DE3713024A1 - Stroemungsmaschine zur energiegewinnung - Google Patents
Stroemungsmaschine zur energiegewinnungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine zur Energie
gewinnung mit einer in einem Gestell oder einem Turm gelager
ten Rotor, der mit Halteelementen für Windräder versehen
ist, wobei von dem Rotor die gewonnene Windenergie abnehmbar
ist.
Bekannte Energiegewinnungsanlagen ähnlicher Art weisen hori
zontale oder leicht geneigte Drehachsen auf, mit einer Nabe,
in welcher entweder sehr einfache schaufelartige Flügel, wie
etwa bei Windmühlen, oder aerodynamisch günstig gestaltete
Flügel wie etwa bei Propellern befestigt sind. Die Anpassung
an die Windgeschwindigkeit wird bei Windmühlen durch Verän
derung der Angriffsfläche der Flügel und bei modernen Wind
rädern durch Ändern des Flügelanstellwinkels bewerkstelligt.
Bei sich ändernder Windrichtung müssen beide Arten von Strö
mungsmaschinen entsprechend nachgestellt werden, so daß die
Flügelkreisfläche ständig annähernd senkrecht zur Luftströ
mung steht. Da sich die Windrichtung häufig und rasch ändert
ergeben sich insbesondere bei modernen Windrädern mit großen
Raddurchmessern schwer beherrschbare Probleme infolge der
auftretenden Kreiselkräfte.
Außerdem entstehen bei der letztgenannten Art Probleme durch
die unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten im oberen und
unteren Bereich der Flügelkreisfläche und vor allem bei
Sturm, weshalb besondere Maßnahmen für die Standfestigkeit
solcher Windkraftanlagen getroffen werden müssen.
Ein weiterer Nachteil dieser Ausführungsform ist der schlech
te Wirkungsgrad durch die Tatsache, daß der innere Bereich
der Flügelkreisfläche wegen der dort herrschenden niedrigen
Umfangsgeschwindigkeiten nur wenig zur Energiegewinnung bei
trägt.
Desweiteren sind Energiegewinnungsanlagen bekannt, die eine
vertikale Rotationsachse aufweisen. Eine Maschine dieser Art
ist in der DE-OS 35 01 807 beschrieben. Dabei handelt es
sich um eine Windkraftmaschine, bei welcher quer angeströmte
walzenförmige Rotoren auf einer geschlossenen Umlaufbahn um
die Achse einer senkrecht zur Windströmung angeordneten Wel
le geführt werden, während sich der Antrieb der Rotoren beim
Umlauf um die zentrale Welle derart ändert, daß sich die
Drehrichtung der Rotoren umkehrt, wenn sie sich auf ihrer
Umlaufbahn um die Welle von dem angeströmten Sektor in den
der Strömung abgekehrten Sektor der Strömungsmaschine und
umgekehrt bewegen.
Weitere bekannte Geräte dieser Art mit vertikaler Drehachse
sind z.B. der in Flettner-Lüftern verwendete Savonius-Rotor.
Bei diesem Gerät ist auf einer vertikalen Welle eine Kreis
scheibe befestigt, auf welcher senkrecht zwei halbkreisför
mig gebogene Bleche befestigt sind, die im Grundriß etwa die
Form eines in der Mitte auseinandergeschnittenen großen S
bilden. Diese Anordnung ist oben mit einer ebenso großen
Kreisscheibe wie an der Welle abgedeckt. Anstelle von zwei
halbkreisförmigen Flügeln ist es auch möglich, nahe des
Außendurchmessers einer Kreisscheibe eine Vielzahl von schma
len, kreisbogenförmig gebogenen Flächen senkrecht anzuordnen
und mit einer weiteren Kreisscheibe oben abzudecken.
Schließlich ist noch eine Ausführung von korbartiger Kon
struktion zu erwähnen. Sie besteht aus einer langen vertika
len Welle, wobei zwischen deren oberen und unteren Ende
schmale etwa kreisbogenförmig gebogene Flügel eingespannt
sind. Der vertikale Schnitt durch diesen Rotor hat die Form
einer Linse. Bekannt als Darrieus-Rotor.
