DE3607644A1 - Konzentrator-windturbine - Google Patents

Description

• B e s c h r e i b u n g
• Die Erfindung betrifft eine Windturbine der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.
• Die bisher bekannten Windräder sind nicht in der Lage, Windenergie zu konzentrieren. Es wurde die Aufgabe gestellt, mit einer neuen räumlichen Anordnung die Nachteile der bisher bekannten Windräder (als da sind: geringe Drehzahl des Rotors im Vergleich zur Drehzahl einer modernen Kraftmaschine - hohe Kräfte am großen Rotor -großer Fertigungsaufwand des Rotors - hohe Anlaufwiderstände des Rotors durch das Getriebe) zu beheben.
• Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine besondere Anordnung von Wirbeln, hervorgerufen durch Tragflügel, die Ausnutzung des Windes zur Energiegewinnung zu steigern. Mit dem Windkonzentrator wird erreicht, daß bei vorgegebenem Rotordurchmesser die ausgekoppelte Leistung um das fünf- bis siebenfache gesteigert werden kann.
• Das vorliegende Gerät unterscheidet sich von den bisher bekannten Windrädern dadurch, daß feststehende Flügel (Statorflügel) an einem ringförmigen Gestell befestigt sind. Dieser Flügelstern rotiert nicht. Die gagen den Wind aufgestellten Flächen erzeugen im freien Mittenraum des Flügelsterns Randwirbel als Folge der bekannten Druck-Sog-Ausgleichsströmung am Ende eines auftrieb- erzeugenden Tragflügels. Die vom Wind mitgeschleppten Randwirbel beginnen durch gegenseitige Induktion stromab spiralförmig umeinander zu rotieren. Die entstehende Wirbelspirale (Wirbelspule) kann als ein System von in die Länge gezogenen Wirbelrinyen angesehen werden, durch die der Wind beschleunigt wird.
• Das vorliegende Gerät unterscheidet sich ferner von den bisher bekannten Windrädern dadurch, daß die Statorflügel in ihren Anstellwinkeln um ca. 45 schwenkbar sind (Abb. 4 und 5), wobei die Kraft zur Anstellwinkel-Drehung vom anströmenden Wind gegen eine Feder an den Flügeln aufgebracht wird. Die Feder stellt den Flügel bei Nachlassen des Windes in die Ruhestellung zurück. Die Feder ist in ihrer Charakteristik so ausgelegt, daß die Leistung der Turbine ab der Nenngeschwindigkeit des Windes nicht weiter ansteigt. Generator und Rotor befinden sich in dem freibleibenden kreisförmigen Ausschnitt des Flügelsterns.
• Der Generator ist mittels Speichen an dem um 360" in der Vertikalen frei drehbaren Ringgestell befestigt. Der Tragflügelstern entfaltet eine Windfahnenwirkung, so daß sich das System in die Windrichtung einstellt.
• Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit Zeichnungen erläutert: Abb. 1 zeigt eine konventionelle Windturbine, wie sie auch im Zentrum der erfindungsgemäßen Konzentrator-Windturbine Verwendung findet.
• Abb. 2 zeigt mit Blick in die Strömungsrichtung die Anordnung der Randwirbel im freibleibenden Innenkreis des Tragflügelsystems der Konzentrator-Windturbine.
• Abb. 3 zeigt die Abschrägung des inneren Flügelrandes der freistehenden Konzentratorflächen zur Verstärkung des Wirbelspulerneffekts.
• Abb. 4 zeigt die Befestigung des Rotors mit Arbeitsmas-chine durch Speichen am Ring des Konzentrators (Flügelstern).
• Abb. 5 zeigt die Anstellwinkel-Beweglichkeit der feststehenden Flügel, die sich bei größeren Windstärten durch Drehung der Federn parallel zum Wind stellen und somit die Leistungsregelung und gleichzeitig die Sturmsicherung aer Anlage bewirken.
• Abb. 6 zeigt die Windnachführung des gesamten Systems durch eine vertikale Drehlagerung des Flügel-Befestigungspunktes vor dem t/4-Punkt (t = Flügeltiefe) der Konzentratorflächen.
• Die Konzentrator-Windturbine ist eine Vorrichtung die den Wind vor der Turbine mittels einer mehrgängigen Wirbelschraube verstärkt. Die mehrgängige Wirbelschraube entstehtdurch eine rotative Bewegung der einzelnen Tragflügel-Randwirbel um die zentrale Achse des freien Innenkreises des Flügelsterns. Messungen haben ergeben, daß sich mit dem Windenergie-Konzentrator die fünf- bis siebenfache Leistung aus einem vorgegebenen Rotor herausholen läßt.
• Die besondere Anordnung der Tragflügel des Windenergie-Konzentrators bezüglich eines vertikalen Drehlagers bewirkt eine automatische Nachführung des Systems in die jeweilige Windrichtung. Durch die vertikal frei drehbare Lagerung wirkt die Anordnung als ganzes System wie eine Windfahne, so daß sich der Konzentrator mit Rotor und Generator jeweils von selbst in die herrschende Windrichtung stellen.
• Die Anstellwinkel-Nachgiebigkeit der Flügel gegen eine vorgespannte Feder ergibt an einer vorgegebenen Nennyeschwindigkeit eine Leistungsabgrenzung der Turbine. Bei sehr hohen Windgeschwindigkeiten richten sich die Flügel parallel zur Windrichtung aus, wodurch eine effektive Sturmsicherung erreicht wird.
• Die sternförmige Anordnung von sechs bis zwölf (den Stator bildenden) Tragflügeln ermöglicht gemäß Abb. 2 die Bildung von Randwirbeln infolge einer Druck-Sog-Ausgleichsströmung an den Flügelrändern durch Offenhalten ' des Innenkreises des Flügelsterns. Die nicht rotierende Flügel sind bevorzuyt auf einer n-eckigen oder kreisrunden vertikal drehbaren Halterung gemäß Abb. 4, 5 und 6 um ihre Längsachse schwenkbar befestigt, wobei Federn die Flügel in ihre optimale Arbeitsstellung bringen.
• Eine Abschrägung des Randes von 30° bis 45" an den inneren Flüyelenden der Anordnung verstärkt infolge des längeren Umströrnungsweges den erzielten Wirbeleffekt.
• Durch die bevorzugte Anordnung des Rotors auf einer gemeinsamen Welle mit einem. elektrischen Generator oder Hydraulik-Motor, wobei insbesondere dieser Teil durch konzentrische Speichen mit der vorstehend genannten drehbaren Halterung verbunden ist, ermöglicht eine unkomplizierte konstruktive Ausführung.
• Durch die Anpassung der Anstellwinkel der Statorflügel bei Änderung der Windstärke durch Federkräfte mit einer geeigneten Kennlinie wird Veränderung der Leistungsabgabe des Generators im Sinne einer selbsttätigen Leistungsregelung erreicht. Durch diese Anordnung der Flügel und insbesondere durch die Wahl des Verhältnisses Statordurchmesser zu Rotordurchmesser etwa gleich 5:1, wird eine Sturmsicherung bewirkt, wobei jeder einzelne Flügel sich bei Sturm parallel zur Windrichtung stellt, so daß der Konzentrator dem Sturm fast keinen Widerstand mehr bietet.
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Claims (6)

