DE69023146T2

DE69023146T2 - Windkraftmaschine.

Info

Publication number: DE69023146T2
Application number: DE69023146T
Authority: DE
Inventors: Kenneth Brown; Peter Meikle
Original assignee: University of Melbourne
Current assignee: University of Melbourne
Priority date: 1989-12-19
Filing date: 1990-12-19
Publication date: 1996-04-04
Anticipated expiration: 2010-12-20
Also published as: EP0506749A4; EP0506749A1; AU6966591A; DK0506749T3; EP0506749B1; ATE129317T1; AU649993B2; DE69023146D1; WO1991009225A1

Description

- Die vorliegende Erfindung betrifft Turbinen und insbesondere Windturbinen.
Die Savonius-Turbine, die Darrieus-Turbine und das Schalenanenometer sind Beispiele für typische Querströmungswindturbinen. Ein wesentlicher Vorteil dieser Turbinen ist, daß sie ihre senkrechte Drehachse unempfindlich für die Windrichtung macht. Da diese Turbinen jedoch Blätter mit fester Orientierung aufweisen, ist die Fluidströmung durch den Rotor nicht immer optimal. Die Leistungsfähigkeit dieser Turbinentypen ist deshalb bei Blattspitzengeschwindigkeitsverhältnissen außerhalb der Auslegungsgrenzen gering. (Das Blattspitzengeschwindigkeitsverhältnis ist definiert als das Verhältnis zwischen der Blattgeschwindigkeit relativ zum Boden und der Geschwindigkeit der freien Strömung relativ zum Boden, d.h ΩR/V&sub1;). Insbesondere erleiden Turbinen vom Savonius- und vom Schalenanenometer-Typ große Verluste und verhalten sich nur bei niedrigen Blattspitzengeschwindigkeitsverhältnissen von ungefähr 1,5 zufriedenstellend. Die Darrieus-Turbine arbeitet hingegen bei größeren Blattspitzengeschwindigkeitsverhältnissen von typischerweise 3 bis 7, jedoch ist der Bereich an Blattspitzengeschwindigkeitsverhältnissen für effizienten Betrieb schmal und die Turbine ist nicht selbststartend.
US-A-4 137 009 offenbart eine Querströmungsturbine mit vertikaler Achse, welche durch den Turbinenrotor schwenkbeweglich getragene Blätter aufweist.
FR-A-2 345 600 offenbart eine Durchströmungsturbine mit vertikaler Achse, welche flexible Blätter aufweist, die im wesentlichen horizontal zum zentralen Mast des Turbinenrotors angebracht sind und welche aufgrund der niedrigen Biegesteifigkeit der Blätter, welche ebenfalls in Verdrehrichtung weich oder flexibel sind, zu ihren Spitzen hin herabhängen. Verschiedene Anordnungen zum Verwinden der Blätter in der Nähe ihrer Spitzen sind offenbart und die Möglichkeit eines Selbststeuergeräts zur Steuerung der Blattverwindung zur Veränderung des Anstellwinkels während der Rotation des Turbinenrotors ist erwähnt. Das Selbststeuergerät spricht auf Windgeschwindigkeit und -richtung und auf Rotorgeschwindigkeit, Beschleunigung und Position auf seiner Umlaufbahn an.
Eine Windturbine gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Anspruch 1 definiert.
Das Blatt kann zur Schwenkbewegung um eine senkrechte Achse gelagert sein und die Bestimmungsmittel können den Winkel φ und den Blattwinkel ψ messen und die Steuermittel können den Angriffswinkel α des Blatts als eine Funktion von φ und ψ einstellen.
Die Turbine kann ferner eine an der Hinterkante des Blatts schwenkbar angebrachte Klappe umfassen und das Blatt kann zur Schwenkbewegung um eine vertikale Achse gelagert sein und die Bestimmungsmittel können den Winkel φ der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit V messen, und die Steuermittel können erste Steuermittel zum Einstellen des Blattsteigungswinkels ψ im wesentlichen auf den Winkel φ der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit V sowie zweite Steuermittel umfassen, zum Steuern des Klappenwinkels β derart, daß der Klappenwinkel β als eine Funktion des Winkels φ der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit eingestellt wird. Die zweiten Steuermittel können statt dessen den Klappenwinkel β derart steuern, daß der Klappenwinkel β als Funktion des Blattwinkels ψ eingestellt wird.
In beiden der obigen Ausgestaltungen mit einer an der Hinterkante des Blatts schwenkbar angebrachten Klappe kann ein Stabilisator an dem Blatt angebracht und dazu ausgelegt sein, sicher zu stellen, daß das Blatt auf einem Angriffswinkel α von im wesentlichen Null gehalten wird.
Der Stabilisator kann wenigstens ein an dem Blatt angebrachter Flügelstabilisator sein, welcher wenigstens eine bewegliche Steueroberfläche aufweist, und die auf dem Winkel φ ansprechenden Steuermittel können den Winkel τ der beweglichen Steueroberfläche als eine Funktion von φ verändern, wobei die Bewegung der Steueroberfläche zu einer Änderung des Angriffswinkels α des Blatts führt.
