
Stand der Technik:
Die Konfigurationen der bisherigen Entwicklungen von Vertikalachs-Windrotoren beruhen auf der getrennten Anordnung von Auftriebsrotoren, so genannten H-Rotorsystemen bzw. auf der Basis des Savonius Prinzips.
Der derzeitige Stand der Technik in der Ausführung von H-Rotor Systemen werden die Flügel tangential senkrecht oder über den Umfangswinkel geneigt auf einem Kreiszylinder, der sich bildet aus dem Rotordurchmesser und der Rotorhöhe, angeordnet. Der Einsatz optimierter Profile im Verhältnis zum Rotorumfang sowie der projizierten Rotorfläche für die Rotorflügel wird bei zahlreichen Ausführungen nicht berücksichtigt. Die Flügel werden mit der mittigen Achse über freitragende Streben oder zusätzliche Seilkonstruktionen verbunden. Trotz der häufig anzutreffenden Profilierung der Haltestreben treten im Innenbereich durch die Entstehung von Wirbelschleppen sowie infolge der zusätzlichen Massen und Windabschattungen der tragenden Bauteile Verluste bei der Energiewandlung auf. Insbesondere Seilsysteme zur Flügelhalterung führen infolge der Strömungsablösung an den in der Regel runden Seilquerschnitten (Kármánsche Wirbel) zur Schwingungsanregung bis in den Bereich der Eigenschwingungen.
Widerstands- bzw. Durchströmläufer auf der Basis eines Savonius-Rotors sind nach derzeitigem Stand der Technik gekennzeichnet durch zwei bis drei Flügel mit einem gewölbten Profil. Diese Flügel stoßen in der Achsenmitte des Läufers zusammen oder sind um die Drehachse offen gruppiert. Die offene Anordnung bewirkt bei bestimmten Winkelstellungen des Flügels zur Anströmung eine auftriebsbehaftete Umströmung und damit eine größere Kraftwirkung. In der Regel wird eine aus Kreissegmenten bestehende Profilform für die Läuferblätter eingesetzt. Eine Optimierung ist für jeden Einsatzfall notwendig. Mit der Anpassung der Profil- und Blattform an die zu erwartenden Windspektren und die zu prognostizierende Leistung, können deutlich höhere Leistungsausbeuten und damit verbunden bessere Wirkungsgrade erzielt werden.
Alle Rotortypen und Läuferkonfigurationen sind gekennzeichnet durch eine im Rotationszentrum angeordnete Drehachse welche die Axial-, Tangential-, und Radialkräfte der umlaufenden Rotor- oder Läuferflügel aufnimmt. Diese Drehachse ist in der Regel im Mast gelagert. Für die Ausführung der Mastkonstruktion werden die zwei Grundtypen zusammengesetzter Rohrmast und gebauter Gittermast eingesetzt.
Als Energiewandler werden infolge der geringen Drehzahlen und der kleinen Leistungen permanent erregte Generatoren eingesetzt. Diese Generatoren haben auf Grund ihres physikalischen Wirkprinzips ein hohes Anfangsdrehmoment. Für H-Rotorkonfigurationen wird damit die Anlaufwindgeschwindigkeit deutlich heraufgesetzt. Widerstands- und Durchströmläufer haben bedingt durch ihre Bauweise ein hohes Drehmoment in der Anlaufphase und sind für permanent erregte Generatoren besser geeignet.
Elektronische Steuergeräte zur Optimierung des Arbeitspunktes der Rotoren während der Arbeitsphase befinden sich in der Entwicklung. Sie sind nicht geeignet für permanent erregte Generatoren. Die zurzeit den Stand der Technik repräsentierende Generatorengeneration für kleine Drehzahlen und Leistungsbereiche bis 10 KW ist gekennzeichnet durch permanent erregte Synchron-Generatoren mit niedrigen Spannungen und hohen Ausgangströmen.
