-
WINDTURBINE
-
Die Erfindung betrifft eine Windturbine zur Umwandlung der Windenergie
in elektrische Energie.
-
Es sind zwei bedeutende Konzepte vonWindturbinenbekannt, wie sie etwa
in der Studie ". Energiequellen für Morgen?", Teil III: Nutzung der Windenergie;die
Seiten 59 bis 69;Herausgegeben vom Bundesminister für Forschung und Technologie,
Umschau-Verlag,1976.
-
Diese zwei bedeutende Konzepte sind: Darieus-Rotor und Hütter-Maschine.
-
Die wichtigsten Nachteile von Darieus-Rotor sind: -- Ohne Zusatzsystem
ist kein selbständiges Anlaufen des Rotors möglich.
-
-- Die Leistungsregelung ist bisher nicht befriedigend gelöst.
-
Die Regelung ist nur durchzusätzlicheaerodynamische Mittel erreichbar,
die das Gesamtkonzept technisch komplizierter und teurer werden lassen. --- Große
absolute Rotorblattlängen.
-
Nachteile von Hütter-Maschine: -- Die geschränkten, sich verjungenden
und nicht symmetrischen Rotorblätter bzw.-profile verursachen einen aufwendigen
Formenbau.
-
-- FUr die Herstellung der Rotorblätter können keine billige Werkstoffe
( z.B. Segeltuch) verwendet werden.
-
-- Rotor kann nur eine horizontaie Achse haben, die gegenüber einer
vertikalen Achse unterlegen ist.
-
Dieser Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine leistungsfähige
(in der GröEenOrdnung von einigen ), wirtschaftliche und leicht zu herste7lende
Windturbine zu schaffen, die die Windenergie in elektrische Energie umwandelt, damit
ein großer Teil des elektrischen Energiebedarfs über die Windenergie gedeckt wird.
-
Es sollen die ernten Nachteile von Darieus-otor und Hütter-Maschine
bei dieser neuen Windturbine nicht vorhanden sein.
-
Diese Aufgabe wird erfindngsgemaß dadurch gelöst, a) daß der Rotor
um ein vertikales, seilverspanntes Tragrohr langsam rotiert, und mindestens drei
Flügel aufweist, die einfache Formen haben z.B. rechteckig, wobei die Flügel durch
Tragrahmen getragen werden, b) daß diejenigen Flügel, die sich jeweils mit dem Wind
bewegen, senkrecht zur waagerechten Ebene stehen und die übrigen Flügel parallel
zur waagerechten Ebene liegen, 90 daß die Flügel unterschiedliche Widerstände gegen
den Wind leisten, und dadurch ein Drehmoment im Rotor entsteht, c) daß die Steuerung
der Flügellagen ( von senkrechter Lage in waagerechter Lage und umgekehrt) durch
den Wind durchgeführt wird mittels einer Vorrichtung, die das Drehen des Flügels
um ein Paar Grade um seine vertikale Lagerungsachse in einem Drehen des Flügels
bis 9O0um seine horizontale Lagerungsachse umwandelt, d) daß die zur Flügelsteuerung
erforderliche Vorrichtung aus einer mit dem Flügel fest verbundenen Trommel und
zwei Seilen besteht, wobei die zwei Seile einerseits mit der Trommel und andererseits
mit dem Tragrahmen des Flügels verbunden sind,
so daß das Drehen
des Flügels um seine vertikale Lagerungsachse die Abwicklung des einen und die Aufwicklung
des anderen Seiles von bzw. auf der Trommel verursacht und dadurch bis zu einer
Vierteldrehung (=900) der Trommel bzw. des Flügels um seine horizontale Lagerungsachse
bewirkt wird, e) daß diese unter d erwähnte Vorrichtung auch aus einem mit dem Flügel
fest verbundenen Zahnrad und einer mit dem Tragrahmen des Flügels befestigten Zahnstange
bestehen kann, wobei das Zahnrad und die Zahnstange im Eingriff stehen, f) daß die
Drehzahlregelung des Rotors durch das Festhalten der Flügel in der waagerechten
lage geschieht, so daß der Wind nur die scharfen Kanten der Flügel trifft und dadurch
das Drehmoment des Rotors herabgesetzt wird.
