DE202011101729U1

DE202011101729U1 - Turbinensystem für Wind- und Wasserkraft III

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Publication number: DE202011101729U1
Application number: DE202011101729U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-12-13
Filing date: 2011-06-11
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2021-06-12
Also published as: DE202011101218U1

Abstract

Turbinensystem für Wind- und Wasserkraft mit mindestens einer Radialturbine mit einer vertikalen Rotationsachse und mit mindestens einer Leitfläche, wobei die Radialturbine einen um eine Achse drehbaren Rotor aufweist, welcher einen oder mehrere Turbinenflügel umfasst, wobei die Turbinenflügel parallel zum Rotor ausgerichtet sind, wobei die Turbinenflügel innerhalb einer konzentrisch um die Achse angeordneten Zylinderschale mit einem äußeren Radius R1 und einem inneren Radius R2 angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Radius R2 = f1 × R1mit f1 = 0,28 bis 0,32 beträgt, • dass jeder Turbinenflügel einen ersten vom inneren Radius R2 bis zum äußeren Radius R1 sich erstreckenden, zur Achse hin gekrümmten Bereich mit einem Krümmungsradius R3 = f2 × R1mit f2 = 1,2 bis 1,4 und • einen, sich außen an den ersten Bereich anschließenden zweiten Bereich umfasst, der auf der Außenseite der Zylinderschale liegt und eine Krümmung zur Achse hin aufweist, wobei die...

Description

Die Erfindung betrifft ein Turbinensystem für Wind- und Wasserkraft mit mindestens einer Radialturbine mit einer vertikalen Rotationsachse und mit mindestens einer Leitfläche, wobei die Radialturbine einen um eine Achse drehbaren Rotor aufweist, welcher einen oder mehrere Turbinenflügel umfasst, wobei die Turbinenflügel parallel zum Rotor ausgerichtet sind, wobei die Turbinenflügel innerhalb einer konzentrisch um die Achse angeordneten Zylinderschale mit einem äußeren Radius R1 und einem inneren Radius R2 angeordnet sind.
Stand der Technik
Derartige Windturbinen sind unter der Bezeichnung Savonius-Turbine bekannt (siehe auch 6).
Dieser Rotor besteht aus zwei an einer vertikalen Rotorachse angebrachten waagerechten Kreisscheiben, zwischen denen zwei halbkreisförmige gebogene Schaufeln bzw. Flügel senkrecht stehend angebracht sind.
Eine ausgeprägte Unwucht aufgrund der zyklisch unterschiedlich starken Belastung durch die Strömung während der Rotation ist charakteristisch für den Savonius-Rotor, auch wenn die Gewichtsverteilung perfekt austariert ist. Diese durch Lastwechsel verursachte Unwucht kann minimiert werden, indem statt der zwei Schaufeln eine größere Anzahl, meist drei, angeordnet werden. Dann aber sinkt der Wirkungsgrad des Savonius-Rotors erheblich, etwa um 30%.
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: Erreicht werden soll eine erheblich verbesserte Ausnutzung der Windenergie mit einem deutlich besseren Wirkungsgrad als bei herkömmlichen Savonius-Turbinen. Die Windturbine soll auch bei schwachem Wind einsetzbar sein, der zu schwach ist, um herkömmliche Savonius-Turbinen anzutreiben.
Es soll außerdem 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 bei dem Turbinensystem für Wind- und Wasserkraft der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst,

