EP2142793A2 - Windrad - Google Patents

Windrad

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Publication number
EP2142793A2
EP2142793A2 EP08714315A EP08714315A EP2142793A2 EP 2142793 A2 EP2142793 A2 EP 2142793A2 EP 08714315 A EP08714315 A EP 08714315A EP 08714315 A EP08714315 A EP 08714315A EP 2142793 A2 EP2142793 A2 EP 2142793A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wind turbine
wind
guide element
acceleration
rotor blades
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08714315A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hermann Olschnegger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP2142793A2 publication Critical patent/EP2142793A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/06—Rotors
    • F03D1/0608—Rotors characterised by their aerodynamic shape
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/02—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor  having a plurality of rotors
    • F03D1/025—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor  having a plurality of rotors coaxially arranged
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/20—Rotors
    • F05B2240/21—Rotors for wind turbines
    • F05B2240/221—Rotors for wind turbines with horizontal axis
    • F05B2240/2211—Rotors for wind turbines with horizontal axis of the multibladed, low speed, e.g. "American farm" type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/20—Rotors
    • F05B2240/33—Shrouds which are part of or which are rotating with the rotor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a wind turbine for a low-speed wind turbine with several rotor blades according to the preamble of claim 1.
  • Wind turbines with several rotor blades are known and are increasingly used in alternative and environmentally friendly energy production. Widely used are wind turbines with three rotor blades, which represent wind turbines for the high energy range of the wind and have a rated output of up to 6 MW per wind turbine. Such a wind turbine is usually well over 100m high and occur during operation, due to the high peripheral speed of the rotor blades of up to 300 km / h at the tips, high operating noise. The so-called high-speed number, which represents the ratio between the blade tip speed and the wind speed, is usually in the range of six to eight in these systems. Such wind turbines are expensive to manufacture and therefore unprofitable for many applications and may, due to the size and noise, only with a predetermined distance to certain places - are placed in particular residential areas.
  • wind turbines are often used for the low-energy range of the wind.
  • These wind turbines can usually have a plurality-in particular more than three rotor blades-since air turbulence in the region of one rotor blade has little effect on the next adjacent rotor blade.
  • the wind turbine can efficiently use the wind power even at low angular velocity, ie at a lower number of revolutions per unit time. The high-speed number always remains below five during operation.
  • a wind turbine for the low energy range of the wind usually has a lower height - for example, less than 50m - as a wind turbine for the high energy range of the wind.
  • a disadvantage of previously used wind turbines is that at low wind speeds, the wind turbine is not stable and therefore a power output can not be done. In doing so, a gusty wind, which is increasingly prevalent near the ground, often has a strong impact. In particular, occur at short-term stoppage of the wind turbine large power fluctuations, which is why - often in low to moderate wind - occurring drafts stress the power grid and therefore the use under these conditions is often not useful.
  • the object of the invention is therefore to provide a wind turbine for a low-speed wind turbine of the type mentioned, with which the mentioned disadvantages can be avoided and which can be used wisely and efficiently in weak and gusty winds.
  • the acceleration ring can be dispensed with electronic auxiliary devices which prevent or delay the complete shutdown of the wind turbine. Thereby, the structure can be further simplified and the manufacturing cost of the wind turbine can be further reduced.
  • the acceleration ring for accelerating the air causes an acceleration of the air moved through the acceleration ring. This acceleration takes place in the direction normal to the plane of the wind turbine.
  • the at least partially acceleration of the wind in the projection surface of the wind turbine can reduce the effects of wind gusts.
  • Wind turbine is already useful in air currents low wind strength.
  • the acceleration ring 3 can replace a jacket of the wind turbine, whereby the wind resistance of the wind turbine can be minimized and the efficiency can be maximized.
  • the working pressure of the rotor blades can in the wind turbine radially outward - ie in the direction of
  • Rotor tips - to be moved As a result, the work and consequently the performance can be increased in a constant wind. This is particularly advantageous in light winds, which makes it possible to make better use of low-energy winds for energy generation.
