DE3715265A1 - Windturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Windturbine zur Umsetzung von Windenergie in andere Energieformen gemäß Oberbegriff des Haupt­ anspruches.

Derartige Windturbinen sowohl mit horizontaler als auch verti­ kaler Rotorachse sind hinlänglich und in den verschiedensten Ausführungsformen bekannt. Solche mit vertikaler Rotorachse ha­ ben folgende Nachteile:

Durch in der Regel vorhandene beweglichen Teile sind sie tech­ nisch unkompliziert und schwer herstellbar, in der Regel nur für kleine Windenergieanlagen nutzbar und der Wirkungsgrad ist nicht optimal.

Rotorachsen haben die folgenden Nachteile:

Trotz aller Bau- und Wirkungsgradvorteile sind derartige Wind­ turbinen für große Windenergieanlagen nicht nutzbar. Nur Wind­ turbinen mit relativ kleinem Durchmesser sind technisch her­ stellbar. Die aerodynamisch auszubildenden Flügel für ein- oder zweiblättrige Rotoren sind technisch schwer verwirklichbar und die Herstellungskosten für Groß-Flügel sind entsprechend hoch. Zusätzliche hydraulische Mechanismen und Hilfseinrichtungen, die den Anstellwinkel des Flügels an die Windgeschwindigkeit anpassen sollen, verteuern die ganze Anlage und verbrauchen zu­ sätzliche Energie.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windturbine der eingangs genannten Art dahingehend auszubilden, daß deren Grund­ prinzip bei einfachster Bauweise und unter Vermeidung aufwen­ diger Stellmittel sowohl für Rotoren mit vertikaler als auch horizontaler Rotorachse anwendbar sein und dabei ein optima­ ler Wirkungsgrad erreichbar sein soll.

Diese Aufgabe ist mit einer Windturbine der eingangs genannten Art nach der Erfindung durch die im Kennzeichen des Hauptan­ spruches angeführten Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Windturbine unterscheidet sich von bekann­ ten dadurch, daß diese insofern keine homogene Einheit dar­ stellt, als sie die parallel zueinander in Rahmen befestigt sind und damit einen heterogenen Flügel bilden. Die Turbinen­ schaufeln sind über die ganze Länge der Rahmen verteilt angeord­ net und, das ist insbesondere wesentlich, in Abschnitten ge­ gliedert mit spezifischen optimalen Anstellwinkeln an den Rah­ men befestigt, die für die Schaufeln Tragfunktion haben. Abge­ sehen von der unterschiedlichen Erstreckungsrichtung der Schau­ feln zur jeweiligen Rotorachse, weisen beide Ausführungsformen das gleiche einfache Bauprinzip starrer, aber abschnittsweiser Gliederung mit unterschiedlichen Anstellwinkeln angeordneter Turbinenschaufeln auf. Je nach Ausbildung und Auslegung der Tragrahmen, die auch bei Anwendung geeigneter Verspannungen durchaus einer Leichtbauweise zugänglich sind, können für die radiale Erstreckungslänge der Rahmen beträchtliche Größen in Betracht gezogen werden.

Die erfindungsgemäße Windturbine wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen näher er­ läutert.

Es zeigt schematisch

Fig. 1 eine Teilansicht der Windturbine mit horizontaler Rotorachse;

Fig. 2 einen Teilschnitt durch die Turbine gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 perspektivisch eine weitere Ausführungsform der Wind­ turbine mit vertikaler Rotorachse.

In Fig. 1 ist eine Turbine mit zwei Flügeln 1, 2 dargestellt, wobei Flügel 2 nur schematisch angedeutet ist. Die Flügel 1, 2 bestehen jeweils aus einem Rahmen 3 mit Querstangen 4, Schau­ feln 5 und aerodynamisch geformter Verkleidungen 6, 7. Eine derartige Turbine ist mit ihrer horizontalen Rotorachse 8 an der Spitze eines Mastes 9 drehbar gelagert. Die Windrichtungen sind mit Pfeilen 10, 11 angedeutet und die Drehrichtung mit Pfeil 12.

Die im Rahmen 3, wie dargestellt, angeordneten Turbinenschau­ feln 5 sind derart profiliert, daß der Wirkungsgrad des ge­ samten Flügels bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten im­ mer optimal ist. Dies wird durch die Anpassung der Profile der Windturbinenschaufeln 5 an die Flügellänge erreicht. Der Flü­ gel 1 ist in Abschnitte geteilt und in jedem Abschnitt sind die Turbinenschaufeln 5 mit den entsprechenden Profilen ange­ bracht. Da jeder Abschnitt einen anderen Abstand zur Rotor­ achse 8 hat, ergibt sich für jeden Abschnitt eine andere Um­ drehungsgeschwindigkeit, und aus diesem Grunde müssen die Pro­ file der Windturbinenschaufeln 5 hinsichtlich jenes Parameters den bekannten physikalischen Regeln folgen. Die Abschnitte, die von der Rotorachse 8 weit entfernt sind, sind mit einfachen Turbinenschaufeln 5 bestückt, weil die relative Strömung, die an diesen Profilen vorbeifließt, relativ wesentlich langsamer ist als in den achsnäheren Abschnitten. In mehreren Abschnitten genügen gewölbte Stahlbleche. Die Wölbung darf sogar sehr ge­ ring sein.

