DE2804711A1

DE2804711A1 - Windkraftmaschine

Info

Publication number: DE2804711A1
Application number: DE19782804711
Authority: DE
Inventors: Gert Ove Ottosen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-02-04
Filing date: 1978-02-03
Publication date: 1978-08-10
Also published as: DK47777A; GB1560064A; CA1086229A; DK151489C; US4180369A; DE2804711C2; IE46056B1; AU3303178A; IE780228L; SE7801205L; DK151489B; AU519583B2; SE437065B

Description

PATENTANWÄLTE

DR.-ING. WOLFRAM BUNTE DR. WERNER KINZEBACH

BAUERSTRA3SE M. D-BOOO MÜNCHEN 4O ■ FERNRUF (OBS) 3? 63 B3 - TELEX B21B2OB ISAR D POSTANSCHRIFT: POSTFACH 7BO. D-8OOO MÜNCHEN 43

3-

München/ 3. Februar 1978

M/19019

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Gert Ove OTTOSEN

Frederikssundsvey 25, e.tv., 2400 Copenhagen NV Dänemark

Windkraftmaschine

Die Erfindung betrifft also eine Windkraftmaschine, also eine Maschine, die ihre Antriebsenergie dem Wind entzieht.

In den letzten Jahren sind in zunehmendem Maße Anstrengungen unternommen worden, den Wind als Energiequelle auszunutzen. Bei den dabei durchgeführten Entwicklungen hat sich herausgestellt, daß unter dem Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit die besten Ergebnisse mittels einer Windturbine erreicht werden können, die durch einen Propeller bzw. ein Windrad mit zwei oder drei Flügeln bzw. Schaufeln angetrieben wird; dieses Windrad dreht sich auf einer horizontalen Achse, die durch eine Übersetzung mit einem Getriebe mit einem Generator gekoppelt ist.

Ein solches System wird auch als "Windkraftwerk" bezeichnet.

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Die Windturbine ist drehbar am oberen Ende einer Turmkonstruktion angebracht. Die Höhe einer solchen Turmkonstruktion liegt im Bereich von 30 Metern bis hinauf zu wenigstens 100 Meter, wobei die Länge der Schaufeln des Windrades üblicherweise ungefähr 60 % der Turmhöhe beträgt .

Ein solcher Turm muß relativ starr ausgebildet und konstruiert sein, da er die relativ schwere Windturbine mit den Windrädern tragen und darüber hinaus den Winddruck auf den Schaufeln des Propellers aufnehmen muß.

Einige Windturbinen sind so ausgelegt, daß sie auf dem Turm gegen den Wind laufen, während andere mit Rückenwind laufen können.

In beiden Fällen hat sich jedoch herausgestellt, daß der Turm die folgende, als "Schatteneffekt" bezeichnete Wirkung hat. Dieser Effekt beruht darauf, daß der Wind vor dem Erreichen des Turms in zwei Ströme aufgeteilt wird; ein Strom fließt auf einer Seite des Turms,während der andere Strom auf der anderen Seite fließt. Dies bedeutet wiederum folgendes: Wenn sich die Propellerschaufeln drehen, wird die diese Schattenzone durchlaufende Schaufel Windkräften ausgesetzt,die kaum eine Ähnlichkeit mit den Windkräften haben, die auf die Propellerschaufeln außerhalb der Schattenzone wirken. Als Ergebnis hiervon entwickeln sich Oszillationen oder Vibrationen der Propeller.

Durch geeignete Auslegung der Propellerschaufeln und durch die Auswahl von geeigneten Materialien kann der nachteiligen Wirkung dieser Oszillationen oder Schwingungen auf die Schaufeln entgegengewirkt werden; es ist bisher jedoch kein Weg bekannt geworden, wie man der Wirkung dieses Effektes auf die Schaufelwurzeln und die Nabe entgegenwirken kann.

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Mit Rückenwind-Windturbinen sind Experimente durchgeführt worden, um zu untersuchen, ob und wie der Schatteneffekt oder der Einfluß dieses Effektes verringert werden kann. Dabei stellte sich heraus, daß der Schatteneffekt etwas reduziert werden kann, indem für die Turmkonstruktion ein Gitterwerk verwendet wird; die besten Ergebnisse wurden erhalten, wenn alle Einzelteile der Gitterwerkkonstruktion Rohrform haben.

Es stellte sich jedoch auch heraus, daß sich der Schatteneffekt mit der Windrichtung ändert. Dies ist darauf zurückzuführen, daß es bei einem Turm mit Gitterkonstruktion horizontale, vertikale und quer verlaufende Elemente gibt.

