DE2535138A1 - Vorrichtung zur ausnutzung der windenergie - Google Patents

Vorrichtung zur ausnutzung der windenergie

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Description

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John H. Troll, Cedar Road East, Katonah, New York, U.S.A.
Vorrichtung zur Ausnutzung der Windenergie
Die Erfindung betrifft; eine Vorrichtung zur Ausnutzung der Windenergie, insbesondere eine Vorrichtung, die bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten einen gleichmäßigen Ausgang abgibt.
Bei Windmühlen und anderen Anlagen zur Ausnutzung der Windenergie wird die Energie einer Säule von sich bewegender Luft mit Hilfe von Flügelblättern in eine mechanische Drehbewegung umgeformt.
Die Gleichung für den Umformungsfaktor ist:
P = 2tf R2J V3, (1)
wobei P die Energie ist, die in einem Zylinder aus Luft mit dem Radius R, der Geschwindigkeit V und der Dichte P enthalten ist.
Unter Vernachlässigung von Rotationsverlusten und Strömungsverlusten ergibt sich die Arbeit je Zeiteinheit, d.h. die Leistung P zu
Pw = 2 7Γ R2J V3a (1 - a)2 (2)
wobei R der Läuferradius, a der Interferenzfaktor, V die Wind-
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geschwindigkeit und ζ die Dichte sind.
Der Interferenzfaktor "a" wird verwendet, um die Verringerung der Geschwindigkeit auszudrücken, die am Läufer auftritt, wo sie V(1 - a) ist. Hinter der Windmühle steigt der Verringerungsfaktor auf einen Höchstwert von 2a. Aus der ersten Ableitung von Pw nach "a" und Auflösung der Gleichung für Pw gleich Null ergibt sich aus Gleichung (2), daß Pw ein Maximum erreicht, wenn a gleich 1/3 ist. An diesem Punkt ist P für alle Werte von R, <j> oder V, 59,2% von P, d.h. von der Energie, die ursprünglich in der Luft enthalten ist, wobei dieser Wert den maximalen Umwandlungswirkungsgrad darstellt, der erreichbar ist.
Der axiale Schub, der die Kraft darstellt, die eine stationäre Windmühle umzukippen sucht, ist gegeben durch die Gleichung
T = 2% R2f V2a(1 - a) . (3)
Dieser Wert hat sein Maximum bei a = 1/2 und er wird kleiner mit kleineren Werten von a. Da der Schub äquivalent zum Strömungswiderstand eines Flugzeuges ist, versuchen die Konstrukteure von Windmühlen ihn möglichst klein zu halten, indem sie kleine Werte für a und große Radien wählen. Als Folge ergibt sich aber ein kleinerer Prozentsatz für die aus der Luft entnehmbare Energie.
Die prozentuale Energie, die aus der Luft entnommen werden kann ist proportional zu dem Energiekoeffizienten
Pc = P/( j? R2V3). (4)
Er ist eine Funktion von "a" oder von der geometrischen Anordnung der Windmühle und von dem Geschwindigkeitsverhältnis der Flügelspitzen 2 nR/V, worin η die Drehzahl je Sekunde ist. Der Wert Pc wurde empirisch für verschiedene Flügelausbildungen in
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Windkanal-Versuchen bestimmt.
So nutzt beispielsweise der amerikanische Typ mit einer Vielzahl von Flügeln,(der zum Wasserpumpen auf Farmen verwendet wird) etwa 30& der kinetischen Energie des Windes aus, der holländische Typ mit vier Armen etwa 16% und der Hochgeschwindigkeitstyp (Stuart Propeller) etwa 42%. Der letztgenannte Windmühlentyp rotiert mit einer Flügelspitzengeschwindigkeit, die sechs bis acht mal größer als die Windgeschwindigkeit ist und er wird in großem Umfang zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet. Bei Windmühlenpropellern mit zwei Blättern mit einem Durchmesser von D Fuß (1 Fuß = 30,48 cm), die über ein Getriebe mit einem elektrischen Generator mit 70% Wirkungsgrad gekoppelt sind, beträgt die maximale Ausgangsleistung bei Winden mit der Geschwindigkeit V Fuß je Sekunde in Kilowatt
kw = 0,376 · 1O~6 D2V3. (5)
Es wurde dargelegt, daß nur 59,2% der kinetischen Energie des Windes theoretisch gewinnbar ist. Auf der Basis dieser Betrachtung hat eine Windmühle oder Windschraube mit 70% aerodynamischem Wirkungsgrad und 90% Getriebewirkungsgrad einen Gesamtwirkungsgrad von etwa 37% der kinetischen Windenergie. Beim bisherigen Stand der Technik wird die Windgeschwindigkeit, die in die Energiegleichung mit der dritten Potenz eingeht und außerhalb der Kontrolle und Steuerung durch den Konstrukteur liegt, als der vorherrschende Faktor bei der Ausnutzung und Anwendung der Windkraft betrachtet. Es ist üblich, die Windgeschwindigkeiten in Gruppen zu unterteilen und zu klassifizieren, z.B. als vorherrschende (häufige) Winde und Energiewinde (stärkere Winde).