Diese Arten von Windkraftmaschinen mit senkrechter Welle
haben zwar den Vorteil, daß sie unabhängig von der Windrich
tung betrieben werden können aber den entscheidenden Nach
teil, daß ihre Flügel nicht verstellbar sind und somit der
Rotor nicht mit konstanter Drehzahl gefahren werden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
eine Strömungsmaschine zu schaffen, welche die bei den oben
beschriebenen Ausführungen genannten Nachteile vermeidet,
insbesondere die einen hohen Wirkungsgrad bei relativ gerin
gem Aufwand und guter Sturmsicherheit aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die eingangs beschriebene Strömungs
maschine zur Energiegewinnung dadurch gelöst, daß die Dreh
achse des Rotors vertikal angeordnet ist, daß an den Armen
des Rotores angetriebene Windräder angeordnet sind, und daß
sich der Antrieb der Windräder auf der kreisförmigen Umlauf
bahn während der Drehung des Rotors um seine Drehachse än
dert, wobei Steuereinrichtungen vorgesehen sind, die veran
lassen, dasjenige oder diejenigen Windräder anzutreiben, wel
che sich und so lange sie sich, auf dem Rotor gleichsinnig
mit der Luftströmung bewegen und eine gegen die Windkraft
gerichtete Schubkraft erzeugen.
Die erfindungsgemäße Anordnung von Windrädern am äußeren
Ende von z.B. Armen oder Speichen eines umlaufenden Rotors
hat den Vorteil, daß man mit einem niedrigen kostensparenden
Gestell auskommt und ein großer Rotordurchmesser gewählt wer
den kann. Durch die niedrige Bauhöhe des Rotors mit seinen
Armen haben auch die sich mit der Höhe über dem Boden ändern
den Windgeschwindigkeiten keinen nachteiligen Einfluß.
Durch die Drehbewegung des Rotors oder der Luftschraube fin
det innerhalb der von ihm überstrichenen Kreisfläche jeweils
eine Luftverdichtung sowie der Aufbau eines Unter- und Über
druckes statt. Auf diese Weise entsteht für den anströmenden
Wind eine um ein mehrfaches, z.B. mehr wie 20-fache, größere
Widerstandsfläche.
Aufgrund der niedrigen Bauhöhe des Rotors kann die Strömungs
maschine ohne wesentliche Beeinträchtigung des Landschafts
bildes auch auf Bodenerhebungen oder höheren Gebäuden aufge
stellt werden.
Bei einer bevorzugten einfachen Ausführungsform weist der
Rotor zwei um 180 Grad versetzte Speichen auf, mit je einem
Windrad im äußeren Bereich. Mit einfachen Steuereinrichtun
gen kann man die gesamte Strömungsmaschine an die in der
Rotorebene herrschende Windrichtung und Windgeschwindigkeit
anpassen.
Zur Erzeugung eines starken Drehmomentes an der Rotorwelle
kann während des Betriebes der Anlage das mit dem Wind sich
bewegende Windrad eingeschaltet und das gegen den Wind sich
bewegende Windrad ausgeschaltet sein.
Eine vorteilhafte Ausführung ergibt sich, wenn bei dem gegen
den Wind sich bewegenden Windrad der Motor weiter läuft und
das Windrad abgekuppelt wird, so daß es im Leerlauf weiter
läuft.
Erfindungsgemäß kann ferner vorgesehen werden, daß die An
triebe der Windräder ständig laufen und im aktiven Sektor
die Flügel der Windräder einen optimalen Anstellwinkel auf
weisen und im passiven Sektor, also wenn sie gegen den Wind
laufen, auf Nullmomentstellung eingestellt sind.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform, insbe
sondere bei sehr großen Anlagen können an den äußeren Enden
der Rotorspeichen zwei oder mehr Windräder nebeneinander an
geordnet sein.
Erfindungsgemäß ist es auch möglich, bei sehr großen Anlagen
die Windräder an den Enden der Speichen nicht nur nebenein
ander, sondern auch untereinander anzuordnen.
Nach einer weiteren Ausbildung des Anmeldungsgegenstandes
können die Windräder samt Antrieb jeweils auf einer Platt
form schwenkbar so angeordnet sein, daß sie dem Wind immer
die optimale Stirnfläche darbieten, d.h. in der aktiven Zone
steht die gesamte Flügelkreisfläche senkrecht zum Wind und
in der passiven Zone steht die Flügelkreisfläche parallel
zum Wind. Auf diese Weise ist der Energiegewinn noch höher.
Die In- und Außerbetriebnahme der Anlage wird durch ein Wind
meßgerät geregelt. Dadurch lassen sich unnötiger Stromver
brauch bei Windstille und eine Zerstörung der Anlage bei
Sturm vermeiden. Die Ermittlung der Drehzahl sowie die Be
lastbarkeit des Generators bei verschiedenen Windstärken
könnte mit einem Computer erfolgen.
