DE202015004469U1 - Device for obtaining flow energy by means of a rotor with wing arrangement in analogy to the sailing ship theory by means of membranes - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Gewinnung von Energie aus Strömungen, nachfolgend genannt „Segelwindrad”, dadurch gekennzeichnet, daß dieses aus einem oder mehreren Flügeln (F) besteht, die selbst aus Segeln bzw. Membranen (S1, S2, S3) gebildet werden, und indem diese zu 2, 3, 4 oder mehreren Flügeln einen Windrotor (Ro) bilden, (1, 3), der über eine horizontale oder vertikale Achse (1) (1a) Rotation erzeugt und so Bewegungsenergie nutzbar abgibt, wobei die Segel (S1, 2) als Fläche mit unterschiedlicher Form konstruiert werden können, ihr Querschnitt jedoch, passend aerodynamisch ausgeformt ist zum „Scheinbaren Wind” am Segel der sich aus Fahrtwind durch Rotation und durch normal angreifenden Wind (W) zusammensetzt, sodass das Windrad bei zunehmender Rotationsgeschwindigkeit auch eine ansteigende Resultierende (R1, R2, R3) des „Scheinbaren Windes” (WS) aufnimmt, die die Geschwindigkeit des angreifenden Windes (W) übersteigen kann und solange ansteigt, bis der Luftwiderstand durch Rotation gleich groß ist, und so eine weitere Beschleunigung verhindert, – dies alles beruhend auf einer Anwendung der bekannten Segelschiffstheorie und ihrer resultierenden Segelstellungen, in Abhängigkeit der möglichen unterschiedlichen möglichen Anströmwinkel auf die vorliegende Konstruktion.Device for recovering energy from currents, hereinafter referred to as "sailing wind wheel", characterized in that it consists of one or more wings (F), which themselves are formed from sails or membranes (S1, S2, S3), and by adding them 2, 3, 4 or more wings form a wind rotor (Ro), (1, 3) which generates rotation over a horizontal or vertical axis (1) (1a) and thus utilizes kinetic energy, the sails (S1, 2) can be constructed as a surface of different shape, but their cross-section, suitably aerodynamically shaped to the "Apparent Wind" on the sail composed of wind by rotation and by normally attacking wind (W), so that the windmill with increasing rotational speed and an increasing resultant (R1, R2, R3) of the "apparent wind" (WS), which can exceed the speed of the attacking wind (W) and increase until the air resistance through R otation is the same size, and thus prevents further acceleration, all based on an application of the known sailing ship theory and its resulting sail positions, depending on the possible different possible angle of attack on the present design.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung von Windenergie, bzw. die hier die zu schaffende Möglichkeit einer neuen Form von Windenergieerzeugungsanlage auf Basis einer neuen Segeltechnologie. Diese hat zwar eine lange Tradition wird aber in der modernen Technik bislang kaum angewendet. Der Stand der Technik hierzu ist bis dato, bzw. der patentrechtliche Situation, –:
Windräder bzw. Strömungsgeneratoren haben erste Wurzeln schon im Altertum ab ca. 1700 v. Christus. Windkraft wurde früher zum Mahlen von Getreide oder zur Gewinnung von mechanischer, später elektrischer Energie genutzt. Historische Segelwindräder wurden schon im der Geschichte z. B. im Orient, in Griechenland und auch Holland als Bespannung bzw. Textilflächen genutzt. Moderne Versionen fehlen bislang aufgrund ungelöster Regelungsprobleme welche im Schiffsbau so nicht bestehen. Die Leistungsregelung großer Anlagen üblicher Bauart erfolgt z. B. durch Drehung der Flügel parallel zum Wind (Pitching) um die bei Windnutzung sehr großen Horizontalkräfte zu beherrschen. Bis zur aktuellen Entwicklung gibt es nur Windräder, bei denen die Rotorblätter sehr stabil bzw. plastisch sind. Die angemeldeten Patente wie „Energiegewinnungsanlage”
Wind turbines or flow generators have their first roots in ancient times from about 1700 BC. Christ. Wind power was formerly used for grinding grain or for obtaining mechanical, later electrical energy. Historic sailing windmills have been in history for. B. used in the Orient, Greece and Holland as covering or textile surfaces. Modern versions are missing so far because of unresolved control problems which do not exist in shipbuilding. The power control of large systems of conventional design is z. B. by rotation of the wings parallel to the wind (pitching) to control the very large horizontal forces when wind is used. Until the current development, there are only wind turbines, in which the rotor blades are very stable or plastic. The pending patents such as "power generation plant"
Idee hierbei ist es nun, flexible gitternetzartige Membranen für eine neue Art von Vertikal-Achs-Windturbinen (”Segelwindräder”) zu nutzen, – mit dem Effekt, dass diese Systeme nahezu unsichtbar und ökologieverträglich gestaltet werden können.The idea here is to use flexible grid-like membranes for a new type of vertical-axis wind turbine ("sailing wind") - with the effect that these systems can be made almost invisible and ecology-friendly.
Gleichzeitig bietet die Technologie die Möglichkeit die Form einer Windkraftanlage so zu gestalten, dass diese ein naturintegratives Design und Erscheinungsbild erhält. Dieses kann sowohl farblich, als auch von der Formgebung her wie ein Baum gestaltet werden. (Kontur)At the same time, the technology offers the possibility of designing the shape of a wind turbine so that it has a nature-integrated design and appearance. This can be designed both in terms of color, as well as the shape of a tree. (Contour)
Diese neuen ”Segelwindräder” bieten die Vorteile des geringeren Eigengewichtes, geringerer Kosten je Qm und dadurch geringerer Anlaufwiderstände, so dass so auch Schwachwindstandorte genutzt werden können, an denen der Einsatz der Windkraft zur Energiegewinnung bislang nicht wirtschaftlich ist. Die Entwicklung eines Segelwindrades bei dem die starren Rotoren durch flexible Segel ersetzt werden, würde durch das geringere Gewicht auch die Möglichkeit bieten größere Anlagen zu bauen.These new "sailing windmills" offer the advantages of lower dead weight, lower costs per square meter and thus lower starting resistances, so that even low-wind locations can be used where the use of wind power to generate energy is not yet economical. The development of a sailing wind turbine in which the rigid rotors are replaced by flexible sails, would also offer the opportunity to build larger facilities due to the lower weight.
