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Windkraftanlage Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windkraftanlage,
bei der um eine vorzugsweise senkrechte Drehachse schaufelartige Einzelflächen umlaufen,
wobei diese Einzelflächen selbst um zur genannten Drehachse parallele Einzelachsen
schwenkbar sind. Zweck der Erfindung ist, die Windwirkung sowohl beim Lauf vor dem
Winde als auch beim Lauf quer zum Winde durch den Schaufelkranz hindurch weitmöglichst
auszunutzen. Bekannt ist, das Innere von Schalenkreuzen mit Leitkörpern für den
abziehenden Wind zu bestücken und den Wind nach Beaufschlagung einer Treibfläche
zu nochmaliger Arbeitsleistung nach einer zweiten Treibfläche abzuleiten.
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Demgegenüber wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß bei außerhalb
des Schaufelkranzes sich befindenden Leitflächen der gegen den Wind laufende Teil
des Schaufelkranzes abgeschirmt und die Strömung düsenartig dem mit dem Wind laufenden
Teil zugeführt wird. Gleichzeitig sollen sich dabei die Schaufeln nach dem Verlassen
des abgeschirmten Sektors des Schaufelkranzes über eine Bogenstrecke von ungefähr
9o' annähernd parallel zu sich selbst verschieben. Durch die Abdeckung des gegen
den Wind laufenden Teils des Schaufelkranzes verringert sich die Reibungsarbeit
an diesem Teil wesentlich. Ferner wird der Wind so beeinflußt, daß er den Schaufeln
lediglich an der Stelle zugeführt wird, wo die günstigste Wirkung eintreten muß.
Durch entsprechende Formgebung der Leitflächen erhalten diese düsenartige Wirkung
und führen dementsprechend den Schaufeln die Windströmung an dem nicht abgedeckten
Sektor zusätzlich mit erhöhter Geschwindigkeit zu. Die Schaufelbewegung derart,
daß sich die Schaufeln nach dem Verlassen des von .der Leitfläche abgedeckten Sektors
über eine Strecke von ungefähr 9o° annähernd parallel zu sich selbst verschieben,
und zwar in dem Gebiet,, in welchem die Windströmung von außen her in das Innere
des Schaufelkranzes eintritt, führt bei den
von der Windströmung
beaufschlagten Teilen der Schaufelbahn zur günstigsten Einstellung. Dabei behalten
die Schaufeln im Gebiet des Wiederaustritts der Luftströmung ihre Richtung gegenüber
dem Radius ihrer Laufbahn ungefähr bei. Anschließend daran erfolgt auf dem letzten
wieder abgedeckten Teil der Laufbahn das Rückklappen in die Ausgangsstellung. Auf
die geschilderte Weise erhält man gegenüber den bekannten Einrichtungen einen wesentlich
günstigeren Wirkungsgrad, weil der Gegenstau im Innern des Schaufelkranzes erstmalig
berücksichtigt wird. Dies erfolgt dadurch, daß eben die Schaufeln auf demjenigen
Teil ihres Umlaufes, auf dem der Wind in das Innere des Schaufelkranzes eintreten
soll, annähernd parallel zu sich selbst verschoben werden. Bei dieser Parallelverschiebung
sind nämlich die Umfangsgeschwindigkeiten auf jedem Bahnelement zwischen der Außenkante
und der Innenkante der Schaufeln einander gleich, weshalb die Fliehkraft sich hier
auf den Luftstrom nicht nachteilig auswirken kann. Die düsenartige Anordnung der
Leitflächen ergibt dabei die Möglichkeit, die Windeinwirkung und den Windeintritt
auf denjenigen Teil der Schaufelbahn zu beschränken, auf dem eine Gegenwirkuns der
Fliehkraft durch die Parallelverschiebung der Flächen ausgeschlossen ist, während
dafür derjenige Teil der Schaufelbahn abgedeckt ist, auf dem zwecks Herbeiführung
des nötigen Ausgleichs dieU mfangsgeschwindigkeit der Schaufelaußenkanten erheblich
höher als diejenige der Innenkanten ist. Damit sind diejenigen Störungen beseitigt,
die bisher der praktischen Verwirklichung älterer Vorschläge entgegenstanden.
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In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung beispielsweise schematisch
veranschaulicht. Ferner sind weitere Einzelheiten der Erfindung geschildert. Abb.
i zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäß ausgebildete Windkraftanlage im
Schnitt durch den Schaufelkranz und die Leitflächen, während Abb. 2 einen Schnitt
durch Abb. i gemäß der Linie 11-II in Abb.3 sind die Bewegungsvorgänge der Schaufeln
mit der sich dabei ergebenden Parallelverschiebung dargestellt.