-
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestenen insbesondere darin:
a) Daß diese Windturbine für sehr große Leistungen (MW-Bereich) gut geeignet ist,
da ihre Flügelflächen sehr groß gemacht werden können.
-
b) Daß das Tragrohr oder der Tragturm dieser Windturbine nicht hoch
zu sein braucht, wenn sie an der Küste oder auf dem Berg steht.
-
c) Daß die Konstanthaltung einer bestimmten Rotordrehzahl einfach
und präzis ist.
-
d) Daß diese Windturbine bei allen Windgeschwindigkeiten und -richtungen
leistungsfähig bleibt und kein Zusatzsystem zum Anlaufen braucht.
-
e) Daß diese Windturbine aus billigen Werkstoffen besteht und ihre
Herstellung einfach ist. Sie kann sowohl in Industrie- als auch in allen Entwicklungslandern
produziert werden.
-
Anhand der beigefügten Zeichnungen soll ans Beispiel einiger bevorzugten
Ausführungsformen der Gegenstand der Erfindung naher erläutert werden.
-
In den Zeichnungen zeigen: FIG1: Rotor mit vier Flügeln schematisch
dargestellt in Draufsicht.
-
Die dicken Pfeile (0,7 mm) deuten die Windrichtung an; die dünnen
Pfeile (0,25mm) zeigen die Drehrichtung des Rotors an. Die Flügel l(p) bewegen sich
gegen den Wind;sie liegen parallel zur waagerechten Ebene, d.h., der Wind trifft
nur ihre scharfen Kanten 2.
-
Die Flügel 1(s) (verdeckt durch den Tragrahmen 3.Siehe z.B.Fig.2)
stehen senkrecht zur waagerechten Ebene. Der Wind trifft die vollen Flachen dieser
Flügel. Durch die unterschiedlichen Flächenwiderstande der Flügel wird durch den
Wind im Rotor ein Drehmoment erzeugt, das ihn in Drehung versetzt.
-
FIG.2: Vorderansicht von Fig.1. Der Rotor treibt den Generator 4 an,
der mit dem Tragrohr 5 befestigt ist.
-
FIG.3 zeigt die schematische Darstellung eines Flügels und seiner
Lagerung. 6 ist eine Kreuzgelenk-Kupplung. Der Flügel kann um die horizontale Achse
7 bis zu 900 gedreht werden. Die Grenzen für diese Vierteldrehung sind die Anschläge
8, die an den beiden Enden der Achse 7 angeschweißt sind.
-
Die Achse 7 und mit ihr auch der Flügel können z.B. bis 80 um die
vertikale Lagerungsachse a-a des Kardangelenkes 6 gedreht werden.
-
Das andere Ende der Achse 7 trägt ein Walz- oder Gleitlager 9 zur
Verringerung der Reibung beim Gleiten der Achse 7 im Träger 10, wenn die Achse 7
um die Vertikalachse a-a gedreht wird. Träger 10 ist mit dem Tragrahmen 3 starr
befestigt. 11 ist eine Trommel, die mit dem Flügel starr befestigt ist. Die Funktion
dieser Trommel wird anhand von Fig. 4 erläutert.
-
FIG.4: 12 ist ein Drahtseil, desser ein Ende mit Trommel 11 in A und
dessen andere Ende mit dem Tragrahmen 3 in B verbunden sind ( siehe auch z.B. Fig.5).
-
13(in Fig. 4)ist auch ein Drahtseil, dessen ein Ende mit Trommel 11
in C und dessen andere Ende mit Tragrahmen 3 in D verbunden sind.
-
Der hier gezeichnete Flügel steht senkrecht, weil der Wind, der von
links kommt, den Flügel und die Trommel 11 nach rechts bewegt hat. Da Trommel 11
mit Seil 12 verbunden ist, wurde sie um die horizontale Achse 7 gedreht. Dadurch
wurde Seil 12 von der Trommel 11 abgewickelt und gleichzeitig Seil 13 auf ihr aufgewicicelt.
