DE2949057A1

DE2949057A1 - Windrad fuer ein windkraftwerk, insbesondere ein kleinkraftwerk

Info

Publication number: DE2949057A1
Application number: DE19792949057
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr.-Ing. 5207 Ruppichteroth Meyer zur Capellen; Adolf 5063 Overath Schmidt
Original assignee: Meyer Zur Capellen heinz dr-Ing
Current assignee: Meyer Zur Capellen heinz dr-Ing
Priority date: 1979-12-06
Filing date: 1979-12-06
Publication date: 1981-06-11

Description

Titel: Windrad fur ein Windkraftwerk, insbesondere ein Kleinkraftwerk Die Erfindung betrifft ein Windrad für ein Windkraftvörk, insbesondere ein Kleinkraftwerk, welches zur Energieversorgung von kleinen Betriebseinheiten, wie Ein- bis Dreita illenhausern oder in Energiebedarf vergleichbaren Einheiten Verwendung findet.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Windrad zu schaffen, welches bei kleinen Bauabmessungen zur Deckung des Energiebedarfs insbesondere von kleinen Betriebseinheiten verwendbar ist und iit welchem sich möglichst auch schon bei geringeren Windgeschwindigkeiten ab etwa Im/sec die Windenergie zur Stromerzeugung wirtschaftlich ausnutzen läßt.
Das erfindungsgemäße Windrad kennzeichnet sich durch eine Vielzahl von Flügeln, die zwischen der Nabe und einem Außenring befestigt sind. Dabei ist das Windrad vorzugsweise vollflächig mit Flügeln besetzt, was besagt, daß über den Windradumfang verteilt die radialen Flügel so dicht nebeneinander angeordnet sind, daß in der Ansicht in Richtung der Windrad-Laufachse praktisch die gesamte wirksame Fläche des Windrades im Ruhezustand durch die Flügel vollständig abgedeckt iste Es versteht sich, daß die radialen Flügel Jeweils mit dem aerodynamisch erforderlichen Anstellwinkel zwischen der Nabe und dem Außenring angeordnet sind.
Das erfindungsgemäße Windrad erhält zweckmäßig einen Durchmesser von etwa 3 - 5 m; es weist bei zumindest angenähert vollflächiger Flügelbesetzung auf dem Umfang etwa 20 - 50 Flügel auf.
Das Windrad arbeitet als Langsamläufer, welcher einen entsprechend ausgelegten Generator antreibt, der geeignet ist, bei Joder Drehzahl des Windrades Energie zu erzeugen. Im Hinblick auf eine einfache und kompakte Bauweise wird der elektrische Generator zweckmäßig in oder an der Nabe des Windrades angeordnet.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung erhält der genannte Außenring des Windrades vorteilhafterweise eine solche Breite, daß er an der Anströaseite und an der Abströmseite des Windrades über die Flügel axial vorspringt.
Ferner wird zweckmäßig die anströmende Luft ir radialen Bereich der Windradnabe über einen etwa kegelförmigen Leitkörper, der sich nach außen verJüngt und die axiale Verlängerung der Nabe bildet, auf die Flügelflächen geleitet.
Der breite Außenring verhütet dabei das Abströmen der durch den Leitkörper verdrängten Luft vor den Flügeln nach außen, Auf der Abströmseite befindet sich zweck zig ebenfalls ein etwa kegelförmiger, sich nach außen verJUngender Leitkörper od.dgl. in axialer Verlängerung der Nabe, der wie der Außenring ein Einströmen der Luft von dieser Seite aus auf die Flügelflächen verhindert. Außerdem dient der Außenring, wie erwähnt, als Außenbefestigung für die einzelnen Flügel. Die nach aerodynuischen Grundsätzen geformten Flügel werden zweckmäßig in Leichtbauweise gefertigt, vorzugsweise derart, daß sie aus einem Hartschaumstoffkern mit einer glatten Außenhaut, insbesondere aus Leichtmetall, bestehen.
Mit zunehmender Windgeschwindigkeit erhöht sich in zunehmendem Maße die Drehzahl des Windrades. Um zu hohe Drehzahlen aus Festigkeitsgründen zu vermeiden, ist eine Drehzahlbegrenzung in Abhängigkeit von der Wind6eschwindigkeit erforderlich. Das wird zweckmäßig über die Änderung des Anstellwinkels der einzelnen Flügel zur Windrichtung erreicht. Hierbei werden die Flügel vorteilhafterweise einzeln zwischen Nabe und Außenring derart drehbar gelagert, daß sie sich selbsttätig in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit gegen eine Federrückstellkraft verstellen.
Um die Windenergie möglichst gut auszunutzen, iuß stets die Parallelität der Windrichtung u Windrad und der Windradachse gewährleistet sein. Der aus unterschiedlichen Richtungen wehende Wind erfordert daher eine Drehbarkeit des Windrades senkrecht zu seiner horizontalen Drehachse.
Die konstruktive Ausbildung dieser Drehachse wird zweckmäßig auf der Anströmseite des Windrades über die Verlinierung des Leitkörpers nach außen durch einen Triger und die Lagerung des freien Trägerendes auf einen Mast, Gerüst od.dgl. erreicht. Der dadurch bedingte Abstand des Windradschwerpunktes von der vertikalen Drehachse des erfindungsgemäßen Windrades bewirkt, daß das Windrad Jeder Richtungsänderung der Windkraft - ähnlich wie ein Pendel der Schwerkraft - folgt und sich so auf die Jeweils gUnstigste Stellung zur Windrichtung ausrichtet.