Das eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten und Absatzgebiete, in denen die heutigen am Markt erhältlichen Systeme nur eine sehr geringe Akzeptanz aufweisen, z. B. im Verwerten sogenannter ”schlechter Standorte”. Je geringer der Jahreswindertrag am Standort desto größer ist dann eben die dort notwendige Segelfläche.This opens up new applications and sales areas in which today's systems available on the market have only a very low acceptance, z. B. in the utilization of so-called "bad locations". The lower the annual wind yield at the site, the greater the necessary sail area.
Die Idee ist es, diese Systeme selbst in Schutzgebieten, Naturreservaten oder Tourismusgebieten einsetzen zu können, wo heute die Windkraft weitgehend abgelehnt wird. Auch eine Doppelnutzung mit landwirtschaftlichen Flächen unterhalb der Baumgrenze erscheint so möglich.The idea is to be able to use these systems even in protected areas, nature reserves or tourism areas, where today wind power is largely rejected. Even a double use of agricultural land below the tree line seems so possible.
Darüber hinaus ist diese neue Form von ”Segelwindrädern” nahezu beliebig skalierbar, – wird im Vorhaben jedoch begrenzt auf zunächst Leistungsbereiche von 2–10 KW..In addition, this new form of "sailing wind turbines" is almost arbitrarily scalable, but is limited in the project to initially power ranges of 2-10 KW.
Die Skalierbarkeit bedeutet auch, dass die gesamte sich um sich selbst drehende Windkraftkonstruktion, sogar frei schwimmend „Offshore” arbeiten kann, und dabei der Widerstand des Wassers in Energie umgewandelt wird, bzw. gespeichert wird.Scalability also means that the entire self-propelled wind power design, even floating "offshore" can work, and thereby the resistance of the water is converted into energy, or is stored.
Für herkömmliche Windräder gilt, dass diese sofern sie als Vertikalrotoren gebaut werden nicht die Effizienz von Horizontalläufern erreichen, bzw. bislang unwirtschaftlich sind. Dieses liegt nicht nur am hohen Konstruktionsaufwand sondern auch daran, dass diese Widerstandläufer stets zu 50% „kontraproduktiv gegen den Wind” drehen bzw. als Druck/'Sogläufer z. B. als „Savoniusrotor” zwar eine höhere Ausbeute haben dann jedoch nicht genug Flügelfläche im Wand darstellen. Somit steht bislang keine „effektiv funktionierende und gleichzeitig einfache Konstruktion” zur Verfügung um mit großer Arbeitsfläche, bei wenig Eigenkonstruktion und Gewicht, sowohl den Luftwiderstand also auch das Tragflächenprinzip (Druck und Sog) gleichzeitig zu nutzen. Bei Anwendungen in Clusteranordnung (Mikrowindparks) kann gemäss veröffentlichter Untersuchungen Stanford die Leistung noch einmal deutlich erhöht werden.For conventional wind turbines, these wind turbines, if built as vertical rotors, do not reach the efficiency of horizontal runners, or are currently uneconomical. This is not only due to the high design effort but also because these resistance runners always turn 50% "counterproductive to the wind" or as pressure / 'Sogläufer z. B. as "Savoniusrotor" Although a higher yield but then do not have enough wing area in the wall. So far there is no "effectively functioning and at the same time simple construction" available to use with large work surface, with little self-construction and weight, both the air resistance and the wing principle (pressure and suction) simultaneously. For applications in cluster arrangement (micro-parks) can be increased significantly according to published studies Stanford performance again.
Es sind zwar diverse Konstruktionen bekannt, die sich eben schon dieses Ziel gesetzt haben, die aber allesamt, nur bestenfalls 30% der Leistung von heutigen Horizontalläufern erreichen. Darstellung führender Konkurrenzprodukte/-verfahren sowie internationaler Stand der Technik Zum Stand der Technik bei Windkraftanlagen wurde eine Umfangreiche Recherche durchgeführt. Es soll hier nur eine Zusammenfassung zu dieser Recherche gegeben werden. Aus dem erstellten Stand der Technik der Windkrafterzeugung geht hervor, dass gerade Windkraftanlagen (WKA) mit vertikaler Achse nur in kleinen Leistungsbereichen bis 30 kW zum Einsatz kommen (Pcon, Eightwind, Helix...). Die Rotorblätter werden meist aus Leichtmetallen oder Kunstoffen hergestellt. Die statischen Probleme und hohen Kräften bei größeren Rotorflächen, die für größere Leistungen benötigt werden, begrenzen die Konstruktionen von größeren Anlagen. Der kleine Leistungsfaktor der Vertikalrotoren, trägt ebenso dazu bei das keine größeren Anlagen realisiert werden. Forschungsvorhaben auf dem Gebiet der vertikalen Windturbine in der mittleren Leistungsklasse bis 1 MW sind nicht bekannt. Although there are various constructions known that have just set this goal, but all reach, at best, 30% of the performance of today's horizontal runners. Presentation of leading competing products / processes and international state of the art Extensive research was carried out on the state of the art of wind turbines. Only a summary of this research should be given here. From the state-of-the-art technology of wind power generation, it can be seen that wind turbines with a vertical axis are only used in small power ranges up to 30 kW (Pcon, Eightwind, Helix ...). The rotor blades are usually made of light metals or plastics. The static problems and high forces on larger rotor surfaces required for greater performance limit the designs of larger systems. The small power factor of the vertical rotors also contributes to the fact that no larger systems are realized. Research projects in the field of vertical wind turbines in the medium power class up to 1 MW are not known.
