DE3300049A1

DE3300049A1 - Windkreisel, ein windenergiekonverter mit vertikaler achse fuer alle groessen bis in den 100 mw-bereich

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Publication number: DE3300049A1
Application number: DE19833300049
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dr. 7750 Konstanz Reimann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-01-03
Filing date: 1983-01-03
Publication date: 1983-07-14
Also published as: DE3300049C2

Description

Beschreibung des Windkreisels (WK).
Nach der Form und Funktion ist der neue WEK ein Kreisel mit vertikaler Achse. Diese ist zugleich Figurenachse und meistens auch die Achse des größten Trägheitsmomentes in des rotationssymmetrischen WK. Die Figurenachse ist bei kleinem Anlagen in der Mitte des Kreisels fest mit ihm verbunden, steht auf der Spitze und ist unten und seitlich gelagert analog der alten Wippwindmühle bzw. einem Karussell oder sie ist frei im Kreisel gedacht, wenn dieser hängend-pendelnd gelagert ist und so und einen Masten bzw. Turm sich dreht.
Im Aufriß und von der Seite gesehen hat der freistehende WK in etwa die Form eines auf die. Spitze gestellten Quadrates oder Rhomboids (bzw. deren Abwandlungen), bei dem die senkrechte Diagonale aie Achse bildet (Abb.: la-h).
Halbe WK können neben der Energiegewinnung: gleichzeitig zur Bedachung von Wassertürmen und Hochhäusern dienen, die dann entsprechend gebaut sind. Die Konstruktionsmerkmale der freistehenden Volikreisel und der Halbkreisel für Bedachungen sind analog und unterscheiden sich nur im Unterbau der Stützkonstruktionen. Deshalb gilt auch für den Halbkreisel die weitere Beschreibung des Vollkreisels: Der WK besitzt äquatorial einen diskusähnlichen Kern bzw Hohlkreisel(HK) als Träger der Stützkonstruktion (Abb.: 2,2 und 3.2 ). An den großen HK sind mehrere Doppelschaufeln so angesetzt, daß je eine zylinderhufartige Hohlschaufel (Abb.: 2.3 und 3.3 ) von den Spitzen des Kreisels her am Äquator des großen HK zusammentreffen und in eine gemeimsame etwa halbkreisförmige Schaufel auslaufenr die dann zur Peripherie schmäler wird (Abb.: 2.4 ). Dieses Schaufelende ist blattförmig gespalten, damit der Wind möglichst leicht abfließt, kann aber auch einfach spitz, trapezartig oder konkav enden.
Durch eine Schräg- oder Schraubenform der Hohlschaufeln wird die Windlast noch gleichmäßiger umgesetzt, d.h. zur Peripherie geleitet und so die Laufruhe erhört. Die Darstellungen zeigen die gerade Schaufelform.
Durch mehr oder weniger starkes Einbiegen der oberen und unteren Kantenflächen der Schaufelarme wird ihre konkave Form verstärkt (Abb.: 4). Auf diese Weise werden die anströmenden Luftmassen gestaut und verichtet und aus der Kreiselmitte zur Peripherie, d.h. zu den Enden der Schaufelarme, abgelenkt, wodurch sich der Wirkungsgrad des WK über den längeren Hebelarm noch erhöht.
Diese Bejchreibung. gilt sowohl für den kleinen WK mit Leistungen Ton 10-40 kW oder auch mehr und weniger kW als auch für den Turm-WKr entsprechend dem folgenden Beispiel.
Beispiel: In der Abb.: 2.1 ist der 140 m hohe Windkreisel (WK) mit einem # von ca. 140 m auf einem Stahlbeton-Hohlturm von 140 m Höhe auf Rollenlagern sich drehend aufgehängt, bzw.
der WK ruht auf mehreren Fahrgestellen, analog dex zweiachsigen Drehgestell von D-Zugwagen oder Schwerlast-Transportern der Eisenbahn (Abb.: 2.6). Durch die analoge Abfederung sind leichte Nickbewegungen, d.h. in dieses Fall Kreisel-Nutationen möglich, entsprechend den Pendelbewegungen der Bäume bei Sturmböen.
Das Fundament des Turmes ist bis zu einer Tiefe von 40m in dem Boden schalenförmig gestaltet. bei einem. der Schale van 160 m. Hierbei handelt es sich um angenommene Werte: um eine genügend große Sicherheit bei voller Belastung auch iini SturL zu haben,. sind genaue statische Überlegungen und Berechnungen nötig.
Die Festigkeitsauslegung für die deutsche Küste ist nach.
Sachs und Molly (9, Setzte 58) "für Spitzenböen bis 60 m/s notwendig, gerade auch für größere Höhen". In der Kacht vomt lo./11. Ma.rz 1982 wurden bei orkanartigen Böen auf dem Feldberg im Schwarzwald rund 240 km/h = 66 m/s gemessen (laut Bericht des Südkuriers, Konstanz vom 12.3.1982).
Der Turm hat einen Aufzug mit einer inneren Weite von 20x20 m (Abb.: 2.11), um damit die Generatoren (Abb.: 2.8), etwa 4 à 12-15 MW (mit 1500 U/min und mehr) auf die Plattform (Abb.: 2.6) des Turmss zu bringen und um diese bzw.
Ersatzteile auf diesem Wege auszuwechseln. Etwa 4 Generatoren à 5 MW sind in den Räumen unterhalb der Turmplatte (Abb.: 2.8) unterzubringen.
Mittels eines großen Zahnradkranzes (=Göpel) wird in (Abb.: 2.10) die Windenergie vom inneren Rand des HK über eine Cardan-Gelenkwelle und ein Freilaufgetriebe auf eine Schwungscheibe oder -rad übertragen und von dort an die Generatoren fast stoßfrei weitergegeben. De Schwungscheibe fängt die wechselnden Impulse heutiger Böen auf und moduliert sie ausgleichend.
Die Generatoren und die Regelanlage sind durch die Außenhaut und durch das Gehäuse des HK vor Blitz und Feuchtigkeit doppelt geschützt.
Aus Kostengründen ist es auch möglich, auf das Getriebe und die Schwungscheibe zu verzichten und die Generatoren direkt an ein Göpelrad zu koppeln. Das Göpelrad, hier mit einem # von etwa 40 m, ersetzt dann das Getriebe. Die Generatoren sind dann diametral zu koppeln.
