-
Windturbine Die Erfindung betrifft eine Windturbine mit einem vom
Wind in Drehung versetzten Flügelrad, welches einen Generator o. dgl. antreibt.
-
Die bekannten Windturbinen werden vorwiegend zur Erlegung elektrischer
Energie für Kleinverbraucher eingesetzt. Sie bestehen aus einem Windflügelrad, das
an einer horizontalen oder schräggeneigten Welle montiert und nach Art eines Propellers
ausgebildet ist. Die einzelnen Flügel des Flügelrades sind in der Regel starr, d.h.
unverdrehbar, an der Welle befestigt. Ihre Fläche ist so gebogen, daß der an ihr
entlangstreichende Wind mit einer Teilkomponente ein Drehmoment an der Welle erzeugt.
Dies hat zur Folge, daß die in dem Bereich des Flügelrades vorhandene Windenergie
nur zu einem Teil ausgenutzt wird. Außerdem sind der Baugröße derartiger Flügelräder
Grenzen gesetzt, weil die Flügelräder stets so gestellt werden müssen, daß ihre
Welle in Windrichtung zeigt. Dies bedeutet, daß die Welle in jedem Fall die Ge samt
last der Flügel tragen muß, weil andere Abstützungen nicht möglich sind.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Windturbine der eingangs
genannten Art zu schaffen, die eine bessere Ausnutzung der vorhandenen Windkräfte
ermöglicht und die auch mit solchen Abmessungen herstellbar ist, daß hohe elektrische
Leistungen verfügbar werden.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß
die Flügel des Flügelrades zwischen einer Stellung mit großem Windwiderstand und
einer Stellung mit geringem Windwiderstand verschwenkbar sind, und daß eine die
Stellung der Flügel in Abhängigkeit von der Drehwinkelstellung des Flügelrades verändernde
Steuervorrichtung vorgesehen ist, die diejenigen Flügel, die sich jeweils mit der
Windrichtung bewegen, wirksam und die übrigen Flügel unwirksam macht.
-
Eine derartige Windturbine bietet den Vorteil, daß diejenigen Flügel,
die sich jeweils in Windrichtung bewegen, voll "aufgespannt" werden und dem Wind
daher ihre gesamte Fläche entgegensetzen. Die gegenüberliegenden Flügel werden quergestellt.
Dies bedeutet, daß sie einen nur geringen Windwiderstand haben. Durch die unterschiedlichen
Windwiderstände wird ein Drehmoment auf die Flügelradwelle ausgeübt und diese so
in Drehung versetzt. Die Steuervorrichtung sorgt dafür, daß jeder Flügel während
einer vollen Umdrehung des Flügelrades insgesamt zweimal gekippt wird, nämlich einmal
in die wirksame Stellung und einmal in die unwirksame Stellung.
-
In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist das Flügelrad an einer
vertikalen Hauptwelle montiert und weist mehrere Flingelgruppen auf, wobei die Flügel
einer Flügelgruppe entweder radial nebeneinander angeordnet und um
vertiale
Achsen herum schwenkbar oder axial ilbereinander angeordnet und um horizontale Achsen
herum schwenkbar sind. Dieses Prinzip ermöglicht die Konstruktion von Windturbinen
mit sehr großen Abmessungen, bei denen zahlreiche Flügel und Flügelgruppen vorhanden
sind. Die Flügel einer Fliigelgruppe werden jeweils synchron verschwenkt. Sie können,
wenn sie sich in ihrer wirksamen Stellung befinden, eine nahezu geschlossene Fläche
bilden, an der große Windkrafte auftreten und somit ein großes Drehmoment um die
Hauptwelle herum erzeugt wird. Die Flügel brauchen keine komplizierte aerodynamische
Formgebung zu haben. Es genügt im (;runde, Bleche zu verwenden, die eine hinreichende
Festigkeit und ein möglichst geringes Gewicht haben sollten.
