DE60012481T2 - Durch ein fluides medium betriebene turbine - Google Patents

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    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/74Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Description

  • Technischer Hintergrund
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbine mit einstellbaren Blattprofilen, die durch ein fluides Medium angetrieben wird, und ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie durch Nutzung derselben (z. B. US-A-4368392).
  • Hintergrund der Erfindung
  • Lange Zeit wurden verschiedene Arten von Ausrüstungen verwendet, um die Kraft in strömenden Medien zu nutzen. In den vergangenen Jahrzehnten wurden Windturbinen mit einer waagerechten Drehwelle entwickelt und zur Erzeugung von Elektroenergie in großer Anzahl eingesetzt. Sie weisen jedoch eine Anzahl von Nachteilen auf, wie Lärmentwicklung, Störung des Landschaftsbildes, hohe Produktions- und Montagekosten. Die meisten Windturbinen können lediglich einen geringen Teil der verfügbaren Windkraft ausnutzen.
  • Weiterhin wurden Windturbinen mit einer senkrechten Welle entwickelt. Diese haben eine Reihe von Vorteilen gegenüber der weiter oben genannten Ausführung, wie zum Beispiel geringere Lärmentwicklung, niedrigere Montagekonstruktionen und somit reduzierte Montagekosten und Betriebskosten. Sie sind nicht von der Windrichtung abhängig. Es hat sich gezeigt, dass es erforderlich ist, den Angriffswinkel der Flügel zum Wind in Abhängigkeit von der Stärke und der Geschwindigkeit des Mediums einzustellen. Für das Einstellen des Angriffswinkels gibt es verschiedene hinreichend bekannte Möglichkeiten, jedoch ist keine Möglichkeit der individuellen und zuverlässigen Einstellung bekannt.
  • US 4.052.134 beschreibt eine Windturbine mit einer senkrechten Drehwelle, die mit Flügeln versehen ist, die ein Gerät aufweisen, das versucht, die Flügel entsprechend der Drehbahn der Turbine in eine stabile Position zurück zu stellen.
  • NO 302.590 beschreibt eine Windturbine mit senkrechter Welle mit einem Instrument, das versucht, der Neigung der Blattprofile, sich selbst nach der offensichtlichen Windrichtung auszurichten, entgegenzuwirken.
  • US 4.168.439 beschreibt eine große Windturbine mit einem komplizierten System von Elektromotoren, Getrieben und Instrumenten zur Steuerung der sehr großen Flügel, vorrangig mit dem Ziel, die Vorrichtung zuzuschalten und abzuschalten.
  • DK 164.294 beschreibt ein Verfahren zur Änderung der Windturbinenflügel durch Anbringen elastischer, torpedoförmiger Körper an den freien Flügelenden.
  • US 2.950.765 und US 2.250.772 beschreiben Turbinen mit senkrechter Welle und gesteuerten Blattprofilen. Die Blattprofile werden alle gleichzeitig durch Stäbe geführt, die die Blattprofile in eine Sollposition drücken oder ziehen, was durch die Verschiebung eines exzentrisch angebauten Drehrades geführt wird. Diese Turbinen dienen dem Antrieb von Schiffen.
  • Turbinen zur Umwandlung der Kraft aus strömendem Wasser sind nach dem Stand der Technik bekannt. Die meisten Turbinen haben gemeinsam, dass die Wasserströmung hin zu dem stromerzeugenden Bereich der Turbine mit einer begrenzten Geschwindigkeit, in einer begrenzten Richtung und Menge gerichtet sein muss. Es ist offensichtlich, dass die so erzeugte elektrische Energie direkt proportional zu der Geschwindigkeit des strömenden Mediums ist, d. h. eine Erhöhung der Geschwindigkeit des Wassers in den stromerzeugenden Bereichen der Turbine führt zu einer Erhöhung der Menge erzeugter Elektrizität.