An den Abstütspunkten (Abb.: 2.9) fangen einstellbare, federnde Rollen- oder Wälzlager bzw.-bänder die Nickbewegungen des WK auf, wobei ein genügender Spielraum ringsherum zu geben ist, damit der plötzliche Druck heftiger Böen gedämpft wird. Eine den Auto- oder Flugzeugrädern mit eing-.ebauten Bremsen analoge Konstruktion wäre sehr geeignet.
Das Gerüst der Schaufelarme (Abb.: 2.4;3.4;4) muß statisch so konstruiert sein (Rohr-, Profilstreben- oder Wabenkonstruktion), daß der ganze Winddruck bei schwersten Sturmböen bis zu 300 km/h = 83 m/s (an exponierten Standorten) von dex WK und von TurL ohne Risiko aufgenommen werden kann (Golding, nach Nolly:9). Eine so hohe Festigkeit.sauslegung ist trotz der damit verbundenen Kosten erforderlich, weil die Angriffaflächen eines WK's, ob groß oder klein, nicht aus dem Wind genommen werden können.
Da solche Sturmböen nur selten und auch nur kurzzeitig auftreten, kann durch Ausnutzung der höchstzulässigen Belastung der Generatoren, durch die Luftbremsen und besonders durch das Verschiebeni von Gewichten im WK ein Überdrehen des WEK's verhindert werden. Bei kleinen Anlagen C1o-4o kW) genügen evtl. Fliehkraftregler in Kombination mit Scheiben-und Luftbremsen. Bei Anlagen im. MW-Bereich ist eine elektron.-automat. Regelung mit zusätzlichen Gleichstrombremsen, gekoppelt mit Elektrolyse-Aggregaten nötig. Trotzdem sollte im Notfall stets eine mechanische Abbremsung des WK's möglich sein, wenn in der Elektronik Störungen auftreten. Auch eine Rücklaufeperre ist einzubauen, worauf schon Rilau (3) hingewiesen hat.
Auf der Spitze des WK's ist in Abb.: 2.5 ein größerer Raten für einen Kran und eine Seilwinde mit Fahrkorb für Reinigungsarbeiten und notwendige Reparaturen an der Außenhaut.
vorgesehen. Der Fahrkorb wird über Führungsschienen, die an den Kanten der Schaufelarme und am Äquator des WK's eingebaut sind, mittels einer Laufkatze geführt. Diese Schienen dienen gleichzeitig zur Ableitung des Blitzes.
Turm, Stützgerüst und Außenhaut des WK's müssen wetterfest und im Küstengebiet auch gegen Salzwasser beständig sein.
Um ein möglichst niedriges Gewicht des WK'a zu erhalten, sind Aluminium bzw. salzwasserbeständige Alu.-Legierungen für das Stützgerüst und die Außenhaut zu verwenden, die eine Lebensdauer von etwa 30 Jahren haben.
Die Luftbremsen, die besonders hohen Belastungen ausgesetzt sind, können durch Verwendung moderner Verbundwerkstoffe analog dem Flugzeugbau leicht und sicher gemacht werden.
Es ist auch möglich, die Außenhaut der kleinen WK aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) herzustellen, aber mit Einfügen von Alu.-Blitzableitern.
Unter der Außenhaut ist mittels Kunsttoffolien oder beschichtet er Textilien ein luftdichter Zwischenraum wa schaffen, um durch Warmluft heizung eine Schneeablagerung und Vereisung an der Außenhaut zu verhindern. Hierzu kann auch die Abwärme der Generatoren im Kreislauf genützt werden.
Der soeben beschriebene und in den Abb.: 2, 3 und 4 dargestellte l'urm-WK ist nur ein Beispiel für die Möglichkeiten zum Bau von Windkreiseln (WK) hei denen eine Nennleistung bis über 100 MW realisierbar ist, entsprechend den Porierungen von L. Jaraß und Nitarbeitern (siehe Seite io, Zeile 6-12) - Die großtechnische Nutzung der Windenergie: Auf den Nutzen kleinar WEK für abgelegene Einzelgehöfte wurde bereits hingewiesen. Dort und in der gesamten Energiewirtschaft ist mit Hilfe des WK's eine Verbesserung der Lage möglich. "Windenergie kennt weder Abfallprobleme, noch Abwärmeproblens, noch Brennstoffpreissteigerungen und verursacht keine Importabhängigkeit" (L.Jaraß: 23, Seite 36).
Bei Turmhöhen von 100-200 m und mehr ist sowohl in Küetenbereich als auch im deutschen Mittelgebirge mit einer bei triebszeit der WK im 100 MW-Bereich mit 6400 Betriebsstumdam pro Jahr zu rechnen, was der Jahresbetriehszeit der herkömmlichen Kraftwerke in etwa entspricht. Dabei kann für die angegebenen Turmhöhen mit einer durchschmittlichem Windgeschwindigkeit von 8-10 m/s im Jahr gerechnet werden (Honnef: 4; Molly: 9; Jaraß: 23).
Somit werden durch genügend Großwindkraftanlagen dieser Art (WK) pro Jahr beachtliche Mengen an Brennstoff (Erdgas, öl, Kohle und Uran) eingespart und dadurch wird unsere Jahreswirtschaftsbilanz erheblich günstiger gestaltet.
" Selbst bei gleich hohen Anlagekosten und gleichen Herstellungskosten würden die Windkraftwerke allen anderen Kraftwerken überlegen sein, weil der Betriebsstoff kosten, los in unerschöpflichen Mengen vorhanden ist und die Gleichmäßigkeit der Jahrssleistung diejenige der Wasserkräfte erheblich übertrifft. " (Honnef: 4, Seite 105).
Speicherunæ und Verwendung der überschüssigen Windenergie.
Der Nachteil der Unstetigkeit der Windenergie läßt sich auf verschiedene Weise ausgleichen und zwar: 1.durch Kombination mit schon vorhandenen Pumpspeicherwerken und vorhandenen Talsperren. Eine Zielstudie hierfür wird z.Xt. von der Pa. Elektromartk, Hagen, in Zusammenarbeit mit dem Institut für Meteorologie und Klimstologie der Universität Hannover durchgeführt. Ilierüber berichten H. Gossenberger und R. Trapp (24).
