DE3512420C1

DE3512420C1 - Windenenergiekonverter

Info

Publication number: DE3512420C1
Application number: DE3512420A
Authority: DE
Inventors: Michael 6100 Darmstadt Martin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-04-04
Filing date: 1985-04-04
Publication date: 1986-09-11
Also published as: ES296635U; KR880700165A; US4799860A; ES296635Y; CN86103147A; WO1986005846A1; EP0222780A1; JPS62502416A; CN1004092B; AU5661886A; DK581186A; DK581186D0

Description

Die Erfindung betrifft einen Windenergiekonverter mit einem Rotor mit senkrechter Drehachse und mit mindestens einem angenähert senkrechten Vortriebsflügel, der jeweils an mindestens einem Rotorarm um eine angenähert senkrechte Schwenkachse frei schwenkbar gelagert ist, asymmetrisches Tragflügelprofil aufweist und mit einer in Drehrichtung vor der Drehachsenebene angeordneten Ausgleichsmasse starr verbunden ist.

Windenergiekonverter mit senkrechter Rotordrehachse sind in zahlreichen Ausführungsformen bekannt. Sie bieten den Vorteil, daß sie von der Windrichtung unabhängig sind und daher mit verhältnismäßig geringenxBauaufwand ausgeführt werden können, da keine Verstellung bei einer Windrichtungsänderung erforderlich ist. Ein grundsätzlicher Nachteil derartiger Windenergiekonverter besteht darin, daß sich der Anblaswinkel des Vortriebflügels während jeder Rotorumdrehung zwischen einem größten und einem kleinsten Wert kontinuierlich ändert. Diese Änderung des Anblaswinkels nimmt mit niedrigeren Schnellaufzahlen zu. Die Schnelllaufzahl ist das Verhältnis der Windgeschwindigkeit zu der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors.

Mechanische oder sonstige Zwangssteuerungen, die den Anstellwinkel der Vortriebsflügel bei jeder Rotorumdrehung zur Anpassung an den Anblaswinkel verän-

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55 den kann, wenn der Anstellwinkel den für den jeweiligen augenblicklichen Anblaswinkel optimalen Wert einnimmt. Asymmetrische Flügelprofile, die eine höhere Vortriebskraft und damit einen besseren Wirkungsgrad des Rotors ergeben, können im Bereich kleiner Schnelllaufzahlen nicht verwendet werden, weil bei der großen Anblaswinkeländerung die Strömung vollständig abreißen würde. Deshalb konnten in diesen Bereichen bisher nur symmetrische Flügelprofile verwendet werden, die jedoch einen schlechten Wirkungsgrad haben. Auch bei diesen besteht im Bereich kleiner bis mittlerer Schnelllaufzahlen noch der Nachteil, daß die Änderung des Anblaswinkels zumindest teilweise zu einem Ablösen der Strömung und somit zu einem erhöhten Strömungswiderstand bei teilweise wegfallenden Vortrieb führt, wodurch der Gesamtwirkungsgrad des Windenergiekonverters erheblich herabgesetzt wird.

Bei bekannten Windenergiekonvertern (DE-AS 26 02 380, DE-OS 28 31 731) sind die Vortriebsflügel schwenkbar am Rotorarm gelagert. Eine vor der Schwenkachsenebene angeordnete Ausgleichsmasse hebt den Fliehkrafteinfluß auf; die Schwenkachse liegt im Gesamtmassenschwerpunkt des aus dem Vortriebsflügel und der Ausgleichsmasse bestehenden Körpers.

Die Vortriebsflügel sind mit symmetrischem Flügelprofil ausgeführt, wodurch sich ein ungünstiger Wirkungsgrad ergibt.

Bei dem Windenergiekonverter nach der DE-OS 28 31 731 kann die Ausgleichsmasse, so gewählt werden, daß sie die Masse des Vortriebsflügels nur teilweise ausgleicht, so daß der Gesamtmassenschwerpunkt hinter der Schwenkachsenebene liegt.