Grundlagenforschung findet verstärkt im Bereich der Drachen und Schwebekraftwerke statt. Die Anlagen haben aber Großkraftwerkcharakter und zielen auf andere Nutzungen und Leistungsbereiche ab als eine Vertikalachswindturbine. Marktreife Produkte sind in naher Zukunft nicht zu erwarten.Basic research is increasingly taking place in the field of kites and floating power plants. But the plants have large-scale power plant character and aim at other uses and performance areas than a vertical axis wind turbine. Marketable products are not expected in the near future.
Der mittlere Leistungsbereich, bei der die kommerzielle Stromerzeugung beginnt (50 kW bis 1 MW) wird durch vertikalen WKA mit all Ihren Vorteilen bspw.:
- – Windrichtungsunabhängige Stromerzeugung
- – Stromerzeugung auch bei kleinen Windgeschwindigkeiten
- – Ausnutzung Bodennaher verwirbelter Winde
- – Ausnutzung von Wirbelwinden im urbanen Bereich
- – konstruktionsbedingte Sturmfestigkeit (Rotor kann nicht durchgehen)
- – geräusch- und schattenarmer Betrieb
- – kostengünstigere Wartung
- - Wind direction independent power generation
- - Electricity generation even at low wind speeds
- - Utilization of near-bottom swirling winds
- - Utilization of whirlwinds in the urban area
- - design-related resistance to storms (rotor can not pass)
- - low-noise and low-shadow operation
- - more cost-effective maintenance
Hier treten die konventionellen WKA mit horizontaler Nabe auf. Allerdings benötigen sie eine erhebliche Turmhöhe und Rotordurchmesserfläche mit allen bekannten Problemen die bei solchen Anlagen auftreten:
- – Schattenwurf und Geräuschbelästigung,
- – Abwertung des landschaftlichen Gesamtbildes
- – richtungsabhängige Windnutzung,
- – Abschaltung bei hohen Windgeschwindigkeiten
- - shadow and noise pollution,
- - Devaluation of the landscape
- - directional wind use,
- - Shutdown at high wind speeds
Aus der Analyse geht hervor, daß gerade im oben genannten Leistungsbereich von 50 kW bis 500 kW erhebliches innovatives wie ökonomisches Potential im Bereich der Vertikalwindturbinen liegt.The analysis shows that it is precisely in the abovementioned power range from 50 kW to 500 kW that there is considerable innovative and economic potential in the field of vertical wind turbines.
Während die gebauten konventionellen WKA durch Repowering an den bekannten Standorten immer leistungsstärker werden, und dadurch der Bereich bis 1 MW immer unattraktiver für konventionelle kleine Anlagen mit horizontaler Nabe werden, könnte eine WKA mit Vertikalachse auch neue noch ungenutzte Standorte abdecken, weil solch eine Turbine eine völlig andere Wirkung in der Landschaft hat. Die Entwicklung eines Segelwindrades bei der die starren Rotoren von konventionellen Vertikalwindrädern durch flexible Segel ersetzt werden, würde die Möglichkeit bieten in den Leistungsbereich von mehreren 100 kW vorzudringen und so einen neuen Absatzmarkt für die Vertikalwindräder zu erschließen. Die Anwendung ginge weg von kleinen Inselsystemen für Eigenheimbesitzer, hin zu kostengünstiger Ökostromproduktion in Kleinkraftwerken.While the built conventional wind turbines are becoming more and more powerful due to repowering at the known locations, which makes the range up to 1 MW less and less attractive for conventional small systems with horizontal hubs, a vertical axis wind turbine could also cover new still unused locations, because such a turbine would be a has completely different effects in the landscape. The development of a sailing wind turbine, where the rigid rotors of conventional vertical wind turbines are replaced by flexible sails, would offer the opportunity to penetrate the power range of several 100 kW and thus open up a new market for vertical wind turbines. The application would move away from small island systems for homeowners to cost-effective green electricity production in small power plants.
Folgende Vorteile würden, neben den oben für Vertikalwindturbinen genannten, mit dem neuen Segelwindrad erreicht:
- – Durch Verwendung von innovativen Membranen als Segel kann das Gewicht der Konstruktion reduziert werden, sowie der Preis günstiger ausfallen
- – Montage und Fertigungsaufwand werden reduziert, bzw. erfolgt kundenseitig
- – Transport zum Aufstellungsort wird hierdurch erleichtert, keine langen Rotorblätter wie bei konventionellen WKA Die radialen Belastungen insbesondere durch die Fliehkräfte am Außenberich der Segel verrringern sich durch die geringere Masse der Rotoren, dadurch sind höhere Drehzahlen möglich.
- – Die flexible Membran kann zu Wartungszwecken herabgelassen bzw die meisten Teile können als Halbzeuge. ausgewechselt werden, was den Wartungsaufwand gegenüber konventionellen Analgen erheblich verringert.
- – Das größte Gewicht, nämlich Generator und Getriebe, befindet sich am Fuß der Turbine; hierdurch wird durch die Anwendung einfacher Serien-Lichtmaschinen mit Planetengetriebe erheblich an Kosten gespart
- - By using innovative membranes as sails, the weight of the construction can be reduced and the price can be lower
- - Assembly and production costs are reduced or carried out by the customer
- - Transport to the site is thereby facilitated, no long rotor blades as in conventional wind turbines The radial loads in particular by the centrifugal forces on the outer side of the sail are reduced by the lower mass of the rotors, thereby higher speeds are possible.
- - The flexible membrane can be lowered for maintenance purposes or most parts can be semi-finished. be replaced, which significantly reduces the maintenance compared to conventional systems.
