DE202011002030U1 - Turbinensystem für Wind- und Wasserkraft - Google Patents

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Abstract

Wind- und Wasserkraftanlage mit mindestens einer Radialturbine mit einer vertikalen Rotationsachse und mit mindestens einer Leitfläche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei nebeneinander und parallel ausgerichtete Radialturbinen (1, 2) angeordnet sind, die miteinander verbunden und um eine Schwenkachse (15) parallel zu den Turbinenachsen (18) verschwenkbar sind, wobei die Schwenkachse und innere Leitflächen (3, 4) außerhalb der Verbindungslinie der Turbinenachsen und beide auf der gleichen Seite der Verbindungslinie liegen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit zwei Radialturbinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Stand der Technik
  • Eine Radialturbine hat gegenüber den bekannten dreiflügeligen Windkraftanlagen mit horizontaler Drehachse und Flugzeugflügeln den großen Vorteil, unabhängig von der Richtung des einfallenden Windes zu arbeiten. Die Radialturbine mit einer vertikalen Rotationsachse muss also nicht in den Wind gedreht werden.
  • In einer besonders wirtschaftlichen Ausführungsform ist die Radialturbine mit Leitblechen versehen, die die Windenergie sammeln und konzentriert auf die Schaufeln der Radialturbine leiten. Nachteilig ist hier jedoch, dass infolge des Leitbleches die Unabhängigkeit von der Windrichtung nicht mehr gegeben ist. Auch die Radialturbine mit Leitblech muss daher dem Wind nachgeführt werden.
  • Aufgabe und Lösung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung: Es soll eine Radialturbine mit Leitblech eingesetzt werden, die sich selbsttätig in eine optimale Winkelposition zum einfallenden Wind dreht, sich also selber nachführt, ohne dass hierfür eine Nachführungsanordnung erforderlich wäre. Die Vorteile des Leitbleches bei der Radialturbine sollen also kombiniert werden mit der Unabhängigkeit der Radialturbine von der einfallenden Windrichtung.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt.
  • Wichtig ist Folgendes: Zwei Turbinen befinden sich in einem durch Leitbleche geschlossenem System mit zusätzlichen Konzentrationsblechen, welche oberhalb und unterhalb der Turbinen angebracht sind. Durch das geschlossene System und die zusätzlichen Konzentrationsbleche wird der sog. „Magnus-Effekt” optimal ausgenutzt, wodurch das erfindungsgemäße System, welches auf einem Mast gelagert ist, sich eigenständig in den Wind drehen und somit immer optimal vom Wind angeströmt werden kann. Das „In den Wind drehen” ist bei einem konkreten Modell im freien Wind nachgewiesen worden.
  • Der Magnus-Effekt, benannt nach seinem Entdecker Heinrich Gustav Magnus (1802–1870), ist ein Phänomen der Strömungsmechanik, nämlich die Querkraftwirkung (Kraft), die ein rotierender runder Körper (Zylinder oder Kugel) in einer Strömung erfährt.
  • Eine rotierende Walze erzeugt aufgrund von Reibungseffekten eine Rotation des sie umgebenden Fluids um sich herum. Wird die Walze zusätzlich angeströmt, überlagern sich die Geschwindigkeiten des Fluids. Das Resultat ist, dass das Fluid die rotierende Walze auf einer Seite schneller umströmt als auf der anderen (im Ruhesystem der Walze). Auf der Seite der Walze, auf der die Reibungseffekte größer sind, fließt das Fluid scheinbar schneller. Dies resultiert in einem „Ausweichen” der Walze – die Walze wird nach unten gedrückt (siehe 4).
  • • Beispiele:
    • • Fußballspieler schießen den Ball mit Effet, damit er in einem Bogen ins Tor fliegt. Je schneller er dreht, umso größer ist die Bahnablenkung (Bananenflanke, Flatterball).