Jede Blattanordnung kann fest an wenigstens einem sich relativ zur Rotorachse radial erstreckenden Rotorarm angebracht sein und kann ferner eine an der Hinterkante des Blatts schwenkbar angebrachte Klappe umfassen, wobei die Bestimmungsmittel entweder den Winkel φ der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit V oder dem Angriffswinkel α messen und die Steuermittel den Klappenwinkel β als eine Funktion des durch die Bestimmungsmittel gemessenen Winkels setzen.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben:
Figur 1 ist eine Darstellung eines Turbinenrotors,
Figur 2 ist eine schematische Darstellung eines Blatts, welche die Winkel α, φ und ψ erläutert,
Figuren 3a und 3a erläutern die Auftriebskräfte auf ein Blatt,
Figur 4 erläutert eine erste Ausführungsform einer Blattanordnung gemäß der Erfindung,
Figur 5 erläutert eine zweite Ausführungsform einer Blattanordnung gemäß der Erfindung,
Figur 6 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen den Winkeln φ und α, β oder τ erläutert,
Figuren 7a und 7b zeigen für die Benutzung mit der zweiten, dritten oder vierten Ausführungsform der Erfindung geeignete Klappenanordnungen,
Figur 7c erläutert eine Verbindung mit vier Stangen, welche dazu verwendet wird, die Klappe mit dem Blatt zu verbinden,
Figur 8 erläutert eine dritte Ausführungsform einer Blattanordnung gemäß der Erfindung,
Figur 9 erläutert die Auftriebskräfte auf die in Figur 8 gezeigte Blattanordnung,
Figur 10 erläutert eine vierte Ausführungsform einer Blattanordnung gemäß der Erfindung,
Figur 11 erläutert ein statisch stabiles Blatt,
Figur 12 erläutert eine fünfte Ausführungsform einer Blattanordnung gemäß der Erfindung,
Figur 13 erläutert die Beziehung zwischen β und φ oder α für die in Figur 12 gezeigte Blattanordnung und
Figur 14 erläutert, wie ungefähr α sich mit dem Blattspitzengeschwindigkeitsverhältnis und dem Winkel θ ändert.
Figur 1 stellt schematisch eine Ansicht in Achsrichtung eines Turbinenrotors dar, welcher mit Winkelgeschwindigkeit Ω rotiert. Der Rotorschaft trägt bei O einen radial verlaufenden Arm, welcher bei B in Lagern ein Blatt trägt. Das Blatt ist damit festgelegt, sich auf einer kreisförmigen Bahn um den Rotorschaft zu bewegen. Die Linie OB stellt einen radial verlaufenden Arm der Länge R dar, dessen Position relativ zum frei strömenden Wind durch den Winkel θ definiert ist. Die freie Strömungsgeschwindigkeit ist als V1 dargestellt.
Das von B ausgehende Vektordiagramm erläutert, daß die scheinbare Geschwindigkeit V des Fluids relativ zum Blatt die Vektorsumme der Geschwindigkeit V2 des Fluids relativ zum Boden und der Geschwindigkeit VG des Bodens relativ zum Blatt ist (VG = ΩR).
Die scheinbare Fluidgeschwindigkeit relativ zum Blatt nimmt einen Winkel φ zur Bahntangenten bei B und einen Winkel α zur Flächensehne des Blatts ein. Die Flächensehne des Blatts nimmt einen Winkel ψ zur Tangenten an B ein. Die Beziehung zwischen φ und ψ ist:
α = φ - ψ
Die Beziehung zwischen dem Angriffswinkel α, dem Winkel φ der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit V und dem Winkel des Blatts ψ ist am besten in Figur 2 gezeigt. [Bemerkung: Alle Winkel werden als positiv betrachtet, wenn sie, wie in Figur 2 dargestellt, entgegen dem Uhrzeigersinn gemessen werden].
Die aerodynamischen Kräfte auf ein beliebiges Blatt oder einen beliebigen Flügel werden im allgemeinen in zwei Komponenten aufgelöst. Diese Komponenten sind die Auftriebskomponente L und die Widerstandskomponente D. Durch Definition liegt die Widerstandskomponente in Richtung des scheinbaren Winds V und die Auftriebskomponente ist senkrecht zur Widerstandskomponente. Im Arbeitsbereich eines einfachen symmetrischen Flügels ist die Auftriebskomponente L proportional zum Angriffswinkel α. Somit ist die Auftriebskomponente L bei einem Angriffswinkel α von Null gleich Null und ändert das Vorzeichen, wenn der Angriffswinkel α das Vorzeichen ändert. Die Auftriebskomponente L dominiert bei den meisten Bedingungen die Einflüsse der Widerstandskomponente D. Die Ausnahmen zu dieser Regel treten auf, wenn a sehr klein ist und wenn α so groß ist, daß der Flügel außerhalb des normalen Arbeitsbereiches liegt, so daß das Abreißen der Strömung verursacht wird.