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Der Schaufelkranz der Windkraftanlage besteht aus vier Einzelschaufeln
5, deren Schwingachse in der Nähe der Mittellinie der Flächen liegt. Die Flächen
werden in ihren Bewegungen zwangsläufig gesteuert, indem ein mit der Einzelfläche
verbundener Hebel 28 mit einer Führungsrolle 29 in einem Führungsschlitz 30 gleitet.
Auf diese Weise werden stoßfreie Bewegungen erreicht. Die Führungsrille 3o ist mit
einem traggestellartigen Unterbau verbunden und wird mit diesem zusammen mit einer
innen im Schaufelkranz angeordneten Leitfläche io nach der jeweiligen Windrichtung
eingestellt. Die Leitfläche io wird ebenfalls von dein erwähnten Unterbau getragen.
Außer; der inneren Leitfläche io ist dabei noch eine Leitfläche 31, 32 vorgesehen,
die gemäß der Erfindung die Schaufeln 5 auf dem gegen die Windrichtung laufenden
Teile des Schaufelkranzes der Einwirkung des Windes entzieht und dabei dafür sorgt,
daß an der Gesamteinrichtung nur geringe Reibungsverluste entstehen. Die schräge
Richtung des Wandteils 32 der Leitfläche lenkt die Strömung düsenartig auf denjenigrn
Teil des Schaufelkranzes, auf dem die Kraftabgabe erfolgt. Diese Düsenwirkung wird
durch eine weitere Wand 33 noch erhöht, da jetzt ein allseitig geführter Strahl
an den Schaufeln 5 der Windkraftmaschine mit erhöhter Geschwindigkeit in Pfeilrichtung
zur Wirkung kommt, ohne daß dabei der gesamte Widerstand der ganzen Vorrichtung
erhöht wird.
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Um eine Versteilbarkeit in der Beivc-ung der Einzelschaufeln 5 in
gewissen Grenzen zu erzielen, kann nian einen Teil der @ühru:@gsbahn 3o gegenüber
dem Tragrin-l' ;4 für die Achsen der einzelnen Schaufeln verschiebbar machen. Die
Bahn 3o ist, wie dies in der Zeichnung angedeutet ist, in einen feststehenden Teil
35 und einen beweglichen Teil 36 aufgeteilt, wobei beide Teile in verschiedener
Höhenlage angeordnet sind, während die Rolle 29 so lang ausgeführt ist, dal, sie
von beiden Teilen gesteuert «erden kann. <Xii den Verbindungsstellen 3; und
38 ist die Fülirungsbalin auf einem kurzen Stück gerade ausgeführt, wobei
diese geraden Strecken parallel zueinander liegen, und damit ist auch die Möglichkeit
einer gegenseitigen Verschiebung gegeben. Ein besonderer Vorteil der Vorriclttung
liegt also auch darin, daß jede gewünschte Anpassung der Leistung an den jeweiligen
Bedarf in einfacher Form erreichbar ist. Auch die Anwendung selbsttätiger Regeleinrichtungen
zur Einstellung der Leistung auf den jeweils gewünschten Wert entsprechend den gerade
vorliegenden Bedingungen ist also ohne jede Schwierigkeit durchführbar. Bei einer
in waagerechter Richtung unterteilten Anlage ist es mit ähnlichen Mitteln möglich,
Einzelteile für sich außer Betrieb zu setzen, während die anderen Teile bei günstigem
Wirkungsgrad zur Erzielung der gewünschten Leitung weiterarbeiten.