    • • Tischtennisspieler und Tennisspieler nutzen den Effekt, z. B. beim Topspin und Slice.
    • • Curveballs im Baseball oder Riseballs im Softball
    • • Spin bowling im Cricket
    • • Golfbälle besitzen viele kleine Vertiefungen auf der Oberfläche, sogenannte Dimples. Sie verbessern als Turbulatoren das Anhaften der am Ball anliegenden und durch seine Rotation mitgeführten Grenzschicht. Dadurch verstärkt sich die Wirbelbildung und die damit einhergehende Ablenkung des Balls durch den Magnus-Effekt. Da der Golfball durch die Keilform des Golfschlägers rückwärts rotiert, wird er durch den Magnus-Effekt angehoben; er fliegt nicht nur wie eine Kanonenkugel, sondern erfährt einen Auftrieb. Zusätzliche Links- oder Rechts-Ablenkungen sind möglich und werden von Spielern, die diese Technik beherrschen, auch eingesetzt. Außerdem wird durch die überkritische, turbulente Umströmung der Luftwiderstand verringert, was wiederum zu größeren Flugweiten führt.
  • Eine Rolle spielt auch der so genannte Thom Effect: Der Trimaran Cloudia ist zur Erprobung des Flettnerantriebs eingesetzt. Die Cloudia ist mit je einem 5 m und einem 6 m hohen Flettner-Rotor bestückt. Sie entstand im Rahmen eines Forschungsprojektes unter der Leitung des britischen Wissenschaftlers Steven Salter von der Universität Edinburgh, der Hunderte solcher vollautomatischer Schiffe zur Bekämpfung der Erderwärmung einsetzen will. Abgesehen davon, dass hier der ökologische Aspekt im Vordergrund steht, entspricht die Cloudia genau der Grundlagenforschung von Prof. Thom aus den 30-iger Jahren.
  • Erfindungsgemäß wird eine hohe Leistung kombiniert mit niedrigen Installationskosten erreicht, so dass die Wirtschaftlichkeit, bezogen auf die erzeugte Strommenge erheblich besser als bei den bekannten Windkraftanlagen mit horizontaler Achse und Flugzeugflügeln ist.
  • Zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit ist ein Ringgenerator zur Stromerzeugung vorgesehen. Zusätzlich kann zur weiteren Steigerung der Wirtschaftlichkeit der Mast und die Leitfläche als Werbefläche eingesetzt werden.
  • Im Gegensatz zu den bekannten Windkraftanlagen mit horizontaler Achse und drei Flügeln kann die erfindungsgemäße Radialturbine auch bei relativ niedrigen Windgeschwindigkeiten betrieben werden. Aufgrund des Magnus-Effektes „zieht” die erfindungsgemäße Radialturbine sozusagen den Wind an und verstärkt geringe Windgeschwindigkeiten. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Radialturbine auch bei Zirkulationswinden eingesetzt werden, bei denen die Windgeschwindigkeit unten bei geringer Höhe höher als in großer Höhe ist, in welcher die dreiflügeligen Windkraftanlagen allein schon wegen der Flügelgröße betrieben werden müssen. Eine Windgeschwindigkeit von nur 6 m/s, die auf jeden Fall zu niedrig ist für die bekannten Dreiflügler, reicht bei der erfindungsgemäßen Radialturbine zur Energieerzeugung aus.
  • Bei Schwankungen der Windrichtung passt sich die erfindungsgemäße Radialturbine, unter anderem auch aufgrund des Magnus-Effektes, selbsttätig an und dreht sich sofort in die optimale Richtung. Derartige schnelle Anpassungen der Windkraftanlage sind bei den bekannten Dreiflüglern nicht möglich.
  • Da die erfindungsgemäße Radialturbine nur wenig Platz beansprucht, kann sie als Zusatz bei bereits vorhandenen Gebäude- oder Bauteilen verwendet werden, beispielsweise als Aufsatz auf eine Straßenlaterne.
