DE3905337A1

DE3905337A1 - Verfahren zur windkonzentrierung an turbowindrotoren mit horizontaler achse unter anpassung der rotorfluegel an die konzentrationszone

Info

Publication number: DE3905337A1
Application number: DE3905337A
Authority: DE
Inventors: Walter Prof Dr Tepe; Detlef Tepe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-02-22
Filing date: 1989-02-22
Publication date: 1990-08-30

Description

Verfahren zur Windkonzentrierung an Turbowindrotoren mit horizontaler Achse unter Anpassung der Rotorflügel an die Konzentrationszone.

Eine Windkonzentrierung tritt ein, wenn der zeitliche Massendurchsatz der Luftmoleküle auf einen kleineren Querschnitt des Stromflusses gebracht wird, z.B. ein Wind mit 4 m/sec = Massendurchsatz 4 m³ · sec^-1 · m^-2 auf den halben Querschnitt gebracht = 4 m³ · sec^-1 · 0,5 m^-2 ergibt eine Geschwindigkeitserhöhung auf 8 m/sec.

Windkonzentrierungen sind bekannt bei der Mantelturbine und beim Berwian. Die Mantelturbine erzielt den Konzentrationseffekt über einen konisch zulaufenden Zylinder als Mantel um den Rotor und der Berwian benutzt eine Rosette von Konzentrationsflügeln um den Rotor zur Windkonzentrierung. In beiden Fällen findet eine Zentrierung der Strömungslinien auf einen kleineren Querschnitt statt, allerdings unter erheblichen Energieverlusten für den beschleunigten Wind durch Seitendruck, Reibung und Formwiderstände.

Eine Konzentrierung tritt auch bei einseitiger Ablenkung des Windes ein. Den Strömungsverlauf zeigt die Fig. 1 an Hand einer Ablenkplatte (1). Die Geschwindigkeit des Windes nimmt von AB nach CD zu, jedoch unterschiedlich zwischen C und D. Bei einer wirbelfreien Strömung gehen durch den Querschnitt S₁ und S₂ in Fig. 2 nach dem Kontinuitätsgesetz zeitlich gleiche Luftmassen. Die Geschwindigkeiten v₁ und v₂ verhalten sich dann umgekehrt wie die Querschnitte, dessen Verhältnis gesucht wird.

S₁/S₂ = v₂/v₁ = x (1)

Im freien Spiel der Kräfte müssen die des Staudruckes der nachfolgenden Luftmassen bei S₁ und die des Sogs der abziehenden Luftmassen bei S₁ und die des Sogs der abziehenden Luftmassen bei S₂ gleich groß sein:

Druck = F _{S 1} = ρ/2 · v₁² · S₁ = N
Sog = F _{S 2} = ρ/2 · (v₂² - v₁²) · S₂ = N (2)
v₁ · S₁ = (v₂² - v₁²) · S₂

aus 1) und 2) ergibt sich

x² - x - 1 = 0 (3)

dann ist x = 1,618034.

Nach 1) verhalten sich dann S₁/S₂ = v₂/v₁ = 1,618/1. Die Kräfte Druck und Sog oder Überdruck und Unterdruck ergänzen und vereinigen sich hier zum dynamischen Druck und schaffen das notwendige Gefälle um v₁ auf v₂ zu beschleunigen. Bei drall- und reibungsfreier Betrachtung ergeben sich für den in Fig. 1 durch die Strömungslinien dargestellten Strömungsverlauf bei CD folgende Geschwindigkeitsunterschiede: bei C = v₁,

das sind für einen Wind von 4 m/sec: bei C = 4 m/sec, bei D = 8,23 m/sec, ⌀ = 6,47 m/s.

