DE3303898C2

DE3303898C2 - Verfahren zur Windenergienutzung, sowie dazugehörige Vorrichtung

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Publication number: DE3303898C2
Application number: DE19833303898
Authority: DE
Inventors: Walter Prof. Dr. 6222 Geisenheim Tepe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-02-05
Filing date: 1983-02-05
Publication date: 1985-04-11
Also published as: EP0163646A1; WO1984003125A1; AU2494084A; DK477984A; DE3303898A1; DK477984D0

Abstract

Die Kombination Rotor + Vertikalturbine strebt für die Windenergieausbeute an, die zeitlich anfallende Windmenge (m3/sec) durch ein möglichst hohes Druckgefälle im Strömungsverlauf in der Geschwindigkeit zu beschleunigen. Die Energieausbeute steigt dann mit der Beschleunigung in der 2. Potenz an. Den für das Druckgefälle erforderlichen Unterdruck liefert der schnelldrehende Rotor (Modell Flettner) mit seiner Zirkulationsströmung in der Leistungszone um den Rotor. Der anströmende Wind wird mit der Zirkulationsströmung nach einer Seite abgelenkt und aufgrund des Druckgefälles im Strömungsverlauf in seiner Geschwindigkeit stark beschleunigt. Im Strömungsfeld der Leistungszone kreisen die Flügel einer Vertikalturbine, die hier Auftrieb und Widerstand der hochbeschleunigten Windströmung zur Energiegewinnung ausnutzen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Windenergienutzung, bei dem ein zylindrischer Rotor um seine Längsachse gedreht und damit um ihn eine Zirkulationsströmung erzeugt wird, so daß um die Oberfläche des Rotors herum ein Strömungsfeld entsteht, das sich aus dem anströmenden Wind und der Zirkulationsströmung zusammensetzt, Hierzu ist es nach Λ. Flettner bekannt, senkrecht stehende Rotoren aufcinem relativ zum Wind beweglichen Objekt vorzusehen und in Rotation zu versetzen. Dabei entsteht aufgrund des Magnus-Effektes eine Kraft, die quer, also etwa im Winkel von 90° zur Richtung des anströmenden Windes verläuft und das Objekt entsprechend bewegt. Solche Rotoren sind in den Jahren 1924 bis 1926 Pur den Antrieb von Schiffen verwendet worden.

Die Erfindung befaßt sich demgegenüber mit einer anderen Nutzung der Windenergie, nämlich mit deren Umsetzung in elektrische Energie mit Hilfe einer durch den Wind angetriebenen Turbine. Hierzu kennt man unterschiedlichste Konstruktionen von Windturbinen oder Anordnungen nach dem Propellerprinzip, die im Prinzip an zwei Mangeln leiden. Zum einen beträgt die maximale Encrgicausnutzung des Windes nach dem

optimalen Leistungsfaktor von A. Betz nur ca. 60% der Windenergie. Hiervon wird noch ein großer Teil durch Wirbelbildung verbraucht, so daß der Wirkungsgrad solcher Anlagen recht gering ist. Aus diesem Grund ergibt sich als zweiter Nachteil, daß derartige Konstruktionen sehr große Abmessungen haben müssen, um üöerhaupi zu einer brauchbaren Energieabgabe zu kommen. Dies erfordert entsprechende Kosten und stößt zunehmend auf Widerstand in der Bevölkerung, da derartig große Windturbinen das Landschaftsbild beeinträchtigen. s

Aus dem Fachbuch »Windpower«, von V. Daniel Hunt, Van Nostrand Reinhold Company Regional Offices, New York 10020 IWI, Seite 82, Figuren 4 bis 19, ist die Kombination der Windenergienutzung nach Savonius mil der Windeni.T£ieausnut/iinii nach Darrieus bekannt. Dabei dient der Sa\onius-Roior in Kleinformat als Starthilfe lür den Diirrieus-Rotor, der bei kleinen Windgeschwindigkeiten mehl von selbst anlaufen kann und nach erfolgter Starthilfe die Windenergieausbeule im höheren Windstärkenbereich übernimmt und dazu in der Regel großformatig ausgeführt ist. Demzufolge sind der Savonius-Rotor und der Darrieus-Rotor fest miteinander verbunden. Hierdurch ergibt sich aber kein Beitrag im Sinne der Aufgabenstellung und der Lösung der vorliegenden Erfindung.

Der Erfindung liegt gegenüber dem vorstehend erläuterten Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Ausnutzung der Energie des anströmenden Windes zwecks Erzeugung von mechanischer bzw. elektrischer Energie zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist zunächst, ausgehend von dem eingangs angegebenen Oberbegriff des Anspruches I vorgesehen, daß der Rotor so mit einer der Erzeugung elektrischer Energie dienenden Vertikalturbine kombiniert wird, daß sich die Turbinenflügel koaxial zum Rotor in dessen Strömungsfeld befinden und dort den gleichen Drehsinn wie der Rotor erhalten und daß das Strömungsfeld zum Aufbau eines Unterdruckes der Art genutzt wird, daß der Unterdruck auf der Seite des Rotors, nach der der Wind abgelenkt wird, Q^ri anströmenden Wind beschleunigt. Während also bei der ".rläutcvten Literaturstelle »Windpower« (von Hunt) boide Rotoren zur Windenergienutzung dienen und miteinander gekoppelt sind, ist bei der Erfindung der sich um seine Längsachse drehende zylindrische Rotor dazu vorgesehen, unter Ausnutzung des erzeugten Unterdruckes den anströmenden Wind zu beschleunigen, während die Vertikalturbine die Funktion der Windenergienutzung hat. Rotor und Turbine haben also unterschiedliche Aufgaben und „ind auch nicht miteinander gekuppelt.