- - The largest weight, namely generator and gear, located at the bottom of the turbine; As a result, the use of simple series alternators with planetary gear saves considerable costs
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mittels eines Segelwindrades dieses Problem so zu lösen, indem gemäss der in
Die Lösung ist dabei, – die Segelschiffstheorie auf die Windradtheorie zu übertragen und dabei die Segeltechnik, – die als Schiff aktiv angetrieben durch Wind sogar auf 360° in jede Richtung aktiv angetrieben segeln zu können, also auch direkt GEGEN den Wind, – nun auf die Flügel eines Segelwindrades überträgt. Dabei sind auch die neuesten Erkenntnisse von Konstruktionen eingeflossen, die in jährlichen internationalen Wettbewerben „mit Wind exakt gegen den Wind fahren”, wobei hier scheinbar Overunity-Effekte wirken, die sich in so einem System durch den antriebserhöhenden Faktor des Fahrtwindes ergeben der nicht nur erzeugt sondern auch genutzt wird indem er nicht bremst sondern im Gegenteil mit antreibt. Ein reguliertes, weiches, nachgebendes System reduziert hierbei den statischen Aufwand. Das Hauptproblem der bei einem Segelwindrad entstehenden starken Horizontalkräfte wird zusätzlich durch eine statische Lagerung wie in
Die Regulierung des Systems geschieht durch mechanische Selbstregulierung, indem die Segel einerseits flexibel nachgeben können, andererseits jedoch die Stoffe selbst als Membran die Eigenschaft aufweisen, bei zunehmendem Winddruck bzw. Windgeschwindigkeit zunehmend auch Wind hindurchströmen zu lassen, ohne dabei die eigentlichen Arbeitsresultierenden zu schwächen.The regulation of the system is done by mechanical self-regulation, in that the sails on the one hand give way flexible, on the other hand, however, the substances themselves as a membrane have the property to let increasingly wind flow through wind pressure or wind speed, without weakening the actual work resulting.
Die Nutzung der Membrantechnologie kann darüber hinaus Wege eröffnen, um beispielsweise technische Funktionstextilien zu nutzen, die dann als Werbeträger dienen oder aber weiter in die Zukunft gedacht, weitere Schlüsseltechnologien zu integrieren – wie z. B. Solarfolien zu nutzen, elektroreaktive Fasern etc. um hier Wind- und Solarenergie integrativ zu nutzen.The use of membrane technology can also open up ways to use, for example, technical functional textiles, which then serve as an advertising medium or thought further into the future to integrate other key technologies - such. For example, to use solar films, electroreactive fibers, etc. to use here integrating wind and solar energy.
Zur zukünftigen Nutzung von Windenergie-For the future use of wind energy
Die Konstruktion ist nach oben skalierbar, die Berechnungen zeigen, dass scheinbar eine nur 120 m hohe Anlage in Vergleich zur gleich hohen 1,5 MW Anlage konventioneller Bauart aufgrund der sehr großen Flächen und des hohen Drehmomentes bis zu 60 mal mehr Energie bei gleicher Höhe liefern und dann bis zu 100 MW je Konstruktion leicht erreichen können. Die Vorab-Kostenberechnungen zeigen, dass man heute für Windenergie überschlägig ca. 1 Mio. € pro MW investiert, (Offshore ca. 1,3 Mio €) und bei Solarfarmen für Elektrizität aus Sonne im Vergleich 1,5 Mio. € je MW. Membran-Windkraft-Anlagen werden mindestens 50% niedriger in den Kosten liegen, da bei größerer Fläche weniger Material verbraucht wird und Standorte, die nur für uns infrage kommen mit schwächerem Wind genutzt werden können, wobei allein die Rotorkosten nun auf 30% massiver Rotoren sinken. Geringeres Eigengewicht ergibt frühere Anlaufmöglichkeit. Unsere neuen Transversal-Ringgeneratoren wirken hierbei kraft -mindernd, aufgrund Ihrer Geometrie wie ein Getriebe, das man so nicht mehr benötigt. Alle schweren oder bewegten Teile befinden sich statisch und bedienungsfreundlich am Boden, alle anderen Teile können größtenteils auf vorhandener Segelschiffstechnologie basieren und sind somit erprobt und wartungsfreundlich sowie klimaresistent.The design is scalable to the top, the calculations show that seemingly a only 120 m high system in comparison to the same high 1.5 MW turbine of conventional design due to the very large areas and high torque up to 60 times more energy at the same height and then easily reach up to 100 MW per construction. The preliminary cost calculations show that wind energy costs roughly € 1 million per MW, offshore about € 1.3 million, and solar farms for electricity from the sun € 1.5 million per MW. Membrane wind turbines will be at least 50% cheaper in terms of cost, as larger area will consume less material and will be able to use low wind locations only for us, with rotor costs now dropping to 30% of solid rotors , Lower dead weight gives earlier start-up opportunity. Our new transversal ring generators reduce the force due to their geometry like a gear that you no longer need. All heavy or moving parts are static and easy to use on the ground, all other parts can be based largely on existing sailing ship technology and are thus tested and easy to maintain and climate-resistant.
Das Design der Membranen erlaubt eine Windkraftregulierung durch das Material bzw. die Konstruktion selbst, diese ist in Transparenz, Form und Farbe in einer Art „Mimikri” an den jeweilige Umgebung anzupassen und somit unweltverträglich und weitgehend unsichtbar zu realisieren. Hierdurch werden auch Kontraste und Blendungen vermindert.The design of the membranes allows wind regulation through the material or the construction itself, this is in transparency, shape and color in a kind of "Mimikri" to adapt to the respective environment and thus environmentally friendly and largely invisible to realize. This also reduces contrasts and glare.