Auf Grund von Energieverlusten durch Seitendruck, Reibung und Formwiderstand muß mit einer Minderung der Geschwindigkeit bei D von 5-15% gerechnet werden. Diese Verluste sind um so geringer, je kleiner der Widerstandsbeiwert (C _w) des Ablenkkörpers ist. Eine Spitzenstellung in bezug auf minimalsten Widerstand nehmen Körper mit einer windschnittigen Tropfenform ein (C _w = 0,1 - 0,05). Strömungsgünstige Profile mit einem Dickenverhältnis von d/l = 0,3 - 0,2 sind für die Windkonzentrierung optimal. In Fig. 3 wurde dem Gehäuse (2) einer Horizontalachsturbine eine strömungsgünstige Form gegeben und die Linien der Luftströmung eingezeichnet und in Fig. 4 sind S₁ und S₂ als Abschnitte der Konzentrationszone im Verhältnis 1,618 : 1 dargestellt. S₂ im Kulminationsabschnitt der Konzentrationszone liegt immer an der breitesten Stelle des Gehäuses. Die Geschwindigkeit des Anströmwindes steigt dann von S₁ zu S₂ auf das 1,618fache und die Leistung der Luftströmung auf das 2,6fache. Im Kulminationsabschnitt kreisen nun die Flügel des Turbowindrotors (TWR) auf die der beschleunigte, konzentrierte Wind trifft. Hier zeichnet sich der Unterschied zwischen dem neuen Turbowindrotor und den konventionellen, freifahrenden Windrotoren ab. Während der TWR im Unterdruckbereich von einem in der Leistung und Stärke durch die Konzentration hochgetrimmten Wind, der Druckenergie und kinetische Energie vereinigt, angetrieben wird, nutzen die freifahrenden Windrotoren nur die kinetische Energie des Windes und arbeiten ausschließlich im Überdruckbereich. Der Ausdruck "Turbo" steht im Sprachgebrauch der Technik für "erhöhte Strömungsenergie".

Während bei allen freifahrenden Windturbinen die Rotorflügel am vorderen oder hinteren Ende des Gehäuses angebracht sind, kreisen sie bei der TWR im Kulminationsabschnitt der Konzentrationszone, also inmitten des Gehäuses. Rotorflügel vorne am Gehäuse würden das Konzentrieren des Windes verhindern. Die Flügel am hinteren Ende des Gehäuses kämen nicht in den Genuß des Konzentrierungseffektes.

Bei freifahrenden Windturbinen liegt das Verhältnis Flügellänge zu Durchmesser des Gehäuses weit über 3 : 1. Bei der TWR ist das Verhältnis umgekehrt. Die Flügellänge muß bei der TWR der Konzentrationszone angepaßt werden. Auf Grund der unterschiedlichen Geschwindigkeiten des Windes innerhalb und außerhalb der Konzentrationszone kämen die Rotorflügel durch die ungleiche Beaufschlagung innen und außen nicht zur vollen Wirkung, wenn sie über die Konzentrationszone hinausragen. Die in dem Querschnitt S₂ der Konzentrationszone unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten von innen √ nach außen v₁ sind bereits problematisch und erfordern eine Veränderung im Aufbau und in der Anordnung der Rotorflügel gegenüber Flügeln von freifahrenden Windturbinen.

Lösung a: Die Flügel passen sich in der Länge der Konzentrationszone an und die Flügelblätter werden nach Auslegungsvorschlägen von J.P. Molly aerodynamisch optimiert, d.h. Blattbreite, Blattform und Verwindung den Geschwindigkeitsphasen der Konzentrationszone zugeschnitten, um die beste Gleitzahl für die Leistungsausbeute zu erzielen (3, in Fig. 5). Theoretisch ließe sich mit solchen Flügeln Wirkungsgrade von C _{p max} = 0,50 bis 0,55 erreichen.

Lösung b: Es werden 2 und mehr Rotoren (4 in Fig. 6) hintereinander gesetzt, wobei Anzahl und Länge der Flügel der jeweiligen Geschwindigkeitsphase der Konzentrationszone angepaßt sind. Der berechnete C _{p max}-Wert liegt hier zwischen 0,55 und 0,65.

