-
Windkonverter mit vertikaler Achse.
-
Herkömmliche Windkonverter mit vertikaler Achse liefern einen Energieanteil,
der aus der Differenz der Strömungswiderstände der dem Wind zugekehrten Bauteile
zu denen dem Wind abgekehrten bezw. entgegen-und vorauseilenden Bauteilen resultiert.
Bekannteste Vertreter dieser Bauart sind Schalenkreuze und sog.
-
Savoniusrotoren.
-
Dieser Art der Konverter haften die Nachteile relativ schlechter Wirkungsgrade
und niedriger Abtriebsgeschwindigkeiten an.
-
Eine Ausnahme bildet ein nach seinem Erfinder Darrieus benannter Konverter,
bei dem ein eiförmig gebogenes, stromlinienförmig profiliertes Band um eine vertikale
Achse rotiert. Hierbei entfallen zwar die vorgenannten Nachteile, jedoch läuft dieser
Rotor nicht selbständig an.
-
Weiterhin ist für die beschriebenen Konverter charakteristisch, daß
die durch den Konverter hindurchtretende Windströmung im wesentlichen ihre Richtung.beibehält.
Die Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit steht zu der teils genutzten, teils innerhalb
des Konvertersystems verlorenen Energie in einem bestimmten Verhältnis.
-
Gegenstand der Erfindung ist ein selbstanlaufender Windkonverter mit
vertikaler Achse dadurch gekennzeichnet, daß durch die gesamte Gestaltung.seiner
äußeren Form und seiner Bauelemente eine Umlenkung der im wesentlichen horizontalen
Windströmung in eine vertikal nach oben gerichtete Strömung stattfindet, aus welcher
ein höherer Wirkungsgrad, als aus Strömungsverhältnissen in vorwiegend horizontaler
Richtung zu erwarten wäre, resultiert.
-
Ausführungsbeispiele werden im folgenden unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen beschrieben: Die Umlenkung der Strömung geschieht innerhalb des zwiebelförmigen
Gebildes, das die äußere Form des Konverters nach dem Erfindungsgedanken darstellt,
derart, daß'in seinem Innern ein spiralförmiger Wirbel entsteht, wie er in sog.
Windhosen und Tornados zu beobachten ist.
-
Die einzelnen als Blätter des Konverters zu bezeichnenden Bauelemente
sind so angeordnet, daß die Luftströmung diesem Wirbel folgend weitestgehend ungehindert
nach oben aus dem Konverter ausströmen kann.
-
Mit der Wirbelbildung ist jedoch innerhalb des Konverters eine Geschwindigkeitszunahme
zu verzeichnen, mit der eine Druckminderung sowie ein Absinken der !'emperatur einhergeht.
Dies wiederum bewirkt ein Nachsaugen von Zuftvolumina, deren Strömungsrichtung nicht
mehr zwingend mit der ursprünglichen Windrichtung übereinstimmen muß und deren Energieinhalt
zusätzlich vom Konverter genutzt wird. Hieraus ergibt sich eine höhere Energieausnutzung
als dies aus dem Energieinhalt der ursprünglichen Windströmung zu erwarten wäre,
was dem Umsetzungswirkungsgrad bezogen auf diese zugute kommt.
-
Vorteilhaft in einer Gesamtkostenanalyse wirkt sich ferner aus, daß
der Konverter außerordentlich einfach im Aufbau ist, wie im folgenden unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen an Ausführungsbeispielen beschrieben wird:
Folgende
Baueinzelheiten charakterisieren Windkonverter gemäß dem Erfindungsgedanken: a)
Mindestens 3 symmetrisch zu einer vertikalen Achse angeordnete im Quarschnitt plane
oder wahlweise profilierte einander identische Rohrblätter, b) Die Rotorblätter
sind an ihrem oberen wie unteren Ende verjüngt und nach außen gebogen und in an
sich bekannter Weise oben und unten derart befestigt, daß sie eine als sphärisch
zu bezeichnende Kammer bilden.
-
c) Durch diese Anordnung erhält jedes Blatt eine auf die Drehrichtung
bezogene Vorderkante, die in einer vertikalen Ebene liegt oder geringfügig von dieser
abweicht und eine Hinterkante, die gebogen ist und deren Abstand in Höhe zugeordneter
horizontaler Schnitte durch den gesamten Rotationskörper von der senkrechten Achse
größer ist, als derjenige der Vorderkante. Dadurch formt jedes Blatt eine Art "tasche"
d) Das untere Ende des Blattes ist verdreht angeordnet, derart, daß die Vorderkante
im unteren nahezu horizontalen Blattbereich höher liegt als die Hinterkante, wodurch
eine Aufwärtsbewegung der Strömung innerhalb der Kammer erreicht wird.
