DE4034383A1

DE4034383A1 - Windturbine nach der turbinentheorie

Info

Publication number: DE4034383A1
Application number: DE4034383A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Behnke; Andreas Dr Ing Gebhardt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-10-29
Filing date: 1990-10-29
Publication date: 1992-04-30

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Umwandlung von Windenergie in mechanische oder elektrische Energie.

Die umweltfreundliche Windenergieanlage steckt seit langem in einem Di lemma: Die Energiedichte ist sehr gering, zudem ist der Umwandlungswir kungsgrad von Windenergie in mechanische Energie bei den bekannten Anlagen im Vergleich zu üblichen Turbomaschinen ungewöhnlich schlecht. Dies treibt den Bauaufwand und somit die Kosten für Anschaffung und Wartung in die Höhe.

Die Entwicklungsziele sind demnach: Steigerung des Wirkungsgrades und somit Betrieb der Anlage schon bei geringen Windgeschwindigkeiten, Verringerung des Bauaufwandes und der Kosten, Erhöhung der Zuverlässigkeit.

Stand der Technik

Es sind bereits Vorrichtungen zur Erhöhung der Energieumwandlung bei Win denergiekonvertern bekannt. Hierzu zählen zum einen die Gruppe der nicht ummantelten Windkonzentratoren, wie z. B. der Deltaflügel- Windkonzentra tor (Staufenbiel, R.; Öry, H., BMFT-Projekt Nr. 3-ET 4252 A/B 1982) oder der Wirbelschraubenkonzentrator (Offenlegungsschrift DE 33 30 899 A1). Die Vorrichtungen erzeugen zunächst einen Drall mit entsprechender Geschwindig keitserhöhung, mit dem anschließend das Turbinenrad angeströmt wird. Die nach den Impulsgesetz notwendige Druckreduzierung fällt jedoch nur sehr ge ring aus, da die Drallerzeugungseinrichtung direkt mit der Umgebung in Ver bindung steht.

Die Ummantelung der Turbine (Mantelturbine) vergrößert zwar den möglichen Druckunterschied, erzeugt jedoch keinen Vordrall. Im Laufrad erfolgt eine dem Drehmoment entsprechende Dralländerung, so daß die Strömung hinter dem Laufrad eine Umfangskomponente enthält. Dieser Energieanteil dissipiert.

Die Offenlegungsschrift DE 33 23 200 A1 verwendet zwar eine ummantelte Leitrad- Laufrad- Kombination, doch entnimmt diese Anordnung den erzeug ten Drall nicht vollständig. Außerdem verursacht das rotierende Leitsystem zusätzliche Verluste.

Bei der Offenlegungsschrift De 31 16 396 A1 fehlt die Beschreibung der Anordnung der Leit- und Laufschaufeln. Das Nach- Leitrad verschlechtert den Energieum wandlungsprozeß. Der Bauaufwand des Zylinderkranzes ist unverhältnismäßig hoch.

Auch Offenlegungsschrift DT 26 29 923 A1 enthält mindestens einen Stator hin ter dem Laufrad. Die vorgesehene Leiteinrichtung vor dem Rotor erzeugt nicht den erforderlichen Drall. Hinzu kommen Verluste durch die Anordnung der Schaufeln.

Beim Tornado- Wirbelturm (Yen, J.T., in: Third Wind Energy Workshop 2, Springfield 1977) erfolgt keine drallfreie Abströmung, da gerade der tangen tial einströmende Luftmassenstrom den erwünschten tornadoähnlichen Wirbel erzeugt.

Dieser Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in Anlehnung an den Draller haltungssatz der Mechanik die vorhandene Windenergie mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad in mechanische Wellenenergie umzuwandeln.

Nach der Turbinentheorie wird der Drall vom Leitrad im Laufrad der Strömung wieder entnommen, wobei im Fall der Reaktionsturbine keine Druckänderung über dem Laufrad stattfindet. Ausgeführte Anlagen nach bekannten Konstruk tionsrichtlinien (Cordier- Diagramm) erreichen heute Wirkungsgrade vom deut lich über 90%. Dazu gehört auch die vollständige Ummantelung der Turbine. Konstruktiv handelt es sich um eine einstufige Axialmaschine.

Im Gegensatz dazu werden die Windturbinen mehrheitlich ohne Vordrallein richtung gebaut, mit der Folge der wesentlich geringeren Energieumsetzung. Für eine gewünschte Leistung ergeben sich durch den schlechten Wirkungs grad riesige Rotorflächen.

Durch konsequente Anwendung der Turbinen- Theorie ergibt sich für die Wind turbine eine neue Konstruktion.

Die Fig. 1 zeigt eine Form der erfindungsgemäßen Ausführung. Sie besteht aus der Ummantelung (A), wobei der Öffnungsquerschnitt (∞) vorteilhafter Weise größer ist als der Leitradeintrittsquerschnitt (0). Aufgrund der Masse nerhaltung erhöht sich die Axialgeschwindigkeit von (∞) nach (0). Die Ener giegleichung beschreibt die Druckreduzierung im Querschnitt (0). Das Leitrad (B) ist vorteilhaft profiliert und erzeugt den notwendigen Drall durch Leit radkrümmung (mit Geschwindigkeitserhöhung) bei weiterer Druckreduzierung. Das anschließende Laufrad (C) besteht vorteilhaft ebenfalls aus profilierten und gekrümmten Schaufeln und entnimmt den Drall möglichst vollständig, d. h. die Strömung ist im Querschnitt (2) wieder rein axial. Die Laufradwelle ist mechanisch mit einem Leistungsabnehmer, z. B. einem Generator, verbunden. Der Druck in der Ebene (2) ist unter Umgebungsniveau. Es schließt sich entwe der ein Diffusor an, der die noch vorhandene kinetische Energie in Druckenergie verwandelt oder ein "Strahlapparat" (E) ähnlich einem Venturi-Rohr. Hier wird mittels zusätlicher Windströmung der gewünschte Unterdruck im Querschnitt (3) erzeugt. Die möglichst profilierten Streben (F) verbindet beide Systeme. Die Stützen (G) tragen die Anlage, die wahlweise fest mit der Umgebung ver bunden oder mittels Drehkonstruktion z. B. der Windrichtung nachgeführt wer den kann.

Zur Leistungsregulierung können sowohl Leit- als auch Laufbeschaufelung ver stellbar sein, es kommen aber auch Klappen (H) o. ä. in Frage, die den An strömquerschnitt variieren und/oder für einen Druckausgleich mit der Umge bung sorgen. Die Querschnittsfläche kann auch durch vertikale Verstellung der Anlage aus dem Wind gedreht werden.

Die Sicherheitseinrichtungen können auf Maßnahmen zur Leistungsregulierung zurückgreifen.

Es sei darauf hingewiesen, daß die in der Zeichnung dargestellte gerätetechni sche Verwirklichung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber der oben beschriebenen und in der Zeichnung schematisch dargestellten Weise auch ab gewandelt werden kann, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Anlage zur Umwandlung von Windenergie in elektrische oder mechanische Energie (Windturbine), dadurch gekennzeichnet, daß durch konsequente Anwendung der Turbinentheorie eine stehende Leiteinrichtung, eine rotierende Laufeinrichtung und eine Ummantelung vorhanden und so aufeinander abgestimmt sind, daß der Strömung in der Leiteinrichtung ein Drall aufgeprägt und in der nachfolgenden Laufeinrichtung im Auslegungspunkt vollständig wieder entnommen wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es vorteilhaft zu einer axialen Durchströmung kommt.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vorteilhaft die Leiteinrichtung und/oder die Laufeinrichtung zur Leistungsanpassung verstellbar sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leit- und/oder Laufeinrichtungen vorteilhaft aus Turbinenschaufeln bestehen.

5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß vorteilhaft die Turbinenschaufeln profiliert sind.

6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vorteilhaft die Ein- und Aus trittselemente der Ummantelung so aufeinander abgestimmt sind, daß ein hoher Durchsatz erzielt wird.

7. Anordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß vorteilhaft die Außenkontur des Mantels so gewählt wird, daß örtlich ein Unterdruck entsteht und den gewünschten Durchsatz sicherstellt.

8. Anordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Austrittsdiffusors vorteil haft sogenannte Strahlapparate die notwendige Druckanpassung an die Umgebung ermöglichen.

9. Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß vorteilhaft in den Ummante lungen variable Öffnungen vorhanden sind, die bei hohen Windgeschwindigkeiten einen Druckausgleich und eine Reduzierung des durchströmten Luftmassenstroms bewirken.

10. Anordnung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß vorteilhaft eine Vorrichtung zur Windrichtungsanpassung vorhanden ist.

11. Anordnung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß vorteilhaft Sicherheitseinrichtungen zum Schutz vor Überlastungen und Gefährdungen eingebaut sind.