Durch niedrige Bewegungsgeschwindigkeiten im Rigg und die Weichheit der Materialien werden Geräusche reduziert, der weiche Aufbau ist für Vögel vollkommen ungefährlich. In geeigneten Situationen kann die Membran als Basis für Aufdruck Information und Werbung verwendet, bei entsprechendem Licht und Oberflächendesign, eine spätere Kombination mit Strom – erzeugenden Oberflächen ist denkbar die dann durch den „Fahrtwind” einer ständigen Kühlung unterliegen. Low movement speeds in the rig and the softness of the materials reduce noise, and the soft structure is completely safe for birds. In appropriate situations, the membrane can be used as a base for printing information and advertising, with appropriate light and surface design, a later combination with power - generating surfaces is conceivable then subject by the "wind" of constant cooling.
Neben einer späteren generellen Skalierbarkeit bis 10 KW (100 MW) und mehr soll auch die Möglichkeit einer „schwimmfähigen Variante” untersucht werden, die dann bei Rotation um die eigene Achse diese Drehung durch Widerstand im Wasser bremst, – der in Form von Fliesskraft Generatoren aus der Wasserkraftechnologie direkt in Strom bzw. speicherbarem Wasserstoff bzw. einfache Pressluft umgewandelt werden. Dabei kann die Anlage gleichzeitig auch unter Wasser Strömungsenergie nutzen.In addition to a later general scalability up to 10 KW (100 MW) and more, the possibility of a "buoyant variant" should be investigated, which then slows down this rotation by resistance in the water when rotating around its own axis, - in the form of flow force generators Hydropower technology can be converted directly into electricity or storable hydrogen or simple compressed air. At the same time, the system can also use flow energy under water.
Zur weiteren UmsetzungFor further implementation
- 1. Eine 2–10 KW Anlage, Höhe bis zu 10 m, Segelfläche ca. 60 qm1. A 2-10 KW plant, height up to 10 m, sail area about 60 sqm
- 2. Eine 150–250 KW Anlage, Höhe ca. 25 m, Segelfläche ca. 375 qm2. A 150-250 KW plant, height about 25 m, sail area about 375 sqm
Diese Anlagen sind in den beigefügten Zeichnungen aufgezeigt.These systems are shown in the accompanying drawings.
Beide Anlagen sollen mit einem Standardgenerator am Lager konzipiert werden, wobei ausgegangen wird von einer Rotationsgeschwindigkeit von 60 bis 100 U/min bei 2.) und ca 100 bis 200 U/min. Die Kraftentnahme durch den Generator bremst dann o. g. Leerlaufgeschwindigkeiten entsprechend ab bzw. verhindert eine weitere Steigerung.Both systems are to be designed with a standard generator in stock, assuming a rotational speed of 60 to 100 rpm at 2) and about 100 to 200 rpm. The power extraction by the generator then brakes o. G. Idling speeds accordingly from or prevents further increase.
Die beigefügten Tabellen ergeben für unsere Anlagen folgendes Bild:
- Hier Bemessung 10 KW gleich 25% der maximalen Elektrischen Leistung
- Hier Bemessung 100 KW gleich der 25% maximalen elektrischen Leistung
- Here design 10 KW equals 25% of the maximum electric power
- Here design 100 KW equal to the 25% maximum electric power
Zur eigentlichen Funktionsweise des SegelwindradesThe actual functioning of the sailing wind turbine
Funktionsweise des SegelwindradesOperation of the sailing wind turbine
Fig. 1Fig. 1
Prinzipprinciple
Betrieb des Segelwindrades, Grundgeometrie und Anordnung Durch die angestrebte selbstregulierende Segelmembran und die geringeren Betriebsdrehzahlen (Langsamläufer) des Segelwindrades, wird erwartet dass die Anlage auch bei hohen Windgeschwindigkeiten Strom Produzieren kann. Der schlechtere Leistungsfaktor des Segelwindrades gegen über konventioneller WKA wird durch diese besondere Betriebsweise, teilweise auch wieder aufgehoben. Gerade im Bereich der turbulenten Strömungen am Boden und in urbanen Bereichen wo die Windgeschwindigkeiten stark streuen, hat das Segelwindrad dadurch Vorteile Gegenüber Konventioneller WKA.Operation of the sailing wind turbine, basic geometry and arrangement Due to the desired self-regulating sail diaphragm and the lower operating speeds (slow speed) of the sailing wind turbine, it is expected that the system can produce electricity even at high wind speeds. The poorer power factor of the sailing wind turbine compared to conventional wind turbines is partially offset by this special mode of operation. Particularly in the area of turbulent currents on the ground and in urban areas where the wind speeds are very high, the sailing wind turbine has advantages over conventional wind turbines.
Fig. 2Fig. 2
SystemgrundtypenSystem basic types
Konstruktionsarten und BeispieleConstruction types and examples
Die Resultierenden Kräfte (R1, R2, R3) ergeben sich aus den Überlagerungen der drei Effekte.The resultant forces (R1, R2, R3) result from the superpositions of the three effects.
Die geometrische Anordnung der Segel (
Fig. 3: Funktionsweise SegelwindradFig. 3: Operation sailboat
Der dreiflügelige (S1, S2, S3) Vertikalrotor des Segelwindrades stellt eine Kombination aus Widerstandsläufer und Auftriebsläufer bzw. eine neuartiges Prinzip neben Darreius- oder Savoniusrotor dar.The three-winged (S1, S2, S3) vertical rotor of the sailing wind turbine is a combination of resistance runner and lift rotor or a novel principle next to Darreius or Savoniusrotor.