In einer konstruktiven Ausgestaltung hierzu kann vorgesehen
sein, daß zur Steuerung des Antriebs für die Windräder ein
Windmeßgerät vorgesehen ist.
Die Stromzuführung zu den Antriebsmotoren für die Windräder
kann auf verschiedene Weise erfolgen. Eine einfache Lösung
kann darin bestehen, daß das Windmeßgerät eine Windfahne
ist, die mit einem Verbindungsglied versehen ist, wobei über
ein Stromschienensegment und Schleifkontakte jeweils die
sich gleichsinnig mit der Luftströmung bewegenden Windräder
mit Antriebsenergie versorgbar sind.
Der Erfindungsgedanke beschränkt sich nicht auf die beschrie
benen bevorzugten Ausführungsformen, sondern der Rotor kann
bei geeigneten Geländeverhältnissen auch mit horizontaler
Welle betrieben werden.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
von Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungs
gemäßen Strömungsmaschine zur Energiegewinnung;
Fig. 2 einen Grundriß der Fig. 1;
Fig. 3 eine schematische Seitenansicht für eine Aus
führung mit übereinander angeordneten Windrädern;
Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt durch die
Lagerung des Rotors und der Steuerung des
Windrades;
Fig. 5 einen Grundriß zur Fig. 4;
Fig. 6 und 7 eine schematische Darstellung für eine
Sonderausführung mit horizontaler Rotorwelle.
Bei einer Windkraftmaschine nach Fig. 1 ist auf einem nied
rigen standsicheren Gestell 7 oder einem mit Abspannseilen
in bekannter Weise stabilisierten Turm ein Rotor 1 drehbar
in einer für den Fachmann bekannten Lagerung 8 gelagert. Der
Rotor 1 kann in seiner einfachsten Form aus zwei um 180 Grad
zueinander versetzt angeordneten Speichen bzw. Armen 1 A und
1 B bestehen, wenn die Windkraftanlage insgesamt nur zwei
Windräder 3, je eines an den Enden des Trägers, aufweisen
soll.
Um einen höheren Energiegewinn zu erzielen, kann eine solche
Anlage wie in Fig. 1 dargestellt mit mehreren, sternförmig
angeordneten Rotorarmen z.B. 1 A, 1 B, 1 C, 1 D ausgeführt wer
den, die im Grundriß gesehen in einem möglichst gleichmäßi
gen Winkelabstand zueinander stehen und an deren äußeren En
den die das Drehmoment bewirkenden Windräder 3 angeordnet
sind. Das Drehmoment an der Rotorwelle ist um so gleichmäßi
ger, je mehr Arme mit Windrädern angeordnet sind (siehe
Fig. 2).
Aus aerodynamischen und wirtschaftlichen Gründen ist jedoch
die Anzahl nach oben zu begrenzen. Sie ist auch abhängig vom
Verhältnis des Windraddurchmessers d zum Durchmesser des
Rotors D. Dieses Verhältnis d:D liegt etwa zwischen 0,05 und
0,1 und die Anzahl der Arme kann man zwischen 2 und 10 anneh
men.
Prinzipiell ist es möglich, mehrere derartige Rotoren mit
Armen in einem geeigneten Abstand auf der gleichen Welle
übereinander anzuordnen, wobei jeweils auf den Armen
Windräder 3 angeordnet sind.
In der Fig. 3 ist ein Rotor 1 dargestellt, wobei auf jedem
Arm Windräder 3 angeordnet sind, die paarweise übereinander
liegen.
Zur Gewichtsverminderung können die Arme in Hohlkasten- oder
Gitterbauweise ausgeführt sein. Ihr Gewicht nehmen Spannsei
le 9 auf, die an einem Spannbock 10 zusammengefaßt sind.
Zur Gewinnung der Windenergie muß sich der Rotor 1 drehen.
Dies ist nur dann wirtschaftlich möglich, wenn in geeigneter
Entfernung von der Rotordrehachse eine Kraft, im Falle des
beschriebenen Beispieles der Widerstand der Luftströmung W
an den besonders gearteten Windrädern der einen Hälfte der
theoretisch gedachten Rotorkreisfläche angreift.
Bei der in Fig. 2 angegebenen Drehrichtung des Rotors ist
dies in Richtung der Luftströmung gesehen die linke Hälfte,
die im Folgenden als aktiver Sektor A bezeichnet ist. Die
andere Hälfte wird als passiver Sektor P bezeichnet.