Bei einem bekannten Windenergiekonverter der eingangs genannten Gattung (DE-OS 33 04 944) liegt der Gesamtmassenschwerpunkt des Vortriebsflügels einschließlich der Ausgleichsmasse ebenfalls in der Schwenkachsenebene. Bei diesem bekannten Windenergiekonverter bleibt die von der Drehzahl abhängige Fliehkraft somit ohne Einfluß auf den Anstellwinkel des Vortriebsflügels; der Anstellwinkel stellt sich nur unter der Wirkung der angreifenden Strömungskräfte auf einen Wert ein, der jedoch keine optimale Vortriebskraft und somit keinen günstigen Wirkungsgrad ergibt

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Windenergiekonverter der eingangs genannten Gattung so auszubilden, daß ein günstiger Wirkungsgrad insbesondere bei kleinen und mittleren Schnellaufzahlen erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Gesamtmassenschwerpunkt des aus dem Vortriebsflügel und der Ausgleichsmasse bestehenden Körpers in Drehrichtung vor der Schwenkachse liegt.

Die Verlagerung des Gesamtmassenschwerpunktes vor die Schwenkachse führt dazu, daß der Vortriebsflügel mit zunehmender Drehzahl einen größeren Anstellwinkel einzunehmen sucht. Den durch die Fliehkraftwirkung bei erhöhter Drehzahl auf tretenden Kräfte wirken die Strömungskräfte entgegen; bei einem Kräftegleichgewicht nimmt der Vortriebsflügel für jeden äugen-

dem, sind mechanisch sehr aufwendig und benötigen

verhältnismäßig viel Energie; außerdem muß bei dieser 60 blicklichen Anblaswinkel den jeweils günstigsten Am Steuerung die jeweilige Windrichtung berücksichtigt Stellwinkel ein. Dadurch wird im Zusammenwirken mit werden. — - der Verwendung eines asymmetrischen Tragflügelpro-

Eine starre Anbringung der Vortriebsflügel an den fils eine wesentliche Steigerung des Wirkungsgrades er-

Rotorarmen und somit der Verzicht auf eine Anpassung des Anstellwinkels an den sich ändernden Anblaswinkel führt zu einer erheblichen Verringerung des Wirkungsgrades des Windenergiekonverters, da eine größtmögliche Vortriebskraft am Vortriebsflügel nur erreicht werreicht.

Die am asymmetrischen Tragflügelprofil angreifende Auftriebskraft und das aerodynamische Moment sind im Bereich anliegender Strömung vom Anblaswinkel linear abhängig. Zugleich greift an dem Vortriebsflügel eine

Fließkraft an. Da der Auftrieb, das Flügelmoment und die Fliehkraft von den jeweiligen Geschwindigkeiten quadratisch anhängen, läßt, sich bei jeder Geschwindigkeit und somit bei jedem während des Umlaufs vorkommenden Anblaswinkel ein Gleichgewicht erzielen, das durch die Verlagerung der Ausgleichsmasse noch beeinflußt werden kann. Auch im Bereich mittlerer bis. kleiner Schnellaufzahlen wird ein Ablösen der Strömung zuverlässig dadurch vermieden, daß der Anstellwinkel den jeweiligen Anblasverhältnissen nachgefahren wird. Dadurch wird es ohne Schwierigkeiten möglich, asymmetrische Tragflügelprofile zu verwenden, die gegenüber symmetrischen Profilen einen deutlichen Leistungsgewinn aufweisen, da wesentlich höhere Antriebsbeiwerte bei gleichen Anblaswinkeln erreicht werden.

Die Verwendung von asymmetrischen Flügelprofilen ist bei starr an den Rotorarmen befestigten Vortriebsflügeln von Windenergiekonvertern zwar bekannt (DE-OS 28 16 026); jedoeh ermöglichen diese Vortriebsflügel keine Anpassung an den sich ändernden Anblaswinkel. Deshalb wird bei diesem bekannten Windenergiekonverter auch nur ein sehr spezielles Flügelprofil vorgesehen, das gegen Änderungen des Anblaswinkels weniger empfindlich ist, dessen Wirkungsgrad jedoeh schlecht ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß der Gesamtschwerpunkt höchstens um 20% der mittleren Flügeltiefe vor der Schwenkachse liegt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche 3 und 4, für die nur ihm Rahmen des Patentanspruchs 1 Schutz beansprucht wird.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigt

Fig. 1 in räumlicher, vereinfachter Darstellungsweise einen Windenergiekonverter,

F i g. 2 einen vergrößerten Schnitt längs der Linie H-II in Fi g. 1 und F i g. 3 einen Schnitt längs der Linie IH-III in F i g. 2.

Der in Fig. 1 gezeigte Windenergiekonverter trägt an einem Mast 1 einen Rotor 2 mit senkrechter Drehachse, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei waagrechte Rotorarme 3 aufweist, an deren Ende jeweils ein Vortriebsflügel 4 angebracht ist.