Aufgabe der Erfindung
Bisherige Entwicklungen von Vertikalachs-Windenergieanlagen haben insbesondere folgende Defizite:

• die Gewährleistung des Schwachwindanlaufes zur effektiven Energieumwandlung,
• eine deutliche Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades und damit der Leistungsausbeute von Kleinwindenergieanlagen,
• die Verringerung des relativ großen Bauraumes mit der Schaffung einer deutlich erhöhten Akzeptanz des optischen Eindrucks,
• relativ hohe Geräuschemission in der Nähe der Windenergieanlage,
• die konstruktive Ausführung durch eine aufwändige Struktur und dem damit verbundenen erhöhten Wartungsaufwand,
• das Auftreten von Schlagschatten aufgrund der gegebenen Rotorfügelgeometrie und der Rotorflügelanordnung,
• der Anlauf und Leistungsertrag erst ab 5 m/s Windgeschwindigkeit erfordert in der Regel Aufstellorte auf hohen Masten oder Gebäuden,
• Geringe Böensteifigkeit bei altemierenden Winden,
• starkes Hysterese-Verhalten im variierenden Last- und Drehzahlbereich.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen freitragenden Vertikalachs-H-Durchström-Auftriebs-Rotor vorzuschlagen, der als Windenergieanlage mit einem aus verschiedenen Rotorformen kombinierten Vertikalachs-Windrotor-System besteht, mittels einer elektronischen Steuerung zusätzlich den optimalen Leistungsbereich entsprechend der Windgeschwindigkeit im Zusammenhang mit den Drehzahl – Momenten und Drehzahl – Leistungscharakteristiken des Rotorsystems eingestellt und auf verschiedenen Mastvarianten mittels eines Adaptersystems freistehend oder Gebäude gebunden installiert werden kann und vorgenannte Defizite beseitigt bzw. minimiert.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit dem Einsatz neuartiger Rotorblattkonturen und Rotorblattprofilformen. Die variable Kombination verschiedener Rotorkonfigurationen ist das Hauptmerkmal der Erfindung. Das Gesamtsystem ist in sich freitragend gestaltet. Die Anzahl der Rotorflügel über den Umfangswinkel ist variabel. Die Form der Rotorflügel verläuft längs einer erzeugenden Kurve auf einem Kreiszylinder mit dem Rotordurchmesser. Die erzeugende Kurve ist eine senkrechte vertikale oder über dem Umfangswinkel veränderliche helixförmige Mantellinie. Für die integrale Bauweise werden Materialien aus Faserverbundwerkstoffen oder hybriden Materialkombinationen mit metallischen Werkstoffen eingesetzt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabenstellung der Energiewandlung mittels eines gekoppelten Mehrflügel Vertikalachsrotorsystems durch die kennzeichnenden Merkmale des Schutzanspruchs realisiert. Mit der vorgeschlagenen Kombination eines H-Rotorsystems mit einem Durchström-Auftriebs-Rotor werden die jeweiligen Nachteile ihrer aerodynamischen Charakteristika für unterschiedliche Windgeschwindigkeiten sowie des Drehmoment-Drehzahl-Leistungsverhaltens kompensiert.
Mit der mechanischen Kopplung beider Rotorkonzepte in einem System werden die Nachteile des Einzelsystems wie beispielsweise die deutliche Herabsetzung der Anlaufwindgeschwindigkeit für einen H-Rotor realisiert. Die mechanische Kopplung, die geometrische sowie aerodynamische Integration beider Rotorkonzepte wird für eine Optimierung der Leistungskennzahlen, der Drehzahl-Drehmoment und Drehzahl-Leistungskurven realisiert.
Die Anordnung der Rotoren derart, das ein sich gegenseitig stützendes System entsteht führt zu einer achsenlosen auf der Unterseite des Gesamtrotors gelagerten Konfiguration. Damit werden die aerodynamischen Eigenschaften weiter optimiert.