Vorherrschende Winde blasen an fünf von sieben Tagen, während Energiewinde an zwei von sieben Tagen blasen. Die mittlere vorherrschende Geschwindigkeit ist 2 Meilen je Stunde (1 Meile =
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etwa 1,6 km) kleiner als die durchschnittliche monatliche Geschwindigkeit. Die Energiewinde blasen mit Geschwindigkeiten von etwa dem 2,3-fachen der vorherrschenden Winde und erzeugen bei der derzeitigen Technik etwa 3/4 der Gesamtenergie eines gegebenen Monats. Der Wind mit der höchsten Energie hat eine Geschwindigkeit, die etwa 10 Meilen je Stunde höher ist als der am häufigsten vorkommende Wind. Für jeden Monat addiert sich die Energie von all den unterschiedlichen Winden auf das Doppelte des Wertes, der sich aus der durchschnittlichen stündlichen Geschwindigkeit des jeweiligen Monates berechnen würde.
Bei der gegenwärtigen Technik sind 8 Meilen je Stunde jährlicher Durchschnitt, die Mindestwindgeschwindigkeit, die für Windschrauben vom Propellertyp geeignet sind. Bei den sehr leichten Anlagen, die eine Vielzahl von Blättern haben und einen Bypass für Winde über 15 Meilen je Stunde aufweisen, erhält man mit einem Betriebsbereich von 6 bis 15 Meilen je Stunde im Monat eine um 14% größere Energieabgabe als bei einem Bereich von 8 bis 15 Meilen je Stunde.
Die Windbereiche mit starkem Wind in den Vereinigten Staaten mit einer durchschnittlichen jährlichen Windgeschwindigkeit von 10 Meilen je Stunde oder mehr sind ein in Nord-Süd-Richtung verlaufender Streifen mit einer Breite von 350 Meilen etwa in der Mitte zwischen dem Atlantik und dem Pazifik, die Uferbereiche der großen Seen, die Atlantikküste und die Golfküste, sowie die Küste des Pazifiks nahe San Francisco und im Staate Washington.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Ausnutzung der Windenergie zu schaffen, die für einen weiten Bereich von Windgeschwindigkeiten verwendbar ist; die Vorrichtung soll ferner bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten eine im wesentlichen gleichmäßige Leistung abgeben; vorzugsweise soll die
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Vorrichtung so ausgebildet sein, daß Winde, die aus wechselnden Richtungen kommen, keine neue Ausrichtung der Vorrichtung erforderlich machen; schließlich soll die Vorrichtung vorzugsweise umweltfreundlich sein und große Leistungen bei geringen Kapitalkosten je Kilowatt abgeben.
Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der
Fig. 1 schematisch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 1 zeigt etwa einen Schnitt längs des Durchmessers einer im wesentlichen zylindrischen Konstruktion. Die Vorrichtung umfaßt einen Rahmen 1, bestehend aus zwei kreisförmigen Scheiben, die einen Abstand 0- haben und so angeordnet sind, daß Windströmungen unabhängig von ihrer Richtung zwischen die Scheiben eintreten können. In Fig. 1 ist die Windrichtung durch einen Pfeil dargestellt und zum Zwecke der Erläuterung als von links nach rechts verlaufend gewählt. Eine bewegliche Klappe 2 ist schwenkbar im Punkt 3 gelagert und mechanisch so gekoppelt, daß sie jede Position zwischen der dargestellten Position und der oberen Scheibe einnehmen und darin verbleiben kann. Der Abstand O2 kann somit gleich 0-] oder kleiner sein. Die Klappe 2 erstreckt sich über 360° des kreisförmigen Aufbaus. Wenn die Klappe aus einem vollflexiblen Material besteht, kann der Abstand 0~ mittels einer mechanischen Verbindung zwischen dem Rahmen 1 und einem festen Bund 10 am Innenrand der Klappe hergestellt und verändert werden. Alternativ kann die Klappe in eine Mehrzahl von Sektoren unterteilt sein.