Die Errichtung zahlreicher Pumpspeicherwerke in Kombination mit Turm-Windkreiseln mit einer Leistung von loo-150 MW im deutschen Mittelgebirge entlang der großen Flüsse ist wirtschaftlich sinnvoll und nutzbringend, wie bereits die Pumpspeicherwerke der Bundesbahn zeigen.
Staatliche Investitionen dieser Art wären z.Zt. eine wichtige Aufgabe, um die Arbeitslosigkeit zu mindern.
2.Durch den Strom der Windkraftwerke könnten in allen nahegelegenen Städten und Dörfern die Wohnungen und öffentlichen Gebäude mittels Nachtspeicheröfen geheizt werden, oder in Kombination mit den bisherigen Heizungsarten über Warmwasserspeicher und zwar über das schon vorhandene Leitungsnetz der Elektrizitäts- und uberlandwerke. Damit würde weiternin eine merkliche Brennstoff- und Deviseneinsparung erzielt.
3.Für die Sommermonate würde das geringere, aber an der Küste noch reichliche Angebot an Wind energie die Elektrolyse on Wasser zu Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) ermöglichen. Wasserstoff könnte dem Erdgas zum direkten Verbrauch beigemischt werden und uns vom Import dieser Energie entlasten und so die Handelsbilanz verbessern, entsprechend den Vorstellungen von Molly (9), Jaraß und anderen (23), Bohn (26), W.E.Heronemus (27).
4.Wasserstoff ließe sich erstmals zu einem günstigeren Preise herstellen und wäre als umweltfreundlicher Kraftstoff verfügbar, zumal entsprechende Automotore schon erprobt. werden, um die Luft im Stadtverkehr zu verbessern. Außerdem. würde so die Öleinfuhr vermindert.
5.3illiger Wasserstoff würde die chem, Industrie zur Herstellung vieler neuer Produkte anregen und die Erzeugung mancher altbewährter Stoffe wie z,B, Düngemittel und andere NH3-Produkte erleichtern. NH3 in Wasser gelöst (=Salmiak) wäre mit 5300 kcal/l zur Speicherung und nach Katalyse zu N2 + 3H2 als Treibstoff geeignet 6.Als beste Speicherung wäre die Anlagerung von Wasserstoff (H2) an Kohle und an Schweröl (= Hydrierung) zu nennen, die im Benzin und im Dieselöl die höchste Energiekonzentration aufweisen. Auch würde die bisherige Hydrierung der Kohle vereinfacht und verbilligt.
In diesem Zusammenhang wäre auch die Verbesserung der Erdölgewinnung zu nennen; denn durch Hineinpressen von H2 in die versiegenden Ölquellen ließe sich deren Ausbeute wahrscheinlich mehr erhöhen als mit Wasserdampf.
Hierbei ließe sich auf diese Weise 112, in großen Mengen unterirdisch speichern.
7.Als weitere Speichermöglichkeit für Windenergie weisen Molly (9) und Jaraß (23) auf ein Druckluftspeicherwerk nahe Huntorf bei Bremen hin; doch könnte statt der Luft auch reiner Sauerstoff, der bei der Elektrolyse des Wassers gewonnen wird, in den unterirdischen Speicher gedrückt werden und getrennt davon ebenso Wasserstoff, um beide beim Betrieb der Gasturbine zur Deckung der Spitzenlast einzusetzen.
Verbesserung der Wasserwirtschaft Schon vor loo Jahren hatte die Windenergie für die Wasserwirtschaft weltweit eine grobe Bedeutung erlangt. Mit Hilfe des WK. wird die Windkraft diese Stellung wiedergewin nen, da sie auf die Dauer kostengünstiger ist und zwar: 1 .für den Wassertransport in vielen Gebieten der Erde: a.zur Speicherung (Speicherbecken, Hochbehälter); b.zur Bewässerung in den wärmeren Zonen; czur Entwässerung (zFB. in den Niederlanden); 2.für die Bereitstellung und Aufbereitung von Trinkwasser mittels Sauerstoff (O2) und Ozon 3.zur Wiederaufbereitung der Abwässer, Seen und Flüsse mittels Luft bzw 02 und 4.zur Entsalzung von Meerwasser nach der Art der ungekehrten Osmose, wie sie von Fries, Borchers und Petersen ausführlich dargestellt wird (25y.
Die günstigste Nutzung der Windenergie ist der direkte Verbrauch des erzeugten elektrischen Stromes in einem Verbundnetz, wie es Honnef (4), Molly (9) und Jaraß und Mitarbeiter (23) fordern; denn jede Umwandlung der Energie zwecks Speicherung bringt Verluste mit sich. Der direkte Verbrauch der Windenergie anstelle der konventionell erzeugten elektr. Energie spart Brennstoff und weitere darauf aufgebaute Kraftwerke (23).
Vorteile Die Erteilung eines Patents gemäß den Ansprüchen 1-11 für den hier dargestellten WK wird aus folgenden Gründen bw wegen dieser Vorteile beantragt: 1.Der WK ist unabhängig von der Windrichtung und wird von den freiumströmenden Luftmassen in Rotation versetzt, wobei plötzliche Änderungen der Windrichtung bei starke Böen für den WK ungefährlich sind, sodaß auch die Windkraft in Höhen von loo-Soo m genützt werden kann, wodurch die Wirtschaftlichkeit sich wesentlich verbessert.
Durch seine Kreiselform ist er statisch und dynamisch gegen Sturmböen bis zum Orkan ( 330 km/h ) stabil und daher für fast alle Klimazonen geeignet.
3.Durch. seine relativ einfache Bauweise läßt er in den verschiedenen Variationen, in allen sinnvollen Größenordnungen und auch über den loo. MW-Bereich hinaus höchste Sicherheit und keine größeren Schwierigkeiten im Betrieb erwarten.
4.Eine im 3au oder im Betrieb in Erscheinung tretende Unwucht läßt sich gerade wegen der Kreiselform durch Anbringen von Gewichten ausgleichen.
5.Die drei oder vier halbkreisförmig.en Schaufelarme geben dem WK ein großes Drehmoment und gleichzeitig ein grobes Trägheitsmoment, sodaß ein leichtes Anlaufen bei schwachem Wind (2-3 m/s) als auch ein relativ ruhiger Lauf in Sturm zu erwarten ist.