Die durch die wechselnde Windleistung bedingte wechselnde elektrische Leistung des von dem Windrad angetriebenen Generators kann durch elektrolytische Zersetzung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff erreicht werden. Diese Gase werden gespeichert. Dadurch ist eine konstante Nutzung als Heiz- uder Antriebsenergie gegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend im Zusammenhang mit dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 im Schnitt ein erfindungsgemäßes Windrad nebst seiner Lagerung; Fig. 2 in starker schematischer Vereinfachung das Windrad gemäß Fig. 1 in einer Ansicht in Richtung der Windradachse; Fig. 3 einen einzelnen schematisierten Flügel des Windrades gemäß den Fig. 1 und 2.
Das Windrad 10 ist mit seiner Nabe 11 an einem horizontalen Windradträger 12 so gelagert, daß es um die horizontale Laufradachse 13 des Trägers 12 drehbar ist. Konzentrisch zu der Nabe 11 weist das Windrad 10 einen Außenring 14 auf. Die radialen Flügel 15 sind mit ihren beiden Enden Jeweils zwischen der Nabe 11 und dem Außenring 14 gelagert. Wie vor allem Fig. 3 zeigt, weist Jeder Flügel 15 an seiner einen Längskante ein Flügelrohr 16 auf, mit welchem der Flügel um eine z.B. rohrförmige Achse 17 schwenkbar ist, die an ihrem einen Ende an der Nabe 11 und an ihrem anderen Ende an dem Außenring 14 festgelegt ist. Die Flügel 15 sind daher um das von der Achse 17 gebildete Schwenklager von der in Fig. 1 gezeigten Arbeitsstellung, in der sie mit dem gewünschten Anstellwinkel zur Windrichtung ausgestellt sind, in Pfeilrichtung S ausschwenkbar. Die Drehung der einzeln aufgehängten Flügel 15 in Pfeilrichtung S erfolgt gegen die Rückstellkraft einer Federvorrichtung od.dgl., so daß die Stellung der Flügel von der Windgeschwindigkeit abhängig ist. Bei zunehmender Windg.schwindigkeit können daher die Flügel 15 gegen die Federrückstellkraft soweit in Pfeilrichtung S ausschwenken, daß die Flügel dem Wind nur einen vergleichsweise kleinen Widerstand bieten und ein unzulässiger Anstieg der Windrad-Drehzahl vermieden wird. Die genannten Federvorrichtungen können z.B. aus Schraubenfedern bestehen, welche endseitig auf den Schwenkachsen 17 der Flügel 15 sitzen und mit den Flügeln 15 so verbunden sind, daß eine Drehun6 der Flügel in Pfeilrichtung S nur gegen die Rückstellkraft dieser Federn erfolgen kann. Anstelle der Schraubenfedern können aber auch andere Federelemente, z.B. Torsiontedern od.dgl., vorgesehen werden.
Es ist erkennbar, daß das dargestellte Windrad 10 auf sisehender nem Uliang eine Vielzahl in dichtem Abstand zueinanderadialer Flügel 15 aufweist, derart, daß, wie die schematische Ansicht der Fig. 2 zeigt, eine vollflächige Besetzung des Windrades mit Flügeln vorliegt.
Der Außenring 14 weist eine Breite auf, die größer ist als die Breite der Flügel 15. Infolgedessen ragt der Außenring 14 auf beiden Seiten in Axialrichtung über die Flügel vor, wie dies in Fig. 1 bei 14' und 14" angedeutet ist0 Außerdem sind auf beiden Seiten der Nabe 11 in deren VerlEngerung etwa kegelförmige Leitkörper 18 und 19 vorgesehen, die sich in Richtung der Windradachse 13 nach außen ver-Jüngen und ebenfalls nach außen vorspringen. Die Leitkörper 18 und 19 können feststehend an dem Träger 12 und der ihn bildenden festen Achse 13 oder aber auch an der Nabe 11 befestigt sein, so daß sie sich mit der Nabe drehen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der auf der Anströmseite liegende Leitkörper 18 mit der Nabe 11 verbunden, während der auf der Abströmseite liegende Leitkörper 19 gegenüber dem rotierenden Windrad ieststehend an der Achse 13 gelagert ist. Die Windrichtung ist in Fig. 1 durch den Pfeil W anströmonde Luft auf die Flügelfllchen.
Der breite Außenring 14 mit dem beidseitigen überstand 14', 14" verhütet das Abströmen der durch den Leitkörper 13 verdrängten Luft vor den Flügeln 15 nach außen. Darübe+inaus vermindert der Außenring 14 und der Leitkörper 19 das Einströmen von Luft hinter den Flügeln.
Die nach aerodynalischen Grundsätzen geformten Flügel 15 werden in Leichtbauweise hergestellt. In bevorzugter Ausführung weisen sie einen ausgeformten Kern 20 aus Hartschaumstoff z.B. Polyurethan-Schaumstofi und eine glatte Außenhaut 21 auf, vorzugsweise aus Leichtmetall.
Der elektrische Generator wird zweckmäßig in der Nabe 11 und den sich hieran anschließenden Leitkörpern 18, 19 untergebracht, so daß eine gesonderte Aufstellung des Generators entfallen kann.
Das Windrad 10 ist mit seinem auskragenden Windradträger 12 an einem Gerüst oder Mast 22 um dessen lotrechte Achse irei drehbar. Auigrund des Abstandes des Windradschwerpunktes von der lotrechten Drehachse wird kein besonderer Leitilügel oder ein sonstiges Hilfsgerät benötigt, welches das Windrad in die Jeweilige Windrichtung einstellt. Vielmehr kann das Windrad 10 durch Drehung um die genannte lotrechte Achse Jeder Richtungsänderung des Windes - ähnlich wie ein Pendel der Schwerkraft - praktisch ohne Verzögerung folgen, so daß es sich Jederzeit auf die günstigste Stellung zur Windrichtung ausrichtet. Leerseite