Anstelle der quer zur Windrichtung verlaufenden translatorischen Bewegung des Rotors nach A. Flettner (siehe oben) wird hier ein relativ starker Unterdruck auf der Unterdruckseite des etwa hohlzylindrischen Strömungsfeldes ausgenutzt, um eine tangentiale Bewegung hervorzurufen. Es entsteht auf der Seite, wo Rotordrehung und Wind die gleiche Richtung haben, ein starkes Druckgefälle in der Strömungsrichtung. Strömungstechnisch ergibt sich dabei im Prinzip folgendes:

Der anströmende Wind wird vom Rotor in Richtung der Zirkulationsströmung abgelenkt. Damit addieren sich zunächst auf dieser Ablenkseite (gleich der Unterdruckseite) des Rotors die Geschwindigkeiten der Zirkulationsströmung v_: und der Windslrömung v„. Aufder Unterdruckseite des Rotors entsteht hieraus als Resultierende die Geschwindigkeitssumme y, und es gilt die Gleichung:

(1) v.: + v„ = v.

Dabei ergibt sich noch eine Erhöhung der Geschwindigkeit v„ der Windströmung aufgrund der durch die Zylindervübung bedingten Wegverlängerung nach der Kontinuitätsgleichung, die auch bei nicht rotierendem Zylinder eintritt.

Aufder Gegenseite (Überdruckseite des Rotors) subtrahieren sich die Geschwindigkeiten und es gilt dort für die Differenzgeschwindigkeit vjdie Gleichung:

(2) ν.- - v„ = v,/

Hinzu kommt, daß durch die Erhöhung der linearen Strömungsgeschwindigkeit ein Abfall des statischen Drucks hervorgerufen wird. Das entsprechende hohe Druckgefälle in Strömungsrichtung setzt statische Energie in kinetische Energie um, entsprechend dem Gesetz von Bernoulli, die zum Antrieb der Turbinenschaufeln genutzt wird. Die Strömungsgeschwindigkeit v„entlang der Oberfläche des Rotormantels ist um etwa den Faktor 4 größer als die Anströmgeschwindigkeit v„ des Windes.

(3) ν,,Λ:. = 4/1

Über lunl'Sektofcn des Rotorumfangs gemittelt, macht diese Steigerung der ursprünglichen Windgecchwind.gkeit v„ etwa den Faktor 2,6 aus (siehe Gleichung 4).

Ferner kann nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung die Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors über einen Windmesser synchron nach der vorherrschenden Anströmgeschwindigkeit des Windes so gesteuert werden, daß die Geschwindigkeit der Zirkulationsströmung in der Unterdn. jkzone oder -seite des Strömungsleides des Rotors auf höheren Werten gehalten wird als die Geschwindigkeit des anströmenden Windes, wobei ^bevorzugt die Geschwindigkeit der Zirkulationsströmung etwa 2- bis 4mal so groß ist als die Geschwindigkeit

■ des anströmenden Windes. _ J ' .'.

Hs empfiehlt sich, die Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors so hoch als möglich zu wählen. Die Grenze liegt dort, wo nach den jeweiligen konstruktiven Gegebenheiten die Luftschicht des Strömungsfeldes beginnt, sich von der Rotoroberfläche abzulösen. Mit einem Geschwindigkeitsverhäctnis gemäß den obengenannten bevorzugten Merkmalen des Anspruches 2 lassen sich bereits brauchbare Ergebnisse erzielen. Wenn zusätzliche Maßnahmen gegm das vorgenannte Ablösen der Luftschicht vom Rotormantel getroffen werden, läßt sich das Verhältnis v_:/v_u weiter erhöhen.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die möglichst kompakt und zugleich aber effektiv sein soll.

Hierzu sieht die Erfindung zunächst vor, daß ein Rotor und eine mit Flügeln versehene Vertikalturbine zueinander konzentrisch in einem Träger, einer Trägerplatte oder dergleichen drehbar gelagert sind, wobei ein S Antrieb zur Drehung des Rotors und ein Abtrieb der Energie der Turbine vorgesehen sind und daß bevorzugt die Flügel der Vertikalturbine an ihrer in der Unterdruckzone oder -seite des Strömungsleides des Rotors dem anströmenden Wind zugewandten Seite einen höheren Widerstandsbeiwert besitzen als auf ihrer anderen Seile, die in der Überdruckzone oder -seite des Strömungsfeldes dem anströmenden Wind zugewandt ist.

Eine solche Anordnung erfüllt die vorgenannten Forderungen. Dies verringert nicht nur die Herstellungskosten, sondern hat den weiteren Vorteil, daß derartige Vorrichtungen aufgrund ihrer Kompaktheit nach ihrem Aufstellen im Freien dort wenig Platz beanspruchen, also nicht stören und auch optisch das Landschaftsbild kaum beeinträchtigen. Durch das bevorzugte Merkmal, daß die beiden Seiten der Turbinenflügel unterschiedliche Widerstandsbeiwerte und zwar in der entsprechenden Relation zum anströmenden Wind auf der Unterdruckseite bzw. der Überdruckseite des Rotors haben, wird der Wirkungsgrad der Anlage weiter gesteigert. Eine is derartige Ausgestaltung der Turbinenflügel ist zwar an sich bekannt, jedoch nicht im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung.