6.Durch die Kreiselform ist in einfacher Weise eine Regelung der Drehzahl möglich: a.durch Verschieben von Gewichten im Kreisel mit Hilfe von Stellmotoren, elektronisch und notfalls von der Hand; b.mittels Luftbremsen ( Spoiler ); :.durch Zuschalten verschiedener Generatoren.
7.Der TurmrWK ermöglicht den Einbau mehrerer Generatoren mit terschiedenen Leistungsbereichen, die elektronisch dem jeweiligen Windaufkommen entsprechend und auf die Drehzahl abgestimmt zu- oder abgeschaltet und außerdem noch variabel erregt werden können. Auf diese Weise läßt sich eine möglichst hohe Energieausbeute des Windes im Bereich von 3-20 m/s Windgeschwindigkeit erzielen, wodurch im Inselbetrieb das Aufladen der Batterien weitgehend gesichert ist., im Gegensatz zu den Schnelläufern.
8,In windstarken Gebieten ist bei Großanlagen auch die Nutzung höherer Windgeschwindigkeiten durch stufenloses Zuschalten der Elektrolyse-Aggregate möglich. In Konbination mit Gleichstrombremsen wird auch im Sturm ein Überdrehen verhindert und noch Energie gewonnen.
9.Die Kraft wird nicht an einer Nabe, sondern am inneren Umfange des WK bzw. HK nach Art eines Göpels abgenommen, sodaß auf ein besonderes Getriebe evtl. verzichtet werden kann.
lo.Der WK als Langsamläufer (1-5 U/min) benötigt keine großen Sicherheitszonen und verursacht keine störenden Windgeräusche.
11.Die einem offenen Zylinderhuf ähnliche Form der Hohlschaufeln gestattet auf einfache Weise eine brauchbare Berechnung der gewünschten und der am Standort zu erwartenden Leistungsbereiche.
12.Der WK bietet mit der konkaven Seite seiner Schaufelarme dem Winde eine große Widerstandsfläche und mit der konvexen Seite eine doppelt bis drei- oder viermal so große Auftriebsfläche, sodaß bei genügender Windgeschwindigkeit, wie etwa dem Jahresmittel, die durch den Widerstand (cPW= 0,15) und Auftrieb (cPa= 0,3 - 0,45) aufgenommene Energie pro Schaufelarm und Kreiseldrehung (00 -1800) sich addieren bzw. mit Zunahme der Windgeschwindigeit potenzieren; so läßt sich die Kapazität des WK relativ einfach ermitteln. Umgekehrt ist auf diese Weise von der gewünschten Energie und dem zu erwartenden Windaufkommen ausgehend die erforderliche Größe des WK zu errechnen. Hierbei ist für wind schwache Gebiete die konkave Fläche der Schaufelarme entsprechend größer und die konvexe Fläche kleiner zu wäillen, bzw. für windstarke Gebiete umgekehrt.
Da große Windkraftanlagen vorzugsweise in wind starken Regionen errichtet werden, erhöht sich für den WK der Leistungsfaktor c zusätzlich; a.durch die Verdichtung der Windkraft in den Hohlschaufeln und deren Ableitung über die langen Schaufelarme; b.durch den Magnuseffekt, indem der umströmenden Luftmasse strudelartig Energie entzogen wird, auch im Bereich von 900 - t70G bzw. 560°; c.durch die Fliehkraft, die zwar zentrifugal nach außen hin wirkt, jedoch d.durch die Corioliskraft vektorial additiv bzw. potenzierend als Drall das Drehmoment verstärkt (Pohl:28).
13.Aus diesen Gründen ist der Wirkungsgrad pro SchatNelarm des WK mit cp = o,45 - 0,6 anzusetzen und auf die Gesamtfläche. bezogen mit cp = o,2 - 0,3.
Ob Messungen an Modellen im Windkanal die zusätzlichen Krafteinwirkungen gemäß 12a-d erfassen können, erscheint wegen der geringen Größenverhältnisse zweifelhaft. Doch ist nach Just (4) auch für den WK ein höherer, das Betz sche Limit überschreitender Wirkungsgrad zu erwarten. Die zuletzt. unter 12a-d angeführten Zu, satzkräfte (=Synergismen) treten bei Windkreiseln mit 4 Schaufelarmen stärker in Erscheinung, d.h. sie werden die Leistung des WK mächtig verbessern.
BeschreIbung der Zeichnung Zum leichterell Verständnis der ratentanspruche 1-11 dienen die beigefügten Zeichnungen 1-4. So zeigen die Abb.: la-h verschiedene Typen des WK, bei denen ein Turm, Masten oder anderer Unterbau den vollen WK trägt, ausgenommen in der Abb.: if trägt ein Wasserturm einen halben WK und in der Abb.: ig ersetzt ein halber WK gleichzeitig das Dach eines Hochhauses.
Abb.: 2 zeigt im Frontalabschnitt einen Turm-WK, bei welchem der Turm (i) und aufgerollter Schaufelarm (4) verkürzt dargestellt sind.
Abb.: 3 zeigt einen Schnitt durch den Äquator des WK, welcher in: 6 die Plattform des Turmes mit dem Vierrad-Fahrgestell, in: 2 den Ring des diskusartigen Hohlkreisels und in: 4 die drei Schaufelarme mit der jeweiligen Hohlschaufel:- 3 erkennen läßt.
Abb.: 4 zeigt die Schnitte: C1-D1 und C2-D2 bzw. A1-B1 und A2-B2 durch eine Hohlschaufel, die in Abb.: 2 bzw. 3 durch punktierte Linien zu erkennen sind.
Es bezeichnen also: 1: Turm mit Schalenfuß und Kopf, 2: diskusförmiger Hohlkreisel, 3: polaroid- bzw. zylinderhufartige Hohlschaufeln, 4: Schaufelarm, 5: Raum für Kran und Seilwinde mit Fahrkorb, 6: Turmplatte mit abgefederten Rollen- oder Wälzlagern, bzw. Vierrad-Fahrgestellen, 7: Schwungscheibe mit Cardangelenkwelle, Freilauf und automatischem Getriebe, 8: Räume für Generatoren und Regeltechnik, 9: Seitendruck- bzw. kollenlager an den Abstützpunkten, 10: Göpel-Zahnradkranz bzw. Schlupfring, 11: Aufzug 20 x 20 m.
Die angegebenen Nennleistungen stellen nach Betz (2) angenäherte Werte dar, die in Wirklichkeit höher liegen werden (Just nach Molly (9)).
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Claims