Figuren 3a und 3b zeigen die Auftriebskomponente L auf ein Blatt. Ist die Auftriebskomponente L so, wie sie in Figur 3a dargestellt ist, wird das Moment um die Rotorachse O in derselben Richtung wie Ω liegen und dabei dazu dienen, den Rotor in Rotationsrichtung anzutreiben. Des weiteren wird die Auftriebskomponente L für jeden Winkel 0 < φ < 180º ein Moment in die Richtung von Ω erzeugen und damit den Rotor antreiben. Ähnlich zeigt Figur 3b, daß für jeden Winkel im Bereich -180 < φ < 0 die Auftriebskomponente L entgegengesetztes Vorzeichen haben muß, um den Rotor anzutreiben. Um das Ziel zu erreichen, die Auftriebskomponente des Blatts die Turbine antreiben zu lassen, muß somit das Vorzeichen der Auftriebskomponente L gesteuert werden. Dies kann durch Ändern des Angriffswinkels α auf das Blatt und/oder durch die Verwendung der Blattklappen erreicht werden.
Zusammengefaßt muß, damit die Auftriebskomponente L auf jedes Blatt positiv zum antreibenden Drehmoment auf den Rotor im Bereich -180º < φ < 180 beiträgt, der Angriffswinkel α (oder der Klappenwinkel β) das Vorzeichen ändern, wenn der Winkel φ das Vorzeichen ändert.
Figur 4 stellt eine Blattanordnung für eine Turbine dar, welche dahingehend wirkt, den Blattangriffswinkel a zu steuern und ihn von der Richtung φ der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit V abhängig zu machen. Ein (nicht dargestellter) Rotorschaft trägt radial verlaufende Arme 10a, 10b, welche in Lagern 14a, 14b einen vertikalen Schaft 12 halten. Ein Blatt 16 ist an dem Schaft 12, welcher über die Lager 14a, 14b frei um eine vertikale Achse schwenken kann, fest angebracht. Eine in einem Lager 20 gelagerte Windfahne 18 ist koaxial zu dem vertikalen Schaft 12 angebracht. Die Windfahne 18 kann um den vertikalen Schaft 12 frei schwenken um sich somit in die Richtung φ der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit V auszurichten. Der Winkel φ kann dann durch Messen des Winkels zwischen der Windfahne 18 und dem Arm 10a bestimmt werden. Der vordere Flügel 18a der Windfahne 18 dämpft die Bewegung der Windfahne 18 aerodynamisch. Ein Steuersystem 22 ist an dem radial verlaufenden Arm 10a angebracht, um das Blatt 16 anzutreiben und somit den Angriffswinkel α des Blatts 16 einzustellen. Ein Universalgelenk 23 an dem Schaft 12 erlaubt es dem Schaft 12, sich während der Drehung zu biegen.
Während des Betriebs wird die Windfahne 18 dazu verwendet, die Richtung φ der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit V ständig zu messen. Der Blattwinkel ψ kann durch einen in dem Steuersystem 22 angebrachten Drehgeber gemessen werden. Der Blattwinkel ψ und die Richtung φ der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit V werden als Eingänge an das Steuersystem 22 geführt. Das Steuersystem 22 verwendet die einfache Beziehung α = φ - ψ um den momentanen Blattangriffswinkel α zu berechnen. Das Steuersystem 22 stellt den Blattwinkel ψ ein, um die gewünschte Größe und das gewünschte Vorzeichen des Angriffswinkels a einzuhalten, so daß die Auftriebskomponente L positiv zum antreibenden Drehmoment beiträgt. Figur 6 stellt eine entsprechende Beziehung zwischen dem Angriffswinkel α und der Richtung φ der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit dar.
Um die Last auf den Servomotor zu minimieren, sollten sowohl der Schwerpunkt als auch der Auftriebspunkt des Blatts 16 nahe an der Achse des vertikalen Schafts 12 liegen.
Die Windfahne 18 muß mit ihrem Schwerpunkt sorgfältig an ihrer Drehachse ausgewogen sein, andernfalls werden Zentrifugalkräfte ihren korrekten Betrieb verhindern. Die Windfahne 18 muß ebenso leicht und relativ kurz sein, so daß sie schnell auf Änderungen der Windgeschwindigkeit reagiert. Die nach Figur 4 dargestellte Windfahne 18 ist nur von stilisierter Gestalt. Die Windfahne 18 kann alternativ einen Schwanz mit Doppeldekkergestalt aufweisen, was dazu beiträgt, den Schwanz frei von durch das Blatt verursachten aerodynamischen Störungen zu halten.