Weiter sieht die Erfindung vor, daß der Rotor und die Vertikalturbine gegen eine Translationsbewegung quer zum anströmenden Wind fixiert sind. Dies kann mittels des zuvor genannten Trägers, der Trägerplatte oder der-

Die Turbinenflügel können Halbrohre, gegebenenfalls schräggestellte Halbrohre (zwecks Erzielung eines Auftriebes) oder Darrieus-Flügel sein. Unter einem Darrieus-Flügel versteht man einen Flügel mit dem Querschnittsprofil eines Flugzeugflügel, der ebenfalls je nach Anströmrichtung des Windes unterschiedliche ι Widerstandsbeiwerte im obengenannten Sinne hat.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgeschlagen, daß die Breite derTurbinenflügcl der nutzbaren ' 25 Dicke des Strömungsfeldes angepaßt ist, die etwa gleich dem halben Radius r/2 des Rotors ist. Damit ist der Bereich des hohlzylindrischen Strömungsfeldes optimal genutzt, in dem die Erfindung in erster Linie wirksam ist. Eine Erstreckung der Turbinenflügel über diesen Bereich in Radialrichtung nach außen erbringt bei gleichbleibendem Radius des Rotors keine nennenswerte Erhöhung üsr Energieausbeutung.

Weiter kann nach der Erfindung vorgesehen sein, daß im Strömungsfeld Flügel der Vertikalturbinc in zwei oder mehrerer Bahnen von unterschiedlichen Bahnradien kreisen. Dies stellt eine weitere Variante der Erfindung dar, die sich vor allen Dingen bei dem Einsatz von Rotoren mit größeren Radien empfiehlt. Hierbei können auf der einen Bahn Flügel einer bestimmten Querschnittsform und auf der anderen Bahr. Flügel einer anderen Querschnittsform umlaufen.

Es wurde vorstehend bereits erwähnt, daß die angestrebte Erhöhung der Drehzahl des Rotors seine Grenze dort findet, wo die Luftschicht des Strömungsfeldes beginnt, sich von der zylindrischen Rotoroberfläche abzulösen. Um diese Grenze weiter nach oben (im Sinne einer Erhöhung der Umlaufgeschwindigkeit des Rotors und damit der Geschwindigkeit der Zirkulationsströmung) zu verschieben, kann gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung vorgesehen sein, daß Maßnahmen vorgesehen sind, die die Umlaufströmung an der Rotoroberfläche zum längeren Haften bringen. Beispielsweise ist ein Doppelmantel vorgesehen, dessen zylindrischer Innenmantel von der zylindrischen Oberfläche des Rotors gebildet wird. Durch Abstandshalter ist damit konzentrisch und im Abstand ein zylindrischer Außenmantel verbunden, der stark durchlöchert oder netzartig ausgebildet ist.

Auch ist es nach der Erfindung möglich, daß die zylindrische Oberfläche des Rotors durch in der Umfangsrichtung verlaufende Scheibenringe oder Querwölbungen vergrößert ist.

Schließlich kann man gemäß der Erfindung auch so vorgehen, daß die zylindrische Oberfläche des Rotors und/oder die Innenfläche des Mantels und/oder die Sdheibenringe bzw. Querwölbungen aufgerauhte Oberflächen besitzen. Ferner können der Rotor, insbesondere ein seine Oberfläche bildender Mantel und die Turbinenflügel aus witterungsbeständigem, spezifisch leichten Kunststoff bestehen. Schließlich ist es nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung möglich, daß Rotor und Vertikalturbine an ihren Stirnseiten durch rotierende oder feststehende Endscheiben abgedeckt sind, deren Durchmesser größer als der Außendurchmesser der Turbine sind.

In nachstehender Beschreibung und der zugehörigen Zeichnung ist die Erfindung an Hand von Ausführungsmöglichkeiten erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 das Strömungsprinzip nach der Erfindung in der Draufsicht,

Fig. 2 eine grafische Darstellung des Verlaufs der Stärke verschiedener Zirkuiationsströmungen in radialer Erstreckung und Fig. 2a die erzielbare Leistung der Luftströmung in Abhängigkeit von v_:,
Fig. 3 '.in Ausführungsbeispiel der Erfindung in der Seitenansicht,
Fig. 4 einen Querschnitt gemäß der Linie IV-IV in Fig. 3,
Fig. 5 eine weitere Variante der Erfindung in der Draufsicht,
Fig. 6 in einer Teildarstellung eine weitere Variante der Erfindung,

Fig. 7 eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung im Längsschnitt,
Fig 8 eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung in der Draufsicht,

Fig. 9 und 10 zwei Ausfiihrungsmögüchkeiten von Rotoren nach der Erfindung im Längsschnitt,jedoch aus Gründen der zeichnerischen Vereinfachung ohne Darstellung der Turbinen.

&5 Die Zeichnungen sind durchweg prirmpie!! und schematisch zu verstehen. Das Prinzip der Erfindung ergibt sich aus Fig 1. wobei gleichzeitig auch auf Fig 3 verwiesen wird. Ein zylindrischer Rotor 1, der in der Praxis aus (iewichtsgrüncien ein lln'nl/ylinder -.ein wird, wird am seine senkrecht stehende Achse 2 von einem nur schcmuiisL-h angedeuteten Antrieb 3. 4 in der Drehrichiiung 5 ungetrieben. Damit ergibt sich an der /yiindri-

sehen Oberfläche 6 des Rotors 1 eine Umfangsgeschwindigkeit r,„ uml /war in ilcr Diehrichluiii; gemäß Pfeil 5. Die Windströmung ist durch in l^;ig. I von links nach rechts laufende Linien dargestellt, wobei eine Verringerung des Abstandes /wischen diesen Windstromlinien aussagt, daß dort sich die Windgeschwindigkeit erhöht. Die Windrichtung ist durch Pfeile angegeben. Der Wind hat anströmend die Geschwindigkeit i'„. In dem den Rotor I umgebenden etwa hohlzylindrisehcn Slrömungsfcld (auch Leistungszone genannt) mit der Dicke //2, wobei /-der Radius des Rotors ist, entsteht durch die Rolordrchung im Drehsinn eine Zirkulalionsgcschwindigkeil v. der dortigen Luftschicht. Es gilt obengenannte Gleichung (1).