Lösung c: Einer der Rotoren der Lösung b entfaltet die Flügelblätter außerhalb der Konzentrationszone, die im Bereich der Konzentrationszone nur Verbindungsstelle zur Achse haben, womit eine Kombination einer TWR mit einer freifahrenden Turbine erreicht wird.

Der vordere Teil des Gehäusekörpers (5 in Fig. 5 und Fig. 6) stellt einen Rotationsparaboloiden dar. Dieser kann eine feste Einheit mit dem übrigen Schwanzteil des Gehäuses bilden und die Rotorflügel kreisen dann in Schlitzen des Gehäusemantels. Günstiger für die Windkonzentrierung ist es, wenn sich der Paraboloid mit dem vorderen Flügelkranz dreht. In diesem Fall wird der Paraboloid mit den Flügeln auf einer Achse gelagert und ist mit diesen fest verbunden. Die Drehbewegung des Paraboloiden verlängert den Weg des Anströmwindes, wodurch er zusätzlich beschleunigt wird.

Für die Lösungen a und b ist eine Begrenzung der Energieausnutzung der Luftströmung zwingend geboten. Damit es nicht zum Ausweichen der Luftströmung über die Konzentrationszone hinaus kommt, muß die Abströmgeschwindigkeit des Windes hinter den Rotoren größer als die Anströmgeschwindigkeit gehalten werden, damit Unterdruck und Druckgefälle bestehen bleiben, z.B.

Anströmwind
v₁ = 4 m/sec
konzentrierter Wind	v₂ = 6,4 m/sec

Das ergibt folgende Energiebilanz:

a) Anströmwind S₁ = 1m² ρ = 1,225 kg/m³
P = ρ/2 · 1 m² · 4³m³/sec³ = 39,2 W
b) Konzentrationszone S₂ = 1/1,618 m² = 0,62 m²
P = ρ/2 · 0,62 m² · 6,4³m³/sec³ = 99,5 W
c) Abströmwind S₃ = 0,62 m²
P = ρ/2 · 0,62 m² · 4,2³m³/sec³ = 28,1 W

mögliche maximale Energieausnutzung:
99,5 - 28,1 = 71,4 W bei einem Unterdruck 1 N/m²
das sind 72% von b) und 182% von a).

Von großer Bedeutung für alle Horizontalachsturbinen ist die Windnachführung. Diese soll möglichst kurzfristig erfolgen. Gebräuchlich sind Windfahnen, Windrosetten oder Seitenräder und elektronisch gesteuerte Motortriebe. Alle 3 Arten sind aufwendig im Aufbau und unzuverlässig bei Sturmboen. Das windschnittig gebaute Rotorgehäuse, seitlich schwenkbar auf einem Turm montiert, geht immer selbsttätig in die Stellung des geringsten Luftwiderstandes und dreht sich dadurch automatisch in den Wind, was wesentlich schneller geht, als wenn Windfahnen oder Windrosetten durch den Seitendruck des Windes angetrieben, die Turbine in den Wind drehen müssen. Der geringe Luftwiderstand des windschnittigen Gehäuses und die kurzen Rotorflügel mit sehr geringen Widerstandswerten geben andererseits eine hohe Gewähr gegen Sturmschäden.

Ein durch Sturmboen aufgewirbelter Anströmwind des Konzentrationsstromes kann mit Teilen über den Flügelbereich hinaus ausweichen. Dieser Nachteil kann durch einen Mantelring (6 in Fig. 7), der mit den Flügelspitzen fest verbunden ist und sich mit den Flügeln bewegt, weitestgehend verhindert werden.

