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1. Bezeichnung:
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Schwenkbarer
Wirbelrotorflügel
für vertikale Windkraftanlagen
nach dem Konstruktionsprinzip der goldenen Spirale/dem goldenem
Schnitt/der Fibonacci-Folge
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2. Kurzfassung
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Gegenstand
der Erfindung ist spezieller Rotorflügel für die Anwendung bei Windkraftanlagen, deren
Anströmrichtung
senkrecht zur deren Drehachse ist. Die Rotationsachse kann hierbei
vertikal oder horizontal zur Montageebene ausgerichtet sein. Dieser
ist nach dem Prinzip der Spirale des goldenen Schnittes bzw. nach
der Fibonacci-Zahlenfolge konstruiert. Diese Konstruktionsweise
leitet die einströmenden
Luft so in die Hohlkammer des Flügels,
dass sich ein stabiler Wirbel bildet. Dessen Umlenkungsimpuls erzeugt
einen Kraftvektor in Drehrichtung des Gesamtrotors, der wiederum
ein Drehmoment erzeugt und einen Energieertrag aus der Windströmung ermöglicht.
Weiterhin ergibt sich die rückwärtige Anströmung des
Wirbelflügels
ein Unterdruck an der vorderen Spiralkrümmung und erzeugt damit eine
Sogwirkung der den Flügel
nach vorne zieht. Diese beiden strömungstechnischen Effekte erzeugen
ein Drehmoment, womit der Wirbelrotorflügel einen weiteren Energieertrag
aus der Strömung
erzielt.
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Zusätzlich kombiniert
der speziell geformte Flügel
zwei wesentliche Wirkprinzipien der Strömungsmechanik > Widerstandsläufer- und
Auftriebsläuferprinzip < zur Umwandlung
von kinetischer Energie des Luftstromes (oder anderen Fluiden) in
Rotationsenergie. Bei niedrigen Windgeschwindigkeiten nutzt der
Rotorflügel
durch einem federbelasteten Schwenkmechanismus den Staudruck des
Windes zum Anlaufen. Vergleichbar dazu ist die Wirkungsweise des
Savonius-Rotors der als Widerstandsläufer arbeitet. Bei steigender
Drehzahl schwenkt der Rotorflügel
in die Position, in der er als Auftriebsläufer bzw. Darrieus-Rotor die
Energie aus dem Luftstrom in Rotationsenergie umwandelt. Somit nutzt der
Wirbelrotorflügel
mit seinem Schwenkmechanismus die Wirkungsweisen des Widerstandsläufers und
des Auftriebsläufers
im jeweils optimalen Arbeitsbereich.
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Die
Kombination aus den bereits bekannten Wirkprinzipien > Widerstandsläufer- und
Auftriebsläuferprinzip < und der Wirkweise
des stabilen Innenwirbels und Unterdruck an der Aussenkontur ergibt einen
zusätzlichen
Energieertrag des Wirbelrotorflügels.
Somit wird ein höherer
Gesamtwirkungsgrad als bei derzeit bekannten vertikalen Windkraftanlagen
erreicht.
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3. Derzeit technischer Stand
und Zielsetzung der Neuheit
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Kleinwindanlagen
mit Vertikalrotoren werden derzeit nach den Prinzipien des Savonius-Rotors (Widerstandsläufer) bzw.
des Darrieus-Rotors (Auftriebsläufer)
gebaut. Es gibt viele Lösungsansätze um die
Rotorbauformen zur Leistungssteigerung zu kombinieren. Dazu werden
Rotoren mit beiden Rotorflügelformen
gebaut, was einen erhöhten
Kostenaufwand und zur Folge hat. Die gegen die Windrichtung laufenden
Rotorflügel
erzeugen ein Bremsmoment, das sich negativ auf den Ertrag der Windkraftanlage
auswirkt. Vertikalwindkraftanlagen haben somit immer einen schlechteren
Wirkungsgrad als Horizontalwindkraftanlagen.
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Die
Erfindung des Wirbelrotorflügels
wirkt diesen Nachteil entgegen und steigert die Leistung der Vertikalwindkraftanlage.
Neben den bekannten Wirkprinzipien des Widerstands- und des Auftriebsläufers erzeugt
die Spiralquerschittsform mit einem stabilen Wirbel innerhalb der
Rotorflügel
einen Impuls in Drehrichtung und eine Sogwirkung durch den an der
Vorderkante des spiralförmigen
Wirbelrotorflügel
enstehenden Unterdrucks. Es entstehen somit zusätzliche Kräfte in Drehrichtung, die einen
wesentlich höheren
Windenergieertrag ermöglichen.
