DE3713024A1 - Stroemungsmaschine zur energiegewinnung - Google Patents

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.