Weiterhin ist vorgeschlagen worden, eine Turmkonstruktion mit einer Basis einzusetzen, die einen Turmteil haltert, dessen Querschnitt stromlinienförmig (das heißt, tropfenförmig) ist; dieser Turmteil trägt dann die Windturbine. Wenn der Wind auf den gebogenen Vorderteil eines solchen Turmteils trifft, wird der Schatteneffekt auf seiner Rückseite wesentlich verringert. In der offenen, freien Landschaft bläst der Wind jedoch nie in einer bestimmten, genau definierten Richtung, sondern in Richtungen, die jeweils in bezug auf die Hauptrichtung schwanken; dies bedeutet, daß sich der Schatteneffekt ständig ändert. Weiterhin muß der stromlinienförmige Turmteil drehbar sein, damit er in bezug auf die Hauptwindrichtung justiert werden kann, wenn sich der Wind ändert.

In Anbetracht dieser Nachteile der herkömmlichen Konstruktionen von Windkraftmaschinen ist es deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die nachteiligen Auswirkungen auf die Propeller Von Türmen zu verringern, die an ihrem oberen Ende nach Art eines Drehtellers eine Windturbine mit einem Propeller mit zwei oder drei Flügeln tragen, die auf einer im wesentlichen horizontalen Achse angebracht ist.

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Die Erfindung schlägt deshalb eine verbesserte Windkraftmaschine vor, in der zunächst als wesentlicher Punkt das Risiko eines Ermüdungsbruchs in den Wurzeln des Propellers und in der Nabe auf ein Minimum verringert wird; außerdem läßt sich der Verschleiß an den Lagern der Propellerachse reduzieren. Weitere Vorteile ergeben sich aus der nun folgenden, detaillierten Beschreibung.

Die Windkraftmaschine nach der vorliegenden Erfindung weist eine Turmkonstruktion auf, die an ihrem oberen Ende in einer Drehtelleranordnung eine Windturbine mit einem Propeller mit zwei oder drei Schaufeln trägt, der an einer im wesentlichen horizontalen Achse angebracht ist; an dem Turm sind streifenförmige Platten auf einer schraubenlinienförmigen Bahn angebracht, wobei die freien Ränder der Platten von dem Turm vorstehen.

Die streifenförmigen Platten können verbunden sein, so daß eine kontinuierliche, schraubenförmige Windung entsteht. In bestimmten Fällen können sie jedoch als im Abstand angeordnete, sektorförmige Bereiche ausgebildet sein, deren Flächen eine unterbrochene, schraubenförmige Windung bilden.

Die streifenförmigen Platten sind an der Turmkonstruktion auf herkömmliche Weise angebracht.

Wenn die Oberfläche des Turms glatt ist, können die streifenförmigen Platten so angebracht werden, daß sie sich direkt von dieser Oberfläche aus erstrecken.

Wenn der Turm eine Gitterkonstruktion hat, wird ein Mantel bzw. eine Umhüllung mit kreisförmigen: Querschnitt vorgesehen, um die Gitterkonstruktion wenigstens an dem Teil des Turms zu umgeben, an dem die schraubenförmige Windung angebracht ist.

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Die Steigung der schraubenförmigen Windung, die durch die streifenförmigen Platten gebildet wird, kann konstant oder variabel sein. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steigung kleiner als oder gleich 3 χ D, wobei D der maximale Durchmesser des Turmbereichs ist, der mit der schraubenförmigen Windung versehen werden soll. Beim Einsatz für einen Turm mit kreisförmigem, zylindrischem Schnitt mit dem Durchmesser d, wird eine Steigung von 2ΐί I 3 ,

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bevorzugt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematisehen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Windkraftmaschine, bei der die Windturbine auf einem starren, kegelförmig zulaufenden bzw. konischen Turm angebracht ist,

Fig. 2 eine Seitenansicht einer Windkraftmaschine, bei der die Windturbine auf einem starren, kreisförmigen, zylindrischen Turmbereich angebracht ist, und

Fig. 3 eine Seitenansicht einer Windkraftmaschine, bei der die Windturbine auf einer Gitterkonstruktion angebracht ist.

Wie sich aus Figur 1 ergibt, weist die Windkraftmaschine insbesondere ein Windkraftwerk, einen starren, nach oben kegelförmig zulaufenden Turm mit einer Basis 6 und einem oberen Abschnitt 7 auf. An dem oberen Ende des oberen Abschnittes 7 ist eine Windturbine mit einem Gehäuse 5 angebracht, das eine Propelleranordnung 2 mit zwei Propellerschaufeln 3 bzw. 4 trägt. Die Propelleranordnung ist auf

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übliche Weise an einer horizontalen Achse angebracht, die in Lagern in dem Gehäuse 5 gelagert ist. Die Achse ist mit einem Getriebekasten gekoppelt, durch den die Drehzahl der Propellerachse in einem Verhältnis.von ungefähr 1 : 50 erhöht und auf die Abtriebsachse der Übersetzung bzw. des Getriebes bzw. des Antriebs übertragen wird, das dann durch eine geeignete Kupplung einen Generator dreht.