  • Es besteht nach wie vor ein großes Interesse daran, die Kraft in langsam strömenden Fluiden für die Erzeugung elektrischer Energie zu nutzen. Die vorliegende Erfindung macht dies auf eine einfache und kostengünstige Art und Weise möglich.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung stellt eine von einem strömenden Medium angetriebene Turbine zur Erzeugung von Elektrizität vor, die eine Anzahl von Blattprofilen geeigneter Länge, Breite und Dicke mit einer hydrodynamischen Form nach den Vorgaben des NACA-Standards umfasst. Jedes Blattprofil ist mit dem unteren Teil seiner Welle mit einer drehenden, scheibenförmigen Tragkonstruktion verbunden, die mit der Hauptwelle der Turbine verbunden ist, und die Längswellen der Blattprofile sind vorwiegend parallel zu der Hauptwelle, wobei jedes Blattprofil mit einem Motor ausgerüstet ist, der für individuelles Schwenken des Blattprofils um seine Längswelle herum unabhängig von den anderen Blattprofilen verwendet wird, um zu erreichen, dass sich die Hauptfläche eines jeden Blattprofils in einem gewünschten Angriffswinkel in Bezug auf die und absolut zu der Richtung des strömenden Mediums befindet.
  • Die Turbine ist geeignet für die Erzeugung elektrischer Energie aus relativ langsam strömendem Wasser.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Perspektivzeichnung und zeigt eine erfindungsgemäße Turbine mit vier Blattprofilen und senkrechter Welle.
  • 2 ist ein Horizontalschnitt und zeigt eine scheibenförmige Tragkonstruktion mit vier daran angebrachten Blattprofilen.
  • 3 ist ein Vertikalschnitt durch ein Blattprofil.
  • 4 zeigt die vorgeschlagenen hydrodynamischen Körper an dem freien Ende des Blattprofils.
  • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • Die Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Turbine zur optimalen Ausnutzung der dynamischen Kräfte in einem Medium, das sich in verschiedenen Richtungen mit geringer Geschwindigkeit bewegt.
  • Der Ausdruck „strömendes Medium" bezieht sich dabei auf alle fluiden Strömungen, wie zum Beispiel natürlich fließendes Wasser und Gase. Fließendes Wasser umfasst Wasser in Bächen und Flüssen, durch Rohrleitungen, in Kanälen und ähnlichen Behältnissen zu einer Turbine gefördertes Wasser sowie Wellen aller Arten, die in Seen und Meeren vorkommen.
  • Der Ausdruck „Blattprofil" bezieht sich auf beliebige flügelförmige Profile mit zwei deckungsgleichen, gekrümmten, gestreckten Außenflächenbereichen, die entlang einer Verbindungsachse verbunden sind, das in der Geschwindigkeitsrichtung gerundet ist und das in dem hinteren Teil zu einer spitzen Kante hin abnimmt. Somit haben die Blattprofile eine hydrodynamische Form. Eine Anzahl von Blattprofilen unterschiedlicher Formen werden ausführlich in den bekannten Standards des National Advisory Committee on Aeronautics (Nationales Beratungskomitee für Luftfahrt, USA, NACA) beschrieben.
  • Eine Reihe von Blattprofilformen können verwendet werden, und als bevorzugte Form kann die Blattprofilform NACA 63.015 angegeben werden.
  • Jedes Blattprofil hat eine senkrechte, exzentrische Welle in der Längsrichtung. Bei horizontalen Turbinen wird sich die Welle in einer entsprechenden horizontalen Richtung befinden. Eine Turbine gemäß der vorliegenden Erfindung ist mit zwei bis zehn Blattprofilen ausgerüstet, vorzugsweise mit zwischen vier und acht und insbesondere vorzugsweise mit fünf Blattprofilen, die mit der Unterseite einer drehenden, scheibenförmigen Konstruktion so verbunden sind, dass sich das Blattprofil in einer annähernd senkrechten Stellung befindet. Alle Blattprofile sind in annähernd gleichen Abständen voneinander und in einem annähernd gleichen Abstand von dem Mittelpunkt der drehenden Konstruktion und annähernd parallel zu der Drehwelle befestigt.