Der Wirbelrotorflügel
stellt eine Querschittsform dar, die derzeit noch nicht in Bereich
der Windkraftanlagen genutzt wird. Zusätzlich ermöglicht ein Schwenkmechnismus
die Nutzung des Widerstandsläuferprinzips
bei niedriger Drehzahl und das Auftriebsläuferprinzip bei hoher Drehzahl
mit nur einem Wirbelrotorflügelform
zu.
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4. Beschreibung Vertikalwindkraftanlage
mit Wirbelrotorflügel
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- a) Gegenstand ist die Erfindung eines Rotorflügels (3)
und dessen mehrfacher Anordnung (vorzugsweise 3 Flügel) am
Rotor einer Windkraftanlage deren Drehachse (1) vorzugsweise
vertikal zur Grundfläche
angeordnet ist. Die Windenergie wird mittels Widerstandsprinzip-
bzw. Auftriebsprinzip aus dem Luftstrom entnommen und in Rotationenergie
umgewandelt. Die Rotorflügelquerschnitte
folgen dabei der Konstruktionsregel des goldenen Schnitts bzw. der
Fibonacci-Zahlenfolge. (9) Das gilt für die Hohlfläche (4c)
genauso wie für
die Rückenfläche (3d)
des Wirbelrotflügels.
Die Rotorflügel
sind drehbar unter Federspannung an den Rotorträgern befestigt (2) und
werden bei Rotation durch die wirkende Fliehkraft selbstständig im
Anstellwinkel verändert. (3)
- b) Die Windkraftanlage steht auf einer Säule (1a) deren Rotationsachse
(1) vertikal zur Montageebene orientiert ist. Sie kann
auch bauartbedingt horizontal zur Montageebene angeordnet sein. Auf
der Säule
ist ein Generator (1b) aufbaut, der die Rotationsenergie
vorzugsweise in elektrische oder pneumatische oder hydraulische
Energie umwandelt und mittels Leitungsverbindung zum Verbraucher
liefert.
- c) Bei Stillstand (2) stehen die Rotorflügel durch
die am Gelenk (2c) wirkende Federspannung (2a)
in der Anlaufposition. Die Anlage nützt so schon kleine Windstöße nach
dem Prinzip des Widerstandsläufers.
Die anströmende
Luft trifft auf die große
Prallfläche
(3d) ebenfalls auf die Prallfläche (4d) und gleichzeitig
auf die Hohlfläche (4c).
Während
sich an Fläche
(3d) und (4d) ein Drehmoment durch entstehenden
Staudruck ergibt, bildet sich in der Hohlfläche (4c) ein stabiler Wirbel.
Dessen Umlenkung gegen die Drehrichtung des Rotors erzeugt einen
Impuls in Drehrichtung, der das entstehende Drehmoment aus (3d) und
(4d) noch verstärkt.
An der Rückseite
des Wirbelflügels
(3d) strömt
die Luft entlang und wird an der Aussenkante der enger werdenden
Spirale umgelenkt und beschleunigt, was zu einem Unterdruck an der
Vorderseite des Wirbelflügels
(3c) führt.
Dieser Unterdruck erzeugt einen Sog, der in einem zusätzlichen
Kraftvektor und widerum ein zusätzliches
Drehmoment an der Rotorachse hervorruft.
Auf der Seite des
Rotors, die entgegen der Windrichtung zurückdreht, entsteht ein durch
den Staudruck resultierendes Gegenmoment (6). Die an
der Vorderkante vorbeiströmende
Luft wird in die Innenspirale umgelenkt und unterstützt den Erhalt
des stabiles Wirbels. Somit bliebt während der gesamten Umdrehung
der Wirbel im Flügel
erhalten. Die Summe der Drehmomente in Rotationsrichtung ist jedoch
höher als
das Gegenmoment. Dieses entstehende Drehmoment erzeugt eine Winkelbeschleunigung
die widerum in einer Erhöhung
Rotationsgeschwindigkeit mündet.
Der Rotor wird im sogenannten Widerstandsläuferbetrieb bis zur Nenndrehzahl
dieser Betriebsart beschleunigt. Diese Nenndrehzahl ist abhänig von den
Rotorabmessungen.
- d) Überschreitet
die Rotationsgeschwindigkeit die Nenndrehzahl des Widerstandsläuferbetriebs werden
die Rotorflügel
(3) durch die wirkende Fliehkraft und voher bestimmte Federkraft
in Abhänigkeit
der Drehzahl selbstständig
in die Position Auftriebsläuferbetrieb
nach aussen geschwenkt (3). Im Drehzahlbereich zwischen der
Nenndrehzahl des Widerstandsläufersbetriebes
und der Nenndrehzahl des Auftriebsläuferbetriebes verändern die
Rotorflügel
proportional zur Rotationsgeschwindigkeit ihren Anstellwinkel und schwenken
tangential zur Rotationsmantelfläche aus.