Die blauen Pfeile stellen den Wind (W) dar, der im Achsbereich in eine Art Rotation (R1, R2; R3) versetzt wird und zweimal aus seiner Richtung abgelenkt wird, (
Bei den vom Wind sich fortdrehenden Segeln, entstehen durch den Staudruck des Windes und den flexiblen Membransegel entsprechende „Flügelformen” (S1, S2). Stehen die Segel während des Umlaufes schräg im Wind (S1, S2) ergibt sich ein „Auftriebseffekt”, der ebenfalls eine Kraftkomponente in Drehrichtung erzeugt (Auftriebsprinzip).With the sails turning away from the wind, the back pressure of the wind and the flexible membrane sails create corresponding "wing shapes" (S1, S2). If the sails are inclined in the wind during the orbit (S1, S2), a "buoyancy effect" results, which likewise generates a force component in the direction of rotation (buoyancy principle).
Bei rechtwinkelig auftreffender Luft (L) lässt die gitterförmige Stoffstruktur (St) dem Wind zunehmend passieren. Dadurch reduziert sich der Windwiderstand des Segels (S3), das sich gegen den Wind dreht.If air (L) hits at right angles, the grid-shaped fabric structure (St) allows the wind to pass increasingly. This reduces the wind resistance of the sail (S3), which turns against the wind.
Fig. 4Fig. 4
Leistung des SegelwindradesPerformance of the sailing wind turbine
Die Leistung (P) einer Windenergieanlage (WEA) wird durch folgende Formel beschrieben:
ρ – Dichte der Luft; ν – Strömungsgeschwindigkeit;
und A – überstrichene Fläche des WindradesThe power (P) of a wind turbine (WEA) is described by the following formula:
ρ - density of air; ν - flow velocity;
and A - swept area of the windmill
Der Leistungsbeiwert cp kann bei einer idealen Windkraftanlage maximal 16/27 („Betz-Faktor”) werden1. Die maximale Leistung die dem Wind entzogen werden kann ist also:
Für Vertikalachsläufer kann ein Leistungsbeiwert von 0,2 (Widerstandläufer: Savonius) bis 0,4 Auftriebsläufer: Darreus) angenommenFor vertical axis runners, a power coefficient of 0.2 (drag rotor: Savonius) to 0.4 lift rotor: Darreus) is assumed
Je überstrichene Fläche berechnet sich bei dem Segelwindrad, wie bei allen Windkraftanlagen über die dem Wind entgegengestellte Fläche. Für die, im einfachsten Fall, rechteckförmigen Membransegel des Segelwindrades, berechnet sich die Fläche mit folgender Formel:
H – die Höhe eines SegelsEach swept area is calculated at the sail wind, as in all wind turbines on the opposite surface of the wind. For the, in the simplest case, rectangular membrane sail of the sailing wind turbine, the area is calculated with the following formula:
H - the height of a sail
Die Leistung des Segelwindrades berechnet sich dann mit:
Wird die Leistung des Segelwindrades auf die Fläche bezogen ergibt sich die Quadratmeterleistung P in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit (siehe folgende Abbildung). Die Höhe der Gesamtenergie wird durch die Anzahl der gewählten Module gewährleistet.If the power of the sailing wind turbine is related to the area, the power per square meter P will depend on the wind speed (see following figure). The amount of total energy is guaranteed by the number of modules selected.
Durch die besondere Form des Segelwindrades arbeitet die neue Windkraftanlage sowohl als Widerstandsläufer als auch als Auftriebsläufer (siehe Kap. 0). Erste Messungen an einem Versuchsträger haben gezeigt das ein Leistungsbeiwert cp des Segelwindrades von 0,3 und höher möglich ist.Due to the special shape of the sail wind turbine, the new wind turbine works both as a resistance runner and as a lift runner (see chapter 0). Initial measurements on a test vehicle have shown that a power coefficient c p of the sailing wind wheel of 0.3 and higher is possible.
Fig. 5: Membransegel im Wind Fig. 5: Membrane sail in the wind
Ein zweiter Faktor ist die sich einstellende Segelwölbung, die den vorgenannten Winkel so verändert, dass die Kräfte innerhalb des Segels aufgrund seiner Form unterschiedlich wirken. Hier realisiert durch die Modulunterschiede.A second factor is the resulting camber, which changes the aforementioned angle so that the forces within the sail act differently due to its shape. Here realized by the module differences.
Fig. 6: gewölbte Membran im WindFig. 6: arched membrane in the wind
Ein dritter Faktor ist die sich einstellende Dehnung durch eingebaute Stretchreaktionen je nach Art der Wölbung ist sie sinnvoll und gewünscht, wobei ein Stretchen eine Vergrößerung der Netzöffnungen aber auch eine stärkere Wölbung des Segels verursacht.A third factor is the resulting stretching due to built-in stretch reactions depending on the nature of the buckle, it is useful and desirable, with a stretch causes an enlargement of the mesh openings but also a stronger curvature of the sail.
Diese Drei Faktoren der zunehmenden Durchlässigkeit der Membran für wirkende Horizontalkräfte stellt eine Regulierung im Sinne der jeweiligen Windstärke dar und ersetzt herkömmliche Pitching oder Regulierungssysteme, sodass das Segelwindrad auch bei Starkwind die Arbeit nicht einstellen muss.These three factors of increasing permeability of the membrane for acting horizontal forces is a regulation in the sense of the respective wind force and replaces conventional pitching or regulation systems, so that the sail wind turbine does not have to stop work even in strong winds.
Aufgrund der flügelquerschnittsähnlichen Ausformung der Segel, werden einerseits horizontal wirkende Kräfte neutralisiert, – anderseits aber mit dieser Luft jeweils die benachbarten Druck- und Sogkräfte mit denen tangential gearbeitet wird, verstärkt.Due to the wing cross-sectional shape of the sails, on the one hand horizontally acting forces are neutralized, - on the other hand, but with this air in each case the adjacent pressure and suction forces with which is worked tangentially, reinforced.
Die Überlagerung der Wirkungen muss im Einzelnen untersucht werden um dann später die Netzstruktur so auszuformen, dass die Intelligenz einer nicht vorhandenen Steuerungssoftware quasi in der Hardware der Membranen immanent vorhanden ist.The superposition of the effects must be examined in detail in order to later form the network structure in such a way that the intelligence of a nonexistent control software is virtually inherent in the membrane hardware.