Patentansprüche: Der Windkreisel (WK) mit vertikaler Achse (Abb.: 1-4) wandelt die Windenergie um in elektrische Energie und ist gekennzeichnet dadurch, daß Iluber einen Masten oder Turm hängend, nach Bedarf in mehreren Etagen abgestützt und federnd gelagert, sich im frei umströmenden Wind ein großer Hohlkreisel ( HK ) (Abb.: 2.2; 3.2; 4.2 ) dreht, an dem symmetrisch drei oder mehr Paar zylinderhufartige Hohlschaufeln (Abb.: 2.3 ; 3.3), die mit der Basis schräg gegeneinander stehen, befestigt sind. Gemeinsam bildet jedes Paar einen mächtigen, halbkreisförmigen Schaufelarm (Abb..: 2.4; 3.4; 4.4), der zur Peripherie schmäler wird und trapezartig bzw. konkav, gezackt oder spitz ausläuft. Die Ausbildung der Hohlschaufeln kann in gerader, schräger oder Schraubenform erfolgen, wobei die Kanten nach innen gebogen sind (Abb.. 2. C1-02; D1-D, und 4.C1, D1; c2, D2).
2.Der WK nach dem Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß in den Kanten der Schaufelarme (Abb.: 4) an einer oder mehreren Stellen Spoiler bzw. Luftbremsen, analog denen von Bilau (3), eingefügt sind; 3.gekennzeichnet, daß durch einen großen Zahnradkranz (Abb.: 2.10) bzw. mehrere (Göpel), an der Innenwand des HE befestigt, die vom WK aufgenommene Windenergie auf die Generatoren übertragen wird und zwar ohne oder mit: (Planeten-) Getriebe, hydraul. automat. Kupplung sowie Freilauf und Schwungscheibe oder -kreisel (Abb.: 2.7); 4.gekennzeichnet, daß nicht nur ein Generator, sondern auch mehrere und verschiedenartige Generatoren (Abb.: 2.8) bis in den MW-Bereich, sowie die elektron. Regelanlage für das Einhalten der Drehzahl und für die Stromerzeugung und -abgabe in dem HK und zwar auf der Plattform (Abb.: 2.6) und in den Etagen des Turmkopfes installiert werden können; 5.besonders gekennzeichnet: durch die automat. Regelung der Drehzahl infolge Verschiebens von Gewichten nach außen und zurück und zwar im Innern des WK mit Hilfe elektr. Motoren; 6.gekennzeichnet, daß der WK und der Drehzahlbereich gegen Sturmböen außer durch die variable Belastung zusätzlich gesichert sind durch Luftbremsen bzw. Spoiler, analog denen im Flugzeugbau, sowie durch Scheiben- und Gleichstrombremsen und durch Koppelung mit Elektrolyse-Aggregaten; 7.gekennzeichnet, daß durch federnde Rollen-oder Wälzlager bzw.-bänder Nickbewegungen (=Nutationen) des Kreisels an entsprechenden Stellen des Mastens oder Turmes (Abb.: 2.9) und des WK abgefangen und gedämpft werden; bei Großanlagen eignen sich Rollen nach Art der Auto- oder Flugzeugräder besonders hierfür, da sie gleichzeitig den WK stützen und mittels der eingebauten Bremsen ihn sichern helfen; 8.gekennzeichnet, daß unter der Außenhaut des WK im Abstand von etwa 10 cm durch Einziehen einer luftdichten, gegen heiße Luft beständigen Innenhaut Buftkammern gebildet werden, in die im Winter Heißluft und die von den Generatoren erwärmte Kühlluft im Kreislauf hindurchgeblasen wird, um eine Vereisung der Außenhaut zu verhindern; 9.gekennzeichnet, daß durch eine möglichst diskusähnliche Form des HK die vertikale Lage des WK im frei umströmenden Wind stabilisiert wird; 1o.gekennzeichnet, daß der Schwerpunkt jedes Schaufelarmes innerhalb des HK-Äquators rotiert; 11.gekennzeichnet, daß die oberen Kanten der Schaufelarme beidseits mit besonderen Führungsschienen versehen sind, die es ermöglichen eine "Laufkatze" mit einem Fahrkorb zur Reinigung und Reparatur der Außenhaut gleiten zu lassen und ebenso an der äquatorialen Nahtstelle der Hohlschaufeln.