  • Die Größe der Blattprofile unterliegt keinen besonderen Einschränkungen, solange diese ihren Zweck erfüllen. Die Größe ist abhängig von der Dichte und der Geschwindigkeit des strömenden Mediums. Somit können Blattprofile zur Anwendung in Wasser eine vertikale Länge von 1 m bis 100 m haben, vorzugsweise zwischen 5 m und 20 m und insbesondere vorzugsweise von etwa 10 m. Die Breite der Blattprofile bzw. der horizontale Schnitt beträgt typischerweise von 0,5 m bis 5 m, vorzugsweise von 0,5 m bis 2 m, insbesondere vorzugsweise etwa 1 m. Die Dicke des Blattprofils beträgt typischerweise zwischen 0,05 m und 1 m, ist jedoch von der ausgewählten Blattprofilart abhängig.
  • Die Blattprofile können aus einem beliebigen geeigneten Werkstoff gefertigt werden, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe aus Stahl, Aluminium und Polymerverbundstoffen, wie zum Beispiel aus faserverstärktem ungesättigtem Polyesterharz (UP-GF). Die Dimensionierungskriterien werden durch die Auswahl des Werkstoffes bestimmt.
  • Unter Bezugnahme auf die Figuren veranschaulicht 1 eine Turbine mit einer senkrechten Welle 1, die mit einer Drehwelle 2 verbunden ist, mit der eine scheibenförmige Tragkonstruktion 3 verbunden ist. Auf der Tragkonstruktion sind eine Anzahl von Blattprofilen 5 angerbacht. Jedes Blattprofil hat eine Längswelle 6, um Schwenken des Blattprofils zu ermöglichen. Das obere Ende der Welle ist mit der Tragkonstruktion 3 verbunden. Jedes der Blattprofile 5 ist mit einem Drehmotor 8, vorzugsweise einem Schrittmotor, verbunden. Mit dem Motor 8 kann das Blattprofil um seine Längsachse 6, die vorwiegend nach der Turbinenwelle 2 ausgerichtet ist, so schwenken, dass das Blattprofil in eine beliebige Stellung in Bezug auf das fluide Medium geschwenkt werden kann. Die Leistung des Blattprofils 5 ist zu einem großen Teil von der um die freien Enden 9 des Blattprofils 5 herum erzeugten Turbulenz abhängig. Die Erfindung verwendet diese Erkenntnisse durch Anwendung flachförmiger Objekte 15 oder torpedoförmiger Objekte 10 einer Größe von ein bis 50 Mal der Quadratfläche der Blattprofile 5, vorzugsweise von zwei Mal der Quadratfläche der Blattprofile 5; oder sorgfältig geformte elliptische Körper 14, wobei die Form als ½ des Blattprofils definiert ist und die Größe in dem Bereich von einmal bis 50 Mal der Breite des Blattprofils 5 beträgt, vorzugsweise von gleicher Größe ist wie das Blattprofil 5, die an dem freien Ende 9 des Blattprofils 5 angewandt werden. Die Tragkonstruktion besteht aus einem scheibenförmigen Objekt 3 und die Blattprofile 5 werden in eine Position nahe der Peripherie der Platte gebracht. Im Betrieb werden die Blattprofile 5 daher eine zentrische, kreisförmige Bahn 12 um die Turbinenwelle 2 herum haben. Die kreisförmige Bahn 12 definiert den Außendurchmesser der Turbine. In der Hauptkonstruktion 4 der Turbine befindet sich eine Vorrichtung, die die Drehbewegung der Welle in einen Gleichstromgenerator 7 umwandelt und so die Erzeugung von elektrischer Energie ermöglicht.