Dnc Rotor 1 ist /.um besseren Verständnis der nachstehenden Darlegungen in acht Sektoren ο bis //eingeteilt, von denen die Sektoren α b, c. (/und e im wesentlichen die Unterdruckseile und die Sektoren/^' und Aim wesentlichen die Überdruckseitc darstellen, wobei die Sektoren η und e Übergangsbereiche bilden.

Unter Berücksichtigung der obengenannten Gleichung (3) ergeben sich tür die einzelnen Sektoren etwa folgende Geschwindigkeiten:

Tabelle 1

Sektor	a	Vj =	V; +	2 V₀
Sektor	b	V, =	V. +	3 v„
Sektor	C	V, =	Vr +	3v„
Sektor	d	v_s =	Vr +	3v„
Sektor	e	V, =	V; +	2 v„

2α

5 ν, = 5 Vr + 13 v„ im Durchschnitt ν, = ν_: + 2,6 v„

Der Wert 2,6 v„gilt bei laminarer Anströmung des Windes. Da nun in der erdnahen Luftschicht Turbulenzen immer auftreten, reduziert sich der Mittelwert von v„ etwa auf 2,5 v„- Damit ändert sich die Gleichung (1) wie folgt:

(4) v.- + 2,5 v„ = ν, für das Strömungsfeld (Leistungszone).

Aufdcr Gegenseite, nämlich der Überdruckseite, bleibt dagegen die Gleichung (2) für die Sektoren/ g und teilweise auch A bestehen.

Es versteht sich, daß die Werte der Tabeiie 1 sich dann ändern, wenn das Verhältnis v„A>„ anders wird als für die Gleichung (3) vorausgesetzt. Das Regulativ hierfür ist die Geschwindigkeit r_; der Zirkulationsströmung. Sie hangt zunächst linear von der Umfangsgeschwindigkeit v„ des Rotors 1 an seinem Zyiinderniantel ab und ferner von der Oberflächenrauhigkeit des Zylindermantels und möglichen Oberflächenvergrößerung des Zylindermantels. I Herauf wird später noch näher eingegangen werden.

Vorstehend wurde bereits gesagt, daß die Dicke des Strömungsfeldes und damit der im Sinne der Erfindung nutzbaren Zirkulationsströmung maximal gleich r/2 ist (/■ = Rotorradius). Hieraus ergibt sich, daß mit einer Ver- '^J

größcrung des Rotorradius sich eine entsprechende Vergrößerung des effektiv nutzbaren Strömungsfeldes ergibt, wodurch die Profilfiäche der in Fig. 1 schematisch angedeuteten Turbinenflügel 7 (bei gleichbleibender Rotorlänge) entsprechend vergrößert werden kann. 45 |

Der Verlaufder obengenannten Geschwindigkeit v_: der Zirkulationsströmung ist in Fig. 2 bei einem Modell eines Rotors mit dem Radius rvon 0,25 m und einer Umfangsgeschwindigkeit des Rotors v,,= 8 m/secin radialer Erstreckung aufgetragen, wobei die Abszisse beim Radius r mit 25 cm beginnt. Der effektiv nutzbare Dicken- m

bereich des Strömungsfeldcs ist durch den Pfeil 8 angedeutet. Es gilt in diesem Beispiel die Gleichung: "-

(5) v_- = 0,6 v„ = 4,8 m/sec

Aufdie Fig. 2 wird weiter unten noch näher eingegangen.

Der Rotor 1 ist koaxial zu einer Turbine angeordnet (siehe F i g. 3), die ebenfalls nur schematisch dargestellt ist und aus den Turbinenfiügeln 7, deren strichpunktiert eingezeichneten Verbindungsteilen 9 (Fig. 4) zu einer zentralen Achse 10 und dem Abtrieb 11 dieser Turbine zu einem elektrischen Generator 12 besteht (siehe auch Fig. 3). Rotor 1 und Turbine laufen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, jedoch im gleichen Drehsinn, um. Fs ist ersichtlich, daß die jeweils auf der Unterdruckseite befindlichen Turbinenflügel aufgrund der dort erhöhten Windgeschwindigkeit mit einer größeren Windenergie beaufschlagt werden als die Flügel, die sich auf der Überdruckseite befinden. Bei gleicher Profilfläche wird gegenüber horizontal laufenden normalen Windrädern oder Propellerrädern etwa das IOfache an Windenergieausbeute erzielt. Detailangaben < erden am Schluß der Beschreibung gegeben. Wie erwähnt, handelt es sich hier um eine Vertikalturb ne. Vertikal ist dabei auf die Lage der Turbinenachse zur Horizontalen bezogen.

Fig. 3 zeigt einen Windmesser 1.3, mit dessen Hilfe - über elektrische Schaltkreise - der Rotorantrieb derart gesteuert wird, daß die Umdrehungsgeschwindigkeit v„des Rotors 1 synchron entsprechend der vorherrschenden Anströmgeschwindigkeit v„ des Windes derartige Werte erreicht, daß die Zirkulationsgeschwindigkeit größer ist als v„. Und zwar soll die Geschwindigkeit der Zirkulationsströmung im Strömungsfeld um den rotierenden Rotor (siehe Bereich r/2 in Fig. 1) so hoch ausfallen, daß sie mindestens 2- bis 4mal größer ist als die gj

Geschwindigkeit v„ des anströmenden Windes. Nur dann ergibt sich ein entsprechend hohes v, gemäß Gleichung (4).