-
Bei besonders großen Flügelrdern können am Außenkreis mit umlaufende
Abstützungen für die Flügel bzw. Flügelgruppen vorgesehen sein. Diese Abstützungen
können entweder auf Rädern laufen, die sich auf Schienen oder über eine glatte Bodenfläche
bewegen oder auf Luftkissen ohne direkte Bodenberührung über den Boden gleiten.
-
Zur Anpassung der Flügelstellung an die jeweils vorhandene Windrichtung
kann in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung die Steuervorrichtung ein sich
in Abhängigkeit von der Windrichtung verstellendes Steuerorgan aufweisen, an welchem
die Steuersignale fllr die Verstellung der Flügel erzeugt werden. Das Steuerorgan
kann aus einem die Hauptwelle umfassenden frei, drehbaren Ring bestehen, der mit
einer vom Wind einstellbaren Leitwerks fläche versehen ist lmd an wiener Innenseite
über einen Winkelbereich elektrische Vontaktmittel aufweist,
wobei
im Innern des Steuerorganes an der Hauptwelle voneinander isolierte Leitersegmente
angebracht sind, die sich an den Kontaktmitteln vorbeibewegen, und von denen jede
mit Stellorganen von Flügeln verbunden ist.
-
Das Steuerorgan besteht dabei aus einem Isolierring, der sich entsprechend
der jeweils vorhandenen Windrichtung frei einstellt und an diejenigen Steuersegmente
der Hauptwelle Steuersignale anlegt, die z.B. den gerade wirksamen Flügeln entsprechen,
die dem Wind ausgesetzt sind.
-
Für den Verstellmechanismus der Flügel gibt es zahlreiche konstruktive
Möglichkeiten. Beispielsweise sei nur erwähnt, daß die Verstellung elektromagnetisch
erfolgen kann. Beispielsweise kann vorgesehen sein, daß die Flügel unter Federeinwirkung
stehen, wodurch sie in die unwirksame Stellung gezogen werden. Sollen sie in die
wirksame Stellung gebracht werden, dann wird die Feder durch einen Elektromagneten
oder durch -eine pneumatische oder hydraulische Kolben-Zylindereinheit gespannt,
um nach dem Verlassen des entsprechenden Winkelbereiches wieder freigegeben zu werden,
wodurch der betreffende Flügel von der Feder in seine Ruhelage zurückgezogen wird.
Außerdem können geeignete Klinkenmechanismen vorgesehen sein, um keine Halteenergie
zu benötigen, die gegen die Feder anwirken müßte.
-
Zweckmaßigerweise treibt die Hauptwelle einen Nutzlastgenerator sowie
einen Bremsstromgenerator an, wobei der Bremsstromgenerator zur Konstanthaltung
der Hauptwellendrehzahl gesteuert auf eine an der Hauptwelle angreifende elektrische
Stabilitätsbremse einwirkt.
-
Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung einiger spezieller AusfUhrungsbeispiele, die unter Bezugnahme
auf die Figuren näher erläutert werden.
-
Fig. 1 zeigt das Schema einer ersten Ausführungsform der Windturbine
in Seitenansicht, Fig. 2 zeigt die Windturbine nach Fig. l in Draufsicht, Fig. 3
zeigt einen Schnitt entlang der Linie III-III der Fig. 1 in vergrößertem Maßstab,
Fig. 4 zeigt das Prinzip der Verstellung eines Flügels in perspektivischer Darstellung,
und Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform des Flügelrades mit senkrecht stehenden
Flügeln.
-
Die in den Fig. 1 bis 3 dargestelle Windturbine besitzt eine vertikale
Hauptwelle 10, an der radial abstehend die Flügel 11 angebracht sind. Die Flügel
11 sind an horizontalen, radial ausgerichteten Achsen 12 drehbar gelagert.
-
Die Achsen 12 stützen sich am Außenumfang des Flügelrades an verti-kalen
Ständern 13 ab. Jeder Ständer stützt sich auf einem Gleitkörper 14 ab, der auf einem
Luftkissen 15 über dem Erdboden 16 gleitet.