  • Die Zeichnung von 2 zeigt die Turbine mit einer Turbinenwelle 2 und vier Blattprofilen 5, die an der Tragkonstruktion 3 angebracht sind, bestehend aus einer scheibenförmigen Platte, an der die Blattprofile 5 schwenkbar nahe der Peripherie der Platte angebracht sind, wodurch die Blattprofile 5 eine konzentrische Bahn 12 um die Turbinenwelle 2 herum erhalten. Es wird angedeutet, wie ein Motor 8 über den Blattprofilen 5 angeordnet ist. Eine Anzahl von Pfeilen zeigt die Richtung der Strömung 11 und die Drehrichtung der Turbine 13 an.
  • Die Zeichnung von 3 geht durch das Blattprofil 5 in der Mittellinie der Blattprofilbreite hindurch. Es wird angedeutet, wie eine Längswelle 6 in das Blattprofil 5 integriert ist, wobei die Form des Blattprofils 5 das freie Ende 9 des Blattprofils 5 beinhaltet.
  • 4 ist eine Zeichnung des Blattprofils 5 und von alternativen Formen des freien Endes 9 des Blattprofils 5.
  • 4a ist eine Zeichnung des Blattprofils 5 und eines sorgfältig geformten elliptischen Körpers 14, wobei die Form als ½ des Blattprofils definiert ist.
  • 4b ist eine Zeichnung des Blattprofils 5 und eines flach ausgeformten Objektes 15. Das Objekt 15 hat eine Parallelogrammform 15 mit der Diagonale als die Mittellinie des Blattprofils 5. Das Parallelogramm geht auf beiden Seiten gleichmäßig über die Maße des Blattprofils 5 hinaus. Die Dicke des Parallelogramms ist nicht kritisch und daher nicht angegeben.
  • 4c ist eine Zeichnung des Blattprofils 5 und eines torpedoförmigen Objektes 10, das auf allen Seiten über die Maße des Blattprofils 5 hinausgeht. Das torpedoförmige Objekt 10 ist nicht zuvor auf dem vertikal montierten Blattprofil 5 angewandt worden.
  • Die vorliegende Erfindung nutzt die gleiche Art des Motors 8 für alle Blattprofile 5. Der Motor kann ein Schrittmotor sein, vorzugsweise ein Schrittmotor in der Ausführung als Hybridschrittmotor, ein Plattenschrittmotor oder ein gewöhnlicher Schrittmotor.
  • Jedes Blattprofil 5 ist mit dem gleichen Steuerungssystem ausgerüstet, das eine vollständige Steuerung der schwenkbaren Position eines jeden Blattprofils 5 ermöglicht. Der Motor 8 bietet daher die Möglichkeit, den relativen und absoluten Winkel des Blattprofils 5 zu dem strömenden Medium zu steuern. Die Blattprofile 5 bewegen sich auf einer kreisförmigen Bahn und folglich muss die relative und absolute Stellung des Blattprofils dynamisch angepasst werden.
  • Unter Bezugnahme auf 2 wird nunmehr der Drehzyklus der Turbine beschrieben werden. Wenn sich die Blattprofile 5 in einem strömenden Fluid in einer im Wesentlichen vertikalen Stellung befinden, werden sie aufgrund der schwenkbaren Befestigung dazu neigen, sich selbst auf den geringsten Widerstand auszurichten, d. h. nach dem strömenden Medium. Um eine Drehung der Turbine und somit Erzeugung von Elektrizität zu erreichen, wird jedes Blattprofil 5, das an seinem jeweiligen Motor 8 auf der scheibenförmigen Tragkonstruktion 3 befestigt ist, in einen geeigneten relativen und absoluten Winkel zu der Strömung gedreht werden. Der Motor 8 wird das Blattprofil in einen Winkel zwischen 5° und 50° drehen. Dies wird daher eine Kraft auf die Oberfläche der Blattprofile 5 auswirken und die Turbine in Bewegung versetzen. Durch die Drehbewegung werden die Blattprofile 5 einen veränderten Angriffswinkel zu der Strömung haben, und der Motor 8 wird angesteuert werden, um die Blattprofile 5 in einen Angriffswinkel wie oben angedeutet zu drehen. Die Genauigkeit des Angriffswinkels der Blattprofile 5 zu der Strömung hängt von der Fähigkeit des Motors 8 ab, seine Stellung zu finden und aufrecht zu erhalten. Entsprechende Einstellungen werden während der kreisförmigen Bahnbewegung des Blattprofils 5 vorgenommen. Daher erzeugt das Blattprofil 5 während etwa der gesamten kreisförmigen Bahnbewegung eine Kraft, was zu einer optimalen Erzeugung von Strom führt.