  • Ausführungsbeispiele
  • Im Folgenden werden ein oder mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. In allen Zeichnungen haben gleiche Bezugszeichen die gleiche Bedeutung und werden daher gegebenenfalls nur einmal erläutert.
  • 1 zeigt eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Windkraftanlage mit zwei Radialturbinen 1, 2 und Leitflächen 3, 4, die um eine vertikale Achse drehbar (schwenkbar) an einem Stahlmast 5 mit Fundamentplatte 6 angebracht sind.
  • Die Gesamthöhe beträgt 20 m, die Höhe der Turbinen 10 m. Die Turbinen haben einen Durchmesser von 1 m. Die erwartete Kapazität bei einem Küstenstandort, wo die Windkraftanlage den zirkulierenden Küstenwind auffängt, beträgt ca. 21700 kW/h, jährlich gemittelt mit einem Wirkungsgrad von 38%.
  • 2 zeigt die konstruktiven Details in einer Ansicht von der Seite entsprechend A-A in 3. An dem 20 m hohen Stahlmast 5 sind drei Trägerplatten 7, 8, 9 mittels Lager 10, 11, 12, 13, 14 drehbar um die Längsachse 15 des Stahlmastes 5 angebracht. Die untere Trägerplatte 7 hat drei Drehlager 10 am Stahlmast 5 und zwei Turbinenlager 16, 17 an der Turbinenachse 18. Die mittlere Trägerplatte 8 hat drei Drehlager 12 und zwei Turbinenlager 19, 20 und die obere Trägerplatte 9 hat drei Drehlager 14 und zwei Turbinenlager 21, 22. Die Turbinenlager 17, 20 und 22 sind in 2 nicht dargestellt und gehören zur anderen Turbine.
  • Die Drehlager 10, 11 einerseits und 13, 14 andererseits sind durch einen Distanzkragen 23, 24 auf Abstand gehalten. Der Distanzkragen ist ausgebildet als Hohlrohr.
  • 3 zeigt schließlich eine Aufsicht auf die Windkraftanlagen. Erkennbar sind die Turbinenschaufeln 25 sowie der obere Kragenflansch 26 und der Führungsflansch 27. Eingezeichnet ist mit einem Pfeil auch die Windrichtung, wenn sich die Windkraftanlage erfindungsgemäß in den Wind gedreht hat, so dass die Spitze der Leitflächen 3, 4 dem Wind entgegen zeigt.
  • Mit der erfindungsgemäßen Anlage wurde ein so genannter Fadentest durchgeführt (5). Wind 28 bis 6 m/s blies gegen die Anlage. Das Verhältnis von der Umfangsgeschwindigkeit der Turbine zum Wind war 3:1. In 5 ist der Abriss der Fadenrichtung (unten im Bild) deutlich erkennbar. Die erfindungsgemäße Anlage kann Energie aus der Druckdifferenz oder der potentiellen Energie des Windes extrahieren, nicht bloß aus der kinetischen Energie der bewegten Luft. Die Nutzung der potentiellen Energie in Folge der Druckdifferenz hat gegenüber der reinen Umwandlung der kinetischen Energie bei mäßigen Windgeschwindigkeiten einen größeren Effekt. Daraus ergibt sich die Möglichkeit einer großen Energieausbeute für eine kleine Turmgröße und damit eine wirtschaftliche Energiegewinnung.
  • Die Bedeutung der Bezugszahlen in 5 geht aus der Bezugszeichenliste hervor.
  • Zum Coanda-Effekt: Mit dem Begriff Coanda-Effekt werden verschiedene, ursächlich nicht zusammenhängende Phänomene bezeichnet, die eine Tendenz eines Gasstrahls oder einer Flüssigkeitsströmung nahe legen, an einer konvexen Oberfläche „entlangzulaufen”, anstatt sich abzulösen und sich in der ursprünglichen Fließrichtung weiterzubewegen. Eine genaue Definition und die Abgrenzung zum Bernoulli-Effekt sind schwierig. In der wissenschaftlichen Literatur wird der Begriff selten verwendet.