-
Wie Fig. 1 zeigt, sind zwischen der Hauptwelle 10 und jedem Ständer
13 mehrere Flügel 11 an den entsprechenden Achsen 12 übereinander angeordnet. Die
Flügel, die (in Draufsicht gesehen) auf einem gemeinsamen Radius
des
Flügelrades liegen, werden nach der hier gewählten Bezeichnungsweise als eine "Flügelgruppe"
bezeichnet. Die Flügel einer Flugelgruppe werden von der noch zu erluternden Steuervorrichtung
snchron verstellt.
-
Wie Fig. 2 zeigt, sind bei dem Flügelrad insgesamt sechs vligelgruppen
vorhanden. Jede Flügelgruppe besteht aus drei übereinander angeordneten Flügeln
11.
-
Die Verstellung der Flügel 11 erfolgt über Stellorgane 17, die entweder
jedem Flügel einzeln zugeordnet sind, oder von denen eines zur Verstellung sämtlicher
Flügel einer Elügelgruppe vorgesehen ist. Die Stellorgane können elektromagnetisch,
hydraulisch, pneumatisch oder auf andere Weise betätigt werden. Sie schalten die
Flügel 11 zwischen zwei Schaltstellungen um, die beide in Fig. 1 abgebildet sind.
In der einen Schaltstellung stehen die Flügelflächen senkrecht, so daß die drei
Flügel insgesamt eine große Windangriffsfläche bilden, die nur von relativ schmalen
Spalten 18 unterbrochen ist. In der anderen Stellung, die in Fig. 1 auf der rechten
Seite abgebildet ist, liegen die Flügel 11 horizontal, so daß sie dem Wind nur tre
Seitenkanten aussetzen. In dieser Stellung haben sie einen geringen Windwiderstand,
während sie in der senkrechten Stellung einen großen Windwiderstand haben.
-
Wie Fig. 2 zeigt, sind die Flügelgruppen in gleichmäßigen Winkelabständen
verteilt angeordnet. Die Windrichtung ist durch den Pfeil 19 angedeutet. Die Drehrichtung
des Flügelrades entspricht dem Pfeil 20. Man erkennt, daß diejenigen Flügelgruppen
21, 22, 23, die sich entgegen der Windrichtung
bewegen, flach gestellt
sind, während diejenigen Flügelgruppen 24, 25, 26, die sich in Windrichtung bewegen,
senkrecht stehen und somit den Wind voll auffangen. Sobald eine Flügelgruppe die
Stellung erreicht hat, die in der Zeichnung die Flügelgruppe 23 einnimmt, wird sie
durch Umschaltung unwirksam gemacht, während die vlügelgruppe 24 gemaß der in Fig.
2 dargestellten Stellung soeben wirksam gemacht, d.h. senkrecht gestellt wurde.
-
Zur Erhöhung der Stabilität des Flügelrades können die Ständer 13
durch Verbindungsstreben 27 miteinander verbunden sein, so daß das gesamte Flügel
rad eine Polygonform erhält.
-
Wie Fig. 4 zeigt, haben im vorliegenden Fall die Flügel 11 einen aerodynamischen
Querschnitt. Sie sind als flache Hohlkörper, die zu den Längskanten hin spitz auslaufen,
ausgebildet. Die Flügel 11 weisen entlang ihrer Langsmittellinie Stehlager 28 auf,
durch die die Achse 12 hindurchführt. Die Stehlager sind mit Kugellagern ausgerüstet.
-
An einem an ir Unterkante des Flügels 11 befestigten Arm 29 greift
gelenkig das schwenkbar angebrachte Stellorgan 17 an. Das Stellorgan kann aus einem
Elektromagneten bestehen, der über eine Feder vorgespannt ist, oder aus einer ebenfalls
vorgespannten Kolben-Zylindereinheit.
-
Damit die Flügelumstellung bei jeder Drehung auf die jeweilige Windrichtung
abgestimmt ist, ist um die Hauptwelle 10 herum ein Steuerorgan 30 angeordnet, das
in -Z2ig. 3 im Schnitt dargestellt ist. Das Steuerorgan 30 besteht aus einem Isolierring
aus Kunststoff, an dessen Innenfläche
über einen Bereich von 1800
Kontaktbürsten aus Metall, Kohle, o. dgl. angeordnet sind. Diese Kontaktifrsten
sind über eine Schleifleitung 31 mit einem starr angebrachten umgebenden Außenring
32 verbunden.