Das Gehäuse 5, das die gerade beschriebenen Geräte enthält, ist drehbar an dem oberen Ende des Turms angebracht. Wenn der Propeller durch den Wind in der Rückenwindstellung angetrieben wird, wird das Gehäuse durch den Winddruck auf den Propeller in die entsprechende Stellung gedreht. An dem Turmbereich 7 ist eine schraubenförmige Windung angebracht, die aus Plattenstreifen hergestellt ist. Die Plattenstreifen sind so miteinander verbunden, daß sich eine kontinuierliche Schnecke bzw. Wendel bzw. Schraubenlinie ergibt, die sich von dem Turmabschnitt 7 aus in der Länge einer jeden Propellerschaufel erstreckt. Die Wendel fängt den Wind und erzwingt eine Windströmung zu der Windschatten- bzw. Lee-Seite des Turms. Diese Strömung wirkt den Schwingungen der Propellerschaufeln entgegen, wenn sie während ihrer Drehung den Turm passieren.

Die positive Wirkung dieser Wendel läßt sich auf einfache Weise nachweisen und feststellen. Während seiner Drehung entwickelt der Propeller immer ein bestimmtes, dröhnendes bzw. brummendes Geräusch» Bei einer Windkraftmaschine ohne diese Wendel ändert sich ständig der Ton dieses dröhnenden Geräuschs. Wird jedoch eine solche Wendel vorgesehen, so ergibt sich ein Dröhnschall mit konstanterem Ton.

In Figur 2 ist nur der obere Bereich einer Windkraftmaschine 11 dargestellt. Dabei ist eine starre Säule 17 vorgesehen, die an ihrem oberen Ende eine Windturbine trägt. Die Wind-

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turbine ähnelt im wesentlichen der in Figur 1 gezeigten Wind turbine und ist drehbar an dem oberen Ende angebracht, wobei jedoch die Drehachse der Propellerschaufeln 13 und 14 etwas relativ zur Horizontalen geneigt ist. Die Wendel 18 ähnelt der Wendel 8 nach Figur 1.

In Figur 3 ist schematisch eine Windkraftmaschine 21 dargestellt. Diese Windkraftmaschine weist einen Turm 27 mit Gitterkonstruktion auf, der an seinem oberen Ende die drehbar gelagerte Windturbine trägt. Ein Gehäuse 25 ähnelt dem in Figur 1 gezeigten Gehäuse 5. Die Drehachse für die Propellerschaufeln 23 und 24 ist horizontal. In einer Länge, die näherungsweise der Länge der Propellerschaufeln entspricht, ist der Turm mit einer Verkleidung bzw. Umhüllung bzw. einem Mantel 29 versehen; diese Umhüllung 29 trägt eine Wendel 28.

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Claims

Patentansprüche

1.) Windkraftmaschine mit einer starren Turmkonstruktion, die an ihrem oberen Ende in einer Drehtelleranordnung eine Windturbine mit einem Propeller mit zwei oder drei Schaufeln trägt, der an einer im wesentlichen horizontalen Achse angebracht ist, gekennzeichnet durch an dem Turm (7; 17; 27) in einer schraubenförmigen Bahn angebrachte streifenförmige Platten (8; 18; 28),deren freien Enden sich von dem Turm (7; 17; 27) erstrecken.

2. Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die streifenförmigen Platten (8; 18; 28) verbunden sind, so daß sie eine kontinuierliche, schraubenförmige Bahn bilden.

3. Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die streifenförraigen Platten im Abstand zueinander angeordnet sind, so daß sie eine unterbrochene, schraubenförmige Bahn bilden.

4. Windkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die streifenförmigen Platten (8; 18; 28) so angebracht sind, daß sie zwischen,1 und 3 Schraubengänge bilden.

5. Windkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Turmoberfläche wenigstens auf der Länge, welche die Propellerschaufeln (3, 4; 13, 14; 23,24) " während ihrer Drehung durchlaufen, glatt ist.

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ORIGINAL JNSPECTED

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6. Windkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der Schraube konstant ist.

7. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der Schraube auf der Länge des Turms (7; 17; 27) zunimmt.

8. Windkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung maximal 3 χ D beträgt, wobei D der maximale Durchmesser des mit der Schraube versehe-, nen Turmbereichs ist.

9. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer kreisförmigen, zylindrischen Oberfläche über die gesamte Länge der Propellerschaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung iff \b , ist, wobei d der Durchmesser der

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zylindrischen Oberfläche ist.

10. Windkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahn der Schraube in der Drehrichtung des Propellers abgeschrägt bzw. geneigt ist.

11. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahn der Schraube in der Drehrichtung des Propellers ansteigt.

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