Durch das reduzierte Gewicht wird ein früher Anlauf bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten erreicht, weil der erzielte Düseneffekt im Kern der Anlage den Anlauf unterstützt.Due to the reduced weight, an early start-up is achieved at low flow speeds, because the nozzle effect achieved in the core of the system supports the start-up.
Die Netzstruktur der Segel wirkt ab einer bestimmten Anfangsgeschwindigkeit als geschlossene Fläche für rechtwinkelig einströmende Luft, weil anfangs die kleinen Verwirbelungen am Netz das Nachströmen von Luft auch gleich erschweren kann. (Wirkungsweise von Windschutznetzen), allerdings ist dieser Effekt oberhalb einer bestimmten Geschwindigkeit wiederum selbstreduzierend.The net structure of the sails acts from a certain initial speed as a closed surface for air flowing in at right angles, because initially the small turbulences on the net can complicate the afterflow of air at the same time. (Effect of wind protection nets), but this effect is above a certain speed again self-reducing.
Die Netzstruktur, bewirkt dass die Konstruktionen kaum sichtbar sind und lichtdurchlässig farbangepasst nicht mehr auffallen, diese Transparenz verbunden mit der langsamen Rotationsgeschwindigkeit reduziert jede Umwelteinwirkung, und ist auch völlig ungefährlich für Vögel. Geräuschkulissen und „Disko”.-Effekte entfallen, die Menge des ohnehin schon reduzierten Membranmaterials reduziert sich bei einem Lochanteil von 70% nochmals entscheidend mit weiterer Auswirkung auf den Anlaufpunkt.The network structure causes the constructions to be barely visible and translucent to match color, this transparency combined with the slow rotational speed reduces any environmental impact, and is also completely harmless to birds. Noise scenes and "disco" .- Effects eliminated, the amount of already reduced membrane material is reduced again at a hole proportion of 70% again with further effect on the starting point.
Wirkung der Segelmembran am Segelwindrad, (Fig. 3)Effect of the Sail Diaphragm on the Sailboat, (Figure 3)
Eine unsichtbare Gitterstruktur (St) bzw. Dehnbarkeit der Membran ergibt, wie z. B. bei „Windschutznetzen”, eine Aufnahme der Windenergie unter Reduzierung der Horizontalkräfte.An invisible lattice structure (St) or extensibility of the membrane results, such. As in "wind protection nets", a recording of wind energy while reducing the horizontal forces.
Einerseits wird der Wind mit zunehmender Geschwindigkeit immer mehr das Membrannetz durchdringen, andererseits ist dieser rechtwinkelig wirkende Effekt von zwei Parametern abhängig die sich wiederum überlagern. Ein Faktor ist der Einströmungswinkel des Windes zum Membrangitter, je mehr tangential die Luft auftrifft desto weniger durchlässig wirkt das Material.On the one hand, the wind will penetrate more and more the membrane network with increasing speed, on the other hand, this right-angled effect depends on two parameters which in turn are superimposed. One factor is the inlet angle of the wind to the membrane grid, the more tangential the air impinges the less permeable the material acts.
Die größte Durchlässigkeit ist somit geometrisch bei Einströmung unter 90° zur Oberfläche gegeben. (St), 1, ab 12 m/sec Strömung wird ein Luftstaukeil in Luv beobachtet, der alle weiteren Druckerhöhungen auf das System verhindert.The largest permeability is thus given geometrically at inflow at 90 ° to the surface. (St), 1, from 12 m / sec flow is observed an air dam in windward, which prevents any further pressure increases on the system.
Fig. 7, Fig. 8Fig. 7, Fig. 8
-
Segeldetails Typ 1, Fusspunkt Generator als Bausatz flexibelSail details
Type 1, base generator as a flexible kit
Fig. 9:Fig. 9:
- Erwartete Mindestquadratmeterleistung W/m2 des Segelwindrades (cp = 0,3) in Abhängigkeit der WindgeschwindigkeitExpected minimum square meter power W / m 2 of the sailing wind turbine (c p = 0.3) depending on the wind speed
Jahresenergieertrag und Windgeschwindigkeiten Annual energy yield and wind speeds
Werden die Windgeschwindigkeiten über ein Jahr gemessen, kann festgestellt werden, dass in den meisten Gegenden starke Stürme selten sind, während mäßiger bis frischer Wind relativ häufig auftritt. Dadurch kommt es zu einer asymmetrischen Verteilung der Windgeschwindigkeiten. Um diese Verteilung zu erfassen wird sie statistisch nach der Weibullverteilung berechnet. Aus dieser Verteilung kann eine mittlere Jahreswindgeschwindigkeit berechnet werden.If the wind speeds are measured over a year, it can be seen that in most areas strong storms are rare, while moderate to fresh winds occur relatively frequently. This results in an asymmetrical distribution of wind speeds. To capture this distribution, it is calculated statistically according to the Weibull distribution. From this distribution a mean annual wind speed can be calculated.
Die Windgeschwindigkeit steigt bedingt durch die Bodenrauhigkeiten mit zunehmender Höhe an. Durch die Weibullverteilung kann von einer bekannten mittleren Windgeschwindigkeit in einer bestimmten Höhe auf die Windgeschwindigkeiten anderer Höhen geschlossen werden. So kann die Jahresleistung von verschiedenen großen Anlagen, unterschiedlicher Höhe berechnet werden.The wind speed increases due to the ground roughness with increasing altitude. The Weibull distribution makes it possible to deduce the wind speeds of other altitudes from a known average wind speed at a specific altitude. Thus, the annual output of various large plants, different height can be calculated.
