DE3801673A1

DE3801673A1 - Vertikal-windturbine

Info

Publication number: DE3801673A1
Application number: DE3801673A
Authority: DE
Inventors: Ernst Buttler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-03-18
Filing date: 1988-01-21
Publication date: 1988-09-29

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vertikal-Wind turbine gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Eine derartige Vertikal-Windturbine ist aus der DE-PS 7 29 533 bekannt. Bei dieser bekannten Wind turbine findet eine mehrfache Umlenkung der Wind führung statt, wobei der Wind sowohl bei seinem Eintritt durch die Schaufeln in das Innere eines Rotors eine starke und verlustbehaftete Richtungs änderung und weiterhin beim Austritt aus dem Rotorinneren eine weitere verlustbehaftete Rich tungsänderung erfährt. In dem Rotorinneren erfolgt nämlich die Luftführung zunächst entgegen der Ein laßrichtung von innerhalb der Rotorschaufeln ange ordneten inneren Leitschaufeln.

Darüber hinaus ist eine Vielzahl von übereinander liegend angeordneten Rotoren an einer gemeinsamen vertikalen Achse angeordnet, so daß bei unterschied lichen Windverhältnissen in verschiedenen Höhen der vertikalen Windturbine Verspannungen in dieser ge meinsamen Achse auftreten und eine Torsion des ge samten Bauwerkes eintreten kann.

In dem DE-GM 81 05 042 wird eine vertikale Wind turbine vorgeschlagen, welche mehrere unabhängig voneinander drehbare Rotoren übereinander angeordnet aufweist, wobei jedem der verschiedenen Rotoren ein oder mehrere Generatoren zur Stromerzeugung ange schlossen sind. Durch eine eigene Lagerung für jeden der Rotoren werden Verspannungen einer gemeinsamen Abtriebswelle vermieden.

Nachteilig bei dieser vorgeschlagenen Windturbine ist jedoch, daß auch hier die Rotoren Luftschaufeln aufweisen. Der günstigste Bestückungsgrad eines Ro tors mit Luftschaufeln ist schwierig zu ermitteln, da sich je nach Schaufelform und Anstellwinkel der Schaufeln unterschiedliche Verhältnisse ergeben. Da rüber hinaus bewirkt die Schrägstellung der Schau feln eine Behinderung des Austritts der im Turbinen innern vorliegenden sogenannten Abluft.

Obwohl diese noch ein Maß an Bewegungsenergie be inhaltet, welches zum Antrieb der Windturbine aus genutzt werden könnte, wird durch die Schaufelanord nung die Bewegung des Rotors durch den Abwind ge bremst und damit der Wirkungsgrad der Windturbine verringert. Darüber hinaus weist diese bekannte Windturbine keine Luftleitschaufeln außen vor den Rotorschaufeln auf, so daß der die Windturbine an strömende Wind auf der einen Hälfte einer Rotor seite diesen Rotor antreibt, ihn jedoch auf der anderen Hälfte dieser Rotorseite bremst. Auch da durch ist der Wirkungsgrad der vorgeschlagenen Einrichtung verringert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ver tikal-Windturbine zu schaffen, bei welcher der Ab wind vorteilhaft ausgenutzt wird.

Diese der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die zylindrische Umfangsfläche des Rotors eine Bespannung aufweist, die einerseits dem durchströmenden Wind einen Widerstand entgegen setzt, andererseits eine solche Durchlässigkeit auf weist, daß ein leistungsmindernder Druckstau vor dem Rotor vermieden wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteran sprüchen erläutert.

Mit anderen Worten ausgedrückt, schlägt die Erfin dung vor, daß die Bespannung der zylindrischen Um fangsfläche des Rotors aus beispielsweise vertikal gespannten Seilen oder aufgestellten Stäben be steht, wobei ca. 50% der Rotorfläche mit Material belegt ist, während ca. 50% der Rotorfläche offen ist. Die Bespanndichte beträgt demnach ca. 50%, so daß der Wind durch den offenen Flächenanteil der Be spannung hindurchströmen kann und als sogenannter "Abwind" auf die dem Windeintritt abgewandte Rotor seite auftrifft und dort zur weiteren Energieabgabe ausgenutzt wird.

Durch die Verwendung von Seilen oder Stäben ergibt sich ein einfacherer Zusammenhang zwischen Bespann dichte und Wirkungsgrad als bei der Verwendung ver schiedenster Schaufelformen. Ein Wirbel, der sich im Rotorinneren ausbildet, kann ungehindert die Be spannung beaufschlagen, so daß der Abwind wirkungs voll zum Antrieb des Rotors dienen kann und auf ein fache Weise aus dem Rotor austreten kann. Dabei wird der Abwind nicht entgegen seiner Strömungs richtung umgelenkt, wie dies bei der Verwendung von Luftschaufeln als Bespannung häufig geschieht.