Die Anbringung des Rotorflügelgelenks
(2a) (2b) ist dabei so gewählt, dass die Linie des Kraftvektors
erst dann durch den Schwerpunkt verläuft, wenn der Rotorflügel (3)
voll ausgeschwenkt ist. Bei erreichen der Nenndrehzahl für den Auftriebsläuferbetrieb
ist die Summe der Fliehkräfte, der
Rückstellkräfte des Schwenkmechnismuss und
der am Rotorflügel
wirkenden Strömungskräfte aufgehoben
und es stellt sich ein stabiles Gleichgewicht ein (3).
Zusätzlich
wird die Position durch Dämpfungselemente
und einen Anschlag in den Gelenken (2a) und (2b)
stabilisiert.
- e) Im Auftriebsläuferbetrieb
arbeitet die Wirbelrotorflügel
in der Kombination als Tragflügel
und als Wirbelflügel.
Die Wirkweise in dieser Betriebsart ist wiefolgt. Die Flächen (3d)
und (4d) wirken als Tragflügel und erzeugen durch die
anströmende Luft
eine Kraftkomponente, die den Rotorflügel in Richtung (3c)
(4c) bzw. entgegen dem Uhrzeigersinn antreibt. Zusätzlich erzeugt
die einströmende Luft
in Bogensegment (3c) (4c) wiederum einen stabilen
Wirbel der durch seine Umlenkung einen Impuls in Drehrichtung des
Rotors erzeugt. An der Rückseite
des Wirbelflügels
strömt
die Luft entlang und wird an der Aussenkante der enger werdenden
Spirale ebenfalls verwirbelt, was zu einem Unterdruck an der Vorderseite
des Wirbelflügels führt. Dieser
Unterdruck erzeugt einen Sog, der in einem zusätzlichen Kraftvektor und widerum
ein zusätzliches
Drehmoment an der Rotorachse hervorruft. Durch den speziellen Flügelquerschnitt
ergibt sich ein optimiertes Ein-, Um- und Ausströmverhalten der Luft am Rotorflügel, was
einen hohen Engergieertrag aus der Luftstrom zu Folge hat. Durch
die Flügelform
ist die Geräuschentwicklung
auch bei hohen Drehzahlen im Vergleich zu den Horizontalwindkraftanlagen
sehr gering.
- f) Ab Windgeschwindigkeiten > 16
m/s und starken Böen
führt ein
Stömungsabriß an den
Tragflügeln
zu starken Turbulenzen innerhalb des Rotors. Weiterhin ist die Wirbelbildung
innerhalb des Wirbelfügels
ist nicht mehr stabil und es erfolgt keine weitere Winkelbeschleunigung
des Rotors. Somit ergibt sich ein selbständiger Sturmschutz für den Wibelfügelrotor.
- g) Bei Unterschreiten der Nenndrehzahl für Auftriebsläufer- und
Wirbelflügelbetrieb
ergibt sich ein zur Rotationsgeschwindigkeit proportionales Rückschwenken
der Rotorflügel
in die Widerstandsläuferbetriebsart.
Unterhalb der Nenndrehzahl des Widerstandsläuferbetriebs arbeitet die Windkraftanlage
vollends in der Widerstandsläuferbetriebart
mit eingeschwenkten Rotorflügeln.
- h) Der Wirbelrotorflügel
ist anwendbar für
vertikale Windkraftanlagen von Abmessungen von 50 cm Höhe und 30
cm Rotordurchmesser (Modellanlagen) bis 16 m Höhe und 10 m Durchmesser. Die
Wirbelrotorflügelanzahl
ist mit 3 physikalisch und wirtschaftlich sinnvoll. Durch diese
Proportionen sind Leistungen ca. 50 W bis 30 kW darstellbar.
- i) Das Schwenkflügelprinzip
kann unter dem Aspekt der Vereinfachung der Konstruktion und weniger
Leistung im unteren Drehzahlbereich auch durch ein starres Wirbelrotorflügelsystem
ersetzt werden. Somit entfällt
die Widerstandsläuferbetriebsart
und der Rotor arbeitet immer im Tragflügel-Wirbelflügelbetrieb.
Diese Konstruktionsvereinfachung ist bei Anlagen unterhalb der Leistungsklasse
3 kW sinnvoll. Resultierende Abmessungen: kleiner 4 m Flügellänge und
3,5 m Rotordurchmesser.