In der folgenden Abbildung ist der mögliche Jahresenergieertrag in Mitteldeutschland (vmittel = 5,3 m/s) dargestellt. Die Ausnutzung der Möglichen Energiemenge hängt im Wesentlichen von dem eingesetzten Windrad ab.The following figure shows the possible annual energy yield in Central Germany ( mean = 5.3 m / s). The utilization of the possible amount of energy depends essentially on the windmill used.
Ausnutzung der Jahresgesamtmenge der Windenergie in Mitteldeutschland (vmittel = 5,3 m/s) mit dem erwarteten Arbeitsbereich des Segelwindrades Wird nur die spezifische Flächenleistung betrachtet, berechnet sich die Quadratmeterleistung des Segelwindrades eines Jahres (8760 h), mit der Formel für die Leistung des Segelwindrades, wie folgt:
Fig. 1b: bezogene Jahresleistung des SegelwindradesFig. 1b: annual output of the sailing wind
In der Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. sind die berechneten Leistungsdaten der beiden geplanten Prototypen
für 3 m/s und 5 m/s mittlerer Jahresgeschwindigkeit berechnet.In the mistake! Reference source not found. are the calculated performance data of the two planned prototypes
calculated for 3 m / s and 5 m / s average annual speed.
ArbeitsbereichWorkspace
Durch die Leichtbauweise (weniger bewegte Masse) und die Eigenschaften als Widerstandsläufer, beginnt das Segelwindrad bereits bei geringeren Windgeschwindigkeiten zu laufen als konventionelle WKA.Due to the lightweight design (less moving mass) and the characteristics as resistance runner, the sailing wind wheel starts to run at lower wind speeds than conventional wind turbines.
Zeichnungsliste:Drawing list:
Prinzip, System, Grundmodul
Principle, system, basic module
System, Grundtypen in Grundriss und Ansicht
System, basic types in floor plan and view
Prinzip Energie aus Wind
Principle Energy from wind
Module Kombinationen 1–4 (2, 4, 6, 8 KW)
Module combinations 1-4 (2, 4, 6, 8 KW)
Isometrie 1 Version 1 Modul, 4 Module
Detail Windrad
Detail pinwheel
Detail Fußpunkt Windrad
Detail footpoint pinwheel
Detail Generator und Transmission
Detail generator and transmission
Schnitt Fußpunkt Standachse
Cut foot point stance axis
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- FF
- Flügel, Segelfläche z. B. DacronWing, sail area z. Dacron
- FöFö
- Ende HauptachseEnd main axis
- Fdfd
- SockelaufständerungSockelaufständerung
- S1, 2, 3S1, 2, 3
- Segelmembranensail membranes
- 11
- Vertikalachsevertical axis
- R1, 2, 3R1, 2, 3
- Windresultierende am SegelWind resulting at the sail
- WSWS
- Scheinbarer WindApparent wind
- MM
- Membran, geschlossen, perforiert oder strukturiertMembrane, closed, perforated or structured
- St1, 2St1, 2
- Netzstruktur SegelNetwork structure sails
- gG
- Anstellwinkel Segel zu WindAngle of attack Sail to wind
- A, 1A, 1
- Rotationsachse vertikalVertical axis vertical
- L1, 2, 3L1, 2, 3
- Lagercamp
- LL
- Lager am BodenStock on the ground
- WW
- Windwind
- SS
- Stahlseilesteel cables
- Spsp
- GummiseilverbindungenRubber cable connections
- BIBI
- Betonplatten, Sockel RotorConcrete slabs, base rotor
- rr
- Rotorarm, I = 2 mRotor arm, I = 2 m
- Roro
- Rotor gesamtTotal rotor
- DD
- Druck/Gewicht am BodenPressure / weight on the ground
- R1, 2, 3R1, 2, 3
- Rotationrotation
- GG
- Gehäusecasing
- T1, 2T1, 2
- Grundtypen, h = 10 m, (4 Module)Basic types, h = 10 m, (4 modules)
- Dsds
- DruckspreizeDruckspreize
- RbRb
- Randprofil gebogenEdge profile bent
- SoSo
- Sockelrahmenbase frame
- GiGi
- Gitterrostgrating
- Knkn
- Modulverbindungsknoten, HauptachseModule connection node, main axis
- SaSat.
- SeilanschlssSeilanschlss
- GeGe
- Generator, LichtmaschineGenerator, alternator
- SrSr
- Scheibenbremsedisc brake
- ZrZr
- Zahnriementoothed belt
- SFSF
- FeststellbrenseFeststellbrense
- SBSB
- Bremsscheibebrake disc
- RsRs
- Standachsestand axis
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 10201003223 A1 [0001] DE 10201003223 A1 [0001]
- DE 19920560 [0001] DE 19920560 [0001]
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE202015004469.7U DE202015004469U1 (en) | 2015-06-22 | 2015-06-22 | Device for obtaining flow energy by means of a rotor with wing arrangement in analogy to the sailing ship theory by means of membranes |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE202015004469.7U DE202015004469U1 (en) | 2015-06-22 | 2015-06-22 | Device for obtaining flow energy by means of a rotor with wing arrangement in analogy to the sailing ship theory by means of membranes |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE202015004469U1 true DE202015004469U1 (en) | 2016-07-19 |
Family
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---|---|
DE (1) | DE202015004469U1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN113374627A (en) * | 2020-02-25 | 2021-09-10 | 周维平 | Novel wind driven generator construction system based on air pressure dynamic principle |
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DE102010003223A1 (en) | 2010-03-24 | 2011-09-29 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg | Device for insertion into a rotor of a centrifuge, centrifuge and method for fluidic coupling of cavities |
-
2015
- 2015-06-22 DE DE202015004469.7U patent/DE202015004469U1/en active Active
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R086 | Non-binding declaration of licensing interest | ||
R207 | Utility model specification | ||
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years | ||
R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years | ||
R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years |