• dass der innere Radius R2 = f1 × R1 mit f1 = 0,28 bis 0,32 beträgt,
• dass jeder Turbinenflügel einen ersten vom inneren Radius R2 bis zum äußeren Radius R1 sich erstreckenden, zur Achse hin gekrümmten Bereich mit einem Krümmungsradius R3 = f2 × R1 mit f2 = 1,2 bis 1,4 und
• einen, sich außen an den ersten Bereich anschließenden zweiten Bereich umfasst, der auf der Außenseite der Zylinderschale liegt und eine Krümmung zur Achse hin aufweist, wobei die Krümmung zur gleichen Seite wie die Krümmung des ersten Bereichs zeigt, wobei der Krümmungsradius R4 des zweiten Bereichs R4 = f3 × R1 mit f3 > 0,7 beträgt,
• dass der zweite Bereich eine Breite B2 = f8 × R1 mit f8 = 0,11 bis 0,16 hat, und
• 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 die Leitflächen (3, 4) außerhalb der Verbindungslinie der Turbinenachsen und beide auf der gleichen Seite der Verbindungslinie liegen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt.
Durch die spezifische Form und Anordnung der Turbinenflügel entsprechend den in Anspruch 1 genannten Parameterbereichen erhält man dreimal höhere Drehzahlen im Vergleich zu bekannten Savonius-Turbinen sowie einen realisierten Wirkungsgrad von bis zu 66% im Vergleich zu einem Wirkungsgrad von 28% bei herkömmlichen Turbinen. Auch bei sehr schwachem Wind lässt sich die erfindungsgemäße Turbine einsetzen, welcher zum Antrieb herkömmlicher Savonius-Turbinen nicht mehr ausreicht.
Im Gegensatz zum Savonius-Rotor hat die erfindungsgemäße Windturbine keine derartige oben beschriebene Unwucht, auch wenn in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung drei Turbinenflügel vorgesehen sind.
Besonders günstig ist die Kombination der erfindungsgemäßen Geometrie der Turbinenflügel zusammen mit einer Leitfläche gemäß Anspruch 2, die auch Leitblech genannt werden kann.
Wichtig ist außerdem 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 10).
• 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.
Von besonderem Vorteil bei der erfindungsgemäßen Flügelform ist es, dass sich die beiden Turbinen nicht gegenseitig behindern.
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 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.
Es zeigen
1 einen schematischen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Windturbine nach einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel,
2 eine graphische Darstellung der Freilaufdrehzahlen, aufgetragen über der Windgeschwindigkeit, für die erfindungsgemäße Windturbine (obere Kurve und Kreuze) und für eine herkömmliche Savonius-Windturbine (untere Kurve und Kreise),
3 bis 5 graphische Darstellungen der Drehzahlen der erfindungsgemäßen Windturbine sowie einer herkömmlichen Savonius-Windturbine sowie des Anströmwinkels des Windes und der Windgeschwindigkeit, aufgetragen über die Zeit, und
6 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Savonius-Windturbine im Querschnitt mit deren Wirkungsweise.

Die erfindungsgemäße Windturbine nach 1 wird vom Wind in einer Hauptwindrichtung 101 und Nebenwindrichtungen 102, 103 angeströmt. Die Bedeutung der sonstigen Bezugszeichen in 1 ergibt sich aus der nachfolgenden Tabelle, in welcher auch die erfindungsgemäßen Wertebereiche der Parameter sowie der besonders bevorzugte Wert der Parameter im Ausführungsbeispiel angegeben ist.

Parameter	Wertebereich des Parameters	Im Ausführungsbeispiel:
R1 = Radius der Turbine	beliebig	0,125 m
R2 = Abstand vom Rotationszentrum (Punkt P₀) bis zum inneren Flügelabschluss (Punkt P₁) = f₁ × R1	f₁ = 0,28 ... 0,32	0,036 m
R3 = Krümmungsradius der am Punkt P₁ angrenzenden Zylinderschale eines Flügels = f₂ × R1	f₂ = 1,2 ... 2,4	0,165 m
R4 = Krümmungsradius der am Punkt P₂ auf dem Außenradius der Turbine angrenzenden Zylinderschale eines Flügels = f₃ × R1	f₃ > 0,7	0,125 m
R5 = Krümmungsradius der Knickstelle zwischen beiden Zylinderschalen eines Flügels = f₄ × R1	f₄ = 0,02 ... 0,08	0,003 m
A1 = Abstand der der Turbine zugewandten Kante des Leitbleches (Punkt P₃) zur zweiten Längsschnittebene 5 (senkrecht zur ersten Längsschnittebene 4) = f₅ × R1	f₅ = 1,04 ... 1,10	0,135 m
A2 = Abstand der der Turbine zugewandten Kante des Leitbleches (Punkt P3) zur ersten Längsschnittebene 4 (= Hauptwindrichtung) = f₆ × R1	f₆ = 0,25 ... 0,30	0,035 m
B1 = Breite eines Turbinenflügels (Abstand zwischen den Punkten P₁ und P₂) = f₇ × R1	f₇ = 0,9 ... 1,0	0,120 m
B2 = Breite der äußeren Zylinderschale eines Turbinenflügels (d. h. Abstand zwischen dem Schnittpunkt der jeweils extrapolierten Kreislinien beider Zylinderschalen eines Flügels und dem Punkt P₂) = f₈ × R1	f₈ = 0,11 ... 0,16	0,016 m
B3 = Breite des Leitbleches = f₉ × R1	f₉ = 0,7 ... 1,0	0,110 m
D1 = Durchmesser der Achse = f₁₀ × R1	f₁₀ = 0,09 ... 0,13	0,012 m
α₁ = Anstellwinkel des Leitbleches in Bezug auf die Hauptwindrichtung	α₁ = 40° ... 60°	45°