Der maximale Wert des Auftriebes an den Schaufeln ist abhängig vom Anstellwinkel der Turbinenschaufeln 5 und deshalb ist es notwendig, diesen Parameter bei der Konstruktion des Flügels für jeden Abschnitt sorgfältig zu berechnen.

Fig. 2 zeigt einen Vertikalschnitt des Flügels gemäß Fig. 1. Die Breite (A) des Flügels ist vorteilhaft relativ gering und von der Höhe (H) des Flügels völlig unabhängig. Infolge der geringen Breite (A) des Flügels entsteht nämlich ein Druck an der unteren Seite (Bewegungsrichtung) und ein geringer Unterdruck an der oberen Seite des Flügels, was für die Schnelläufigkeit des Flügels wichtig ist. Der Flügel ist nicht nur dem Wind, sondern auch dem Widerstand ausgesetzt, der durch die Umdrehungsgeschwindigkeit des Flügels entsteht. Beide Komponenten wirken senkrecht aufeinander. Bei bekannten Flügeln bestimmen das Flügelprofil sowie die Höhe des Flügels und der Anstellwinkel die Flügelbreite (A) und somit auch den Flügelwirkungsgrad. Demgegenüber ist der Flügel gemäß Fig. 1, 2 von diesen Parametern unabhängig. Lediglich die Breite und der Anstellwinkel der Windturbinenschaufeln 5 bestimmen die Breite (A), und deshalb verbessert eine solche Ausbildung we­ sentlich den Flügelwirkungsgrad. Die Leistung der Flügel ist direkt proportional der Anzahl der Turbinenschaufeln 5 und de­ ren gesamten Länge.

Bei einer Windstärke von 2 m/sec beginnt der Flügel gemäß Fig. 1, 2 Leistung abzugeben, was bei sogenannten homogenen Flügeln nicht der Fall ist, bzw. solche Flügel würden sich dann noch nicht bewegen.

Der Flügel gemäß Fig. 1, 2 weist gegenüber bekannten homogenen Flügeln die folgenden Vorteile auf:

Das Baumaterial ist Eisen und Blech und aus dem Grunde viel billiger als das für den bekannten homogenen Flügel verwandte Baumaterial. Die Herstellung ist einfach und deshalb billiger als die Herstellung bekannter aerodynamischer Groß-Flügel. Da die Breite (A) des Flügels gering ist, ist der Luftwiderstand gering und aus diesem Grunde ist der Wirkungsgrad des Flügels größer als der bekannter homogener Flügel bei gleicher Größe.

Der Flügel beginnt bei einer relativ niedrigen Windstärke Lei­ stung abzugeben und ist deshalb schon bei geringen Windstärken wirksam nutzbar. Der heterogene Flügel nimmt seine Funktion schon auf, wenn sich der moderne Schnelläufer mit homogenen Flügeln noch nicht einmal bewegt.

In Fig. 3 ist ein Flügel anderer Ausführungsform dargestellt, wobei der Flügel 13 um eine vertikale Rotorachse 14 rotiert. Am Flügelrahmen 15 sind vertikal und parallel zueinander Darrieus-Schaufeln 16 befestigt. Pfeil 17 zeigt die Windrich­ tung an und Pfeil 18 die Drehrichtung. Weitere Flügel, die ebenfalls an der Rotorachse 14 angeordnet sind, sind mit 19 und 20 bezeichnet. Die vertikale Rotorachse 21 sitzt auch hier am Ende eines Mastes 21. Diese Ausführungsform ist windrich­ tungsunabhängig.

Bei hoher Drehzahl der Flügel gemäß Fig. 3 ist die Umdrehungs­ geschwindigkeit entsprechend hoch und dabei liegt der Vektor der effektiven Windrichtung immer tangential. Wenn man also die Darrieus-Schaufeln 16 genau tangential zum Windradumfang starr am Rahmen 15 anordnet, dann wird ein optimaler Flügel­ wirkungsgrad erreicht. Eine ganze Reihe von Darrieus-Schaufeln 16 wird an dem Rahmen 15 in gleicher Weise befestigt. Jede Darrieus-Schaufel 16 hat einen anderen Abstand von der Drehach­ se 14 und verlangt deshalb einen spezifischen Anstellwinkel.

Auf die Darstellung der Einrichtungen zur Energieumsetzung ist verzichtet, da diese allgemein bekannt sind.

Claims (3)

1. Windturbine zur Umsetzung von Windenergie in andere Energie­ formen, bestehend aus einem an einer Rotorachse angeordne­ ten Rotor mit mehreren Windfangblättern, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor aus mindestens zwei Rahmen (3, 15) gebildet ist und in diesen Rahmen (3, 15) mehrere Windfangblätter in Form von Turbinenschaufeln (5, 16) in Abschnitten gegliedert und diese in den Abschnitten mit in Abhängigkeit ihres radialen Abstandes von der Rotor­ achse (8, 14) optimalen Anstellwinkel angeordnet sind.

2. Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Turbinenschaufeln (5) bei hori­ zontal angeordneter Rotorachse (8) mit ihrer Längserstrec­ kung in radialer Richtung zur Rotorachse (8) angeordnet sind.

3. Windturbine nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Turbinenschaufeln (16) bei vertikal angeordneter Rotorachse (14) mit ihrer Höhen­ erstreckung etwa parallel zur Rotorachse (14) orientiert an­ geordnet sind.