-
Die Vorteile und genauen Einzelheiten dieser Strömungsbewegung wurden
vorstehend angedeutet und sind später im einzelnen beschrieben.
-
Es wird fernerhin freigestellt, zur weiteren Verbesserung der Anlaufeigenschaften
sowie der eventuellen Gefahr eines Ubertourens zu begegnen, kleinere sog.
-
Sekundärblätter anzuordnen. Diese sind derart beweglich an den Hauptblättern
befestigt, daß sie zu diesen einen Zwischenraum bilden, der bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten
einen Düseneffekt hervorruft.
-
Bei höheren Geschwindigkeiten werden die Sekundärblätter durch Fliehkraft
nach außen bewegt, schließen dadurch den Zwischenraum und wirken in der Art einer
lJuftbremse reduzierend auf die Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors.
-
Ausführungsbeispiele und ihre Funktionen werden nun anhand der Zeichnungen
im einzelnen beschrieben.
-
Fig.1 zeigt eine der möglichen Ausführungen, wie ein Windkonverter
mit den beschriebenen Eigenschaften aufgebaut sein kann.
-
Fig.2 stellt den Rotorkopf allein in Seitenansicht (Ansicht II-II
in Fig.3) dar.
-
Fig.3 zeigt den Rotorkopf in Draufsicht.
-
Fig.4 zeigt den Rotorkopf im Schnitt gemäß IV-IV in Fig.2.
-
Fig.5 zeigt den Schnitt V-V aus Fig.4, jedoch nur ein Blatt. Zur besseren
Übersicht sind die anderen Blätter fortgelassen.
-
Fig.6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der unteren Befestigung der Rotorblätter
in Draufsicht.
-
Fig.7 zeigt die untere Befestigung von Fig.6 (auch untere Nabe genannt)
in Seitenansicht.
-
Fig.8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Rotorkopfes mit den
beschriebenen Sekundärtaschen in Seitenansicht.
-
Fig.9 zeigt die Ausführung der Fig.8 in Draufsicht.
-
Fig.10 zeigt die Ausführung der Fig.8 von unten gesehen.
-
Fig.ll zeigt die Seitenansicht eines Einzelblattes der Ausführung
Fig.8.
-
Fig.12 zeigt einen Schnitt entlang der Linie XII-XII aus Fig.ll.
-
Fig.13 zeigt den Schnitt entlang XIII-XIII aus Fig.ll.
-
Zu den Zeichnungen im einzelnen: Fig.l zeigt den Rotorkopf 10, der
sich mittels eines Gleit- oder Kugellagers auf einem Mast, Sockel oder sonstigem
Fundament dreht. Der Rotor 10 hat eine Achse 13 über seine ganze Höhe, deren unteres
Ende 13' an ein Getriebe 14 angekoppelt ist, das, in dieser Ausführungsform, über
einen Treibriemen 15 einen Generator 16 antreibt, der mit dem Getriebe zusammen
vorzugsweise in einem Gehäuse 17 untergebracht ist, das gleichzeitig den oberen
Teil des Mastes oder Fundamentes darstellen kann.
-
Ein Lagergehäuse 18 ist Teil der unteren Nabe 19 (Fig.6) und mit einem
Flansch 12 auf dem Gehäuse 17 angebracht.
-
Diese Teile sind nur schematisch dargestellt, da es sich um Komponenten
nach bekanntem Stand der Technik handelt, die nicht Teil der Erfindung sind.
-
Vorzugsweise ist in dem Gehäuse 17 ein Regulator 20 untergebracht,
der die Spannung des Generators überwacht und mittels eitungen 21 sowohl mit dem
Generator wie mit Verbraucher verbunden ist.
-
Fig.l zeigt eine allgemeine Ansicht eines Windkonverters nach dem
Erfindungsgedanken. Es wird vorausgesetzt, daß sich die äußere Gestaltung nach dem
Aufstellungsort in Abhängigkeit von möglichst windgünstigen Verhältnissen richtet
und daß die aus der Windbewegung W resultierende Umsetzung der Energie in beliebiger
Form nutzbar gemacht werden kann. So kann die im Beispiel 1 gezeigte Umsetzung in
elektrische Energie gleichermaßen in mechanische Energie erfolgen, zu welchem endgültigen
Zweck die Energie auch immer verwendet werden mag.