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Eine besondere Eigenart :einer Windkraftanlage mit Leitflächen gemäß
der Erfindung liegt dabei darin, daß die Bewegung der Schaufeln den durch die Leitflächen
gegebenen Arbeitsverhältnissen besonders angepaßt werden kann, womit dann noch zusätzliche
außergewöhnliche
Vorteile erreichbar sind. Die Abdeckung eines
Teils des Schaufelkranzes durch Leitflächen ergibt nämlich die Möglichkeit, auf
diesem Teil beliebige Schaufelbewegungen durchführen zu können, wie sie not-«-endig
werden, wenn bei den von der Windströmung beaufschlagten Teilen der Schaufelbahn
die günstigste Einstellung durchgeführt wird. In der Abb.3 sind .die Bewegungsvorgänge
für einen solchen Fall schematisch dargestellt. Der Kreis a gibt hier die Bewegungsbahn
für die Achsen der einzelnen. Schaufeln an. An einzelnen Punkten der Bahn sind dabei
die Schaufelrichtungen durch gerade Striche angedeutet. Die von der Innenkante und
der Außenkante einer Schaufel beschriebenen Kurven sind mit gestrichelten Linien
ebenfalls angegeben. Der Umlauf der Schaufeln auf ihrer Bahn erfolgt im Sinne des
Uhrzeigers. Kennzeichnend für die Achaufelbewegung ist die Tatsache, daß sich die
Schaufeln nach dem Verlassen des von der Leitfläche 31, 32 abgeschirmten
Sektors über eine Bogenstrecke von' ungefähr 9o' annähernd parallel zu sich selbst
verschieben, also auf dem Wege vom Punkt b über den Punkt c zum Punkt d, d. h. in@
dem Gebiete, in welchem die Windströmung von außen her in das Innere des Schaufelkranzes
eintritt. In dem Gebiete des Niederaustrittes. der Luftströmung behalten dagegen
die Schaufeln ihre Richtung gegenüber dem Radius ihrer Laufbahn ungefähr bei. Anschließend
daran erfolgt auf dem letzten abgeschirmten Teil der Laufbahn das Rückklappen in
die Ausgangsstellung. Maßgebend für diese Bewegungsform ist folgende Überlegung:
Läßt man eine Anzahl von Schaufeln auf einer Kreisbahn umlaufen, so ergibt sich,
wenn die Schaufeln nicht genau in der Richtung ihrer jeweiligen Bewegung liegen,
von selbst die Wirkung einer Kreiselpumpe, gleichgültig, ob dabei die Flächen in
vorgekrümmter oder rückgekrümmter Stellung stehen. Die von den Schaufeln erfaßte
Luft wird in jedem Falle von innen nach außen durch die Fliehkraft gedrängt, also
aus den Gebieten geringer Umfangsgeschwindigkeit in die Gebiete höherer Umfangsgeschwindigkeit.
Es ist also nicht ohne weiteres möglich, eine Windströmung durch einen umlaufenden
Schaufelkranz von außen her in das Innere einzuführen und dann wieder an einer anderen
Stelle austreten zu lassen. Der Schaufelkranz erzeugt bei seiner Drehung eine Gegemvirkung,
die keinesfalls außer acht gelassen werden kann. Die Gegenwirkung kann nur dadurch
aufgehoben werden, daß die Schaufeln auf demjenigen Teil ihres Umlaufes, auf dem
der Wind in das Innere des Schaufelkranzeseintreten soll, annähernd parallel zu
sich selbst verschoben werden. Bei dieser Parallelverschiebung sind nämlich die
Umfangsgeschwindigkeiten auf jedem Bahnelement zwischen der Außenkante und der Innenkante
der Schaufeln einander gleich, und aus diesem Grunde ist eine Auswirkung der Fliehkraft
auf den Luftstrom ausgeschlossen.
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Besonders zweckmäßig ist eine Windkraftanlage nach der Erfindung,
bei der sich der die Achsen der Einzelschaufeln 5 tragende Ring 3.1 auf eine Ringschiene
des traggestellähnlichen Unterbaues abstützt, wobei dieser Unterbau selbst nach
der jeweiligen Windrichtung einstellbar ist und die Leitflächen i o sowie alle sonstigen
Teile trägt, die in ihrer Lage nach der Windrichtung eingestellt werden müssen.
Vorteilhaft nimmt der Unterbau gleichzeitig in seinem Innern die anzutreibende Maschine
und die etwa benötigten Getriebe dazu auf.
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Zu diesem Zweck kann der Tragring 3.4 durch entsprechende Lager auf
dem zusammen mit der innerhalb des Schaufelkranzes angeordneten Leitfläche i b als
gemeinsamer Bauteil ausgeführten Unterbau abgestützt werden. Die kraftabgebende
Welle 9 wird in dem Bauteil io bzw. in dem Unterbau vorteilhaft an mehreren Stellen
gegebenenfalls verschiebbar gelagert, wobei sie durch besondere Verspannungen abgesteift
werden kann. Zur erforderlichen Verstellung der Leitflächen i o empfiehlt es sich,
den ganzen Unterbau als drehbare Plattform auszubilden, die vermittels Rollen auf
einer Kreisschiene drehbar ist. Man kann dann mit dem Unterbau eine Windfahne verbinden,
um die selbsttätige Einstellang der Leitfläche io zu erreichen, oder auch eine beliebige
andere Antriebsvorrichtung zur Erzielung der jeweils gewünschten Stellung der Leitfläche
io. Die gewonnene Leistung kann beispielsweise durch Antrieb elektrischer Stromerzeuger
über entsprechende Getriebe erfaigen,die als Planetengetriebe .oder Reibradgetriebe
ausgebildet und dann zweckmäßig unmittelbar in dem Unterbau zusammen mit dem Stromerzeuger
untergebracht sein können.