Die aerodynamische Auslegung der Rotoren ist gekennzeichnet durch eine Optimierung der Profile und der Rotorflügelkonfiguration. Die Profile und Rotorflügelkonturen sind Eigenentwicklungen der Erfinder. Sie wurden entsprechend der örtlichen Strömungsverhältnisse hinsichtlich des Auftriebes, Widerstandes und des Momentenverhaltens optimiert. Integrale Leichtbau-Faserverbundbauweisen bzw. Metallleichtbaukonzepte in Verbindung mit neuartigen Kunststoffverarbeitungstechnologien ermöglichen eine technische Umsetzung solcher aerodynamischer Strukturen.
Die energiewandelnden Systeme wie Generatoren, Drucklufterzeuger oder mechanische Antriebselemente werden direkt in der Drehachse des Gesamtrotors angeordnet. Leistungsverluste infolge von Getrieben oder Übertragungselementen werden somit minimiert.
Ausführungsbeispiel der Erfindung
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Die beigefügte Figur zeigt die Charakteristika des freitragenden Vertikalachs-H-Durchström-Auftriebs-Rotors. Mit der dargestellten Rotorkonfiguration wird eine konsequente Integration mehrerer Merkmale zur Wandlung von Windenergie in eine Drehmoment behaftete Drehbewegung realisiert.
Der Vertikalachs-H-Durchström-Auftriebs-Rotor besitzt eine variable Anzahl von H-Rotorflügeln 1 auf der Basis symmetrischer, gewölbter sowie aerodynamisch und geometrisch verwundener Profile in vertikaler Anordnung, die auf dem Kreisumfang mit dem Durchmesser der H-Rotorflügel 1 angeordnet sind, wobei sich eine Kontur der H-Rotorflügel 1 mit einer erzeugenden senkrecht stehenden vertikalen bzw. über den Umfang des Kreiszylinders veränderlichen helixförmigen Line 2 ergibt.
Ein sternförmiges Rotoroberteil 3 und ein Rotorunterteil 4 ist entsprechend der Drehrichtung ebenfalls mit symmetrischen, gewölbten sowie aerodynamisch und geometrisch verwundenen Profile ausgebildet und mit den H-Rotorflügeln 1 verbunden. Eine H-Rotoreckenverbindung 5 der Flügelprofile der H-Rotorflügel 1 ist mit den sternförmigen Rotorober- und -unterteilen 3, 4 in eckiger bzw. gerundeter Ausführung verbunden. Ein H-Rotorflügelverbindungsteil 6 der sternförmigen Rotorober- und -unterteile 3, 4 ist mit den H-Rotorflügeln 1, das eckig oder gerundet bzw. im S-Schlag geschwungen, mit einer geometrischen und/oder aerodynamische Verwindung versehen sowie der H-Rotorflügelkontur und dem Flügelprofil angepasst ist, ausgeführt.
Das Rotorsystem verfügt über einen Durchström-Auftriebs-Rotor 7 mit zwei oder mehr Flügeln sowie einer Endscheibe 8 jeweils an den Flügelenden, die in der Flügelfläche eine gerade bzw. gerundete Ausführung mit einem horizontalen Abschluss besitzen. Der Durchström-Auftriebs-Rotor 7 folgt im Konturverlauf entweder einer geraden oder helixförmigen mit variabler Steigung verlaufenden Erzeugenden 9.
Die Profile der Durchström-Auftriebs-Rotorflügel 7 kombinieren die Eigenschaft des Widerstandsläufers 7 mit der des aerodynamischen Auftriebes, wodurch eine gerundete Form der Profileintrittskante 10 der Durchström-Auftriebs-Rotorflügel 7 für den stoßfreien Eintritt der Strömung gewährleistet wird.