Um an der Rotorwelle ein hohes Drehmoment zu erzeugen, muß
der Widerstand der Organe in der aktiven Zone wesentlich
höher sein, als in der passiven Zone. Dies läßt sich dadurch
erreichen, daß man die Windräder in der aktiven Zone durch
kleine, strömungsgünstig verkleidete Antriebseinrichtungen
18 in Drehung versetzt. Dadurch bildet sich schon bei gerin
ger Windraddrehzahl und Flügelanzahl eine geschlossene Kreis
fläche aus, die eine Schubkraft entgegen der Windströmung
ausübt.
Die Luftströmung findet somit eine große Angriffsfläche an
den mit rotierenden Windrädern besetzten Rotorarmen und kann
deshalb ein hohes Drehmoment erzeugen.
Die auf den Rotorarmen angeordneten Windräder sollen nur im
aktiven Sektor angetrieben sein und im passiven Sektor still
stehen oder leer mitlaufen.
Um dies zu erreichen ist eine von der Windrichtung beeinfluß
te Vorrichtung erforderlich. In einfachster Form kann dies
eine in Fig. 1 dargestellte Windfahne 5 sein. Mit ihr ist
ein Stromschienensegment 15 von etwa 180 Grad Schienenlänge
starr verbunden (siehe Fig. 5), das bei Betrieb der Wind
kraftanlage über ein Verbindungsglied 14, das mit der Wind
fahne 5 verbunden ist und sich mit dieser in Windrichtung
dreht, die Kontaktscheibe 13 und den Schleifkontakt 12 mit
Strom versorgt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Windräder von
Elektromotoren 18 angetrieben, deren Anschlußkabel 17 ent
lang der Rotorarme 1 A-1 D zum Rotorzentrum hingeführt sind
und dort für jedes Windrad mit einem Schleifkontakt 16
enden.
Dadurch ist gewährleistet, daß bei jeder beliebigen Stellung
der Windfahne 5 oder des drehenden Rotors jedesmal ein Wind
rad 3 zu laufen beginnt, wenn es in den aktiven Sektor ein
tritt, d.h. der Schleifkontakt 16 auf bekannte Weise mit dem
Stromschienensegment 15 in Berührung kommt und daß der Wind
radantrieb wieder still steht, wenn der Schleifkontakt nach
ca. 180 Grad wieder das Stromschienensegment verläßt. Es
kann jedoch auch der Motor weiterlaufen und über den Schleif
kontakt eine andere Maßnahme getroffen werden, die bewirkt,
daß das nun gegen die Windströmung bewegte Windrad einen mög
lichst kleinen Luftwiderstand bietet.
Damit die Strömungsmaschine aus dem Stillstand sicher an
läuft, muß bei zweiarmigen Rotoren das Stromschienensegment
einen Winkel von ca. 190 Grad aufweisen. Bei mehrarmigen
Rotoren genügen etwa 150 Grad.
Die Anpassung an die jeweilige Windgeschwindigkeit kann auf
verschiedene Weise erfolgen; entweder durch eine Vorrich
tung, die den Stromschienenwinkel verändert, d.h. daß die
jeweiligen Windräder kürzer oder länger laufen, durch Ändern
der Windraddrehzahl oder durch andere denkbare Maßnahmen.
Ebenso ist eine völlige Abschaltung bei Sturm auf einfache
Weise möglich.
In Fig. 6 und 7 ist eine Sonderausführung dargestellt, bei
welcher der oder die Rotoren um eine horizontale Welle 20
rotieren. Bei dieser Ausführung ist der aktive Sektor A vor
teilhafterweise immer die oberhalb der horizontalen Welle
liegende halbe Rotorkreisfläche. Das oben beschriebene Kon
taktsegment 15 kann deshalb starr montiert sein. Anderer
seits ist eine Windfahne oder eine andere bei Windrädern mit
horizontaler Welle bekannte Einrichtung erforderlich, um die
Rotorebene ständig parallel zur Windströmung zu halten.
Während bekannte Strömungsmaschinen mit hohen Geschwindigkei
ten und einem geringen Widerstand betrieben werden, wird es
bei der vorliegenden Erfindung durch die angetriebenen Wind
räder möglich mit nur einer geringen Rotordrehzahl zu operie
ren, wobei ein entsprechend hoher Widerstand gegeben ist.