Obwohl die Windfahne 18 dazu verwendet wurde, die Richtung φ der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit V zu messen, kann diese Messung auch mit anderen Mitteln erreicht werden. Ein als besonders vorteilhaft angesehenes Verfahren umfaßt das Messen des Drucks an wenigstens drei Punkten auf der Blattoberfläche. Dies würde die Berechnung sowohl der Größe und der Richtung der Fluidgeschwindigkeit relativ zum Blatt ermöglichen. In der Praxis würden an einem symmetrischen Blatt bevorzugterweise vier Druckmessungen ausgeführt werden. Diese zusätzliche Druckmessung würde Information liefern, die dazu nützlich wäre, die Richtung zu bestimmen, in welche ein Blatt bei abgerissener Strömung zu drehen ist. Diese Methode zur Bestimmung des Winkels φ ist wahrscheinlich nur für sehr große Turbinen geeignet, ist jedoch zu bevorzugen, da sie es erübrigt, sich auf empfindliche, leichtgewichtige Windfahnen zu verlassen, deren Leistungsfähigkeit unzuverlässig sein kann. Ein anderes Verfahren, durch welches die Richtung φ der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit V bestimmt werden kann, ist die Verwendung eines an einem der Arme angebrachten Gierungsmessers.
Die in Figur 5 gezeigte Blattanordnung ist ähnlich der in Figur 4, mit der Ausnahme, daß der Flügel oder das Blatt 16 eine an ihrem hinteren Ende angebrachte schwenkbare Flügelklappe 16a aufweist. Diese Art von Flügelklappe 16 mit angebrachter Klappe 16a weist im allgemeinen ihr bestes Auftriebs/Widerstandsverhältnis dann auf, wenn das Flügelblatt 16 bei einem Angriffswinkel α von ungefähr Null steht. Die in Figur 5 erläuterte Turbine nutzt dieses Merkmal, um das Steuersystem in zwei unabhängige Teile zu trennen. Der erste Teil dieses Steuersystems 22a treibt das Blatt 16 an, um der Richtung φ der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit V mit einem Angriffswinkel von im wesentlichen Null zu folgen (d.h. ψ = φ Der zweite Teil des Steuersystems 22b, der in dem Blatt 16 angebracht sein kann, stellt die Klappe 16a auf den Klappenwinkel β ein. Der Winkel β ist relativ zur Flächensehnenlinie des Blatts 16 definiert. Die Größe des Klappenwinkels β wird auf der Grundlage der benötigten Ausgangsleistung bestimmt und das Vorzeichen des Winkels β ist gleich dem Vorzeichen des Winkels φ. Figur 6 erläutert die Beziehung zwischen dem Winkel φ und dem Klappenwinkel β. Die Klappe 16a stellt dabei sicher, daß die Auftriebskraft L auf das Blatt 16 zu jeder Zeit positiv zum Antriebsdrehmoment des Rotors beiträgt.
Die in Figur 5 dargestellte Blattanordnung ist aufgrund der Notwendigkeit eine getrennte Klappe 16a einzubeziehen im Aufbau komplizierter als die der Figur 4. Figur 7a zeigt ein herkömmliches Blatt in Klappenausführung, wie es typischerweise für Flugzeugquerruder verwendet wird. Eine Alternative wäre, wie in Figur 7b dargestellt, eine getrennte Tragflügelklappe 16a zu verwenden. Es hat sich herausgestellt, daß die beste Anordnung für die Vorderkante der Klappe 16a gerade unter der Hinterkante des Blatts 16 ist, wie es in Figur 7b gezeigt ist. Das Problem bei dieser Art von Klappenanordnung ist, daß nicht ein einfaches Scharnier verwendet werden kann, um die Klappe 16a mit dem Blatt 16 zu verbinden, wenn die Klappe 16a sowohl nach oben als auch nach unten bewegt werden soll. Eine in Figur 7c dargestellte einfache Verbindung mit vier Armen löst dieses Problem. Wie in Figur 7c gezeigt, sind Gelenkpunkte A und B an dem Blatt 16 angebracht, und Gelenkpunkte C und D sind an der Klappe 16a angebracht. Die Verbindungen AD und BC sind steife Verbindungen.
Die in Figur 8 gezeigte Blattanordnung ist der Blattanordnung der Figur 5 abgesehen davon ähnlich, daß ein Schwanz 24 direkt an dem Blatt 16 befestigt ist. Die Klappen-/Blattanordnung kann eine der in den Figuren 7a, 7b gezeigten Anordnungen sein. Das Blatt 16 wird mittels dem festen Schwanz 24 auf einen Angriffswinkel α von 0 eingestellt. Das Blatt 16 folgt damit der Richtung φ der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit V. Wie bei der Windfahne 18 kann ein vorderer Vorflügel nützlich sein, um die aerodynamische Dämpfung zu erhöhen. Das Steuer- System 22 mißt den Blattwinkel ψ und verwendet die Näherung φ = ψ, um die Richtung φ der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit V zu bestimmen. Die Größe des Klappenwinkels β wird auf der Grundlage der benötigten Ausgangsleistung bestimmt und das Vorzeichen des Winkels β ist gleich dem Vorzeichen des Winkels φ. Die gewünschte Beziehung zwischen dem Winkel β und dem Winkel φ ist in Figur 6 gezeigt. Das Steuersystem 22b kann in dem Blatt 16 angebracht sein und stellt den Klappenwinkel β derart ein, daß die Auftriebskraft L dazu dient, den Rotor anzutreiben.