F i g. 3 und auch die später zu erläuternde F i g. 7 zeigen, daß der Rotor und die Turbine mit ihren Achsen 2, K) ™ gegen eine Verschiebung quer zu der Achsrichtung fixiert, jedoch drehbar in einem Träger, oder einer Träger- > platte 13' oder dergleichen gelagert sind. Fig. 3 und 4 zeigen Turbinenflügel T in Form von Darrieus-Flügcln (siehe auch die Draufsicht gemäß Fig. 4). Die Richtung des anströmenden Windes ist mit 14 beziffert. Die Variante gemäß Fi g. 5 zeigt Turbinenflügel 7" in Form von Halbrohren, also Rohren, die der Länge nach durchgeschnittensind. Auch hier ist die Richtung des anströmenden Windes mit 14 angedeutet. Die Flügel T bzw. 7" der jeweiligen Turbine besitzen gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung an ihrer im Unler-

lü druckbereich des Strömungsfeldcs des Rotors dem anströmenden Wind 14 zugewandten Seite einen höheren ,Widerstandsbeiwert als auf ihrer anderen Seite, die dem anströmenden Wind im Überdruckbcrcich des Strömungsfeldes zugewandt ist.

Die Halbrohre 7" können gemäß der Teildarstellung der Fig. 6 zum anströmenden Wind 14 so schräg gestellt sein, daß die Turbinenflügel einen Auftrieb erhalten.

Eine starke Oberflächenrauhigkeit hat eine turbulente Grenzschicht zur Folge, wodurch im Gegensatz zur laminaren Grenzschicht eine Ablösung der Strömung bei sonst zu niedrigen Reynoldzahlen weitgehend vermieden wird. Dies kann durch entsprechende Aufrauhungen der zylindrischen Oberfläche (Mantel) des Rotor» geschehen. Eine besonders bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsform ist in Fig. 8 dargestellt. F.s ist cm zylindrischer Doppelmantel vorgesehen. Der Innenmantel wird von der Oberfläche des Rotors 1 gebildet, während der Außenmantel mit 15 beziffert ist. Beide Mantel sind durch Abstandshalter 16, die kreisnnglormig sein können, zueinander konzentrisch gehalten. Der Außenmantel 15 ist mit Öffnungen 17 versehen oder netzartig ausgebildet. Seine Innenwand ist ebenso aufgerauht wie die Oberfläche des Rotors 1. Damit kann sich die Grenzschicht in der zylindrischen Kammer 18 zwischen den beiden Mänteln nicht so leicht ablösen. Daher wird die Luft in diesem Raum der Zirkulationsströmung von den rotierenden Teilen 1, 15 entsprechend mitgerissen, so daß ein Durchdrehen der Teile 1,15 gegenüber der umgebenden Luftschicht, d. h. ein Ablösen der Luftschicht, erst bei wesentlich höheren Umlaufgeschwindigkeiten der Rotoroberfläche (Rotormantelfläche) eintritt. Bei Windstille betrug für eine Versuchsausführung eines rotierenden Rotors mit r = 0,25 m und einer Höhe /; von 0,5 m und einer Umfangsgeschwindigkeit v„ = 8 m/sec im Abstand von 1 cm vom Mantel des Rotors die Flächenstromleistung im ebenen Querschnitt durch die Zirkulationszone (2 π x R = V):

a) bei glatter Oberfläche des Rotors = 4,57 mVsec

b) bei rauher Oberfläche des Rotors = 6,69 mVsec

c) mit 5 cm hohen Scheibenringen im

Abstand von 5 cm. Oberflächen mit Gardinenstoff aufgerauht = 8,49 m²/sec d) Zylindermantel 15 in 5 cm Abstand

vom Rotor, alle Innenwände aufgerauht. Mantel 15 stark durchlöchert = 10,61 m²/sec

Dem entsprechen die Kurven a), b), c) und d) in Fig. 2. Die Ausgestaltung des Rotors gemäß Fall c) zeigen die Fig. 9, 10, wobei in Umfangsrichtung des Rotors 1 verlaufend entweder Scheibenringe 19 oder aus dem Material des Rotors herausgearbeitete Querwölbungen 20 vorgesehen sind, die die Oberfläche des Rotors vergrößern. Auch diese sind bevorzugt aufgerauht (siehe Ziff. 19', 20'). Analog sehen auch die übrigen Aufrauhungi η aus. Bei all dem ist darauf zu achten, daß möglichst wenig Wirbelbildung im Strömungsfeld, insbesondere angrenzend an die Rotormantelfläche eintritt.

' ₄₅ Fig. 8 zeigt, daß, und zwar insbesondere bei Vorliegen eines äußeren Zylindermantels 15 und mit Bildungeines zylindrischen Hohlraumes 18, unterschiedlich gestaltete Turbinenflügel T und 7" vorgesehen sein können, wobei die Flügel T auf einem anderen, kleineren Radius um die Achse 10 umlaufen als die Flügel 7". Die Anzahl der Bahnen kann auch größer als zwei sein.

Die F i g. 3 und 7 zeigen oberseitig rotierende Endscheiben 21, die auch - sofern erforderlich - unterseitig vor-_Jo gesehen sein können und verhindern, daß von oben und von unten her Luft in das Strömungsleid eingesogen wird, was den angestrebten Effekt mindern würde, da hierdurch dergewünschte Unterdruck teilweise ausgefüllt werden würde.