-
Im Bereich des Steuerorganes 30 sind an der Hauptwelle 10, die als
Stahlrohr ausgebildet ist, elektrische Leitersegmente 10 angeordnet, von denen jedes
einer Flügelgruppe entspricht. Es sind daher insgesamt sechs in gleichmäßigen Winkelabständen
angeordnete Leitersegmente 33 vorgesehen, die gegeneinander und gegen die Hauptwelle
isoliert sind. Von den Leitersegmenten führen Steuerleitungen zu den jeweiligen
Steuerorganen 17.
-
Der Ring 50, der frei um die Hauptwelle 10 herum drehbar ist, ist
mit einer radial abstehenden Flosse 34 ausgestattet, die vom Wind verstellbar ist
und die sich selbsttätig in Gegen-Windrichtung einstellt. Dabei dreht sie den Ring
30 mit. Die Kontaktbürsten 35 des Ringes 30 schleifen an den Leitersegmenten 33
und legen daher diejenigen Leitersegmente 33 an Spannung, deren zugeordnete Flügel
horizontal gestellt werden sollen. Die Ebene der Flosse 34 begrenzt den Bereich
der Kontaktbürsten an dessen beiden Enden.
-
Das hier dargestellte Steuerorgan 30 arbeitet elektrisch.
-
Bei hydraulischer oder pneumatischer Verstellung der Flügel 11 könnten
selbstverständlich auch entsprechende Fluidverteiler oder Druckluftverteiler verwendet
werden, deren Steuerorgan sich auf die jeweilige Windrichtung einstellt.
-
Die Hauptwelle 10 der Windturbine treibt den Nutzlastgenerator 56.
Soll der Nutzlastgenerator 36 mit konstanter Drehzahl betrieben werden, damit er
beispielsweise eine
konstante Wechselspannungsfrequenz liefert,
muß die Rotationsgeschwindigkeit des Flügelrades konstant gehalten werden. Zu diesem
Zweck kann vorgesehen sein, daß bestimmte Windflügel dann, wenn sie eigentlich verstellt
werden müßten, um die volle Turbinenleistung zu erzielen, keine Verstellung erfahren,
so daß diese Windflügel bremsend wirken. Die Steuerung kann von einem Computer aus
erfolgen, der die betreffenden Steuerleitungen zu den Stellorganen 17 in Abhängigkeit
von der ermittelten Flügelraddrehzahl ggf. unterbricht. Der jeweilige Schaltvorgang
geschieht durch eine Umleitung des Stromes über computergesteuerte Schalter über
einen Schleifring.
-
Außerdem ist für die Drehzahlregelung ein Bremsmotor 37 an der Hauptwelle
vorgesehen. Dieser wird von einem Bremsstromgenerator 38 gespeist, der ebenfalls
an die Hauptwelle 10 angeschlossen ist. Der Betrieb von Bremsmotor 57 und Bremsstromgenerator
38 erfolgt so, daß der Nutzlastgenerator 36 mit konstanter Drehzahl läuft.
-
An die Hauptwelle 10 ist außerdem ein Luftgebläse 39 angeschlossen,
dessen Druckluft durch das Flügelträgerrohrgerippe hindurch zu den Tragluftkissen
15 geführt wird.
-
Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform eines Windflügelrades
sind die einzelnen Flügel 40 senkrecht stehend angeordnet. Von der vertikalen Hauptwelle
41 führen horizontale Streben 42 zu den auf Luftkissen 44 laufenden Ständern 43.
Zwischen dle;en Streben befinden sich die vertikalen Achsen 45, um die herum die
Flügel 40 in einem Winkel von 900 zwischen zwei Schaltstellungen verschwenkbar sind.
Die Umschaltung erfolgt einzeln mittels der Stellorgane 46.