-
Der Rotor selbst ist in Fig.2, 3 und 4 dargestellt und besteht in
dem Ausführungsbeispiel aus 7 konzentrischen Blättern 22a bis g. Jedes Blatt ist
durch Niet-, Schraub-, Klemm- oder Schweißverbindung 23 mit einer oberen Nabe 24
verbunden, die wiederum mit dem oberen Ende der senkrechten Achse 13 fest verbunden
ist.
-
Jedes Blatt bildet eine auswärts gerichtete Kurve wie es der Fig.5
zu entnehmen ist und ist an seinem unteren Ende in beschriebener Weise mit der unteren
Nabe 19 verbunden, die aus 7 Armen 26 besteht wie in Fig.7 dargestellt. Jeder der
7 Arme ist um etwa 150 verdreht, wobei dieser Winkel verschiedenen äußeren Umständen
angepaßt und damit verändert werden kann, z.B Größe und Leistung des Konverters
sowie Drehzahl und erwarteten Windverhältnissen. Die Stellung der Arme 26 bewirkt
eine entsprechende Stellung der unteren Blattteile, deren Wirkungsweise im einzelnen
unten beschrieben wird.
-
Wie am besten aus Fig. 2 und 4 zu ersehen ist, ist jedes Blatt aus
einem Streifen Blech hergestellt.
-
Die eine Kante 27 ist vorzugsweise gerade und steht im wesentlichen
senkrecht. Sie bildet während der Rotation die Vorderkante des Blattes. (Es ist
zu beachten, daß diese künftig als Vorderkante bezeichnete Blattkante bezogen auf
die Strömung des Windes im abfließenden Teil des Rotors die Blatthinterkante bildet).
-
Die Blatthinterkante 28 ist gebogen ausgeführt und steht gegenüber
den vergleichsweise schmalen Enden des Blattes nach außen hin vor bezogen auf die
zentrale Achse, so daß sie bei X den größten Abstand von dieser hat.
-
Die gesamte "Kammer, die sich durch die Form der Blätter bildet, hat
sphärische oder sphäroide Form und kann durch Veränderung der Position der oberen
Nabe auf der Achse 13 flacher oder in senkrechter Richtung gestrecktere Form erhalten.
Hierdurch ist eine weitere Anpassung an örtliche Gegebenheiten möglich und eine
zwiebelähnliche Form ist hierdurch gegeben. Es soll hiermit festgestellt werden,
daß im wesentlichen eine sphärisch geformte Kammer durch die Blätter gebildet wird,
die im folgenden mit angenähert sphärisch bezeichnet sein soll.
-
Eine weitere wesentliche Eigenschaft des nach diesem Prinzip hergestellten
Rotors ist es, daß die Blätter eine Art Tasche bilden, die dem Wind entgegen gerichtet
ist. Nit anderen Worten und bezugnehmend auf Fig. 3 oder 4 ist es wichtig, daß die
taschenbildende Hinterkante 28 des Blattes 22a besonders an dem von der Achse 13
am weitesten entfernten Punkt weiter entfernt ist, als die Vorderkante 27. Da die
Gesamtform des Rotors symmetrisch ist, heißt dies, daß alle
Hinterkanten
der Blätter weiter von der Achse 13 entfernt sind als ihre Vorderkanten. Wäre dies
nicht so, würde ein Blatt das nächste gegenüber dem Wind abschirmen, der in dem
Beispiel Fig.2 als aus Richtung W kommend angenommen wird. So aber wird der Wind
den Rotor in gezeichneter Position bei Ansicht von oben im Uhrzeigersinn drehen.
-
Allerdings wird der Wind versuchen, die rückwärtigen Blätter, z.B.
22e, in entgegengesetzter Richtung zu drehen, jedoch die Luft, die z.B. vom Blatt
22a erfaßt wird und in die angenähert sphärische Kammer einströmt, hat eine größere
Kraft, als die Strömung, die gerade eben den äußeren Teil des gegenüberliegenden
Blattes streift. Bei der Rotation nehmen alle Blätter nacheinander die Position
von Blatt 22a ein und es wird dadurch die größtmögliche Kraft aus dem Wind erzeugt.