Figur 9 stellt die Auftriebskraft L auf die in Figur 8 gezeigte Blattanordnung dar. Der Punkt B ist die Schwenkachse des Blatts 16 und der Punkt A ist das Auftriebszentrum des Blatts 16 und der Klappe 16a, jedoch ohne seinen zugeordneten Schwanz 24. Bei dieser Art von Blattanordnung liegt das Auftriebszentrum A bevorzugterweise vor dem Schwenkpunkt B und die Auftriebskomponente L1 auf das Blatt 16 und die Klappe 16a zusammen und die Auftriebskomponente L2 auf den Schwanz 24 sind beide positiv und dienen beide dazu, den Rotor anzutreiben.
Eine Verfeinerung der in Figur 8 gezeigten Blattanordnung umfaßt den Zusatz eines Servosteuersystems, um die Winkelbeschleunigung des Blatts 16 zu erfassen. Das Steuersystem wird dann ein Drehmoment auf das Blatt 16 anwenden, welches proportional zur Winkelbeschleunigung ist und somit die Wirkungen der Trägheit des Blatts 16 kompensiert. Des weiteren kann ein derartiges Steuersystem ebenfalls dazu verwendet werden, das aerodynamische Dämpfen des Blatts 16 zu kompensieren. Diese Steuersysteme würden die Reaktion des Blatts 16 auf Änderungen der Windrichtung erheblich verbessern.
Figur 10 erläutert eine andere Blattanordnung für eine Turbine gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Blattanordnung ist ähnlich der der Figur 8, jedoch fehlt bei dieser Anordnung eine Klappe 16a. Das Blatt umfaßt mehr als einen Flügel und wenigstens einer der Flügel muß beweglich sein, um die Schränkung τ zu ändern. Der Schränkungswinkel τ ist als der Winkel zwischen den Flächensehnenlinien der Flügelsteuerfläche 24 und des Flügelblatts 16 definiert, siehe Figur 11. Die Absicht dieses Aufbaus ist es, es den aerodynamischen Kräften auf das Blatt 16 und den Schwanz 24 zu ermöglichen, das Blatt 16 in einem mit Figur 6 übereinstimmenden Angriffswinkel a zu halten. Da der Angriffswinkel α das Vorzeichen in Übereinstimmung mit der Richtung φ der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit V ändern muß, muß der Schränkungwinkel τ des beweglichen Flügelschwanzes 24 durch einen Mechanismus mit einem Eingang φ und einem die gewünschte Größe des Angriffswinkels α kennzeichnenden externen Signal gesteuert werden. Das Steuersystem 22b kann in dem Blatt 16 angebracht sein, um den Schwanz 24 anzutreiben. Der Schwanz 24 kann alternativ dazu in Form eines festen Stabilisierungselements und einer beweglichen 'Auftriebs'-steuerfläche vorliegen. Ein Drehgeber oder eine ähnliche Einrichtung messen den Blattwinkel ψ.
Damit die Blattanordnung der Figuren 8 und 10 statisch stabil ist, muß das aerodynamische Zentrum A der Kombination aus dem Blatt 16 und dem Schwanz 24 (Figur 11) hinter dem Schwenkpunkt B des Blatts 16 liegen. Dies wird sicherstellen, daß, wenn der Angriffswinkel α des Blatts 16 von seiner Gleichgewichtsposition auf α + δα erhöht wird, die zusätzliche durch das aerodynamische Zentrum α wirkende Auftriebskomponente L ein Moment um B ergibt, welches dazu beiträgt, das Blatt 16 in seine Gleichgewichtsposition zurückzustellen.
Bei Turbinen des in Figur 10 dargestellten Typs ist es einfacher, der Blattwinkel ψ zu messen, als die Richtung φ der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit V. Die Näherung φ = ψ kann dann dazu verwendet werden, um die Richtung φ der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit V zu bestimmen. Die Beziehung zwischen dem Winkel τ des sich bewegenden Stabilisators oder der Steuerf läche und dem Blattwinkel ψ ist in Figur 6 gezeigt.
Der zur Steuerung des Blattauftriebs verwendete Schwanz 24 muß zweimal pro Rotorumdrehung, bei φ = 0º und φ = ±180º, bewegt werden. Das heißt der Schränkungswinkel ändert sich jedesmal von +τ auf -τ oder von -τ auf +τ. Ein einfacher Nockenmechanismus kann dazu verwendet werden, das Blatt zu bewegen. Alternativ dazu kann ein einfacher hydraulischer oder elektrischer Mechanismus verwendet werden. Diese letzteren Systeme werden bevorzugt, da die benötigte Energie aus einer externen Quelle bezogen werden kann.
Eine Verfeinerung der in Figur 10 gezeigten Turbine umfaßt ein zusätzliches Servosteuersystem, wie es vorangehend in bezug auf die in Figur 8 gezeigte Anordnung beschrieben wurde.