Die Position der Klappe 2 wird durch einen Servomotor 4 gesteuert,
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der seinerseitscdurch einen Windgeschwindigkeits-Messer 5 gesteuert wird, der ein Signal erzeugt, das der Windgeschwindigkeit entspricht. Der Geschwindigkeitsmesser kann oben auf der Vorrichtung angebracht sein, es können aber auch mehrere Einheiten entfernt von ihr angeordnet werden, um der Vorrichtung im Voraus bereits die Windgeschwindigkeit anzugeben.
Der im Querschnitt CU vorhandene Wind treibt das zylindrische Windrad 6 an, daß es sich mit einer Geschwindigkeit dreht, die durch die ursprüngliche Windgeschwindigkeit VQ bestimmt wird, welche durch einen Faktor verstärkt wird, der gleich dem Verhältnis zwischen den Flächen von 0.,/O- ist. Wenn beispielsweise das Verhältnis zwischen den Querschnittsflächen mit 10
gewählt wird, so erscheint ein Wind, der 6 Meilen je Stunde
hat, am Windrad mit einer Geschwindigkeit von 60 Meilen je
Stunde. Durch kontinuierliche Einstellung der Klappe 2 kann
dem Windrad eine bestimmte gewünschte Drehzahl über einen weiten Bereich von Windgeschwindigkeiten gegeben werden. Wenngleich
das Windrad 6 schenatisch in Form eines Käfigläufers dargestellt ist, so soll betont werden, daß es selbstverständlich auch andere Formen haben kann. Die Drehenergie des Windrades 6 wird auf eine Fluidkupplung und ein Getriebe 7 übertragen, das entweder Energie vom Windrad 6 oder von einer äußeren Energiequelle über
eine Antriebswelle 8 erhält. Eine solche äußere Energiequelle kann beispielsweise ein Hilfs-Dieselmotor sein, oder etwa ein batteriegetriebener Gleichstrommotor, wenn die Anlage als Hilfsaggregat oder als zusätzliches Aggregat verwendet wird. In jedem Fall liegt der Zweck der Energiezufuhr von außen über die Welle 8 darin, für ein Schwungrad 9 eine alternative Energiezufuhr zu schaffen, wobei das Schwungrad 9 unter Normalbedingungen vom Windrad 6 angetrieben wird und in der Lage ist, genügend
Energie zu speichern, um die Anlage über gewöhnliche Perioden von schwachen Winden hinweg in Betrieb zu halten.
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_7_ 2 B 3 B 1 3 B
Das Schwungrad 9, das vorzugsweise in einem Gehäuse 9A, in dem im wesentlichen Vakuum herrscht, angeordnet ist, ist entweder direkt oder über ein Getriebe mit einem Wechselstromgenerator 11 gekoppelt, der den nutzbaren Wechselstrom liefert. Die Verwendung eines Wechselstromgenerators ist möglich, weil das selbstregelnde Klappensystem und das Schwungrad zusammenwirken, um die Drehzahl des Generators 11 ausreichend stetig zu halten, um einen regelmäßigen Ausgang zu erzeugen. In Zeiten, in denen der Generator 11 überschüssige Leistung abgibt, kann sein Ausgang oder ein Teil von ihm gleichgerichtet und zur Ladung einer Gruppe von Batterien verwendet werden, die ihrerseits bei außergewöhnlich langen Perioden der Ruhe die Energie liefern, um die Anlage in Betrieb zu halten.
Nachfolgend wird die Anlage als Ganzes beschrieben.