Claims

Titel: Windrad für ein Windkraftwerk, insbesondere ein Kleinkraftwerk Anspriiche Windrad für ein Windkraftwerk, insbesondere ein Kleinkraftwerk, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl an Flügeln (15) zwischen der Nabe (11) und einem Außenring (14) befestigt ist.
2. Windrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es im wesentlichen vollflächig mit Flügeln (15) besetzt ist.
3. Windrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß seine wirksame Fläche etwa 4 - 20 m2, vorzugs-2 weise 5 - 10 m2, beträgtO 4.
Windrad nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenring (14) eine solche Breite hat, daß er an der Zuströmseite und der Abströmseite des Windrades (10) Uber die Flügel (15) axial vorspringt.
So Windrad nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Seiten des Windrades in Verlängerung der Nabe (11) etwa kegelförmige, sich nach außen verjüngende Leitkörper (18,19) angeordnet sind.
6. Windrad nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (15) einzeln zwischen Nabe (11) und Außenring (14) verstellbar gelagert sind.
7. Windrad nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (15) selbsttätig winddruckabhängig verstellbar sind.
8. Windrad nach Anspruch 7, dadurch geknnzeichnet, daß die Flügel (15) gegen eine elastische Rückstellkraft bis zu einer etwa achsparallelen Schwenklage winddruckabhängig verstellbar sind.
9. Windrad nach einem der Ansprüche 1- 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (15) aus einem Hartschaumstoffkern (20) mit einer Außenhaut, insbesondere aus Leichtmetall, bestehen.
10. wAindrad nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator des Windrades (10) in der Nabe (11) angeordnet ist0
11. Windrad nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß es an einem etwa horizontalen Träger (12) gelagert ist der um die Achse eines Mastes, Gerüstes (22) od.dglO frei schwenkbar ist0