Die Windenergie wird über Reibräder oder andere Ge triebeelemente am Rotor abgenommen und Generatoren zugeleitet, wobei vorzugsweise die Anzahl der wirk samen Reibräder oder anderen Getriebeelemente zu und abschaltbar ist. Dieses Zu- und Abschalten kann dabei automatisch in Abhängigkeit der Windgeschwin digkeit erfolgen, wobei auf ein oder mehrere Steuer elemente eingewirkt wird, die die Zu- und Abschal tung der Reib- oder Getriebeelemente steuern. Auf diese Weise kann bei zunehmender Windgeschwindig keit die Umlaufgeschwindigkeit des Rotors durch Zuschalten weiterer Generatoren in bestimmten Grenzen beibehalten werden, um die Generatoren möglichst gleichmäßig zu belasten.

Vorzugsweise stützt sich der Rotor unmittelbar auf den Reibrädern ab, die somit einmal für den Gene ratorenantrieb benutzt werden, zum andern als Lager elemente für den Rotor dienen. Dessen Umfangsfläche kann - wie bereits erläutert - aus Seilen bestehen, die ggf. zu einem Netzwerk verbunden sind oder ohne Querseile allein aufrechtgerichtet eingespannt sind, kann aber in gleicher Weise auch aus aufrecht stehenden Stäben z. B. aus Holz oder Kunststoff, ggf. mit zusätzlichen Querstäben oder Seilen, ge bildet werden, wobei beispielsweise auch der Ein satz von Bambusstäben sich hier anbietet.

Um das Drehmoment weiter zu erhöhen, ohne das Rotor gewicht zu erhöhen, kann durch die Außenlagerung von Gewichten am Umkreis des Rotors eine Drehmomentener höhung bei gleicher Umläufigkeit erreicht werden, indem Wasser, welches in Tanks im Mittelbereich des Rotors installiert ist, infolge der Fliehkraft über Rohrleitungen in Außenbehälter fließt. Auf diese Weise kann ein Drehmoment bedingt durch Was sergewicht und Fliehkraft um 10 bis 30% erhöht wer den. Die Erhöhung des Drehmomentes wirkt wie ein Schwungrad, welches in der Lage ist, Winböen auszu gleichen und die Energieabgabe zu vergleichmäßigen.

So kann also festgestellt werden, daß bei der erfin dungsgemäßen Gestaltung die Ausnutzung des Abwindes erreicht wird, die Bespannung des Rotors trotz hoher Windgeschwindigkeit nie überlastet ist und das ge samte Gewicht des Laufkäfigs von einer Vielzahl von Reibrädern oder anderen Getriebeelementen aufge nommen wird.

Bei einer dem Wind unmittelbar ausgesetzten Laufkä figfläche von 100 m² und einer Windkraft zwischen 5 und 16 m/sec. werden etwa 100 000 kWh pro Jahr er zeugt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfol gend anhand der Zeichnungen erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 1 sehr verallgemeinert eine Vertikal-Wind turbine,

Fig. 2 einen schematischen Horizontalschnitt durch die Anordnung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Horizontalansicht auf die Anordnung gemäß Fig. 1 und 2,

Fig. 4 in größerem Maßstab Einzelheiten der Rotorlagerung,

Fig. 5 eine Teildraufsicht auf die Anordnung ge mäß Fig. 4 und

Fig. 6 eine Anordnung zur Verdeutlichung ein möglichen Konstruktionsart.

In Fig. 1 ist mit 1 eine Vertikal-Windturbine be zeichnet, die im wesentlichen aus einem Rotor 2 be steht, vor dem verstellbare Windleitschaufeln 3 an geordnet sind. Die Gesamtanordnung wird durch ein oberes Dach 4 abgeschlossen und von einem Boden 5 getragen.

Die Windleitschaufeln 3 können um Vertikalachsen 3 a verstellbar gelagert sein, wobei in Fig. 1 eine Stellvorrichtung 6 erkennbar ist. Es ist aber auch möglich, die Windleitschaufeln 3 unverstellbar anzu bringen.

Fig. 2 zeigt, daß die zylindrische Umfangsfläche des Rotors 2 aus einer Bespannung 7 durch einzelne ver tikal gespannte Seile 8 gebildet wird. Anstelle der Seile 8, vorzugsweise Kunststoffseile mit rauher Oberfläche, können auch Stäbe od. dgl. eingesetzt werden. Diese Bespannung ist an einem oberen Rotor deckel 9 und einem unteren Rotorboden 10 verankert (Fig. 3), wobei der Rotordeckel 9 und der Rotorboden 10 über eine Rotorwelle 11 an dem Boden 5 und Dach 4 gelagert ist.

Das Dach 4 und der Boden 5 tragen über entsprechende Lager 12 die Windleitschaufeln 3, wobei in Fig. 1 erkennbar ist, daß die Stellvorrichtung 6 an einer Windleitschaufel 3 anschließt und an dem Boden 5, wobei andere Windleitschaufeln 3 durch Stellschrau ben untereinander verbunden sind.

Gestrichelt in Fig. 2 sind die zur Abstützung des Rotorbodens 10 bestimmten Reibräder 14 erkennbar, die gleichzeitig zur Energieabnahme dienen. In Fig. 3 ist eines dieser Reibräder 14 deutlicher darge stellt.