Das australische Patent 522 160 von Telford beschreibt eine Turbinenanordnung, welche der in Figur 10 beschriebenen in gewisser Weise ist. Jedoch ist bei der Blattanordnung von Telford das Gelenk B vor dem Auftriebszentrum A des Blatts 16 angeordnet, wohingegen bei der vorliegenden Erfindung das Auftriebszentrum A vor dem Gelenk B liegt. Die Anordnung von Telford führt zu einer positiven Auftriebskomponente L1 auf das Blatt und zu einer negative Auftriebskomponente L2 auf den Stabilisator. Die Summe der beiden Auftriebskomponenten erzeugt eine resultierende Auftriebskomponente L, welche an dem Blattschwenkpunkt B wirkt. Dies ist konträr zur Blattanordnung der vorliegenden Erfindung, bei der auf sowohl den Schwanz 24 und das Blatt 16 eine positive Auftrietskomponente besteht, was zu besseren Auftriebs/Widerstandsverhältnissen führt.
Figur 12 stellt eine Blattanordnung für eine Turbine dar, welche der Darrieusturbine ähnlich ist. Jedoch weist die Turbine eine verbesserte Leistungsfähigkeit auf und arbeitet auch über einen breiteren Bereich des Blattspitzengeschwindigkeitsverhältnisses. (Das Blattspitzengeschwindigkeitsverhältnis ist das Verhältnis zwischen der Blattgeschwindigkeit relativ zum Boden und der Geschwindigkeit des freien Stroms relativ zum Boden, d.h. ωR/V1). Wie in Figur 10 gezeigt, ist das Blatt 16 an den radial verlaufenden Armen lOa, lOb derart befestigt, daß die Flächensehne des Blatts 16 tangential zu ihrer Bahn um den Rotorschaft liegt. Die Richtung φ der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit V wird durch die Windfahne 18 bestimmt. Figur 14 stellt ungefähr dar, wie sich der Winkel φ der scheinbaren Windgeschwindigkeit V mit dem Spitzengeschwindigkeitsverhältnis und dem Winkel θ ändert. Da die Blätter 16 mit ihren Flächensehnen tangential zu ihrer Bahn festgelegt sind, ist der Angriffswinkel α des Blatts gleich φ, der Richtung der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit V (d.h. α = φ) und ψ = 0).
Es sollte bemerkt werden, daß bei einem herkömmlichen Darrieus-Rotor bei kleinen Spitzengeschwindigkeitsverhältnissen der Angriffswinkel α in einem gewissen Bereich der Rotorbahn 15º überschreitet und bei einem einfachen Flügelblatt, wie es an einem Darrieus-Rotor verwendet wird, ein Strömungsabriß erwartet wird. Des weiteren ist bei größeren Spitzengeschwindigkeitsverhältnissen der Angriffswinkel α klein und somit wird der Blattauftrieb L klein und das Auftrieb/Widerstand-Verhältnis gering sein. Somit wird der Blattauftrieb L wenig zum Rotordrehmoment beitragen. Der herkömmliche Darrieus-Rotor hört bei kleinen Spitzengeschwindigkeitsverhältnissen auf zu funktionieren weil die Strömung an den Blättern abreißt und er hört bei großen Spitzengeschwindigkeitsverhältnissen zum Teil deshalb auf zu funktionieren, weil bei derart kleinen Angriffswinkeln die Wirkungen des Blattwiderstands die Wirkungen des Blattauftriebs aufwiegen. Die Klappe 16a an dem Rotor überwindet diese Probleme. Die Klappe 16a kann dazu verwendet werden, den Blattauftrieb L zu erhöhen, wenn der Angriffswinkel α klein ist und den Strömungsabriß zu verzögern, wenn der Angriffswinkel α groß ist. Der Klappenwinkel β wird durch ein Servosystem 22b innerhalb des Blatts 16 eingestellt. Die ungefähre Beziehung zwischen dem Klappenwinkel β und dem Angriffswinkel α ist in Figur 13 gezeigt. Ein vernünftiges Kriterium zur Auswahl der Form des Winkels β als eine Funktion des Winkels α wird sein, zu verlangen, daß der Auftriebskoeffizient für das Blatt 16 unabhängig vom Angriffswinkel α konstant bleibt und dies wird die als durchgezogene Linie in Figur 13 gezeigte Form ergeben. Die strichpunktierte Linie zeigt die Form der zu verwendenden Funktion, wenn geringerer Blattauftrieb benötigt wird und die punktierte Linie zeigt an, wie die Funktion verändert wufterden kann, um die Notwendigkeit einer plötzlichen Bewegung der Klappe zu vermeiden, wenn der Angriffswinkel α = 0 durchläuft.
Der Nachteil dieses Typs von Blattanordnung ist, daß er unter gewissen Bedingungen nicht selbststartend ist und auf Betriebsgeschwindigkeit angetrieben werden muß.
Obwohl alle Ausführungsformen der Erfindung die Blätter als an radial verlaufende Arme angebracht beschreiben, welche wiederum an einem zentralen Rotor angebracht sind, können die Blätter alternativ dazu vertikal in einer entsprechenden Schienenanordnung angebracht sein und dabei um die Schiene herum angetrieben werden.
Die Ausführungsformen wurden nur beispielhaft beschrieben und Abwandlungen sind im Rahmen der Erfindung möglich.