Der Vorteil der TWR liegt nicht nur in der erheblich höheren Energieausbeutung des Windes gegenüber freifahrenden Windrotoren, sondern in noch stärkerem Maße in der größeren Ausnutzung des jährlichen Energieangebotes des Windes. Die modernen Windturbinen mit 1, 2 oder 3 Flügeln nutzen die Winde von 5 bis 20 m/sec, das ergibt in Gebieten mit Jahresmittelwerten der Windgeschwindigkeiten folgende Laufzeiten:

= 3 m/sec Laufzeit 2190 h/a
= 4 m/sec Laufzeit 3564 h/a
= 5 m/sec Laufzeit 5031 h/a
= 6 m/sec Laufzeit 6650 h/a

Der TWR nutzt die Winde von 2 bis 20 m/sec, das ergibt folgende Laufzeiten:

= 3 m/sec Laufzeit 5600 h/a
= 4 m/sec Laufzeit 6100 h/a
= 5 m/sec Laufzeit 6840 h/a
= 6 m/sec Laufzeit 7600 h/a

Freifahrende Windturbinen als Schnelläufer findet man in der Praxis nur in Gebieten über = 5 ms/sec, während der TWR auch noch in windschwachen Gebieten auf Laufzeiten über 5000 h/a kommt, was den hohen Nutzungsgrad der Windenergie des TWR aufzeigt.

Literatur: Molly, J.-P., Windenergie in Theorie und Praxis, Verlag C.F. Müller, Karlsruhe 1978.

Der Beschreibung sind 7 Zeichnungen beigegeben, Fig. 1-7.

Claims

1. Verfahren zur Windkonzentrierung an Turbowindrotoren mit horizontaler Achse, dadurch gekennzeichnet, daß ein seitlich schwenkbar auf einem Turm gelagertes Rotorgehäuse eine windschnittige, strömungsgünstige Form (2) bekommt und sich auf Grund dieser Form selbsttätig in den Wind stellt, um das der Wind dann eine Konzentrationszone nach dem Kontinuitätsgesetz aufbaut, deren Kulminationsabschnitt inmitten des Gehäuses an seiner breitesten Stelle liegt und hier die in ihrer Länge nach in die Konzentrationszone eingepaßten Flügel des Turbowindrotors antreibt, die im Unterdruckbereich von dem konzentrierten, beschleunigten Wind beaufschlagt einen hohen Nutzungsgrad in der Energiegewinnung aus dem Wind erzielen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügellänge der Ausdehnung der Konzentrationsmasse und die Flügelblätter in der Breite, Form und Verwindung den Geschwindigkeitsphasen der Konzentrationszone nach Auslegungsvorschlägen von J.P. Molly angepaßt sind, (3 in Fig. 5)

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei und mehr Rotoren hintereinander im Kulmitationsabschnitt der Konzentrationszone kreisen, deren Flügellängen bestimmten Geschwindigkeitsphasen der Konzentrationszone zugeordnet sind (4 in Fig. 6).

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß 1 Flügelkranz von 2 oder mehr Rotoren des Anspruchs 3 seine Flügelblätter außerhalb der Konzentrationszone entfaltet, womit eine Kombination eines Turbowindrotors mit einer freifahrenden Windturbine erreicht wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der vordere Teil des Gehäuses als Rotationsparaboloid geformt mit den Flügeln des anschließenden Rotors fest verbunden ist und sich mit ihnen dreht, wodurch eine Wegverlängerung und zusätzliche Beschleunigung für den Anströmwind eintritt, (5 in Fig. 5 und Fig. 6).

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß von den Flügeln der Rotoren nur soviel Energie dem konzentrierten Wind entzogen wird, daß der abströmende Wind hinter den Rotoren eine höhere Geschwindigkeit behält als der Anströmwind vor dem Turbowindrotor innehat und damit der Unterdruckbereich für den Turbowindrotor erhalten bleibt.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch die strömungsgünstige Form des Rotorgehäuses und durch die kurzen Rotorflügel mit geringem Luftwiderstand die Gefährdung des Turbowindrotors durch Sturmboen stark herabgesetzt wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1-3 und 5-7, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit den Flügeln verbundener und beweglicher Mantelring (6) das mögliche Ausweichen des Konzentrationsstromes über den Flügelbereich verhindert.