Als Beispiel für eine Windenergienutzung mit sich drehendem Rotor und Verlikalturbine werden folgende Werte zugrunde gelegt:

Radius des Rotors r = 1 m
Höhe des Rotors Λ = 4 m

Es ist eine Doppelmantelanordnung gemäß Fig. 7 vorgesehen, wobei die Abstandshalterungen kreisringförmig ausgebildet sind. Im äußeren Hohlzylindermantel 15 beträgt das Verhältnis der Lochgröße zu den Stegen zwischen den Löchern? : I. Das Strömungsl'eld (Leistungszone) erstreckt sich von der Rolorwand r= 1 mbisr= 1,50 mund besitzt eine Profilflächc von 0,50 m x 4 m = 2,0 m-\

Radius der Vertikalturbine r = 1,25 m
Höhe der Vertikalturbine h = 4 m
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Die Umdrehungsgeschwindigkeit v„des Rotors wurde mit dem anströmenden Wind gesteigert, wie die Tabelle zeigt. Als Mittelwert für die Geschwindigkeit der Zirkulationsströmung im Strömungsfeld ist v- = 0,6 v„ angesetzt. Damit ergibt sich nach Gleichung (4) v_s = 0,6 v„ + 2,5 v„. Die Druckminderung im Strömungsfeld gegenüber dem

anströmenden Wind wurde nach dem Gesetz von Bernoulli berechnet:

(6) p„ - Ps = γ/2 g ■ (ν,² - ν,,²)

(7) γ = 1,225 kp/m\ g = 9,81 m/sec².

Tabelle 2

(Unterdruckseite bzw. Ablenkseite)

Anström. Wind v„ in m/scc	Rotorumdreh.- geschwindigkeit i'„ in m/scc	v, in der Leistungs- Unlerdruckzone in m/sec bei v, gegen 0,6 i'„ + 2,5 v„ = i\	*P»-Pi* in mm WS
2	8	4,8 + 5,0 =	5,75
4	16	9,6 + 10,0 =	23,01
7	24	14,4 + 17,5 =	60,54
10	28	16,8 + 25,0 =	102,95
12	28	16,8 + 30,0 =	127,89
= 9,8
= 19,6
= 31,9
= 41,8
= 46,8

Tabelle 3

(Überdruckseite bzw. Gegenseite)

Anström. Wind	Rotorumdrehungsgeschwindigkeit	v,/ in (	ier Leistungszone in m/sec
v„ in m/scc	v„ in m/scc	0.6 v„	- v„ = v,/
2	8	4,8	- 2 = 2,8
4	16	9,6	- 4 = 5,6
7	24	14,4	- 7 = 7,4
10	28	16,8	- 10 = 6,8
12	28	16..8	- 12 = 4.8

Durch Erhöhen der Rotorumdrehungsgeschwindigkeit v„ ließen sich in den Tabellen 2 und 3 die i\- und v,_r Werte noch verbessern. Dies hat eine Leistungserhöhung zur Folge, wie es aus Fig. 2a zu entnehmen ist, welche die Leistung der Luftströmung im Strömungsfeld (Leistungszone) bei einem anströmenden Wind von v„ = 4 m/sec zeigt, wobei auf der Abszisse linear die zunehmenden Geschwindigkeiten v_: der Zirkulationsströmung aufgetragen sind. Als Profilfläche der Leistungszone sei 1 m² angenommen. Um hierbei etwa störende Schwingungen zu beseitigen, empfiehlt sich um einen eine Vergrößerung des Rotordurchmessers und dessen Herstellung aus witterungsbeständigem Kunststoff. Aus dem gleichen Grunde empfiehlt es sich auch, u-ß die Flügel der Vertikalturbine aus einem leichten Kunststoff bestehen. Beide Kunststoffe sollen witterungsbestänvdig sein. Dies hat nicht nur die gewünschte Gewichtsverminderung gegenüber Metallausführungen, sondern auch eine weitere Reduzierung der Herstellungskosten vorteilhafterweise zur Folge. Mit diesem Vorschlag der ^Erfindung werden auch die Lagerreibungen des Rotors und der Vertikalturbine reduziert.

Entscheidend Tür die Beschleunigung von v„ auf der Druckunterseite ist das dort im Strömungsverlauf ent- ' ^stehende starke Druckgefälle (Tabelle 2). Dieses starke Druckgefälle im Strömungsverlauf verhindert außerdem 'nachteilige Wirbelbildungen.
*: Bei der nun folgenden Gegenüberstellung der Leistungen von

a) einer freilaufenden Darrieus-Turbine (also ohne erfindungsgemäße Kombination mit einem schnellumlaul'enden Rotor) mit

b) einer Anordnung nach der Erfindung (also Rotor mit Veriikalturbine)

wurde fiira) eine auf F. v. König zurückgehende Leistungsgleichung zugrunde gelegt. Hiernach ist:

(8) die Leistung /?„,„, = 0,000 24 · vj ■ A (kW) A = Profilfläche der Turbine in m²

Für die Anordnung nach der Erfindung errechnet sich die Leistung nach (9).

Bisher ging der Trend bei allen Windrädern zu hohen Gleitzahlen ε = g/g. = Auftriebs- zu Widerstandsbeiwert. Dies gilt für die Anordnung nach der Erfindung nicht, weil der Wind hier eine Schubleistung ausführt. Für eine hohe Schubleistung zählt dann die Summe von C₀ und c„ sie sollte 1,3 erreichen, besser überschreiten (r„ + r„ δ 1,3). Unter diesen Bedingungen entnehmen die Turbinenflügel soviel kinetische Windenergie, daß die Geschwindigkeit in der Leistungszone von v, auf V₁ - 1,25 v_o zurückgeht. Für die Berechnung der Turbinenleislung muß demzufolge als Durchschnitt 1/2 (v_s + v, - 1,25 v„) = v„ angesetzt werden. Bezüglich der Schnell-

läufigkeit λ = ;/Λ^ = Umfangsgeschwindigkeit der Turbinenflügel: Windgeschwindigkeit im Strömungsfeld gilt für die Maximalleistung iiA'u, = 0,3. Die theoretisch höchste Leistung einer Anordnung nach der Erfindung mit 12 Flügeln unter den gegebenen Werten der Tabellen 2 und 3 errechnet sich wie folgt:

(9) P = p/2 ■ (c + c) ■ B/2 - dw - uY ■ u

B = Beaufschlasungsfläche der Flügel
B = 0,25 m ■ 4 m · 12 = 12 m²
u = Umdrehungsgeschwindigkeit der Turbinenflügel

für U wird 0,3 v«, gesetzt
ίο für (q, + α) = 1,3 berechnet

= pll ■ 1,3 · 6 · (ν*, - 0,3 v_xf 0,3 v„

= p/2 · 1,3 · 6 - 0,147 χJ - 9,81 = kW

= 0,000 703 · νJ (kW)

v» ergibt im Durchschnitt 0,85 v,.

Die Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors regele ein Elektromotor 3, der (s. o.) über den Schalenkreuz-Windmesser 13 synchron zur Anströmgeschwindigkeit des Windes elektronisch gesteuert wird. Die Energieabnahme durch die Flügel der Vertikalturbine entspricht der Differenz der kinetischen Energien bei den Geschwindigkeiten v_s und V₁ - 0,625 v„ im Strömungsfeld. Die abgegebene Energie stammt demzufolge aus der Beschleunigung des Windes auf der Unterdruckseite des Strömungsfeldes von v„ auf 2,5 v_a und damit aus der umgewandelten Druckenergie, die diese Beschleunigung verursacht hat. Das Verhältnis V₂Au (V₂ = Windgeschwindigkeit hinter der Vertikalturbine) wäre ohne Energieabnahme durch die Turbinenflügel 1/1. Die Energieabnahme bewirkt, daß die Windströmung früher aus der Unterdruckseite des Strömungsfeldes austritt, wodurch sich die Stromlinien erweitern und das Verhältnis V₂Ar₀ sich 0,5 nähert. Hierfür ist allerdings Voraussetzung, daß c größer als c ausfällt, das ist bei Darrieus-Flügeln und bei schräggestellten Halbrohrcn (siehe Abb. 5) der Fall.

Die Werte für den Vergleich a) mit b) (siehe S. 7) sind in der Tabelle 4 zusammengestellt. Dabei sind also die Fälle a (Darrieus-Turbine) und b (Rotor-Turbine nach der Erfindung) unterschieden und dargestellt. Die sich im Fall b) nach der Erfindung ergebende Leistung ist der ganz rechts gelegenen Vertikalspalte der Tabelle 4 zu entnehmen. Diese Angaben basieren auf berechneten Durchschnittswerten. Dies gilt auch für die Werte c„ und c„.

Tabelle 4

Leistung für 2 Windturbinen mit gleich großem Luftraum

a) freilaufende Darrieus-Turbine r = 1,25 m, h = 4 m

b) Rotor-Turbine r = 1,25 m. /; = 4 m

Anströmender Wind	Windleistung für A - 4 χ 2.5 = 10 ην	Darrieus- Turbine A = 1Om-'	Windleistung in der Leistungszone 0.5 x 4 = 2 m-	kW	Rotor-Turbine B = 12 m^J v„ L-L - L - L_n)*	kW /.„	0,21
ν in m/sec	kW	kW	v, m/sec	1,38	m/sec	0,43 - 0,18 - 0,04 =	0,39
2	0,049	0,019	9.8	2.24	8,6	0,84 - 0,36 - 0,09 =	0.65
2.5	0.095	0,038	12,3	3,88	10,7	1.46 -0,64 - 0,16 =	1,85
3	0.165	0.065	14,7	9,19	12,8	3,45 - 1,28 - 0,32 =	4,16
4	0.392	0.154	19.6	17,94	17,1	6,74 - 2,08 - 0,50 =	7,64
5	0.766	0,300	24,5	31,00	21,4	11,64 - 3,20 - 0,80 =	10,29
6	1.3? ·	0,518	29,4	39,60	25,7	14,39 - 3,20 - 0,90 =	13,33
7	2.100	0,823	31,9	49.66	27,5	17,53 - 3,20 - 1,00 -	2O.K()
8	3,13h	1.229	34.4	74,06	29.4	26,36 - 4,40 - 1.10	26.40
9	4.465	1.750	39.3	89,11	33,7	31,00 - 4,40 - 1,20	3 1,48
10	6.125	2,400	41,8	105,70	35,6	36,18 - 4,40 - 1,30 -	37,()8
Il	8.152	3,194	44,3	125,06	37,4	41,88 - 4,40 - 1,40
12	10,584	4,147	46,8	39,3	Rotorrcihunt; ~ Nul/loisliinii
·) /.. /. - L, =	/..bedeutet: Lci.sUinc	der Turbine - Loisl	unu Pur RotnrdrclHinü - Leistung Γϋτ

Die Werte der Tabelle 4 zeigen, daß die erfindungsgemäße Kombination des Rotors mit Vertikalturbine bei gleichen Ausmaßen Leistungen erzielt, die 8- bis lOmal höher liegen als bei den bisherigen Windturbinen. Dieser Erfolg geht allein aufdas erzielte Strömungsgefälle durch Unterdruck zurück. Der bisher in der Fachwelt vorherrschende Standpunkt, daß die Leistung von Windrädern allein durch die Windgeschwindigkeit oder

zeillich anfallende Luftmasse in m'/see bestimmt wird, läßl sich somit nicht mehr aufrecht erhalten. Genau wie bei der Wasserbenutzung entscheiden über die Energieausbeute zwei Faktoren:

1. die zeillich anfallenden Massen in mVsec I

2. die Stärke des Strömungsgefalles. 5

Letzteres wurde nun mit der Erfindung in die Windenergienutzung eingeplant und eingebaut. Die erläuterte Beschleunigung des anströmenden Windes auf das 3- bis 4fache seiner Geschwindigkeit ergibt bereits eine sehr wesentliche Steigerung der Ausbeutung. Im Durchschnitt gilt, daß bei einer Bruttoausbeute vom Betrag 100 davon etwa 20% für den Antrieb des Rotors 1 aufzuwenden ist, während 80% der Energie der Leistungsgewinn Ln 10 ist.