Der Stand der Technik für Windenergiekonverter (WEK) Seit Jahrhunderten wurde die Energie des Windes zu Lande erfokgreich durch verschiedene Konstruktionen genutzt, von denen besonders zu nennen sind: a) mit (annähernd) horizontaler Achse: die alten mediterranen Segel-,die Bock- und Holländerwindmühlen, sowie die amerikanischen Windturbinen, deren Leistung bzw. 25-30 kW maximal betrug.

Diese haben zusammengenommen durch ihre Vielzahl in den letzten Jahrhunderten viel und billige Energie geliefert Aber wegen der Unstetigkeit der Winde: wurden sie im diesem Jahrhundert durch die Dampfmaschinen, Elektro- und Dieselmotoren verdrängt, weil deren Energie sich fast unbegrenzt steigern ließ und jederzeit und beinahe überall verfügbar und billig war.

Verbesserungen der WEK aufgrund aerodynamischer Forschungen durch LaCour(1), Betz(2), Bilau(3), Honnef(4), Hütter(5), Just(6), Putman(7), Stein und Sabinin, siehe König(15), Krabbe(8), Molly(9) und andere führten zum Bau von aerodynamisch wirksameren mehrflügeligen Langsamläufern und den zwei- und einflügeligen Schnelläufern in Frankreich, England, UdSSR, Dänemark, Schweden, Canada, Deutschland und den USA.

Die 1941 in den USA erbaute zweiflügelige Siiiith-Putman-Windkraftanlage mit 12fo kW und 53,3m endete 1945 infolge Überlastung und widriger Umstände mit dem Abriß eines Flügels und brachte die Weiterentwicklung von Windkraftanlagen in den USA für viele Jahre zur Stillstand (Molly(9) Seite 16 und Köhig(15) Seite 136) Jedoch der 1978 an der dänisch-westjütländischen Küste in Tvind/Ulfborg erstellte WEK arbeitet zur vollen Aufriedenheit. Er ist 53 m. hoch, mit horizontaler Achse und einen dreiflügeligen Rotor (53,3 m ): ausgerüstet.

Seine Leistung erreicht bei 14,5m/s Windgeschi.indigkeit um 2000 kW (Himmel.M.:11).

Die amerikanische Windkraftanlage MOD II bei Boone (North Carolina) erreicht 2500 kW und eine Blattspitzengeschwindigkeit von 400 Zm/h = 111 m/s.

Dabei treten aber nach Wiesner (12) so stark störende Strömungsgeräusche auf, daß die Anlage außerhalb der täglichen Arbeitszeit nicht laufen darf.

Die deutsche Großwindenergie-Anlage = Growian I wurde 1982 errichtet und hat mit zwei Rotorblättern einen von loo m, sowie Blattverstellung und Pendelnabe. Die Leistung ist auf 2000-3000 kW bei 12-21 m/s Windgeschwindigkeit berechnet (Helm, S.(13) und Bericht von Herzog, W.: Die Zeit: Nr.43 vom 22.10.82).