  • Vorzugsweise ist das stumpfe Ende des Blattprofils 5 die Blattnase durch die Strömung. Unter Bezugnahme auf 2 und wie durch Pfeile angedeutet, die die drehende Bewegung 16 und die Strömungsbewegung 11 zeigen, ist die stumpfe Kante des Blattprofils 5 die Blattnase. Die Position der Blattprofile ist gleich unabhängig von der Art des fluiden Mediums.
  • Da die schwenkbare Stellung der Blattprofile 5 durch die Motoren 8 einzeln einstellbar ist, kann die Turbine unabhängig von der Geschwindigkeit des strömenden Mediums gestartet und angehalten werden, ohne dadurch einen Ausfall der Vorrichtung zu verursachen.
  • Die schwenkbare Bewegung der Blattprofile 5 mit ihrem Steuerungssystem ermöglicht eine Stellung der Blattprofile 5, die die Turbine im Stillstand hält, um Reparatur- und Instandhaltungsarbeiten zu ermöglichen.
  • Die Blattprofile 5 versetzen die scheibenförmige Tragkonstruktion 13 in Drehung mit begrenzter Geschwindigkeit, vorzugsweise zwischen 5 und 60 U/min., insbesondere vorzugsweise zwischen 5 und 20 U/min. Die Drehgeschwindigkeit kann durch die Stellung der Blattprofile 5 in der Strömung gesteuert werden.
  • Die Menge der von der Turbine erzeugten Kraft ist abhängig von der Höhe, der Breite und der Länge der Blattprofile 5 sowie von der Strömungsgeschwindigkeit. Blattprofile 5 niedriger Geschwindigkeit sind konvexer und haben eine größere Fläche im Vergleich zu solchen hoher Geschwindigkeit. Die Oberfläche muss so beschaffen sein, dass laminare Strömung des Mediums unterstützt wird.
  • Die maximale Ausbeute der Turbine wird am besten durch Verwendung eines Steuerungsprogramms, vorzugsweise eines elektronischen Steuerungsprogramms, zum Schwenken der Blattprofile in die günstigste Stellung erreicht, wobei die bestmögliche Kombination aus Geschwindigkeit und Kraft zu berücksichtigen ist.
  • Die Verwirbelung von dem freien Ende 9 des Blattprofils 5 wird eine Reduzierung der theoretischen Ausbeute der Turbine ergeben.
  • Die Ausbeute von der Turbine 2 ist nicht abhängig von der Richtung der Strömung, solange diese nicht zu sehr von der Lotrechten an der Hauptwelle der Turbine 2 abweicht.
  • Die vorliegende Erfindung wird für eine vertikale Lage in einer Wasserströmung beschrieben, wird jedoch ebenso in einer horizontalen Lage und in anderen Strömungen, wie zum Beispiel Wind u. s. w., funktionsfähig sein.
  • Der Gleichstromgenerator 7 ist immer stationär. Die Welle der Turbine kann sich in einer vertikalen Lage, jedoch ebenso in einer horizontalen Lage befinden. Wenn die Turbine in Wasser genutzt werden soll, wird sie an einer verankerten und schwimmenden Bau einheit oder an einer auf dem Meeresboden befestigten Baueinheit befestigt. Die Welle der Turbine kann an allen Seiten der Baueinheit angebracht werden. Wenn die Turbine in Luft verwendet werden soll, wird sie an einem Fundament, einem Sockel oder gleichwertigem befestigt.