Erwähnt sei noch, daß eine Vertikalturbine mit Rotor gemäß der Erfindung durch Wirbelstürme aufgrund ihrer Bauart und Kompaktheit kaum gefährdet ist (ein Nachteil, der bei allen Windrädern das Hauptproblem darstellt). Da die Energieausbeute der niederen Windgeschwindigkeiten (2 bis 4 m/sec) besonders ergiebig ist, sind Anordnungen nach der Erfindung auch für windschwache Gebiete, bzw. für Gebiete, die abwechselnd 15 starke und schwache Winde haben, interessant.

Die wirtschaftliche Nutzung der mit der Erfindung gewonnenen Energie liegt in der preisgünstigen t't.'omerzeugung und zwar sowohl Drehstrom, Wechselstrom als auch insbesondere Gleichstrom.

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Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Windenergienutzung, bei dem ein zylindrischer Rotor um seine Längsachse gedreht und damit um ihn eine Zirkulationsströmung erzeugt wird, so daß um die Oberfläche des Rotors herum ein Strömungsfeld entsteht, das sich aus dem anströmenden Wind und der Zirkulationsströmung zusammensetzt,

dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (l)somiteinerder Erzeugung elektrischer Energie dienenden Vertikalturbine kombiniert wird, daß sich die Turbinenflügel (7,7', 7") koaxial zum Rotor (1) in dessen Strömungsfeld befinden und dort den gleichen Drehsinn (5) wk der Rotor erhalten und daß das Strömungsfeld zum Aufbau eines Unterdruckes der Art ausgenutzt wird, daß der Unterdruck auf der Seite des iiolurs, iö nach der der Wind abgelenkt wird, den anströmenden Wind beschleunigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umdrehungsgeschwindigkeit (v„) des Rotors über einen Windmesser (13) synchron nach der vorherrschenden Anströmgeschwindigkeit (v_o) des Windes so gesteuert wird, daß die Geschwindigkeit (v_.) der Zirkulationsströmung in der Unterdruckzone oder -seite des Strömungsfeldes des Roturs (1) höher ist als die Geschwindigkeit (v„) des anströmenden Windes, wobei bevorzugt die Geschwindigkeit (v_:) de; Zirkulationsströmung etwa 2- bis 4mal so groß ist als die Geschwindigkeit (v„) des anströmenden Windes.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rotor (1) und eine mit Flügeln (T, 7") versehene Vertikalturbine zueinander konzentrisch in einem Träger, Trägerplatte oder dergleichen (13') drehbar gelagert sind, wobei ein Antrieb (3, 4) zur Drehung des Rotorswnd ein Antrieb (11,12) der Energie derTurbine vorgesehen sind und daß bevorzugt die Flügel (T, 7") der Verlikaiiurbine an ihrer in der Unterdruckzone oder-seite des Strornungsfcldcs des Rotors dem anströmenden Wind zugewandten Seite einen höheren Widerstandsbeiwert (c„) besitzen als auf ihrer anderen Seite, die in der Überdruckzone oder -seiie des Strömungsfeldes dem anströmenden Wind zugewandt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor und die Vertikalturbine gegen eine Translationsbewegung quer zum anströmenden Wind gesichert (arretiert) sind.

5. Vorrichtung nach Ampruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenflügel Halbrohre (7") sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbrohre (T) zum anströmenden Wind (14) schräg gestellt sind, so daß an ihnen ein Auftrieb erzeugt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenflügel Darrieus-Flügel (7') sind.

8. Vorrichtung nach einten der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Turbinenflügel (7,"', 7") der nutzbaren Dicke des Strömungsfeldes angepaßt ist, die etwa gleich dem halben Radius (/) des Rotors (1) ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Strömungsfeld Flügel der Vertikalturbine in zwei oder mehreren Bahnen von unterschiedlichen Bahnradien kreisen.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Abstand von der zylindrischen Oberfläche des Rotors (Dein Hohlzylindermantel (15) vorgesehen ist, so daß zwischen beiden ein Raum (18) gebildet ist, wobei der Mantel (15) mit dem Rotor (1) durch z. B. kroisrin^lrrmige Abstandshalter (16) konzentrisch im gewünschten Abstand verbunden ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Oberfläche des Rotors (1) durch in der Umfangsrichtung umlaufende Scheibenringe (19) oder Querwölbungen (20) vergrößert ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Oberfläche des Rotors (1) und/oder die Innenfläche des Mantels (15) und/oder die Scheibenringe (19) bzw. Querwölbungen

(20) aufgerauhte Oberflächen besitzen.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (!), insbcsondere ein die zylindrische Oberfläche des Rotors bildender Mantel und die Turbinenflüge! aus witterungsbeständigem, spezifisch leichtem Kunststoff bestehen.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß an den Stirnseiten Rotor und Vertikalturbine durch rotierende oder feststehende Endscheiben (11) abgedeckt sind, deren Durchmesser größer als der Außendurchmesser der Turbine sind.