- j) Die Rotorform ist nach dem Prizip der goldenen Sprirale bzw.
goldener Schnitt (5) entwickelt. Die Proportionen
folgen der Fibonacci-Zahlenfolge. Der Wirbelflügelquerschnitt ist aus zwei
aneinandergeschmiegten Spiralsegmenten konstruiert, die über die
Aussenspiralform ein nahezu wirbelfreies einfließen der Luft in die Innenspiralform des
Rotorflügels
ermöglicht.
Nach Eintritt der Luft bildet sich ein stabiler Wirbel dessen Umlenkung den
Impuls zum Vortrieb Rotorflügel
erzeugt (4). Mit zusätzlichen Leitspiralflächen innerhalb
des Wirbelrotorflügels
kann dieser Effekt weiter optimiert werden. Er ist der in der Natur
entstehenden Spriralformen nachgebildet wie sie in 6 und 7 zu
erkennen sind.
- k) An den Stirnseiten der Wirbelrotorflügel befinden sich Öffnungen
(5a, 5b), die das Ausströmen von Luft ermöglichen.
Um die Turbulenzen so gering wie möglich zu halten, sorgen diese
Austrittsöffnung
für eine
Druckausgleich und der entstehende Kernwirbel kann in axialer Richtung
zum Wirbelrotorflügel
austreten.
- l) Eine Windkraftanlage mit vertikaler Achse und dieser Wirbelflügelform
kann in Windgebieten eingesetzt werden die nicht immer lamiare Windströmung vorweisen.
Sie nutzt schon kleine Windstöße um die
Windenergie in Rotationsenergie umzuwandeln. Im Gegensatz zu den
klassichen Horizontalwindkraftanlagen mit sog. Dreiflüglern muß der Rotor
nicht in den Wind gedreht werden.
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1 Vertikaler
Wirbelflügelrotor
mit 3 Einzelflügeln
Ständersäule und
Drehachse
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drehachse
- 1a
- Ständersäule
- 1b
- Einbauraum
für Generator
oder Pumpe
- 2
- Wirbelrotorträger
- 2a
- Federelement
mit Gelenk
- 2b
- Dämpfungselement
mit Gelenk
- 3
- Wirbelrotorflügel
- 3a
- Obere
Abdeckung des Wirbelrotflügels
- 3b
- Untere
Abdeckung des Wirbelrotflügels
- 3c
- Vorderkante
des Wirbelrotflügels
- 3d
- Rückwärtige Anströmzone des
Wirbelrotflügels
- 4a
- Oberes
Innenprofil zur Versteifung mit Öffnung für Wirbelbildung
- 4b
- Unteres
Innenprofil zur Versteifung mit Öffnung
für Wirbelbildung
- 4c
- Hohlseite
des Wirbelrotorsflügels
- 4d
- Vordere
Anströmzone
des Wirbelrotflügels
- 5a
- Obere
Kernwirbelaustrittsöffnungen
des Wirbelrotflügels
- 5b
- Untere
Kernwirbelaustrittsöffnungen
des Wirbelrotflügels
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2 Draufsicht
Rotorflügelanordnung
in der Widerstandsläufer-Betriebsart
Die
Federelemente sind in der Ruhestellung und es ergibt sich durch
die Anstellung der Wirbelrotorflügel ein
größerer Gesamtdurchmesser
als in der Auftriebsläufer-Betriebsart.
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3 Draufsicht
Rotorflügelanordnung
in der Auftriebsläufer-
und Wirbelflügel-Betriebsart
Die
Federelemente sind gespannt durch die Zentrifugalkraft und es ergibt
sich durch das Einschwenken der Wirbelrotorfklügel ein kleiner Gesamtdurchmesser
als in der Widerstandsläufer-Betriebsart.
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4 Längsanströmung in
die Innenspirale des Wirbelflügels
mit Einströmverhalten
und Wirbelbildung
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5 Seitenanströmung in
die Innenspirale des Wirbelflügels
mit Einströmverhalten
und Wirbelbildung
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6 Frontanströmung auf
die Außenspirale
des Wirbelflügels
mit Einströmverhalten
und Wirbelbildung
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7 Längsanströmung an
der Rückwand der
Außenspirale
des Wirbelflügels
mit Wirbel- und Unterdruckbildung an der Vorderseite
-
8 Seitenanströmung auf
die Rückwärtige Außenspirale
des Wirbelflügels
mit Auftriebbildung
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9 Konstruktionsprinzip ”Goldene
Spirale”/”Goldener
Schnitt”
