DE4442861A1 - Windturbine mit Drehachse im wesentlichen rechtwinklig zur Windrichtung mit variabler Geometrie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Windturbinen mit Drehachse im we­ sentlichen rechtwinklig zur Windrichtung mit mehreren am Umfang angeordneten Flügeln, die parallel zur Achse des Rotors montiert sind, wobei jeder der Flügel in einer rela­ tiv zu der kreisförmigen Bahn des Rotors tangentialen Ebene angestellt werden kann, so daß die Rotorgeometrie und damit die projizierte Fläche des Rotors mit Drehachse im wesent­ lichen rechtwinklig zur Windrichtung während der Drehung verändert wird, um eine Steuerung der Rotorgeschwindigkeit zu schaffen, und um die Leistungsabgabe zu begrenzen. Jeder Flügel ist an einem drehbaren Strukturarm des Rotors befestigt, dessen Drehachse radial mit einem Radius des Rotors übereinstimmt und fest an diesen montiert werden kann, wobei dessen Sehne tangential zu der kreisförmigen Bahn des Rotors gerichtet ist, oder drehbar zu diesem mon­ tiert werden kann, so daß die Richtung der Sehne sich ent­ sprechend der Richtung des einfallenden relativen Winds ändert.

Eine Windturbine mit Drehachse im wesentlichen rechtwinklig zur Windrichtung mit variabler Geometrie ist als der soge­ nannte "Musgrove Rotor" bekannt, dessen Flügel in einer radialen Ebene relativ zu der kreisförmigen Bahn des Rotors angestellt werden können, so daß die Rotorgeometrie und damit die projizierte Fläche des Rotors rechtwinklig zur Windrichtung geändert wird. Die Achse der Anstellung des Flügels, die rechtwinklig ist zu dieser radialen Ebene, bestimmt eine ständige tangentiale Ausrichtung der Sehnen der Flügel relativ zu der kreisförmigen Bahn des Rotors, so daß der Rotor nicht von alleine starten kann und die Lei­ stung des Rotors abnimmt, da dessen Flügel einen zu großen Angriffswinkel für den relativen Wind bieten, so daß Ener­ gie in Form von Widerstand verschwendet wird. Windturbinen mit Drehachse im wesentlichen rechtwinklig zur Windrichtung mit verstellbaren Flügeln weisen voraussichtlich größere Leistungskoeffizienten auf als irgendeine andere Windturbi­ ne, wobei das theoretische Maximum von 0,593 für Wind­ achsen-Windturbinen vom schraubenförmigen Typ überschritten wird.

Da die Flügel gemäß der Erfindung in einer tangentialen Ebene relativ zu der kreisförmigen Bahn des Rotors ange­ stellt werden, können sie auch ausrichtbar montiert werden, so daß deren Sehnenausrichtung sich entsprechend der Rich­ tung des einfallenden, relativen Winds ändert, so daß im Vergleich zum Musgrove Rotor eine Eigenschaft zum selbst starten, sowie eine verbesserte Fähigkeit zur Energieent­ nahme bereitgestellt wird.

Beim Musgrove Rotor nimmt die tangentiale Geschwindigkeits­ komponente der sich radial nach innen bewegenden Flügel­ spitze ständig ab, und folglich nimmt der lokale, relative Einfallswinkel des Winds ständig zu, der Angriffswinkel nimmt ebenfalls zu und der kritische Überziehwinkel wird zuerst genau an der Flügelspitze auftreten, und den Flügel mit hohen Biegelasten über belasten.

Bei Windturbinen mit Drehachse im wesentlichen rechtwinklig zur Windrichtung mit variabler Geometrie, die Gegenstand der Erfindung sind, wird die Flügelspitze des angestellten Flügels tangential und gleichzeitig radial nach außen be­ wegt, wobei dessen tangentiale Geschwindigkeitskomponente stetig zunimmt, und folglich der lokale, relative Einfalls­ winkel des Winds stetig abnimmt. Die Biegelast auf den Flügel ist entsprechend niedriger, da der Angriffswinkel ebenfalls abnimmt, so daß der Flügel zunehmend von Biege­ spannungen befreit wird. Der Überzieh-Zustand, wenn über­ haupt erreicht bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten, wird zuerst an der Mitte der Flügel auftreten ohne strukturell nachteilige Wirkungen auf die Flügel.

Ein weiterer Unterschied betrifft die Spannungen, die von den Korioliskräften aufgrund der Stellungsänderungen des Massezentrums des äußeren Abschnitts des Flügels während des Anstellens des Flügels aufgezwungen werden. Beim Mus­ grove Rotor nimmt die tangentiale Geschwindigkeit des sich radial, nach innen bewegenden Massezentrums des äußeren Abschnitts des Flügels stetig ab. Aufgrund dieser Ver­ langsamung treten Korioliskräfte auf. Bei dem erfindungsge­ mäßen Rotor nimmt die tangentiale Geschwindigkeit des sich tangential und gleichzeitig radial nach außen bewegenden Massezentrums des äußeren Abschnitts des Flügels stetig zu. Aufgrund dieser Beschleunigung treten Korioliskräfte auf.