Die Windströmungen können von jeder beliebigen Richtung in den Rahmen oder das Gehäuse 1 eintreten und sie werden durch die beweglichen Klappen 2 zu dem zylindrischen Windrad 6 geleitet. Die Bewegung der Klappen verändert die Austrittsfläche O2 und damit das Verhältnis zwischen der Eintrittsfläche 0< und der Austrittsfläche O~. Es ist nun
Vin: Vaufe - °2:01'
wobei V. die Geschwindigkeit des durch die Fläche 0.. eintretenden Windes und V" „ die Geschwindigkeit des durch die Fläche 0~
aUS £*
austretenden Windes ist, der auf das Windrad auftrifft. Diese Beziehung gilt jedoch nur solange die Strömung durch den Windkanal laminar ist. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Flächen, an denen der Wind entlangströmt, ausreichend glatt ausgeführt sind, um Turbulenzen und Wirbel zu vermeiden. Ferner ist die Vergrößerung der Geschwindigkeit begrenzt, bis auf den Punkt, an welchem eine merkliche Kompression der Luft eintritt.
8/0398 OR'GJNAl INSPECTED
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Es ist bereits erwähnt worden, daß die Bewegung der Klappen 2 und die Einstellung des Verhältnisses 0^:O- auf der Windgeschwindigkeit basiert, die durch den Geschwindigkeitsmesser 5 gemessen und an den Servomotor 4 gegeben wird. Das Windrad 6 hat eine zylindrische Form, so daß der volle Schub des Windes mit der Geschwindigkeit V unabhängig von der Größe von O-
aus ^
ausgenutzt werden kann.
Die Funktion der Kupplung und des Getriebes 7, die als Kupplung zwischen dem Windrad 6 und dem Schwungrad 9 benutzt werden, ist bereits beschrieben worden. Sie ermöglicht es, das Windrad vom Schwungrad in dem Fall zu trennen, in welchem das Schwungrad mehr Energie als das Windrad enthält, z.B. in Zeiten wenn der Wind auch bei der höchstmöglichen Geschwindigkeitsvergroßerung nicht ausreicht oder wenn dem Schwungrad zusätzliche Energie von außen zugeführt wird, z.B. von einer elektrischen Energiequelle, einem Hilfs-Dieselmotor oder einer langzeitig speichernden Batterie mit Gleichstrommotor. Die Batterie kann ihre Energie von dem Wechselstromgenerator 11 erhalten, wenn sie geladen werden muß und wenn immer eine überschüssige Energie zur Verfügung steht. Damit die Kupplung 7 automatisch arbeitet ist es nur erforderlich, die relativen Drehzahlen des Windrades 6 und des Schwungrades 9 zu vergleichen und eine konstante Mindestdrehzahl für das Schwungrad 9 festzulegen, ab welcher eine äußere Energie erforderlich ist, um die Anlage in Betrieb zu halten. Die Last erhält ihre gesamte Energie immer von demselben Generator oder Generatoren und braucht nicht umgeschaltet zu werden, um unterschiedlichen Bedingungen oder Energiequellen Rechnung zu tragen.
Die beschriebene Vorrichtung, die schematisch in Fig. 1 dargestellt ist, zeigt das Prinzip der Erfindung und kann selbstverständlich abgewandelt werden.
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Fig. 2 zeigt eine beispielsweise Abwandlung mit einem Gehäuse 15 zur Aufnahme des Windes, das schematisch im Querschnitt gezeigt ist und aus zwei Hälften, die sich über je 180° erstrecken, aufgebaut ist, das aber auch aus Sektoren mit 90° oder darunter aufgebaut sein kann. In das Gehäuse 15 kann Wind aus allen Richtungen einströmen und es lenkt den Wind um 90° um zu einem Windrad 13, das in der Art eines konventionellen Propellers ausgebildet sein kann, mit einem Durchmesser, der etwa gleich dem Durchmesser von O2 ist. Das Verhältnis O2:O^ wird durch Veränderung von 0, am Eintritt des Windes in das Gehäuse 15 variiert, zweckmäßigerweise mit Hilfe einer Klappe 12, die sich über den gesamten Abschnitt von 180° oder 90° erstreckt. Die Bewegung der Steuerfläche oder Klappe 12 kann über die Windgeschwindigkeit und den Servomotor, wie oben beschrieben, gesteuert werden, oder durch Ausnutzung des Hubkoeffizienten des antrömenden Windes, der die Geschwindigkeit V. hat, wobei dieser Koeffizient mit dem Quadrat der Windgeschwindigkeit zunimmt. Die Steuerfläche 12 kann aus Paaren von Klappen aufgebaut sein, die gekoppelt sind und gemeinsam bewegbar sind, um eine Veränderung des Parameters 0.. zu ermöglichen.