-
Die Vorderkante der Blätter 27 wurde als gerade beschrieben. Dies
bezieht sich auf den Zuschnitt des Blattes und es liegt auf der Hand, wie in Fig.5
zu ersehen, daß diese gerade Kante im Fertigzustand eine Wölbung nach außen aufweist.
Die Projektion der Kante 27 auf die Achse 13 bleibt dabei vorzugsweise gerade, nicht
aber unbedingt, wie durch Verdrehen der oberen Nabe relativ zur unteren erreicht
werden kann. Die in Form einer Kurve zugeschnittene Kante 28 jedoch stellt in jedem
Falle nach Fertigstellung in beliebiger Richtung eine Kurve dar.
-
Zusätzlich zu den erwähnten Blattkurven erhält das untere Ende eines
jeden Blattes durch die Befestigung an den Armen 26 eine Verdrehung. Wie in Fig.2
zu sehen ist, bringt die Verdrehung des unteren Endes 22' des Blattes 22a der Luft
strömung eine aufwärts gerichtete Fläche entgegen. Auch Fig.5 zeigt diese Verdrehung
des Blattendes. Die Vorderkante 27 liegt also bezogen
auf die waagerechte
Drehebene höher und die Hinterkante 28, die beim Einströmen des Windes diesem als
erste entgegengerichtet ist, niedriger. Dadurch erfährt der Luftstrom eine vertikale
Ablenkung nach oben. Innerhalb der Kammer führt diese Ablenkung zur Einleitung einer
Drehbewegung der Luftsäule im Sinne eines aufwärts gerichteten Wirbels, wie er hierzulande
bei sog. Windhosen und in großem Maßstab bei Tornados zu beobachten ist.
-
Die durch die Drehbewegung hervorgerufene Beschleunigung der Luftmassen
bringt gleichzeitig einen Druckabfall nach dem physikalischen Gesetz der Konstanz
des Produktes aus Druck und Geschwindigkeit mit sich.
-
Die Folge davon ist gleichzeitig ein Temperaturabfall, der durch Nachschub
weiterer Energie zum Ausgleich strebt. Diese wiederum wird durch induzierten Zustrom
weiterer Luft geliefert, wodurch der Wirkungsgrad der gesamten Anordnung über den
aus rein aerodynamisch herrührenden Verhältnissen hinauswächst.
-
Als Nebeneffekt dieser Strömungsverhältnisse resultiert, daß eine
nach oben gerichtete Kraftkomponente auf den Rotorkopf wirkt, die bestrebt ist,
diesen anzuheben-and damit sein Gewicht auf die Lagerung 12/18 zu reduzieren und
die Reibungskräfte zu verringern, was den gesamten Laufeigenschaften zugute kommt
und den Wirkungsgrad weiter erhöht.
-
Diese Aufwärtsbewegung der Luftströmung kann weiterhin unterstützt
werden, indem, wie erwähnt, die Vorderkante 27 gegenüber der Vertikalen schräggestellt
wird, wie dies durch Verdrehung der oberen Nabe 24 gegenüber der unteren 19 dergestalt
erreicht wird, daß die Verdrehung der oberen Nabe in Drehrichtung des RotorkopSes
erfolgt, so daß die Vorderkante des-Blattes im oberen Teil gegenüber dem unteren
voreilt, bis der Winkel der Vorderkante zur Vertikalen etwa t;O beträgt.
-
Fig. 8 bis 13 zeigen eine weitere Konfiguration eines Windkonverters
gemäß der Erfindung. Die Form des gezeigten Rotorkopfes ist mit der in den voraufgegangenen
Ebbildungen gleich mit der Ausnahme, daß zusätzlich sog. Sekundärtaschen angebracht
wurden.
-
Konsequenterweise werden die unveränderten Teile nicht noch einmal
beschrieben und erhalten die gleichen Bezeichnungen.
-
Die Sekundärtaschen 32 a bis g sind untereinander gleich und jeweils
an den zugehörigen Blättern 22 a bis g befestigt. Beispiel 32a in Fig. 11 und 12
zeigt,.daß sie kleiner sind als das Hauptblatt 22a aber gleich in der Form, d.h.
mit einer geraden Vorderkante und gebogenen Hinterkante. Oberes und unteres Ende
jeder Sekundärtasche ist an dem Hauptblatt durch Schraub-, Niet-oder ähnliche Verbindung
befestigt. Als Herstellungsmaterial für die Blätter allgemein kommt Stahl Aluminium,
andere Metalle oder auch Kunststoff in Frage, die Sekundärblätter werden jedoch
vorzugsweise aus leichterem und biegsamerem Material als die Hauptblätter gefertigt.