  • Ein Nebeneffekt ist der Pingpong-Ball, der in einem schrägen Luftstrahl „hängt”: Durch den Coanda-Effekt löst die Strömung des Luftstrahles nicht vom Ball ab, sondern umrundet ihn (fast) völlig ohne Ablösung. Da der Ball leicht unterhalb des Zentrums des Luftstrahles hängt, erfolgt die Umströmung nicht symmetrisch. Es wird mehr Luft nach unten abgelenkt, da an der Unterseite des Balles die Strömungsgeschwindigkeit und der Strahlquerschnitt gegenüber der Oberseite geringer sind. Als Reaktion erfährt der Ball eine Kraft nach oben. Dies erfolgt in Überlagerung mit dem Magnus-Effekt (der Ball dreht sich). Beide Effekte, jeder für sich, lassen den Ball nicht nach unten fallen, sondern nur an der Unterseite des Luftstrahles entlang-„rutschen”. Der Widerstand, den der Ball der Strömung entgegensetzt, hält ihn auf Distanz zur Düse und die Schwerkraft verhindert, dass er einfach weggeblasen wird. So kann der Ball in einer mehr oder weniger stabilen Position schweben.
  • Beim Flugzeugflügel mit gesteuerter Umströmung (auf Englisch: Circulation Control Wing CCW) wird ebenfalls der Coanda-Effekt ausgenutzt. Dies ist eine Weiterentwicklung der angeblasenen Landeklappen, mit denen der Auftrieb bei niedrigen Geschwindigkeiten während des Starts und der Landung verbessert wird. Dieser Effekt ist unter dem Begriff „High Lift” und dem Bezugszeichen 34 in 5 eingezeichnet.
  • Durch das CCW kann der Landekoeffizient des Auftriebs einer Boeing 737 von 150% auf 250% gesteigert werden, so dass die Annäherungsgeschwindigkeiten um 35% bis 45% und die benötigte Länge der Landebahn um 55% bis 75% reduziert werden können. Solche Fortschritte beim Flügelbau können eine erhebliche Reduzierung in der Flügelgröße bei großen Düsenflugzeugen erlauben.
  • Die 6 bis 8 zeigen weitere Varianten mit geänderten Leitflächen 29 und zusätzlichen Konzentrationsblechen 30.
  • Auswertung statischer und dynamischer Drehmomentmessungen an der erfindungsgemäßen Windturbine mit Durchmesser 1 m und Länge 1 m in Moers
  • In die Auswertung wurden folgende Daten direkt bzw. indirekt mit einbezogen:
    • • Statische Drehmomentmessungen (Stillstandsdrehmoment) vom 24.-26.9.2010
    • • Dynamische Drehmomentmessungen in der Zeit vom 4.-8.11.2010
  • Bei den dynamischen Messungen wurde jeweils noch eine Wirbelstrombremse eingesetzt, mit der verschiedene Bremskräfte durch Variation des Spulenstromes eingestellt werden können.
  • Die Messwerte wurden auf Plausibilität geprüft und mittels diverser Mittelungs- und Filterverfahren ausgewertet.