-
Drückt nun der Wind den Flügel von rechts nach links, dann erfolgt
ein ähnlicher Vorgang: Trommel 11 wandert nach links.Dadurch dreht sie sich um die
horizontale Achse 7. Seil 13 wird abgewickelt und gleichzeitig wird Seil 12 aufgewickelt.
Der Flügel liegt nun waagerecht wie er in Fig.6 dargestellt ist.
-
Der Flügel kann sich zwischen seinen Grenzlagen (senkrecht und waagerecht)
höchstens um 900 umdrehen.
-
FIG.7 zeigt das Wälzlager (oder Gleitlager) 9 im Träger 10.
-
Durch 9 und 10 sind auch die Grenzlagen des Flügels festgelegt.
-
Für höhere Stabilität des Flügels bei senkrechter Lage gibt es die
Anschläge 14, die mit Teil 3 befestigt ist. Bei waagerechter Lage des Flügels (siehe
z.B. Fig. 6) werden die Seile 15 verwendet, die mit Flügel und Tragrahmen verbunden
sind.
-
Anstatt der Trommel kann auch ein Zahnrad verwendet werden. Die Rolle
der Seile 12 und 13 (siehe z.B. Fig. 4) übernimmt dann eine Zahnstange, die mit
dem Zahnrad in ständigem Eingriff steht.
-
Der Flügel soll leicht sein. Dazu wird ein Gerüst aus Rohren verwendet,
das man mit Segeltuch oder mit einer weichen Gummihaut bedekt.
-
FIG.8 zeigt das Frinzip der Drehzahlregelung des Rotors. Drehzahlregler
ist hier in Draufsicht.
-
Die Spannung des vom Generator erzeugten elektrischen Stroms ist der
Rotordrehzahl proportional.
-
Erreicht die Spannung einen maximal erlaubten Wert (z.B. 230 V), dann
wird der elektrische Kreis des Elektromagneten 16 durch einen Thyristorschalter
geschlossen. Dadurch zieht der Elektromagnet 16 den Kopf 17 an, der über die Feder
18 den Riegel 19 nach links schiebt und damit verhindert, daß das Sperrad 20 in
der gezeigten Drehrichtung (Pfeil 21) gedreht wird.Geschieht diese Sperrung während
der Flügel waagerecht liegt, dann bleibt er in dieser Lage festgehalten, d.h., er
kann nun durch den Wind in die senkrechte Lage nicht gebracht werden. Mit anderen
Worten: Der Flügel ist nun außer Betrieb gesetzt worden.
-
Geschieht die Sperrung des Sperrades 20 während der Flügel senkrecht
oder geneigt steht, dann wird er nach einer halben Umdrehung des Rotors durch den
Druck des Windes auf seiner Rückseite in die waagerechte Lage gebracht und bleibt
dann in dieser Lage festgehalten. Der Riegel 19 hat bei dieser Situation die Rolle
einer Falle gespielt, denn die Feder 18 ermöglicht dem Sperrad sich in Richtung
von Pfeil 22 zu drehen, ohne den Kopf 1? vom Elektromagneten 16 wegzubringen. Das
Drehen des Sperrades 20 in Richtung von Pfeil 22 geschieht durch die Feder 23.
-
Durch die Lahmlegung der Flügel nimmt die Drehzahl des Rotors und
damit auch die die Spannung des erzeugten elektrischen Stroms ab.
-
Wenn diese Spannung einen bestimmten niedrigeren Wert (z.B.220 V)
erreicht, dann öffnet der Thyristorschalter den elektrischen Kreis des Elektromagneten
16. Die Feder 24 zieht dann den Kopf 17 nach rechts, der den Riegel 19 über die
Schraube 25 vom Sperrad 20 wegbringt.
Schraube 25 ist in Fig.10
deutlich gezeichnet.
-
Die Feder 23 wirkt, daß das Seil 26 (siehe kurz Fig.9) immer auf die
Trommel 27 (Fig.9) aufgewickelt wird, wenn der Flügel von senkrechter Lage in die
waagerechte Lage gebracht wird.