  • Eine erfindungsgemäße Turbine ist geeignet für den Anbau an mit dem Flussbett, dem Meeresboden oder der Küste verankerten schwimmenden oder versenkten Baueinheiten. Geeignete schwimmende Baueinheiten sind Trägerpontons, Schwimmkörper, Flöße, Boote, Schuten, Verankerungen, „halbversenkte" Konstruktionen, Tension-Leg-Plattformen und Sonderkonstruktionen. Die Turbine kann auch an ortsgebundenen Konstruktionen angebaut werden, wie zum Beispiel an Mänteln, an GBS-Piers, and Unterwasserkonstruktionen, und sie kann aus Beton, aus GUP-Material (faserverstärktem ungesättigtem Polyesterharz), aus Stahl oder aus anderen Metallen gefertigt werden. Diese ortsfesten Konstruktionen können auch Sonderkonstruktionen sein.
  • Der Bau der Turbine ermöglicht große und kleine Baueinheiten. Die Turbine kann als Einzelmaschine oder als Mehrfacheinheit, in einem Muster für optimale Ausnutzung der verfügbaren Strömung, installiert werden. Die Anlagen können errichtet und angeordnet werden, ohne dass das Landschaftsbild wesentlich beeinträchtigt wird. Die Turbine kann im Meer, unter der Wasseroberfläche, installiert werden und stellt somit keine Sichtbeeinträchtigung oder Behinderung des Wassertransportes dar. Ähnliche Installationsverfahren gelten für Flüsse und Meere.

Claims (10)

  1. Durch ein strömendes Medium angetriebene Turbine zur Erzeugung von Elektrizität, umfassend eine Anzahl von Blattprofilen (5) einer geeigneten Länge, Breite und Dicke mit einer hydrodynamischen Form, wobei ein jedes Blattprofil (5) mit dem oberen Teil seiner Welle (6) an einer drehenden, scheibenförmigen Tragkonstruktion (3) befestigt ist, die mit der Hauptwelle (2) der Turbine verbunden ist, und wobei die Längswellen (6) der Blattprofile (5) vorwiegend parallel zu der Hauptwelle (2) sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein jedes Blattprofil (5) mit einem Schrittmotor (8) ausgerüstet ist, der für einzelnes Schwenken der Blattprofile (5) um ihre Längswelle (6) herum unabhängig von den anderen Blattprofilen (5) verwendet wird, um zu erreichen, dass sich die Hauptfläche eines jeden Blattprofils (5) in einem gewünschten Angriffswinkel in Bezug auf die und absolut zu der Richtung des strömenden Mediums (11) befindet.
  2. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrittmotor (8) als Hybridschrittmotor, als Plattenschrittmotor oder als gewöhnlicher Schrittmotor ausgeführt ist.
  3. Turbine nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende (9) eines jeden Blattprofils mit einem flachen, parallelogrammförmigen Objekt (15) ausgerüstet ist, das sich in rechtwinkliger Lage zu der Längsachse des Blattprofils (5) befindet.
  4. Turbine nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende (9) eines jeden Blattprofils mit einem torpedoförmigen Objekt (10) in einer rechtwinkligen Lage zu der Längsachse des Blattprofils (5) ausgerüstet ist.
  5. Turbine nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende (9) eines jeden Blattprofils mit einem elliptischen Körper (14) in einer rechtwinkligen Lage zu der Längsachse des Blattprofils (5) ausgerüstet ist.
  6. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrittmotor (8) in jedes Blattprofil (5) einzeln und mit individueller Leistung eingreift und von einer zentralen Einheit gesteuert wird.
  7. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Blattprofil (5) und der Schrittmotor (8) auf einer scheibenförmigen Tragkonstruktion angerbacht sind.
  8. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Drehwelle in einer vorwiegend senkrechten Stellung befindet.
  9. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Drehwelle in einer vorwiegend waagerechten Stellung befindet.
  10. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das strömende Medium Wasser ist.
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