Growian II, dessen Bau für 1983 vorgesehen ist, soll als Einblatt-Rotor mit Gegengewicht einen Rotationskreis von 145 m überstreichen und eine Nennleistung bis 5000 kW erbringen bei 11,2 m/s Windgeschwindigkeit (Meggle,R. und Schöbe,B.(14) ). Die Blattspitzengeschwindigkeit würde nach Wiesner(12) hierbei 470 km/h = 130 m/s betragen.

b) mit vertikaler Achse: Das Scnalenkreuz der Windmesser (Anemometer), die sogen.

polnische Windmühle, der Savonius-Rotor, die Darrieusund-Giromill-Turbine (König: 15; Molly:9) Der Hansen(16)-Rotor, " bestehend aus wenigstens zwei langgestreckten, gekrümmten Windflügeln, die vorzugsweise gegenüberliegend auf der Drehachse des Rotors angeordnet sind ", stellt eine Verbesserung des Savonius-Rotors dar.

Auch das Oppolzer-System, bei dem zwei gleichsinnig umlaufende Flügelräder übereinander versetzt angeordnet sind und der obere Teil der Achse durch ein Cardangelenk mit der unteren Vertikalachse verbunden ist, arbeitet nach dem gleichen Prinzip, wenn auch mit vermindertem Widerstand, wie Rummich(17) berichtet.

Diese WEK werden aus jeder Windrichtung erfaßt und rotieren um ihre senkrechte Achse. Die Rotation kommt durch die Differenz im Widerstand der konvexen zur konkaven Seite der Schalen bzw. der gekrümmten Flächen dem Wind gegenüber zustande, wobei der Leistungsbeiwert mit cp = o,15 - o,2 nach Betz (2) sehr gering ist. Daher nutzen der Savonius-Rotor, die Darrieus- und die Giromill-Turbine und auch die Turbinen von Hansen und Oppolzer mehr den Auftrieb, um einen besseren Wirkungsgrad und damit eine größere Leistung zu erzielen.

In der Praxis hat allein der Darrieus-Vertikalachsen-Rotor mit gekrümmten, profilierten Rotorblättern größeres Interesse gefunden. So berichtet Wirths (18) über den Bau einer solchen Versuchsanlage der Firma Dornier System GmhE, Friedrichshafen, in Zusammenarbeit mit der argentinischen Comisi6n Nacional de Investigaciones Espaciales (CNIE).

Nachdem man an den Versuchsanlagen auf dem Schauinsland bei Freiburg und auf der Insel Pellworm bei der Testung im Verlauf von drei Jahren einige Schwierigkeiten und Mängel beheben konnte ( Dekitsch: 19 ), wurde im April 1981 eine Anlage ( Rotorhöhe 12 m, # 12 m ) mit einer Nennleistung von 20 kW bei 10,4 m/s bzw. 43 kW bei 13,5 m/s Windgeschwindigkeit auf dem Flugplatz von Comodore Rivadavia in Patagonien in Betrieb genommen.

Im Betrieb getestet werden seit 1977 nach Molly(9) und L.Jaraß (23, Seite 38) eine Anlage mit Darrieus-Rotor in den USA (Albuquerque, Sandia-Lab.) mit 50-60 kW und in Canada ein Vertikalachsen-Rotor mit 25o kW und zwar auf Magdalen Island (Hydro Quebec/KRC). Meßdaten über diese oder ähnliche Versuchsanlagen liegen mir nicht vor.

Die Aufwind-Turbine nach Schlich, Mayr, Haaf (20), auch Thermik-Turm genannt, wird in den wärmeren Zonen eine größere Bedeutung erlangen (9), (23). In der Versuchsanlage von Manzanares bei Madrid wird die in einer Vordachanlage ( 250 m, mit einer genügend lichtdurchlässigen, UV-festen Folie überdacht) von der Sonne erwärmte Luft durch einen lo m weiten und 200 m hohen Turm Rach oben abgeleitet.

In diesem Thermik-Turm erreichte der durch den Treilahaus-Effekt und dem Kamin-Sog erzeugte Aufwind in der im Mai 1982 in Betrieb genommenen Demonstrationsanlage eine Geschwindigkeit von 20m/s- Damit wurde die in Bodennähe in den Kamin eingebaute Turbine, deren Flügel elektronisch verstellbar sind, in Rotation versetzt. Die erstrebte Leistung des Generators von loo kW wurde nach Schlaich (202) voll erreicht. Es zeigte sich, daß auch nachts durch die tagsüber im Boden, der mit schwarzer Schlacke bedeckt war, gespeicherte Sonnenwärme noch ein Leistung abgebender.Aufwind infolge der Rückstrahlung auftrat.

Auf diese Weise erreichte der Thermik-Turm' als Aufwindkraftwerk eine über die Erwartung hinausgehende Dauerleistung.

Da unter dem ausgedehnten, treibhausartigen Vordach der Anlage Ananas und andere Früchte-und Gemüsearten gut gedeihen, ist der gesamte Nutzeffekt dieses kostengünstigen Sonnenkraftwerkes besonders hoch.

Eine mehrfache Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und Konzentration der Windenergie wird in dem Wirbelturm von Yen und in der Mantelturbine von Igra erzeugt (9) und auch mit dem Prinzip des, Deltaflügals erreicht nach den Untersuchungen von Greff, Holzdeppe u.a.(21).

Diese letztgenannten Systeme bedürfen noch der weiteren Entwicklung und Erprobung.

Die Windenergie technisch in den Griff zu bekommen, ist, wie diese Ausführungen zeigen, ein altes und auch heute noch bzw. wieder akutes Problem für die Wissenschaft und Technik.

Die Problemstellung heute bezieht sich sowohl auf kleine als auch auf große Windenergiekonverter (WEK): a.)Kleine WEK von 10-40kW sind in vielen Gebieten der Erde für abgelegene Einzelgehöfte und im. Inselbetriet wegen der steigenden Preise für Diesel-l erwünscht.