1. Konzentrator-Windturbine Ansprüche 1. Konzentrator-Windturbine mit einem einen Rotor aufweisenden Generator, g e k e n n z e i c h n e t durch die sternförmige Anordnung von sechs bis zwölf nicht rotierenden Tragflügeln mit- einem offenen Innenkreis, in dem der Generator mit Rotor vorgesehen ist.
2. 2. Konzentrator-Windturbine nach Anspruch 1, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die sechs bis zwölf nicht rotierenden Flügel an einer n-eckigen oder kreisrunden vertikal frei drehbaren Halterung um ihre Längsachse gegen eine Federkraft schwenkbar befestigt sind.
3. 3. Konzentrator-Windturbine nach Anspruch 2, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Schwenkbereich im wesentlichen 45" beträgt.
4. 4. Konzentrator-Windturbine nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß an den inneren Flügelenden der Anordnung eine Abschrägung von 30° bis 45" vorgesehen ist.
5. 5. Konzentrator-Windturbine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Anordnung des Rotors auf einer gemeinsamen Welle mit einem elektrischen Generator oder Hydraulik-Motor, welcher mittels konzentrischer Speichen mit der Halterung verbunden ist.
6. 6. Konzentrator-Windturbine nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß Verhältnis von Statordurchmesser zu Rotordurchmesser im Wesentlichen gleich 5:1 ist.