In Fig. 4 ist das Reibrad 14 in größerem Maßstab er kennbar. Es stützt sich auf dem Boden 5 in entspre chenden Lagern 15 ab und trägt damit den Rotorboden 10. Die das Reibrad 14 tragende Welle 16 führt zu einem in der Zeichnung nicht dargestellten Stromge nerator.

Außerdem können an der Stirnfläche des Rotorbodens 10 weitere Reib- oder Getrieberäder 14 a anschlie ßen, die in Verbindung mit Steuerelementen, z. B. einer Hydraulikpumpe 17 stehen, so daß dadurch in Abhängigkeit der Laufgeschwindigkeit des Rotors 2 ein Druck erzeugt wird, der der Verstellung zusätz licher, z. B. an die Stirnseite des Rotorbodens 10 anschließender Reibräder dient, so daß durch diese Maßnahme bei steigender Drehzahl des Rotors 2 auch ein steigender Hydraulikdruck erzeugt wird, der in Arbeit dadurch umgesetzt wird, daß dieser Hydraulik druck der Zuschaltung der weiteren Generatoren und ggf. der Bewegung der Windleitschaufeln 3 dient, wenn die Verstellvorrichtung 6 als Hydraulikver stellung ausgebildet ist.

Die Zu- und Abschaltung dieser zusätzlichen Reib räder kann über die in Fig. 4 erkennbare Hydraulik steuerung 18 erfolgen. Die Zuschaltung weiterer Ge neratoren wirkt dabei hemmend auf die Drehgeschwin digkeit des Rotors 2. Die zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades benötigte Drehgeschwindigkeit des Ro tors 2 im Verhältnis zur Anströmgeschwindigkeit des Windes wird dadurch bewußt unterschritten, um die Drehzahl der jeweils angetriebenen Generatoren in einem vorteilhaften Bereich zu halten.

In Fig. 6 ist eine Vielzahl von Vertikal-Windturbi nen 1 übereinandergeschaltet, als ein tragendes Bau teil ist ein Turm 19 dargestellt.

Claims

1. Vertikal-Windturbine mit einem zylindrischen Rotor (2) und vor dem Rotor ringförmig ange ordneten verstellbaren Windleitschaufeln (3), die den Wind dem Rotor (2) zuführen, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Umfangs fläche des Rotors (2) eine Bespannung (7) aufweist, die einerseits dem durchströmenden Wind einen Widerstand entgegensetzt, anderer seits eine solche Durchlässigkeit aufweist, daß ein leistungsmindernder Druckstau vor dem Rotor (2) vermieden wird.

2. Vertikal-Windturbine nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß die Bespannung (7) aus Seilen (8) besteht.

3. Vertikal-Windturbine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Seile (8) aus Kunststoff mit einer rauhen Oberfläche be stehen.

4. Vertikal-Windturbine nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß die Bespannung (7) aus im wesentlichen zylindrischen Stäben ge bildet wird.

5. Vertikal-Windturbine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, daß die die Bespannung (7) bildenden Elemente im wesentlichen aufrecht angeordnet sind.

6. Vertikal-Windturbine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, daß die die Bespannung (7) bildenden Elemente netzartig miteinander verbunden sind.

7. Vertikal-Windturbine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Bespannung (7) mit einer Spanneinrichtung ausgerüstet ist, um Längen änderungen der Bespannung (7) bei Temperatur änderungen auszugleichen.

8. Vertikal-Windturbine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß an den Rotor (2) Reib- oder Ge trieberäder (14) anschließen, die Stromgene ratoren antreiben.

9. Vertikal-Windturbine wenigstens nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reib- oder Getrieberäder (14) zum Antrieb der Generato ren in Abhängigkeit der Windverhältnisse me chanisch oder hydraulisch zu- oder abschalt bar sind.

10. Vertikal-Windturbine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine vom Rotor (2) angetrie bene Hydraulikpumpe (17) in Verbindung mit einem von der Hydraulikpumpe betriebenen Re gelsystem derart, daß bei steigender Dreh zahl des Rotors (2) ein steigender Hydraulik druck erzeugt wird, der z. B. die Zuschaltung weiterer Generatoren und die Steuerung der vor dem Rotor (2) angeordneten Windleitschau feln (3) bewirkt.

11. Vertikal-Windturbine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß im Zentrum des Rotors (2) Was serbehälter installiert und über Rohrleitun gen mit am Rotorumfang gelagerten Außentanks verbunden sind, so daß bei zunehmender Um fangsgeschwindigkeit des Rotors (2) dieses Wasser durch die Fliehkraft in die Außentanks gedrückt wird.

12. Vertikal-Windturbine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß durch die Bespannung (7) des Rotors (2) die zylindrische Umfangsfläche des Rotors (2) im wesentlichen zur Hälfte wind wirksam ausgefüllt ist, während die andere Hälfte winddurchlässig ist.

13. Vertikal-Windturbine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere zylinderförmige Rotoren (2) mit zugeordneten Windleitschaufeln (3), die ver tikal übereinander installiert sind.