Dies bedeutet, daß der Wirkungsgrad höher ist und einfache
Teile für die Strömungsmaschine verwendet werden können. Da
rüberhinaus ist keine so große Sturmanfälligkeit gegeben. In
Versuchen hat sich z.B. herausgestellt, daß man mit wenigen
Umdrehungen pro Minute auskommen kann, wobei jedoch bei ent
sprechender Größe des Flügelkreises eine entsprechend große
Angriffsfläche gegeben ist. So sind z.B. bereits bei Wind
stärke vier erhebliche Energiegewinne möglich. Die Verluste
durch die Antriebe für die Windräder sind demgegenüber ver
nachlässigbar und liegen bei dieser Windgeschwindigkeit in
der Größenordnung von 5-15%. Bei höheren Windgeschwindigkei
ten wird der Wirkungsgrad der Anlage sogar noch besser.
Claims (12)
1. Strömungsmaschine zur Energiegewinnung mit einer in einem
Gestell oder einem Turm gelagerten Rotor, der mit Halteele
menten für Windräder versehen ist, wobei von dem Rotor die
gewonnene Windenergie abnehmbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Drehachse (2) des Rotors vertikal angeordnet ist, daß an
den Armen des Rotores (1) angetriebene Windräder (3) angeord
net sind, und daß sich der Antrieb (18) der Windräder auf
der kreisförmigen Umlaufbahn während der Drehung des Rotors
um seine Drehachse ändert, wobei Steuereinrichtungen
(5, 15, 16) vorgesehen sind, die veranlassen, dasjenige oder
diejenigen Windräder anzutreiben, welche sich und so lange
sie sich, auf dem Rotor gleichsinnig mit der Luftströmung
(W) bewegen und eine gegen die Windkraft gerichtete
Schubkraft erzeugen.
2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Rotor (1) zwei um 180 Grad zueinander versetzte Speichen
(1 A, 1 B) aufweist, in deren äußeren Bereichen die Windräder
(3) angeordnet sind.
3. Strömungsmaschine zur Energiegewinnung nach Anspruch 1
oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Antrieb (18) desjenigen Windrades (3), das sich bei der
Bewegung des horizontal umlaufenden Rotors (1) gegensinnig
zur Luftströmung (W) bewegt, abgestellt ist.
4. Strömungsmaschine zur Energiegewinnung nach Anspruch 1
und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Antriebsmotor (18) des sich gegensinnig zur Luftströmung
(W) bewegenden Windrades (3) weiterläuft und das Windrad
selbst abgekuppelt ist, so daß es leer mitläuft.
5. Strömungsmaschine zur Energiegewinnung nach Anspruch 1
und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die einzelnen Flügel des abgestellten Windrades (3) in Null
momentstellung gebracht sind.
6. Strömungsmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
an den Enden der Rotorarme (1 A-1 D) mehr als ein Windrad
nebeneinander angeordnet sind.
7. Strömungsmaschine nach Anspruch 1 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
an den Enden der Rotorarme (1 A-1 D) Windräder untereinander
angeordnet sind.
8. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1-7,
dadurch gekennzeichnet, daß
mehrere Rotoren (1) untereinander auf einer vertikalen Welle
(2) angeordnet sind.
9. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1-8,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Windräder (3) mit ihren Antrieben (18) einzeln schwenk
bar, etwa auf einer Plattform, angeordnet und so gesteuert
sind, daß ihre Flügelkreisfläche im aktiven Sektor (A) stän
dig senkrecht und im passiven Sektor (P) ständig parallel
zur Luftströmung (W) steht.
10. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1-9,
dadurch gekennzeichnet, daß
zur Steuerung des Antriebs für die Windräder (3) ein Windmeß
gerät (5) vorgesehen ist.
11. Strömungsmaschine nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Windmeßgerät eine Windfahne (5) ist, die mit einem Ver
bindungsglied (14) versehen ist, wobei über ein Stromschie
nensegment (15) und Schleifkontakte (12, 16) jeweils die sich
gleichsinnig mit der Luftströmung bewegenden Windräder mit
Antriebsenergie versorgbar sind.
12. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1-11,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Rotor (1) oder die Rotoren eine horizontale Achse besit
zen und in vertikaler Ebene rotieren.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873713024 DE3713024A1 (de) | 1987-04-16 | 1987-04-16 | Stroemungsmaschine zur energiegewinnung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873713024 DE3713024A1 (de) | 1987-04-16 | 1987-04-16 | Stroemungsmaschine zur energiegewinnung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3713024A1 true DE3713024A1 (de) | 1988-10-27 |
Family
ID=6325828
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19873713024 Withdrawn DE3713024A1 (de) | 1987-04-16 | 1987-04-16 | Stroemungsmaschine zur energiegewinnung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3713024A1 (de) |
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-
1987
- 1987-04-16 DE DE19873713024 patent/DE3713024A1/de not_active Withdrawn
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Date | Code | Title | Description |
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |