DE4343459A1 - Vorrichtung zur Umwandlung von Windenergie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von Windenergie, die einen auf einer Welle gelagerten Rotor aufweist, der mit Flügeln derart versehen ist, daß eine auftreffende Luftströmung in eine Drehbewegung der Welle umgesetzt wird.

Aus der DE-OS 31 37 966 ist bereits eine derartige Vor­ richtung bekannt. Bei dieser Vorrichtung werden lamellenartige Flügel verwendet, die an Adaptern be­ festigt sind, die auf der Welle angeordnet sind. Mindestens einer der Adapter ist in einer Längsrichtung der Welle verschieblich angeordnet. In Abhängigkeit von einer auftreffenden Windgeschwindigkeit werden die Adapter relativ zueinander gegen eine Federkraft posi­ tioniert und die Flügel werden hierdurch in Abhängigkeit von der jeweiligen Windgeschwindigkeit unterschiedlich weit in eine radiale Richtung ausge­ lenkt. Hierdurch kann eine Anpassung der jeweils wirk­ samen Strömungswiderstände an eine auftreffende Windge­ schwindigkeit erreicht werden.

Eine weitere Vorrichtung ist aus der DE-OS 38 10 338 bekannt. Bei dieser Vorrichtung ist eine propeller­ artige Anordnung auf einem Ständer montiert. Durch eine Drehbarkeit um eine vertikale Achse wird gewährleistet, daß sich die mit einer horizontalen Welle versehene Vorrichtung entsprechend einer vorliegenden Wind­ richtung ausrichten kann.

Generell tritt bei einem Betrieb von Windkraftkon­ vertern, insbesondere bei einem Betrieb von Windkraft­ generatoren, das Problem auf, daß die Anlagen innerhalb eines weiten Betriebsbereiches arbeiten und in Ab­ hängigkeit von der jeweiligen Windstärke auf die Flügel einwirkende Kräfte sehr weitgehend variieren. Eine Möglichkeit zur Adaption an derartige unterschiedliche Belastungen, die insbesondere zu einer Vermeidung zu hoher mechanischer Belastungen dient, besteht darin, die Flügel relativ zu den zu halternden Elementen dreh­ beweglich anzuordnen. Es ist somit möglich, bei ge­ ringen Windstärken dem Wind eine große Angriffsfläche entgegenzusetzen, um so eine möglichst große Kraft­ einleitung in den Rotor zu ermöglichen. Derartige Ver­ stellvorrichtungen sind jedoch mechanisch relativ auf­ wendig und führen zu einer Erhöhung der Produktions­ kosten. Darüber hinaus ist bei einem lang andauernden Betrieb der Vorrichtung damit zu rechnen, daß sich im Bereich der Verstellvorrichtung Verschmutzungen an­ sammeln, so daß entweder regelmäßig Wartungsarbeiten durchgeführt werden müssen oder sich die Funktion der Vorrichtung laufend verschlechtert.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, bei fest stehenden Flügeln durch entsprechende Dimensionierung für eine ausreichende mechanische Belastbarkeit zu sorgen. Durch entsprechend massive Elemente wird jedoch zum einen durch die Menge an einzusetzendem Material der Fertigungspreis erhöht, zum anderen entsteht bei Vorrichtungen, die im Bereich von Masten angeordnet werden, ein relativ hoher Schwerpunkt, der insbesondere bei böig auftretenden Winden zu Schwankungen des Mastes führen können, die ihrerseits für die mechanische Stabilität nachteilig sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung es daher, eine Vorrichtung der einleitend genannten Art derart zu konstruieren, daß bei einem geringen Baugewicht eine hohe Stabilität sowie ein günstiger aerodynamischer Wirkungsgrad erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Flügel schalenartig gewölbt sind und im Bereich einer Eintrittsorientierung in einen schalenartigen Hohlraum der Flügel ein höherer Strömungswiderstand als im Bereich einer rückwärtigen Gegenstromorientierung aufweisen.

Durch die schalenartige Wölbung der Flügel wird die Durchbiegungsfestigkeit wesentlich gegenüber einer planen Ausführung der Flügel erhöht. Bei gleicher mechanischer Belastbarkeit kann deshalb mit wesentlich dünneren Materialien beziehungsweise mit leichteren Materialien gearbeitet werden. Durch die schalenartige Geometrie wird darüber hinaus gewährleistet, daß bei einer Anströmung der Flügel in den schalenartigen Hohlraum hinein ein hoher Strömungswiderstand und bei einer Anströmung der Rückseite ein geringerer Strömungswiderstand realisiert ist. Hierdurch wird ein hoher aerodynamischer Wirkungsgrad bei einer Anströmung der Vorrichtung mit einer Luftströmung gewährleistet, da die antreibenden Kräfte die bremsenden Kräfte deut­ lich überwiegen.

Eine kompakte Ausführungsform wird dadurch bereit­ gestellt, daß die Flügel direkt im Bereich der Welle angeordnet sind.

Eine Anpaßbarkeit an konkrete Anwendungsanforderungen wird dadurch verbessert, daß sich zwischen den Flügeln und der Welle ein Adapter erstreckt.

Eine einfache Geometrie des Rotors wir dadurch bereit­ gestellt, daß die Flügel im wesentlichen radial zur Welle angeordnet sind.

Eine günstige Beeinflussung der Strömungsverhältnisse kann aber auch dadurch erfolgen, daß die Flügel im wesentlichen tangential zur Welle orientiert sind.

Zur weiteren Erhöhung des aerodynamischen Wirkungs­ grades trägt bei, daß die Flügel im Bereich ihrer der Welle abgewandten Ausdehnung mit einer gerundeten Begrenzungsseite versehen sind.

Eine zweckmäßige Ausführungsform besteht darin, daß ein aus den Flügeln ausgebildeter Rotor in Richtung einer Wellenlängsachse eine größere Ausdehnung als quer zur Wellenlängsachse aufweist.

Eine Anordnung des Rotors in einer von einem Wind gut erreichbaren Höhe wird dadurch ermöglicht, daß der Rotor im Bereich eines Ständers angeordnet ist.

Eine weitere Ausnutzung von Luftbewegungen kann dadurch erfolgen, daß der Rotor innerhalb eines kaminartigen Schachtes angeordnet ist, der mit einer Schachtlängs­ achse im wesentlichen in vertikaler Richtung orientiert ist.

Zur Erhöhung einer Wartungsfreundlichkeit wird vorge­ schlagen, daß die Flügel lösbar im Bereich des Rotors angeordnet sind.

Ein guter Kompromiß zwischen einer guten Handhabbarkeit und einer Aufnahme typischer Kraftrichtungen wird dadurch bereitgestellt, daß eine steckbare Befestigung der Flügel durch Befestigungselemente vorgesehen ist.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Er­ findung schematisch dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung mit schalenartig gewölbten Flügeln, die tangential zu einem Adapter angeordnet sind,

Fig. 2 eine andere Ausführungsform, bei der die Flügel im wesentlichen radial zu einer Welle angeordnet sind,

Fig. 3 eine Seitenansicht einer mit gewölbten Flügeln ausgestatteten Vorrichtung,

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine modifizierte Vor­ richtung,

Fig. 5 eine vereinfachte Prinzipskizze einer Seiten­ ansicht einer weiteren Vorrichtung,

Fig. 6 eine Anordnung der Vorrichtung in einem kamin­ artigen vertikalen Strömungskanal,

Fig. 7 eine im Bereich eines Ständers angeordnete Vorrichtung,

Fig. 8 eine in einem Zwischenraum zwischen zwei Gebäuden angeordnete Vorrichtung mit einer Mehrzahl von Rotorkörpern hintereinander,

Fig. 9 eine perspektivische Darstellung eines los­ nehmbaren Flügels,

Fig. 10 eine perspektivische Darstellung einer Mehr­ zahl im Bereich einer Welle angeordneter Flügel,

Fig. 11 eine Seitenansicht eines Flügels mit Befesti­ gungselement,

Fig. 12 eine weitere Darstellung eines im Bereich eines Mastes angeordneten Rotors und

Fig. 13 eine Draufsicht auf den Rotor gemäß Fig. 12.

Die Vorrichtung zur Umwandlung von Windenergie besteht im wesentlichen aus einer Welle (1), die drehbeweglich gelagert und mit Flügeln (2) verbunden ist. Mit der Welle (1) kann beispielsweise ein Generator zur Er­ zeugung von elektrischer Energie gekoppelt werden. Es ist aber auch möglich, unmittelbar die mechanische Bewegungsenergie der Welle (1) zugeordneten Arbeitsein­ richtungen zuzuführen. Die Flügel (2) sind im wesent­ lichen schalenartig ausgebildet und weisen einen von einer Flügelwandung (3) begrenzten Hohlraum (4) auf. Die Flügelwandung (3) begrenzt eine Eintrittsöffnung (5), die den Hohlraum (4) an eine Umgebung ankoppelt.

Gemäß der Ausführungsform in Fig. 1 sind die Flügel (2) über einen Adapter (6) mit der Welle (1) verbunden. Die Flügel sind tangential zum Adapter (6) und zur Welle (1) angeordnet. Die schalenartige Struktur der Flügel (2) ist in dieser Ausführungsform derart dimensioniert, daß sich der Hohlraum (4) ausgehend von der Welle (1) abgewandt angeordneten Begrenzungsseiten (7) in Rich­ tung auf den Adapter (6) in einer Schnittebene senk­ recht zu einer Wellenlängsachse (8) erweitert.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind die Flügel (3) im wesentlichen radial zur Welle (1) angeordnet. Ausgehend von der Begrenzungsseite (7) erweitern sich auch hier die Hohlräume (4) zunächst in eine der Welle (1) zugewandte Richtung bis zu einer Umfangslinie (9). Ausgehend von der Umfangslinie (9) in Richtung auf die Welle (1) verringert sich dann wieder die Größe des Hohlraumes (4) bezüglich einer Querschnittfläche in einer Schnittebene senkrecht zur Wellenlängsachse (8).

Aus der Seitenansicht in Fig. 3 ist erkennbar, daß die Gesamtanordnung der Flügel (3) von einer gerundeten Außenkontur begrenzt ist. Dies verursacht ein günstiges aerodynamisches Verhalten. Gemäß Fig. 3 ist ein nähe­ rungsweise halbkreisförmiger Verlauf der Begrenzungs­ seite (7) vorgesehen. Es ist jedoch auch möglich, in Richtung der Wellenlängsachse (8) auseinandergezogene oder zusammengedrückte ovale oder ellyptische Verläufe vorzusehen.

Eine weitere Gestaltung mit relativ zueinander dicht angeordneten Flügel (2) zeigt Fig. 4. Der Welle (1) sind hier vierzehn Flügel (2) zugeordnet. Durch die gewählte Anordnung der Flügel (2) wird eine Rotations­ richtung (10) definiert. Fig. 5 veranschaulicht eine vereinfachte Seitenansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 4.

Gemäß der Ausführungsform in Fig. 6 sind aus den Flügeln (2) Rotoren (11) ausgebildet, die jeweils auf einer Welle (1) angeordnet sind. Die Rotoren (11) sind im Bereich eines Schachtes (12) montiert, der kaminar­ tig in lotrechter Richtung oberhalb eines Gebäudes (13) installiert ist. Das Gebäude weist seitliche Luftein­ trittsöffnungen (14) sowie einen trichterförmigen Dach­ bereich (15). Durch die Konstruktion des Gebäudes und die Überleitung des Dachbereiches (15) in den Schacht (12) wird eine starke Strömung innerhalb des Schachtes (12) hervorgerufen, die zu einer Drehbewegung der Rotoren (11) führt. Die Rotoren (11) sind mit ihren Wellen (1) quer zu einer Schachtlängsachse (16) ange­ ordnet. Durch die gerundete Außenkontur der Rotoren (11) ist es in einfacher Weise möglich, eine Anpassung an eine kreisförmige Querschnittfläche des Schachtes (12) vorzunehmen. Hierdurch wird ein sehr hoher Wirkungsgrad realisiert. In Richtung der Schachtlängs­ achse (16) können eine Mehrzahl von Rotoren (11) hintereinander angeordnet sein.

Gemäß der Ausführungsform in Fig. 7 ist der Rotor (11) im Bereich eines pyramidenförmigen Ständers (17) ange­ ordnet. Der Ständer (17) kann turmartige Dimensionen haben, es sind jedoch auch kompakte Ausführungsformen zur Verwendung im Bereich von Einfamilienhäusern denkbar. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8 sind zwischen zwei Wohngebäuden (18) entlang einer gemein­ samen Welle (1) eine Mehrzahl von Rotoren (11) ange­ ordnet. Die Welle (1) ist über Verstrebungen (19) relativ zu den Wohngebäuden (18) abgestützt. Eine zu­ sätzliche Anordnung von Rotoren (11) mit einer verti­ kalen Drehachse erfolgt im Bereich eines Daches (20) der Wohngebäude (18). Im Bereich des Daches (20) können auch Generatoren (21) zu einer Umsetzung der Drehbe­ wegung der Wellen (1) angeordnet sein. Die Generatoren (21) können dazu verwendet werden, unmittelbar elek­ trische Verbraucher im Bereich der Wohngebäude (18) zu speisen. Die Welle (1) der zwischen den Wohngebäuden (18) angeordneten Rotoren (11) erstreckt sich im wesentlichen in horizontaler Richtung. Die Anzahl der entlang der Welle (1) hintereinander anordbaren Rotoren (11) wird im wesentlichen von der jeweiligen Rotorgröße und dem Abstand zwischen den Wohngebäuden (18) vorge­ geben. Der Abstand der Rotoren (11) zueinander ist derart zu wählen, daß eine nachteilige Beeinflussung der jeweiligen Strömungsverhältnisse vermieden wird.

Gemäß der Ausführungsform in Fig. 9 sind die Flügel (2) mit Befestigungselementen (22) versehen, die lösbar mit der Welle (1) beziehungsweise mit dem Adapter (6) ver­ bindbar sind. Die Befestigungselemente (22) können als Profilstege ausgebildet sein, die in entsprechende Ausnehmungen im Bereich der Welle (1) oder des Adapters (6) eingeführt werden. Die Gestaltung derartiger Be­ festigungselemente (22) in einer Draufsicht ist in Fig. 10 dargestellt. Mit Hilfe der Befestigungselemente (22) ist es möglich, sowohl eine Montage der Flügel (2) mit geringem Zeitaufwand durchzuführen, als auch bei even­ tuell auftretenden Beschädigungen eine kurzfristige Reparatur durchzuführen.

Fig. 11 zeigt die Seitenansicht eines Flügels (2), bei dem ein modifiziertes Befestigungselement (22) vor­ gesehen ist. Eine Verbindung mit der Welle (1) be­ ziehungsweise dem Adapter (6) kann hierdurch bolzenförmig, schraubenartig oder mit zapfenförmigen Verbindungselementen erfolgen.

Fig. 12 zeigt eine Anordnung eines Rotors (11) im Bereich eines mastartigen Ständers (17). Aus der Drauf­ sicht gemäß Fig. 13 ist erkennbar, daß neun Flügel (2) im Bereich des Rotors (11) angeordnet sind.

Als Material für die Flügel (2) können aufgrund der hohen Stabilität der schalenartigen Struktur beispiels­ weise Kunststoffe verwendet werden. Es ist aber auch denkbar, eine dünnwandige metallische Ausbildung, beispielsweise aus Aluminium, vorzusehen. Durch die Ausbildung der Flügel (2) wird eine sehr gleichmäßige Bewegung der Welle (1) ohne überlagerte Schwankungen gewährleistet.

Aufgrund des guten aerodynamischen Wirkungsgrades ist es grundsätzlich ebenfalls denkbar, eine Umkehrung des Energiekonvertierungsprinzips vorzusehen. Wird bei­ spielsweise ein Lüfter mit den Flügeln (2) ausgestattet und die Welle (1) mit einem entsprechenden Antriebs­ motor versehen, so kann in sehr effektiver Weise eine Luftströmung erzeugt werden. Gleichfalls ist eine Förderung anderer strömungsfähiger gasförmiger oder flüssiger Medien möglich.

Bei mehreren Rotoren (1) ist es ebenfalls möglich, unterschiedliche Drehrichtungen vorzusehen und die sich ergebende Differenzgeschwindigkeit auszunutzen.

Eine weitere Alternative besteht darin, die Rotoren (1) im Unterwasserbereich zum Antrieb oder zur Strömungsum­ setzung zu verwenden. Ebenfalls sind entsprechende Überwasseranwendungen möglich.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Umwandlung von Windenergie, die einen auf einer Welle gelagerten Rotor aufweist, der mit Flügeln derart versehen ist, daß eine auf­ treffende Luftströmung in eine Drehbewegung der Welle umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (2) schalenartig gewölbt sind und im Bereich einer Eintrittsorientierung in einen schalenartigen Hohlraum (4) der Flügel (2) einen höheren Strömungswiderstand als im Bereich einer rückwärtigen Gegenstromorientierung aufweisen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Flügel (2) direkt im Bereich der Welle (1) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich zwischen den Flügeln (2) und der Welle (1) ein Adapter (6) erstreckt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Flügel (2) im wesent­ lichen radial zur Welle (1) angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Flügel (2) im wesent­ lichen tangential zur Welle (1) orientiert sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Flügel (2) im Bereich ihrer der Welle (1) abgewandten Ausdehnung mit einer gerundeten Begrenzungsseite (7) versehen sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß ein aus den Flügeln (2) ausgebildeter Rotor (11) in Richtung einer Wellen­ längsachse (8) eine größere Ausdehnung als quer zur Wellenlängsachse (8) aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der Rotor (11) im Bereich eines Ständers (17) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der Rotor (11) innerhalb eines kaminartigen Schachtes (12) angeordnet ist, der mit einer Schachtlängsachse (16) im wesent­ lichen in vertikaler Richtung orientiert ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da durch gekennzeichnet, daß die Flügel (2) lösbar im Bereich des Rotors (11) angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine steckbare Befestigung der Flügel (2) durch Befestigungselemente (22) vorgesehen ist.