2 zeigt die Messergebnisse für die Freilaufdrehzahl der erfindungsgemäßen Windturbine und einer herkömmlichen Savonius-Windturbine. Aufgetragen sind die Drehzahlen in Umdrehungen pro Minute über der Windgeschwindigkeit in m/s. Die obere Kurve stellt eine Ausgleichskurve für die mit Kreuzen eingetragenen Drehzahlwerte der erfindungsgemäßen Windturbine dar. Die Messwerte für die herkömmliche Savonius-Windturbine sind mit Kreisen eingetragen. Die untere Kurve stellt eine Ausgleichskurve dar.
Deutlich erkennbar ist, dass in einem Bereich der Windgeschwindigkeit von etwa 0,7 bis 1,8 m/s eine herkömmliche Savonius-Turbine stillsteht, aber die erfindungsgemäße Windturbine mit Drehzahlen von 50 bis 150 Umdrehungen pro Minute rotiert. Im Windgeschwindigkeitsbereich von etwa 1,7 bis 2,7 rotiert die erfindungsgemäße Windturbine mit etwa der 2- bis 15-fachen Drehzahl wie die herkömmliche Savonius-Turbine.
Ein Messprotokoll des Verhaltens der erfindungsgemäßen Windturbine und einer herkömmlichen Savonius-Windturbine, die beide den gleichen Windverhältnissen ausgesetzt waren, ist in den 3 bis 5 graphisch dargestellt. Die obere Kurve 110 gibt den jeweiligen Anströmwinkel des Windes im Bereich von +80° bis –80° wieder. Die Kurve 111 zeigt die Windgeschwindigkeit, in diesem Diagramm in einem Bereich von 0 bis 6,5 m/s. Die Kurve 112 zeigt die Umdrehungszahl der erfindungsgemäßen Windturbine in einem Bereich von 0 bis 500 Umdrehungen pro Minute. Die Kurve 113 zeigt die entsprechenden Drehzahlen für eine herkömmliche Savonius-Windturbine. Da die Savonius-Windturbine bei diesen Windgeschwindigkeiten häufig stillstand, bewegt sich die Kurve 113 immer nahe oder sogar auf der Nulllinie.
Als Stand der Technik wird in 6 eine schematische Darstellung eines Savonius-Windrades wiedergegeben. Hier sind die Strömungsrichtung der Luft sowie die Rotationsrichtung dargestellt.
7 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%.
8 zeigt die konstruktiven Details in einer Ansicht von der Seite entsprechend A-A in 9. 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 8 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.
9 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 (11). Wind 28 bis 6 m/s blies gegen die Anlage. Das Verhältnis von der Umfangsgeschwindigkeit der Turbine zum Wind war 3:1. In 11 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 11 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, halt 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 11 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 12 bis 14 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: 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 15 und 16 zeigen die graphische Darstellung mit entsprechend interpolierten Linien.