Der Vortriebsflügel 4 (F ig. 2), der in jeder herkömmlichen Bauweise ausgeführt sein kann, beispielsweise aus Kunststoff, Faserverbund, Metall- oder Holzbauweise, ist senkrecht angeordnet und ist in der Mitte an einer senkrechten Lagerwelle 5 schwenkbar gelagert, die mit dem Rotorarm 3 mittels einer Schraube Ö verbunden ist (F i g. 3). Die Lagerwelle 5 ist an ihren beiden Enden jeweils an einer Krafteinleitungsrippe 7 des Vortriebsflügels 4 gelagert. Die dadurch gebildete Schwenkachse 8 liegt angenähert an der Flügelvorderkante des Vortriebsflügels 4. Die freie Schwenkbarkeit des Vortriebsflügels 4 um die Schwenkachse 8 wird nur durch Anschläge 9 begrenzt, die in einem Winkelabstand von etwa 30° beiderseits des Befestigungsendes des Rotorarms 3 angeordnet sind.

In einer vor der Flügelvorderkante vorspringenden Flügelnase 10 ist eine mit dem Vortriebsflügel 4 starr verbundene Ausgleichsmasse 11 angeordnet, die dafür sorgt, daß der (in Fig. 2 hervorgehobene) Gesamtmässenschwerpunkt 12 des aus dem Vortriebsflügel 4 und der Ausgleichsmasse 11 bestehenden Körpers in Drehrichtung des Rotors 2 vor der Schwenkachse 8 liegt.

Die Größe und der wirksame Hebelarm der Ausgleichsmasse 11 werden so gewählt, daß der Abstand des Gesamtmassenschwerpunktes 12 zu der Schwenkachse 8 höchstens 20% der mittleren Flügeltiefe des Vortriebsflügels 4 beträgt.

Wie man aus F i g. 2 erkennt, hat der Vortriebsflügel 4 ein asymmetrisches Tragflügelprofil, dessen Vortriebswirkunsgrad besonders günstig ist. Am Übergang vom Rotorarm 3 zu der Verkleidung der vorspringenden Flügelnase 10 bzw. zum Vortriebsflügel 4 ist zweckmäßigerweise eine elastische Schlitzverkleidung 13 vorgesehen.

Der Rotor 2 kann mit einer beliebigen Anzahl von Vortriebsflügeln 4 und Rotorarmen 3 ausgeführt werden, beispielsweise auch als Einflügelrotor. Auch bei kleinen Windgeschwindigkeiten läuft der Rotor 2 ohne Antriebshilfe selbst an. Es versteht sich, daß die Gesamtmasse des Vortriebsflügels 4 mit der Ausgleichsmasse 11 zur Vermeidung von zu großen dynamischen Massenkräften möglichst gering gehalten werden soll. Die einfache Veränderung der Lage der Ausgleichsmasse 11 ermöglicht eine optimale Anpassung an die Eigenschaften der jeweils verwendeten Flügelform.

Die Schwenkachse 8 kann angenähert in oder kurz hinter der Flügelvorderkante liegen. Je nach der Flügelform (z.B. negativ oder positiv gepfeilt) kann die Schwenkachse 8 in mittlerer Höhe des Vortriebsflügels 4 auch vor oder weiter hinter der Flügelvorderkante liegen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Windenergiekonverter mit einem Rotor mit senkrechter Drehachse und mit mindestens einem angenähert senkrechten Vortriebsflügel, der jeweils an mindestens einem Rotorarm um eine angenähert senkrechte Schwenkachse frei schwenkbar gelagert ist, asymmetrisches Tragflügelprofil aufweist und mit einer in Drehrichtung vor der Drehachsenebene angeordneten Ausgleichsmasse starr verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtmassenschwerpunkt (12) des aus dem Vortriebsflügel (4) und der Ausgleichsmasse (11) bestehenden Körpers in Drehrichtung vor der Schwenkachse (8) liegt

2. Windenergiekonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtmassenschwerpunkt (12) höchstens um 20% der mittleren Flügeltiefe vor der Schwenkachse (8) liegt.

3. Windenergiekonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Vortriebsflügel (4) eine mechanische Schwenkwinkelbegrenzung (9) vorgesehen ist.

4. Windenergiekonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsmasse (11) in einer vor der Flügelvorderkante vorspringenden Flügelnase (10) untergebracht ist.