  • In der nachfolgenden Tabelle sind die Ergebnisdaten für Windgeschwindigkeiten zwischen 2 und 8 m/s zusammengestellt. Tabelle 1: Ergebnisdaten zur Auswertung statischer und dynamischer Drehmomentmessungen (Sept./Nov. 2010) an der erfindungsgemäßen Windturbine mit Durchmesser 1 m und Länge 1 m in Moers
    Windgeschw. [m/s] Drehzahl [U/min] Drehmoment [Nm] mechanische Leistung [W] (daraus berechnet)
    2 0 0,45 0,0
    2 17 0,90 1,6
    2 20 0,69 1,4
    2 55 0,16 0,9
    2 78 0,00 0,0
    3 0 0,90 0,0
    3 27 1,85 5,2
    3 35 1,48 5,4
    3 35 1,40 5,1
    3 40 1,27 5,3
    3 42 0,93 4,1
    3 50 0,87 4,6
    3 55 0,52 3,0
    3 60 0,70 4,4
    3 80 0,21 1,8
    3 105 0,00 0,0
    3 107 0,00 0,0
    3 115 0,00 0,0
    4 0 1,45 0,0
    4 50 2,45 12,8
    4 55 2,15 12,4
    4 57 1,90 11,3
    4 60 1,80 11,3
    4 65 1,55 10,6
    4 69 1,25 9,0
    4 80 0,82 6,9
    4 80 1,12 9,4
    4 95 0,64 6,4
    4 107 0,28 3,1
    4 137 0,00 0,0
    4 139 0,00 0,0
    4 145 0,00 0,0
    5 0 2,00 0,0
    5 75 3,00 23,6
    5 78 3,30 27,0
    5 85 2,80 24,9
    5 85 2,23 19,8
    5 85 1,85 16,5
    5 93 1,42 13,8
    5 110 1,35 15,6
    5 120 0,31 3,9
    5 120 0,98 12,3
    5 127 0,71 9,4
    5 165 0,00 0,0
    5 174 0,00 0,0
    5 177 0,00 0,0
    6 0 2,70 0,0
    6 100 3,65 38,2
    6 113 2,70 31,9
    6 115 3,35 40,3
    6 116 2,15 26,1
    6 120 1,81 22,7
    6 140 1,53 22,4
    6 152 0,34 5,4
    6 160 0,75 12,6
    6 195 0,00 0,0
    6 209 0,00 0,0
    6 210 0,00 0,0
    7 0 3,50 0,0
    7 130 4,30 58,5
    7 147 3,27 50,3
    7 160 1,65 27,6
    7 175 0,79 14,5
    7 225 0,00 0,0
    7 245 0,00 0,0
    8 0 4,25 0,0
    8 162 4,85 82,3
    8 190 3,75 74,6
    8 210 0,84 18,5
    8 250 0,00 0,0
    8 275 0,00 0,0
  • Die 9 und 10 zeigen die graphische Darstellung mit entsprechend interpolierten Linien.
  • Fig. 9: DM-DZ-Kennlinien, Interpolation mit mittleren PowerCoeffizient 35%
    • Drehmoment [NM] vs. Drehzahl [U/min]; Parameter Windgeschwindigkeit [m/s]
  • Es bedeuten
    • ♦ 2 m/s Messung
    • Figure 00110001
      3 m/s Messung
    • X 4 m/s Messung
    • + 5 m/s Messung
    • – 6 m/s aus Messung
    • ∎ 7 m/s aus Messung
    • × 8 m/s aus Messung
    • ------- max. DM
    • - - - - mittl. DM
  • Fig. 10: Kennlinien
    • mech. Leistung Extrapolation im Max-Powerbereich mit mittleren PC = 35%
    • Mechanische Leistung [W] vs. Drehzahl [U/min]; Parameter Windgeschwindigkeit [m/s]
  • Es bedeuten
    • ∎ 2 m/s WSB
    • × 3 m/s WSB
    • • 4 m/s WSB
    • – 5 m/s WSB
    • ♦ 6 m/s aus WSB
    • Figure 00110002
      7 m/s aus WSB
    • X 8 m/s aus WSB
  • Da die dynamischen Messungen bisher nur mit relativ schwachen Bremskräften durchgeführt wurden, wurde die Interpolation außerhalb des bisher erfassten Messbereichs gestrichelt dargestellt. Dabei wurde angenommen, dass im Max.-Power-Punkt ein Leistungsbeiwert (Power-Coefficient) von 35% erreicht wird. Anhand der Streuung der Ergebnisdaten kann der Leistungsbeiwert (Power-Coefficient) vorbehaltlich eines ausreichend genauen Kalibriernachweises für die verwendete Messtechnik grob mit ca. 30...40% beziffert werden. Andernfalls sind die systematischen Fehler der Messtechnik zusätzlich zu berücksichtigen. Der Leistungsbeiwert (Power-Coefficient) kann genauer bestimmt werden, wenn weitere Messungen bei höheren Bremskräften berücksichtigt werden.