Claims

1. Querströmungswindturbine, umfassend: einen zur Rotation um eine vertikale Achse (12) gelagerten Rotor, eine Mehrzahl mit dem Rotor verbundener Blattanordnungen, wobei jede Blattanordnung ein Blatt (16) mit einem Flügelprofil umfaßt, Mittel (18) zum Bestimmen der Richtung der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit und Steuermittel (22) zum Einstellen des Blatts, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (18) zum Bestimmen der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit an dem Rotor angebracht sind und den Winkel φ der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit V relativ zur Tangente der Bahn des Blatts bestimmen und daß die Steuermittel (22) auf die Bestimmungsmittel (18) ansprechen, um das Blatt (16) derart einzustellen, daß die Auftriebskomponente der aerodynamischen Kraft auf das Blatt (16) positiv zum treibenden Drehmoment auf den Rotor beiträgt.

2. Querströmungswindturbine nach Anspruch 1, wobei das Blatt (16) zur Schwenkbewegung um eine vertikale Achse (12) gelagert ist, wobei die Bestimmungsmittel (18) den Winkel φ der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit V messen und wobei die Steuermittel (22) das Blatt durch Ändern des Steigungswinkels ψ des Blatts einstellen, um den Angriffswinkel α des Blatts (16) als eine Funktion des Winkels φ auszuwählen.

3. Querströmungswindturbine nach Anspruch 2, wobei die Steuermittel (22) den Angriffswinkel α des Blatts (16) als eine Funktion des Winkels φ und der gewünschten Ausgangsleistung der Turbine einstellen.

4. Querströmungswindturbine nach Anspruch 1, wobei der Winkel φ indirekt durch Messen des Steigungswinkels ψ des Blatts und Verwendung der Beziehung φ = α + ψ gefunden wird, wobei α der Angriffswinkel auf das Blatt (16) ist.

5. Querströmungswindturbine nach Anspruch 1, wobei das Blatt (16) zur Schwenkbewegung um eine vertikale Achse (12) gelagert ist und wobei die Bestimmungsmittel (18) den Winkel φ und den Steigungswinkel ψ des Blatts messen und die Steuermittel (22) das Blatt durch Ändern des Steigungswinkels ψ des Blatts einstellen, um den Angriffswinkel α des Blatts (16) als eine Funktion der Winkel φ und ψ auszuwählen.

6. Querströmungswindturbine nach Anspruch 4, wobei der Steigungswinkel ψ des Blatts durch einen Drehgeber gemessen wird.

7. Querströmungswindturbine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuermittel (22) an wenigstens einem der Rotorarme (10a) angebracht sind.

8. Querströmungswindturbine nach Anspruch 1, welche ferner eine an der Hinterkante des Blatts (16) schwenkbar angebrachte Klappe (16a) umfaßt und wobei das Blatt (16) zur Schwenkbewegung um eine vertikale Achse (12) gelagert ist und die Bestimmungsmittel (18) den Winkel φ der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit V messen und wobei die Steuermittel (22) erste Steuermittel (22a) zum Einstellen des Steigungswinkels ψ des Blatts im wesentlichen auf den Winkel φ der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit V sowie zweite Steuermittel (22b) zum Steuern des Klappenwinkels β derart, daß der Klappenwinkel β als eine Funktion des Winkels φ der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit eingestellt wird, umfassen.

9. Querströmungswindturbine nach Anspruch 1, welche ferner eine an der Hinterkante des Blatts (16) schwenkbar angebrachte Klappe (16a) umfaßt und wobei das Blatt (16) zur Schwenkbewegung um eine vertikale Achse (12) gelagert ist und die Bestimmungsmittel (18) den Winkel φ der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit V messen und wobei die Steuermittel (22) erste Steuermittel (22a) zum Einstellen des Steigungswinkels ψ des Blatts im wesentlichen auf den Winkel φ der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit V sowie zweite Steuermittel (22b) zum Steuern des Klappenwinkels β derart, daß der Klappenwinkel β als eine Funktion des Steigungswinkels ψ des Blatts eingestellt wird, umfassen.

10. Querströmungswindturbine nach Anspruch 9, wobei die Steuermittel (22) den Angriffswinkel Q des Blatts (16) als eine Funktion des Steigungswinkels ψ dem Blatts und der gewünschten Ausgangsleistung der Turbine einstellen.

11. Querströmungswindturbine nach Anspruch 8, wobei die Klappe (16a) im wesentlichen benachbart zur Hinterkante des Blatts (16) angebracht ist.

12. Querströmungswindturbine nach Anspruch 1, wobei das Blatt (16) zur Schwenkbewegung um eine vertikale Achse (12) gelagert ist und ferner eine an der Hinterkante des Blatts (16) schwenkbar angebrachte Klappe (16a) umfaßt, wobei die Bestimmungsmittel (18) den Winkel φ der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit V messen, ein Stabilisator (24) an dem Blatt (16) befestigt ist, der Stabilisator (24) dazu ausgelegt ist, sicherzustellen, daß das Blatt (16) in einem Angriffswinkel α von im wesentlichen Null gehalten wird und die Steuermittel (22) dazu ausgelegt sind, den Klappenwinkel β derart zu steuern, daß der Klappenwinkel β als eine Funktion des Winkels φ und des Steigungswinkel ψ des Blatts eingestellt wird.

13. Querströmungswindturbine nach Anspruch 12, wobei der Klappenwinkel β als Funktion des Winkels φ der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit oder des Steigungswinkels ψ des Blatts und der gewünschten Ausgangsleistung der Turbine eingestellt wird.

14. Querströmungswindturbine nach Anspruch 12, wobei die Steuermittel (22) einen Eingang aufweisen, der gleich dem Steigungswinkel ψ des Blatts ist und die Steuermittel (22) den Winkel φ der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit V gemäß der Näherung φ = ψ bestimmen.

15. Querströmungswindturbine nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Steuermittel (22b) zum Steuern des Klappenwinkels β in dem Blatt (16) angebracht sind.

16. Querströmungswindturbine nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei das Auftriebszentrum der Kombination aus dem Blatt (16) und der Klappe (16a) vor dem Punkt (B) angeordnet ist, an dem das Blatt (16) zum Schwenken gelagert ist.