Zusätzlich kann die Hinterkante der Sekundärtasche mit einem Streifen 42 eines schwereren
Materials, vorzugsweise Blei, beschwert werden.
-
Die Relativstellung des Hauptblattes zur Sekundärtasche, wie in Fig.13
dargestellt, entspricht den Bedingungen während des Stillstandes und der Drehung
bei leichtem Wind. Dabei liegt die Hinterkante der Sekundärtasche 38 hinter der
Hinterkante des Hauptblattes. Dies ruft den 'Taschent'-Effekt hervor, indem jedes
Blattpaar bei Jeder Umdrehung einmal in den vollen Windstrom gerät, wie dies in
Fig.lO in der Stellung der Blätter 22a und 32a gezeigt ist. Dieser Umstand trägt
dazu bei, daß der Windkonverter bei sehr niedrigen Windgeschwindigkeiten bis herab
zu 2 bis 2,5 m/s anläuft.
-
Zusätzlich ergibt sich in der Stellung 22b und 32b in Fig.1O ein
Düseneffekt dadurch, daß der Wind in den Zwischenraum 41 eintritt, der von beiden
Blättern gebildet wird. Dieser Zwischenraum verjüngt sich bei 41', wodurch der Windstrom
beschleunigt wird, bevor er in den Innenraum des Konverters eintritt. Dieser Düseneffekt
ist als Folge der Anordnung gemäß dem Erfindungsgedanken anzusehen.
-
Nimmt die Drehzahl des Konverters zu, -so bewirkt die Fliehkraft,
die auf die beschwerten Hinterkanten der Sekundärtaschen 38 wirkt, eine Verengung
des Zwischenraumes 41, wodurch der Düseneffekt immer noch bestehen bleibt. Bei sehr
hohen Geschwindigkeiten schließt die Fliehkraft den Zwischenraum 41 allmählich fast
ganz, so daß die Öffnung nun enger ist als bei 41'.
-
In dieser Stellung wirkt die Sekundärtasche als Bremse für den Fall,
daß der Konverter Gefahr läuft, seine vorgegebene Auslegungsdrehzahl zu überschreiten,
wie dies beispielsweise durch einen plötzlichen Ausfall der Last verbraucherseitig
geschehen könnte. In diesem Sinne erfüllt die Sekundärtasche eine gewisse Sicherheitsfunktion.
-
In den Zeichnungen wurden 7 Blätter dargestellt, bzw. Blattpaare.
Zwar ist dies die bevorzugte Blattzahl, sie kann jedoch variiert werden. Ungerade
Blattzahlen sind im allgemeinen zu bevorzugen, weil sie erfahrungsgemäß eine bessere
Anlaufbereitschaft zeigen, selbst wenn der Wind nur sehr schwach weht.
-
5- und 6-blättrige Rotoren arbeiten jedoch gleichfalls zufriedenstellend.
Eine Ausführung bis herab zu drei Blättern ist möglich, jedoch nicht zwei. Die Dreiblattausführung
bringt jedoch weniger Leistung als die 5-oder 7-Blattausführung, weil die sphärische
Kammer im Innern des Konverters sich nicht so klar herausstellt.
-
Nach oben hin kann die Blattzahl Sieben überschreiten.
-
Z.B. hat sich eine Neunblattausführung in Gebieten mit extrem niedrigen
Windgeschwindigkeiten gut bewährt.
-
Selbst 11 Blätter, (wie auch 8 oder 10) sind ausführbar. Jedoch steigen
mit zunehmender Blattzahl die reinen Fertigungsprobleme; insbesondere die Befestigung
der Blattenden bereitet Schwierigkeiten. Gleichfalls wird die mittlere Breite der
Blätter naturgem>ß kleiner und es ergeben sich Festigkeitsprobleme.
-
Theoretisch ist der Blattzahl nach oben keine Grenze gesetzt. Man
wird jedoch aus praktischen Erwägungen kaum neun Blätter überschreiten.
-
Die Zeichnungen und Beschreibungen beziehen sich auf bestimmte Beispiele,
an denen der Erfindungsgedanke erläutert werden soll. Selbstverständlich sind zanl
-lose Änderungen hinsichtlich Größe und Form möglich, die sich im Rahmen des Erfindungsgedankens
bewegen, wie in den folgenden Schutzansprüchen näher ausgeführt.