  • Das erfindungsgemäße Turbinensystem lässt sich mit Vorteil auch im Wasser zur Energiegewinnung aus der Wasserströmung, also als „Marine-Turbinensystem” einsetzen.
  • Durch Anbringen von zwei zusätzlichen Leitblechen 38, 39 (siehe 11) entsteht der so genannte Venturi-Effekt.
  • Der Venturi-Effekt könnte die Effizienz der Turbinen steigern.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Radialturbine
    2
    Radialturbine
    3
    innere Leitfläche
    4
    innere Leitfläche
    5
    Stahlmast
    6
    Fundamentplatte
    7
    Trägerplatte
    8
    Trägerplatte
    9
    Trägerplatte
    10
    (Dreh-)Lager
    11
    (Dreh-)Lager
    12
    (Dreh-)Lager
    13
    (Dreh-)Lager
    14
    (Dreh-)Lager
    15
    Längsachse
    16
    Turbinen-Lager
    17
    Turbinen-Lager
    18
    Turbinenachse
    19
    Turbinen-Lager
    20
    Turbinen-Lager
    21
    Turbinen-Lager
    22
    Turbinen-Lager
    23
    Distanzkragen
    24
    Distanzkragen
    25
    Turbinenschaufeln
    26
    oberer Kragenflansch
    27
    Führungsflansch
    28
    Wind
    29
    geänderte Leitfläche
    30
    Konzentrationsblech bzw. Konzentrationsfläche
    31
    Magnus-Effekt
    32
    Coanda-Effekt
    33
    Magnus-Coanda-Überlagerung
    34
    High Lift
    35
    Unterdruck
    36
    Überdruck
    37
    Fadenrichtung riss ab
    38
    äußere Leitfläche
    39
    äußere Leitfläche

Claims (7)

  1. Wind- und Wasserkraftanlage mit mindestens einer Radialturbine mit einer vertikalen Rotationsachse und mit mindestens einer Leitfläche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei nebeneinander und parallel ausgerichtete Radialturbinen (1, 2) angeordnet sind, die miteinander verbunden und um eine Schwenkachse (15) parallel zu den Turbinenachsen (18) verschwenkbar sind, wobei die Schwenkachse und innere Leitflächen (3, 4) außerhalb der Verbindungslinie der Turbinenachsen und beide auf der gleichen Seite der Verbindungslinie liegen.
  2. Wind- und Wasserkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Turbinen in gegenläufiger Richtung rotieren.
  3. Wind- und Wasserkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ringgenerator zur Stromerzeugung vorgesehen ist.
  4. Wind- und Wasserkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wind- und Wasserkraftanlage an einem Mast (5) befestigt ist.
  5. Wind- und Wasserkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere dieser Wind- und Wasserkraftanlagen an einem Mast übereinander und/oder nebeneinander montiert sind.
  6. Wind- und Wasserkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wind- und Wasserkraftanlage selbstständig ohne motorgetriebene Nachführeinrichtung in die optimale Luft- oder Wasser-Strömungsrichtung dreht.
  7. Wind- und Wasserkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich äußere Leitflächen (38, 39) auf der gleichen Seite wie die inneren Leiflächen (3, 4) angeordnet sind.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102012000428A1 (de) * 2012-01-12 2013-07-18 Mirko Don Windenergiekonverter
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