Der H-Rotorflügel 1 und der Durchström-Auftriebs-Rotor 7 sind für die optimale Nutzung der Durchströmung des Rotorsystems freitragend und achsenfrei ausgeführt. Die freie Lagerung 11 des Durchström-Auftriebs-Rotor 7 erfolgt am sternförmigen Rotoroberteil 3 des H-Rotorflügels 1. Die weitere freie Lagerung 12 ist mit einem Freilauf des Durchström-Auftriebs-Rotors 7 am sternförmigen Rotorunterteil 4 des H-Rotor-Flügels 1 verbunden.
Ein elektrisches Generatorsystem 15 zur Wandlung der mechanischen Rotorenergie in elektrische Energie ist im sternförmigen Rotorunterteil 4 angeordnet. Eine Wetterschürze 16 gegen Regen-, Spritz-, und Schlagwasser zum Schutz des Generatorsystems 15 ist im sternförmigen Rotorunterteil 4 angeordnet. Das Generatorsystem 15 wird mittels einer elektronischen Steuerung zur Leistungsoptimierung auf der Basis der Drehzahl-Momenten und Drehzahl-Leistungsverläufe des Gesamtrotorsystems 1, 7 geregelt. Das Gesamtrotorsystem 1, 7 ist mit einem Mastadapter 17 zur Montage auf einem Mast 18, bestehend aus einem Gitter- oder Rohrmast aus Faserverbund-, metallischen oder Holzwerkstoffen sowie deren Kombination, ausgeführt. Das Gesamtrotorsystem 1, 7 ist mit dem Mastadapter 17 zur Montage des Mastes 18 auf einem Gebäudedach, an bzw. auf einer Gebäudewand oder einer freiliegenden Fundamentkonstruktion versehen.
Das Gesamtrotorsystem 1, 7 verfügt über eine an sich bekannte elektrische Einrichtung zur Verbindung des Generatorsystems 15 und dessen elektronischer Steuerung mit dem öffentlichen Energienetz bzw. mit einem Speichersystem oder einem Inselnetz. Das Gesamtrotorsystem 1, 7 verfügt weiter über eine an sich bekannte mechanische Einrichtung zur Abnahme und Weiterleitung bzw. Verbindung mit einem Verbraucher mechanischer Energie.

1: H-Rotorflügel
2: Helixlinie H-Rotorflügel
3: Rotoroberteil
4: Rotorunterteil
5: H-Rotoreckenverbindung
6: H-Rotorflügelverbindungsteil
7: Durchström-Auftriebs-Rotor Flügel
8: Halterung mit Endscheibenfunktion Durchström-Auftriebs-Rotor
9: Helixlinie Durchström-Auftriebs-Rotor
10: gerundete Eintrittskante Durchström-Auftriebs-Rotor
11: Lager Durchström-Auftriebs-Rotor
12: Freilauf Durchström-Auftriebs-Rotor
13: Profil Durchström-Auftriebs-Rotor
14: Profil H-Rotorflügel
15: Generatorsystem
16: Wetterschürze Generator
17: Mastadapter
18: Mast

Claims

Freitragender Vertikalachs-H-Durchström-Auftriebs-Rotor in der Konfiguration, die dadurch gekennzeichnet ist, dass 1. ein H-Rotorflügel (1) auf der Basis symmetrischer, gewölbter sowie aerodynamisch und geometrisch verwundener Profile in vertikaler Anordnung erfolgt, 2. das Rotorsystem über eine variable Anzahl von H-Rotorflügeln (1) verfügt, 3. auf dem Kreisumfang mit dem Durchmesser der H-Rotorflügel (1) angeordnet sind, 4. sich eine Kontur der H-Rotorflügel (1) mit einer erzeugenden senkrecht stehenden vertikalen bzw. über den Umfang des Kreiszylinders veränderlichen helixförmigen Line (2) ergibt, 5. ein sternförmiges Rotoroberteil (3) und ein Rotorunterteil (4) entsprechend der Drehrichtung ebenfalls mit symmetrischen, gewölbten sowie aerodynamisch und geometrisch