-
Diese Aufwicklung geschieht indem die Trommel 27 durch die vorgespannte
Feder 23 in Richtung von Pfeil 22 um den Bolzen 28 (Fig.
-
9) gedreht wird. Ein Ende der Feder 23 ist mit Bolzen 28 verbunden
und das andere Ende ist mit der Trommel 27.
-
Der Drehzahlregler( Sperrad 20, Riegel 19. Thyristorschalter und der
Elektromagnet 16) sind auf der Platte 29 montiert, die mit dem Tragrahmen 3 befestigt
ist.
-
Zur Milderung der Stöße von Wälzlager 9 im Träger 10 sind zwei Gummistücke
30 erforderlich.
-
FIG.9 zeigt den Drehzahlregler in Vorderansicht. 31 ist die Führung
des Riegels 19. Diese Führung ist auf der Platte 29 geschweißt.
-
FIG.10 zeigt die Verbindung des Kopfes 17 mit dem Riegel 19 in Schnitt.
-
FIG.9:Durch einen veränderlichen elektrischen Widerstad wird die maximal
erlaubte Rotordrehzahl festgelegt, da die Anziehungskraft des Elektromagneten 16
von der elektrischen Strostärke,die durch den erwähnten Widerstand beeinflußt wird,
abhängig ist.
-
Die Windturbine kann jeder Zeit zum Stillstand gebracht werden.
-
Dazu braucht man einen elektrischen Strom.aus anderer Quelle (z.B.
-
Batterie),um den Elektromagneten zu betätigen.
-
FIG.11: Um eine möglichst gleichmaßige Zentrifugalkraft in allen radialen
Richtungen des Rotors zu erzielen, werden die Flügel in ihren Tragrahmen so angeordnet,
daß die Symmetrieachsen e-e der Flügel in ihren Grenzlagen (d.h. sendrecht und waagerecht)
einen Winkel w mit den Symmetrielinien f-f der Tragrahmen bilden.
-
Bei einer sehr großen Windtutbine ist es besser , den einzigen Flügel
durch mehrere Flügel in jedem Tragrahmen zu ersetzen.
-
Die Tragrahmen sollen dann auf Räder stützen,die auf kreisförmiger
Schiene oder Straße rollen.
-
FIG.8: Zur Erhönung des Wirkungsgrades der Windturbine werden die
Oberflachen der Flügel mit Taschen versehen (Betrachtung bei waagerechter Lage der
Flügel). Der Wind bläst die Taschen auf und dadurch kommen zusätzliche Fangflachen
zur Wirkung, was den Wechsel der waagerechten Flügellage beschleunigt.32 sind die
Taschen.
-
Die Feder 23 soll so stark sein, daß sie auch zusätzlich zur Windkraft
beim Wechsel der senkrechten Flügellage wirkt.
-
FIG.12 zeigt eine Windturbine für Kleinverbraucher.-Die bekannten
Einzelheiten sind hier nicht gezeichnet.Die Träger 33 tragen die Flügel. Die Träger
33 sind mit der Nabe 35 verbunden und mit den Drahtseilen 34 verspannt. Die einzelnen
Flügel können aus Runststoff hergestellt werden.
-
Für die Steuerung der Flügellagen dieser kleinen Windturbine ist es
einfacher anstatt einer Trommel und Drahtseile ein Zahnrad und Zahnstange zu verwenden,
wobei Zahnrad und -stange auch aus Kunststoff sein können.
-
Anstatt des Kardangelenkskannhier eine einfache Lagerung verwendet
werden, die sowohl ein Drehen um eine vertikale Lagerungsachse des Flügels als auch
ein Drehen um seine horizontale Lagerungsachse gestattet.
-
In der Landwirtschaft kann diese Wind turbine zur Bewässerung eingesetzt
werden. Der Rotor kann dann über eine Welle und ein Getriebe eine Wasserpumpe antreiben.
In diesem Fall entfällt dann die Rotordrehzahlregelung.