Bei gleichen Abmessungen, gleicher Flügelmasse und, den gleichen Drehgeschwindigkeiten wird die Korioliskraft eine Funktion der Geschwindigkeit der radialen Änderung des Mas­ sezentrums des äußeren Abschnitts des Flügels sein. Eine geometrische Analyse der beiden Rotoren zeigt deutlich, daß zum Erreichen der gleichen Flächenreduktion des Rotors mit Drehachse rechtwinklig zur Windrichtung das Massezentrum des äußeren Abschnitts des Musgrove Rotor-Flügels sich viel weiter nach innen bewegen muß, als es gemäß der Erfin­ dung nach außen bewegt wird. Daher sind die Spannungen auf die Flügel viel höher beim Musgrove Rotor als beim erfin­ dungsgemäßen Rotor.

Der letzte bekannte Prototyp des Musgrove Rotors weist Flü­ gel auf mit zwei Abschnitten an der mittleren Spannweite bei der Anstellachse, und diese sind gehalten von einer komplexen gleitenden Rotorstruktur, die es zuläßt, diese in einer radialen Ebene an zu stellen, indem deren Flügelspit­ zen radial nach innen verschoben werden.

Da die erfindungsgemäße Anstellebene der Flügel tangential ist zu der kreisförmigen Bahn des Rotors, ist das einzige zur Bereitstellung der Anstellfähigkeit erforderliche me­ chanische Element einfach ein radial ausgerichteter Struk­ turarm des Rotors zum Halten des drehbaren Flügels.

Ein Ergebnis dieser idealen Steuerung der Fläche des Rotors mit Drehachse rechtwinklig zur Windrichtung ist, daß die Leistungsabgabe der Erfindung bei höheren als Nennwindge­ schwindigkeiten konstant gehalten wird oder auf einem be­ sonderen Niveau entsprechend Anforderung gehalten werden kann.

Ein nützliches zusätzliches Merkmal besteht in der Möglich­ keit, eine aufgeklappte Position vorzusehen, bei der der Rotor gestoppt und im Stillstand gehalten werden kann, in­ dem die Flügel auf eine Neigung von 90° relativ zu der Ro­ torachse angestellt werden, bei der die Fläche rechtwinklig zur Windachse null wird und kein Drehmoment verfügbar ist.

Weitere Vorteile der Erfindung werden offensichtlich bei Betrachtung der Figuren und der zugehörigen Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden be­ schrieben mit Bezug auf die Figuren, die eine besondere, bevorzugte Ausgestaltung betreffen.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung mit den Flügeln in der aufge­ klappten Position.

Fig. 3 ist ein Ausschnitt einer geeigneten Ausgestaltung der drehbaren Montage der Flügel gemäß der Erfindung.

Fig. 4 ist ein Ausschnitt eines weiteren geeigneten Aus­ schnitts der drehbaren Montage der Flügel gemäß der Erfin­ dung.

Fig. 1 zeigt die bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung mit einem angestellten Flügel und dem anderen Flügel in seiner normalen Position. Die kreisförmige Bahn des Rotors und die tangentiale Anstellebene des Flügels ist ebenfalls darge­ stellt. Die reduzierte, projizierte Fläche des Rotors mit Drehachse rechtwinklig zur Windrichtung bei angestellten Flügeln ist mit der schraffierten Fläche dargestellt im Vergleich mit der projizierte Fläche des Rotors mit Dreh­ achse rechtwinklig zur Windrichtung einer normalen Anord­ nung, bei der die Flügel parallel zu der Rotorachse sind, die mit der umrandeten weisen Fläche dargestellt ist.

Fig. 2 zeigt die bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung mit beiden Flügeln in der ausgeklappten Position. Die Zeichnung mit der dünnen Linie nimmt einen Flügel in seiner normalen Position und in einer mittleren angestellten Position auf seinem Weg zu der ausgeklappten Position heraus.

Fig. 3 zeigt eine geeignete drehbare Montage der Flügel, bei der der Flügel 1 an einer drehbaren Haltestruktur be­ festigt ist, die eine Verlängerung 2 der Schneckenwelle aufweist, die in dem radialen Strukturarm 3 des Rotors mon­ tiert ist mittels schraubenförmiger Drehvorrichtungen 4, so daß die Zentrifugalkraft, die von der rotierenden Masse der Einheit mit dem Flügel 1 und der drehbaren Haltestruktur 2 der Flügel gegen eine vorgespannte Feder 5 ausgeübt wird, diese Einheit entlang der schraubenförmigen Bahn der Schneckenwelle nach außen drückt, so daß auf diese Weise die nötige Drehbewegung erlangt wird, um den Flügel zu dre­ hen. Klappfähigkeit ist nicht vorgesehen.