15: DM-DZ-Kennlinien, Interpolation mit mittleren PowerCoeffizient (PC) 35%

Drehmoment [NM] vs. Drehzahl [U/min]; Parameter Windgeschwindigkeit [m/s]

Es bedeuten
♦ 2 m/s Messung

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

16: 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

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.
Die 17 bis 26 zeigen eine weiter verbesserte erfindungsgemäße Windkraftanlage in verschiedenen perspektivischen Ansichten.
Bezugszeichenliste

1: Radialturbine
2: Radialturbine
3: Leitfläche
4: 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
110: obere Kurve
111: Kurve
112: Kurve
113: Kurve

Claims

Turbinensystem für Wind- und Wasserkraft mit mindestens einer Radialturbine mit einer vertikalen Rotationsachse und mit mindestens einer Leitfläche, wobei die Radialturbine einen um eine Achse drehbaren Rotor aufweist, welcher einen oder mehrere Turbinenflügel umfasst, wobei die Turbinenflügel parallel zum Rotor ausgerichtet sind, wobei die Turbinenflügel innerhalb einer konzentrisch um die Achse angeordneten Zylinderschale mit einem äußeren Radius R1 und einem inneren Radius R2 angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Radius R2 = f1 × R1 mit f1 = 0,28 bis 0,32 beträgt, • dass jeder Turbinenflügel einen ersten vom inneren Radius R2 bis zum äußeren Radius R1 sich erstreckenden, zur Achse hin gekrümmten Bereich mit einem Krümmungsradius R3 = f2 × R1 mit f2 = 1,2 bis 1,4 und • einen, sich außen an den ersten Bereich anschließenden zweiten Bereich umfasst, der auf der Außenseite der Zylinderschale liegt und eine Krümmung zur Achse hin aufweist, wobei die Krümmung zur gleichen Seite wie die Krümmung des ersten Bereichs zeigt, wobei der Krümmungsradius R4 des zweiten Bereichs R4 = f3 × R1 mit f3 > 0,7 beträgt, • dass der zweite Bereich eine Breite B2 = f8 × R1 mit f8 = 0,11 bis 0,16 hat, und • 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 die Leitflächen (3, 4) außerhalb der Verbindungslinie der Turbinenachsen und beide auf der gleichen Seite der Verbindungslinie liegen.
Turbinensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, • dass außerhalb der Zylinderschale eine parallel zum Rotor ausgerichtete Leitfläche angeordnet ist, welche eine Breite B3 = f₉ × R1 mit f₉ = 0,7 bis 1,0 hat, • wobei die der Turbinenachse zugewandte Kante (P3) der Leitfläche einen Abstand A2 A2 = f₆ × R1 mit f₆ = 0,25 bis 0,30, zu einer ersten Längsschnittebene durch die Turbinenachse • und einen Abstand A1 A1 = f₅ × R1 mit f₅ = 1,04 bis 1,10, zu einer zweiten Längsschnittebene durch die Turbinenachse hat, wobei die zweite Längsschnittebene senkrecht auf der ersten Längsschnittebene steht, • und dass die Leitfläche einen Anstellwinkel α = 40° bis 60° bezüglich der ersten Längsschnittebene hat.
Turbinensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtbreite B1 des Turbinenflügels B1 = f₇ × R1 mit f₇ = 0,9 bis 1,0 beträgt.
Turbinensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Knickkante zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich des Turbinenflügels einen Krümmungsradius R5 = f₄ × R1 mit f₄ = 0,02 bis 0,08 hat.
Turbinensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenachse als Welle mit einem Durchmesser D1 = f₁₀ × R1 mit f₁₀ = 0,09 bis 0,13 ausgebildet ist.
Turbinensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass drei Rotorblätter vorgesehen sind, die gleichmäßig um die Achse verteilt angeordnet sind.
Turbinensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Turbinen in gegenläufiger Richtung rotieren.
Turbinensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ringgenerator zur Stromerzeugung vorgesehen ist.
Turbinensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wind- und Wasserkraftanlage an einem Mast (5) befestigt ist.
Turbinensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere dieser Wind- und Wasserkraftanlagen an einem Mast übereinander und/oder nebeneinander montiert sind.
Turbinensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wind- und Wasserkraftanlage selbstständig ohne motorgetriebene Nachführeinrichtung in die optimale Luft- oder Wasser-Strömungsrichtung dreht.
Turbinensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mastes und/oder die Leitfläche als Werbefläche oder Werbeträger ausgebildet ist.