17. Querströmungswindturbine nach einem der Ansprüche 12 bis 16, ferner umfassend Mittel zum Erfassen der Winkelbeschleunigung des Blatts (16).

18. Querströmungswindturbine nach Anspruch 17, wobei die Steuermittel (22) dazu ausgelegt sind, ein Drehmoment auf das Blatt (16) auszuüben, welches proportional zur erfaßten Winkelbeschleunigung ist, um die Wirkungen der Trägheit des Blatts (16) zu kompensieren.

19. Querströmungswindturbine nach Anspruch 1, wobei das Blatt (16) zur Schwenkbewegung um eine vertikale Achse (12) gelagert ist und wobei die Bestimmungsmittel (18) den Winkel φ der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit V messen und wobei die Querströmungswindturbine ferner wenigstens einen an dem Blatt (16) angebrachten Flügelstabilisator (24), welcher wenigstens eine bewegbare Steuerfläche aufweist, sowie Steuermittel (22B) umfaßt, welche auf den Winkel φ ansprechen, um den Schränkungswinkel τ der bewegbaren Steuerfläche als eine Funktion von φ zu ändern, wobei die Bewegung der Steuerfläche zu einer Ändew rung im Angriffswinkel α des Blatts (16) führt.

20. Querströmungswindturbine nach Anspruch 19, wobei das Steuermittel (22b) den Schränkungswinkel τ als eine Funktion von φ und der gewünschten Ausgangsleistung der Turbine einstellt.

21. Querströmungswindturbine nach einem der Ansprüche 19 und 20, wobei der Stabilisator (24) einen festen Stabilisator umfaßt und wobei die Steuerfläche eine bewegliche Auftriebsteuerfläche umfaßt.

22. Querströmungswindturbine nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei das aerodynamische Zentrum der Kombination aus dem Blatt (16) und dem Stabilisator (24) hinter dem Schwenkpunkt (B) des Blatts (16) angeordnet ist.

23. Querströmungswindturbine nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei der Stabilisator (24) durch Nockenmittel, Hydraulikmittel oder elektrische Mittel angetrieben ist, um den Schränkungswinkel τ der Steuerfläche zu ändern.

24. Querströmungswindturbine nach Anspruch 19, wobei jede Blattanordnung (16) an wenigstens einem sich relativ zur Rotorachse radial erstreckenden Rotorarm (10a, 10b) schwenkbar angebracht ist.

25. Querströmungswindturbine nach Anspruch 1, wobei jede Blattanordnung (16) an wenigstens einem sich relativ zur Rotorachse radial erstreckenden Rotorarm (10a, 10b) fest angebracht ist und ferner eine an der Hinterkante des Blatts (16) schwenkbar angebrachte Klappe (16a) umfaßt, wobei die Bestimmungsmittel (18) entweder den Winkel φ der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit V relativ zur Tangente der Blattbahn oder zum Angriffswinkel α messen und die Steuermittel (22b) den Klappenwinkel β als eine Funktion des durch die Bestimmungsmittel (18) gemessenen Winkels einstellen.

26. Querströmungswindturbine nach Anspruch 25, wobei die Steuermittel (22b) den Klappenwinkel β als eine Funktion des durch die Bestimmungsmittel (18) gemessenen Winkels und der gewünschten Ausgangsleistung der Turbine einstellen.

27. Querströmungswindturbine nach Anspruch 25, wobei die Flächensehne des Blatts (16) tangential zu seiner Bahn um den Rotor ist.

28. Querströmungswindturbine nach einem der Ansprüche 1, 8, 19 oder 25, wobei die Mittel zum Bestimmen (18) des Winkels φ der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit V eine zur Schwenkbewegung um eine vertikale Achse (12) dem Blatt (16) benachbart gelagerte Schwenk-Windfahne (18) oder einen Gierungsfühler mit 2 oder 3 Löchern umfaßt.

29. Querströmungswindturbine nach Anspruch 28, wobei die Windfahne (18) auf einer vor der Vorderkante des Blatts (16) angeordneten vertikalen Achse (12) gelagert ist.

30. Querströmungswindturbine nach Anspruch 28, wobei die Windfahne (18) koaxial zu dem Blatt (16) gelagert ist.

31. Querströmungswindturbine nach einem der Ansprüche 1, 8, 19 oder 25, wobei die Mittel zum Bestimmen (18) des Winkels φ der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit ein an dem Blatt (16) angebrachtes Druckmeßmittel sowie Analysemittel zum Bestimmen des Angriffswinkels α des Blatts (16) aus den von der Druckmeßvorrichtung erhaltenen Druckmessungen umfassen.

32. Querströmungswindturbine nach Anspruch 31, wobei das Druckmeßmittel den Druck an wenigstens drei Punkten auf der Blattoberfläche mißt.

33. Querströmungswindturbine nach einem der Ansprüche 25 bis 32, wobei die Steuermittel (22b) ein Servosystem umfassen.

34. Querströmungswindturbine nach Anspruch 33, wobei das Stellglied des Servosystems in dem Blatt (16) angebracht ist.

35. Querströmungswindturbine nach einem der Ansprüche 25 bis 34, wobei der Auftriebskoeffizient des Blatts (16) unabhängig von dem Angriffswinkel α im wesentlichen konstant ist.