Fig. 4 zeigt ein weiteres geeignetes Feld zur Rotormontage, bei dem der Flügel 1 an einer drehbaren Haltestruktur be­ festigt wird, die eine innerhalb des radialen Strukturarms 3 des Rotors montierte Wellenverlängerung 2 aufweist, wobei eine Bewegung mitteilende Vorrichtung, 7, die von einer geeigneten Einheit gesteuert wird, an der Nabe des Rotors angebracht ist, um die Wellenverlängerung zu drehen, und den Flügel mit einer geeigneten Neigung, einschließlich der um 90° aufge­ klappten Stellung, anzustellen.

Eine weitere Möglichkeit ein Flügelanstellmoment auf zuerle­ gen, besteht darin den Widerstands-Kraftunterschied zwi­ schen den oberen und unteren Flügelabschnitten zu nützen, die auftreten würde, wenn die Anstellachse asymmetrisch bezüglich der Flügelspitzen gelegt würde, indem etwa der obere Abschnitt länger oder kürzer als der untere ausgelegt wird, oder durch den Unterschied der Windgeschwindigkeiten aufgrund des Bodenreibungseffekts über den oberen und un­ teren Flügelspitzen. Diese Anstellmomente würden gegen eine vorgespannte Drehfeder wirken, die an der Drehwelle an­ geordnet ist.

Im wesentlichen besteht die Erfindung aus einem Rotor mit Drehachse rechtwinklig zur Windrichtung und variabler Geo­ metrie, der eine Vielzahl von Flügeln an seinem äußeren Umfang aufweist, die parallel zu der Rotorachse montiert sind, wobei jeder Flügel an einem drehbaren Strukturarm des Rotors befestigt ist, dessen Drehachse radial mit einem Radius des Rotors übereinstimmt, wobei dieser Flügel in einer tangentialen Ebene relativ zu der kreisförmigen Bahn des Rotors angestellt werden kann, so daß auf diese Weise die Rotorgeometrie und somit die projizierte Fläche, des Rotors mit Drehachse rechtwinklig zur Windrichtung variiert werden kann.

Die obige Beschreibung weist viele Merkmale auf, die in keiner Weise, den Schutzbereich der Erfindung beschränken sollen. Viele Ausgestaltungen der Erfindung sind nahege­ legt, z. B. können die Flügel einzeln oder gemeinsam ange­ stellt werden, die ausgeklappte Position kann vorgesehen oder nicht vorgesehen sein, oder die Flügel können in die­ selbe,Richtung oder in entgegengesetzte Richtungen ange­ stellt werden. Entsprechend soll der Schutzbereich der Er­ findung nicht durch die dargestellten Ausführungsbeispiele bestimmt sein, sondern durch die nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalente.

Claims (3)

1. Windturbine mit Drehachse im wesentlichen rechtwink­ lig zur Windrichtung mit variabler Geometrie, deren antrei­ bendes Element ein Rotor mit Drehachse im wesentlichen rechtwinklig zur Windrichtung ist mit mehreren Flügeln am Umfang, die parallel zu der Rotorachse montiert sind und zur Einleitung von Drehmoment als Drehantrieb für den Rotor aerodynamische Kräfte erzeugen können, wobei jeder Flügel an einem drehbaren Strukturarm des Rotors befestigt ist, dessen Drehachse mit einem Radius des Rotors übereinstimmt, und der Flügel in einer tangentialen Ebene relativ zu der kreisförmigen Bahn des Rotors angestellt werden kann, so daß die Rotorgeometrie und damit die projizierte Fläche des Rotors mit Drehachse im wesentlichen rechtwinklig zur Wind­ richtung während der Drehung zur Steuerung der Geschwindig­ keit des Rotors und zur Begrenzung der Leistungsabgabe ge­ ändert wird.

2. Windturbine mit Drehachse im wesentlichen rechtwink­ lig zur Windrichtung mit variabler Geometrie gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Flügel mit der Sehne tangential ausgerichtet zu der kreisförmigen Bahn des Ro­ tors fest an seinen jeweiligen drehbaren Strukturarm des Rotors oder drehbar montiert werden kann, so daß seine Seh­ nenausrichtung entsprechend der Richtung des relativen Winds geändert wird.

3. Windturbine mit Drehachse im wesentlichen rechtwink­ lig zur Windrichtung mit variabler Geometrie gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Anstellmoment der Flügel aus einer geeigneten Anwendung der aerodynamischen oder zentrifugalen Kräfte, die auf den Flügel während der Dre­ hung wirken, oder aus einer Belegung mitteilenden Vorrich­ tung, die eine andere äußere Leistungsquelle nützt, erhal­ ten wird oder aus einer Kombination dieser Verfahren.