Seit, einigen Jahren ist man erneut bestrebt durch einfache Modulbauweise und Serienfertigung preiswerte moderne WEK mit lo-4okW zu entwickeln. Diese Bemühungen führten zu den bekannten Schnelläufern vom Typ Hütter mit horizontaler Achse und dem Typ Darrieus mit vertikaler Achse in serschiedenen Variationen.

Ihre Konstruktion ist ausgereift und für den Export in windstarke Gebiete geeignet. Sie laufen bei Winde schwindigkeiten von 6-8m/s an, erreichen aber erst bei 10-20 mis die volle Leistung.

Für windschwache Gebiete mit einer mittleren Jahresgeschwindigkeit des Windes von 4,5m/a sind diese Schnellläufer nicht brauchbar,da sie dort den größten Teil deß Jahres still stehen würden. Die Schnelläufer nutzen hauptsächlich den Auftrieb und benötigen zur Anlaufen evtl.

eine Hilfskraft,wenn die Rotorblätter nicht verstellbar sind. Sie bieten dann dem Winde zu wenig Angriffsfläche bzw.Widerstand,um bei 2-3m/s von selbst anzulaufen. Die Langsamläufer mit ihren vielen Rotorblättern nach Art der amerik. Windturbine leisten auch bei schwachem Wind schon Arbeit, natürlich auch weniger! Moderne WEK mit vertikaler Achse für windschwache Gebiete und einer Leistung von 10-40 kW werden m.W. bisher nicht gebaut, obwohl es m,E. dafür einen Bedarf gibt wegen ihrer Vorteiler auf die ich noch hinweisen werden b. )Hinsichtlich der großen WEK steht neben der Sicherheit und Zuverlässigkeit die Wirtschaftlichkeit im Vordergrund, Hierzu haben besonders G.Obermair, L.Hoffmann, A. und L. Jaraß(22) Untersuchungen angestellt mit folgendem Ergebnis:"Die betriebswirtschaftliche Konkurrenzfähigkeit der Windenergienutzung ist in ausgewählten Küstenlagen bereits heute gegeben,... und läßt einen gesamtwirtschaftlichen Vorteil der Windenergie erwarten." Da mit der Größe und Leistung der Windenergieanlagen auch deren Wirtschaftlichkeit zunimmt, und mit den z.Zt.

gebauten bzw. projektierten Typen der Schnelläufer eine Steigerung der Leistung über 5 MW unwahrscheinlich ist, wird von L.JaraB und Mitarbeitern gefordert: 1. die "Entwicklung neuartiger Windkraftanlagen"; 2. der "Bau von mehreren Demonstrationswindkraftwerken mit installierten Leistungen von 50 NW und mehr, ggf. auch Bau im Ausland für Exportzwecke"; 3. der "Bau eines standardisierten Windkraftwerks mit einer installierten Leistung von 300 MW bis ioo MW"* Mit Growian I (
3 MW) und II (5 MW) sowie dem in Schweden von Saab/Scania projektierten WEK (
4 MW) ist m.E die Grenze der Leistung für diese WEK-Art erreicht.

Mit zunehmender Länge der Rotorflügel wächst das Gewicht und damit die Zentrifugalkraft und die Gefahr, daß sie durch Vibration flattern und durch plötzliche, überstarke Böen abgebrochen werden, noch bevor die automat. Regelung die Gefahr abwenden kann; dieses gilt besonders im Winter bei zusätzlicher Vereisung.

Allein das Aufwindkraftwerk läßt nach Schlaich (202) einen Ausbau der Leistung in den 100 MW-Bereich nach dem bisherigen Stand der Technik erwarten; jedoch nur in den warmen und heißen Klimazonen. In den kälteren Klimazonen, wie in unseren Breiten werden die freiumströmten Rotoren der verschiedenen WEK durch Vereisung behindert und gefährdet. Die Lösung dieses und anderer technischer Probleme für den Bau von WEK bis in den Leistungsbereich um 100 MW lieX mir über viele Jahre keine Ruhe.

Das Studium der mir zugänglichen Literatur, viele Überlegungen und Berechnungen und eigene Versuche ließen mich einen gangbaren Weg finden, der m.E. richtig ist und für unsere und die Wirtschaft fast aller Länder, insbesondere der Entwicklungsländer, von großer Bedeutung sein dürfte.

Gemäß den vorhergehenden Ausführungen war es nötig, einen neuen Typ von WEK zu finden mit folgenden Eigenschaften: 1. er muß für windschwache und für windstarke Gebiete geeignet sein, d.h. schon bei 2 m/s Windgeschwindigkeit spontan anlaufen und von 3 - 20 m/s und mehr die Windkraft voll nützen können; 2. für kleine und große Anlagen bis in den loo MW-Bereich geeignet sein, also große Angriffsflächen zur Aufnahme der Energie bieten, wobei er 3. für den Anlauf genügend Widerstandsfläche haben muß und 4. zum Erreichen einer großen Leistung gleichzeitig eine entsprechend große Fläche mit starkem Auftrieb; 5. er muß eine hohe statische Festigkeit besitzen, sowohl zur Aufnahme der erwünschten Energiemengen als auch für die hinzukommende Sicherheit in Sturmböen und 6. besondere Möglichkeiten zur Abwehr der Vereisung.

Die Lösung der vorgenannten Probleme ist mit dem Windkreisel (wie) gemäß den Patentansprüchen 1-11 gefunden.