verwundenen Profile ausgebildet und mit den H-Rotorflügeln (1) verbunden ist, 6. die Verbindung (5) der Flügelprofile der H-Rotorflügel (1) mit den sternförmigen Rotorober- und -unterteilen (3, 4) in eckiger bzw. gerundeter Ausführung erfolgt, 7. ein Verbindungsteil (6) der sternförmigen Rotorober- und -unterteile (3, 4) mit den H-Rotorflügeln (1), das eckig oder gerundet bzw. im S-Schlag geschwungen, mit einer geometrischen und/oder aerodynamische Verwindung versehen sowie der H-Rotorflügelkontur und dem Flügelprofil angepasst ist, ausgeführt wird, 8. das Rotorsystem über einen Durchström-Auftriebs-Rotor (7) mit zwei oder mehr Flügeln sowie einer Endscheibe (8) jeweils an den Flügelenden vertilgt, die in der Flügelfläche eine gerade bzw. gerundete Ausführung mit einem horizontalen Abschluss besitzen, 9. der Durchström-Auftriebs-Rotor (7) im Konturverlauf entweder einer geraden oder helixförmigen mit variabler Steigung verlaufenden Erzeugenden (9) folgt, 10. die Profile der Durchström-Auftriebs-Rotorflügel (7) die Eigenschaft des Widerstandsläufers (7) mit der des aerodynamischen Auftriebs kombinieren, 11. eine gerundete Form der Profileintrittskante (10) der Durchström-Auftriebs-Rotorflügel (7) für den stoßfreien Eintritt der Strömung definiert ist, 12. der H-Rotor (1) und der Durchström-Auftriebs-Rotor (7) für die optimale Nutzung der Durchströmung des Rotorsystems freitragend und achsenfrei ausgeführt ist, 13. eine freie Lagerung (11) des Durchström-Auftriebs-Rotor (7) am sternförmigen Rotoroberteil (3) des H-Rotors (1) erfolgt, 14. eine freie Lagerung (12) mit einem Freilauf des Durchström-Auftriebs-Rotors (7) am sternförmigen Rotorunterteil (4) des H-Rotors (1) verbunden ist, 15. ein elektrisches Generatorsystem (15) zur Wandlung der mechanischen Rotorenergie in elektrische Energie im sternförmigen Rotorunterteil (4) angeordnet ist, 16. eine Wetterschürze (16) gegen Regen-, Spritz-, und Schlagwasser zum Schutz des Generatorsystems (15) im sternförmigen Rotorunterteil (4) angeordnet ist, 17. das Generatorsystem (15) mittels einer elektronischen Steuerung zur Leistungsoptimierung auf der Basis der Drehzahl-Momenten und Drehzahl-Leistungsverläufe des Gesamtrotorsystems (1, 7) geregelt wird, 18. das Gesamtrotorsystem (1, 7) mit einem Mastadapter (17) zur Montage auf einem Mast (18), bestehend aus einem Gitter- oder Rohrmast aus Faserverbund-, metallischen oder Holzwerkstoffen sowie deren Kombination, ausgeführt ist, 19. das Gesamtrotorsystem (1, 7) mit einem Mastadapter (17) zur Montage des Mastes (18) auf einem Gebäudedach, an bzw. auf einer Gebäudewand oder einer freiliegenden Fundamentkonstruktion versehen ist, 20. das Gesamtrotorsystem (1, 7) über eine an sich bekannte elektrische Einrichtung zur Verbindung des Generatorsystems (15) und dessen elektronischer Steuerung mit dem öffentlichen Energienetz bzw. mit einem Speichersystem oder einem Inselnetz verfügt, 21. das Gesamtrotorsystem (1, 7) über eine an sich bekannte mechanische Einrichtung zur Abnahme und Weiterleitung bzw. Verbindung mit einem Verbraucher mechanischer Energie verfügt.