Nachfolgend sind einige Zahlenbeispiele aufgeführt, die die zu erwartende Leistung bei gegebenen Windbedingungen und an gegebenen Orten aufzeigen.
Beispiel 1
An einem Ort mit einer durchschnittlichen Windgeschwindigkeit von 14,6 Meilen je Stunde hat der vorherrschende Wind, der an 5 Tagen von 7 Tagen bläst, eine Geschwindigkeit von12,6 Meilen je Stunde, entsprechend 18,4 Fuß je Sekunde. Eine Anlage mit einem Propeller mit einem Durchmesser von 1 Fuß liefert 2,34 KW bei vorherrschendem Wind, wenn die Eintrittsfläche O1 gleich 7,85 Quardratfuß beträgt (1 Quadratfuß = 0,093 qm) entsprechend einem Eintrittsdurchmesser von 3,16 Fuß und bei einer Austritts-
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fläche Oj von 0,785 Quadratfuß entsprechend einem Durchmesser von 1 Fuß. (Vergleiche Gleichung 5). Eine solche Anlage liefert über 1700 Kilowatt-Stunden je Monat, d.h. nahezu das 2,4-fache des durchschnittlichen häuslichen Bedarfes in den USA. Der vorstehenden Berechnung ist ein Generator mit 70% Wirkungsgrad zugrundegelegt.
Beispiel 2
Am selben Ort bzw. bei denselben Windgeschwindigkeiten wie in Beispiel 1 liefert eine Anlage mit einem Propeller, der einen Durchmesser von 15 Fuß hat, 480,761 Kilowatt bei vorherrschenden Windbedingungen, wenn die Eintrittsfläche 0- gleich 12 370 Quadratfuß entsprechend einem Eintrittsdurchmesser von 125 Fuß ist und bei einer Austrittsfläche O2 gleich 177 Quadratfuß entsprechend einem Austrittsdurchmesser von 15 Fuß.
Beispiel 3
Am selben Ort bzw. bei denselben Windgeschwindigkeiten wie oben liefert eine Anlage mit einem Propeller von 20 Fuß Durchmesser •A 240 000 Kilowatt bei O1 gleich 34 558 Quadratfuß (entsprechend 210 Fuß Durchmesser) und O2 gleich 314,15 Quadratfuß (entsprechend 20 Fuß Durchmesser).
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β Π 9 B 0 8 / 0 3 9 8

Claims (2)

  1. 2S35138
    Ansprüche
    Vorrichtung zur Ausnutzung der Windenergie, insbesondere zur Umformung der Windenergie in mechanische und/oder elektrische Energie, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (1, 15) mit einer Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung, einer Einrichtung (2, 12) zum Verändern der Flächen (O1, 0^) der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung relativ zueinander, einer Einrichtung (5) zum Messen der Geschwindigkeit des anströmenden Windes, einer mit der Einrichtung (5) gekoppelten Einrichtung (4) zum Einstellen des Verhältnisses zwischen den Flächen (03 und O2) entsprechend der gemessenen Windgeschwindigkeiten, einem vom Wind angetriebenen Windrad (6, 13), das in der Ausgangsöffnung (O-) angeordnet und vom Wind beaufschlagbar ist, ein Schwungrad (9), das mit dem Windgetriebenen Windrad (6, 13) gekoppelt ist, eine Kupplung (7) zum Kuppeln und Entkuppeln von Windrad und Schwungrad und durch einen Wechselstromgenerator (11), der mit dem Schwungrad (9) gekoppelt ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Messen der relativen Geschwindigkeit bzw. der Drehzahl des Windrades (6, 13) und des Schwungrades (9), ferner durch Einrichtungen, die mit der Kupplung verbunden sind, um das Windrad (6, 13) und das Schwungrad (9) zu kuppeln, wenn das Windrad schneller läuft als das Schwungrad.
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