  • suction Due to the acceleration of the air flow in the acceleration rings behind the rotor blades creates a negative pressure, which is referred to as suction.
  • the pull can in particular favor the start of the wind turbine even at low wind speeds and thus the efficiency of the wind turbine.
  • the circumferential acceleration ring can further increase the stability of the wind turbine. Thus, the safe use of the wind turbine even at higher
  • Wind speeds enabled and the application of the wind turbine can be further increased.
  • the annual operating hours can be further increased and the annualized efficiency of the wind turbine can be improved.
  • Figure 1 is a wind turbine of a first embodiment in front view in a schematic representation.
  • FIG. 2 shows a rotor blade and two - shown in section along the line A - A of FIG. 1 -
  • FIG. 3 shows a rotor blade and two acceleration rings of a second embodiment, which is shown in a schematic representation analogous to FIG. 2;
  • Fig. 4 a - in section normal to the longitudinal extent of the rotor blade and along the line B - B of Figure 1 shown - rotor blade with a first Umströrn analyses and a second Umström emotions and
  • Fig. 5 shows a wind power plant comprising a wind turbine according to the invention a third embodiment in a schematic representation.
  • FIG. 1 to 5 show embodiments of a wind turbine 1 for a low-speed wind turbine 5 with a plurality of rotor blades 2, wherein the wind turbine 1 - for air acceleration in the direction normal to the plane of the wind turbine 1 - at least one rotor blades 2 connecting the acceleration ring 3 of the wind turbine 1.
  • the wind turbine 1, which can also be referred to as rotor or propeller, is connected by means of a hub 15 to the generator of the wind turbine 5 and is rotatably mounted about a central axis 14.
  • the wind turbine 5 can also be referred to as a wind energy plant, as a wind or wind power plant.
  • the windmill 1 has a plurality, in particular four or more, rotor blades 2. As a result, energy can already be withdrawn from the airflow even at low rpm, which can be measured in revolutions of the wind turbine 1 per minute.
  • At least one acceleration ring 3 is provided in the wind turbine 1. This acceleration ring 3, which is spaced around the entire rotor circumference and substantially radially constant to the central hub 15, causes an additional acceleration in the flow direction 11 of the air passing through the accelerating ring 3 air masses parallel to the central axis 14 of the wind turbine 1, under acceleration to understand an increase in speed is.
  • the wind turbine can be set in rotation even at low wind speeds, so that weak winds can already be used for energy production.
  • the rotor blades 2 may also be referred to as wind turbine blades and / or as propeller blades.
  • the number of operating times can often be increased significantly, whereby the power output achieved is increased.
  • a high reliability of the provision of energy in case of need can be achieved.
  • the acceleration ring 3 comprises at least a first guide element 31 and a second guide element 32, wherein the first guide element 31 and the second guide element 32 are spaced apart in the radial direction 12 of the wind turbine 1 and an air passage 34 in the direction normal to Form level of the wind turbine 1.
  • Fig. 1 shows a wind turbine 1 of a first embodiment in front view in a schematic representation. Shown are the hub 15, twelve rotor blades 2, two acceleration rings 3, six spacers 37 per accelerating ring 3, a plurality of air passages 34 of the acceleration rings 3, the first vanes 31, the second vanes 32, the third vanes 33, from the center and of the Hub of the wind turbine 1 pioneering radial direction 12, and an outer edge 13 of the wind turbine 1.
  • the third guide elements 33 By the third guide elements 33, a smoothing effect of the flow behind the wind turbine 1 can be achieved.
  • the cross-section of the air passage 34 may have - seen in the flow direction 11, not shown in FIG. 1 normal to the plane of the wind turbine 1 - a the air passage 34 tapering region.
  • the air acceleration of the air masses passing through the acceleration ring 3 is made particularly effective, and the suction effect in the region-seen in the flow direction 11-is ensured behind the acceleration ring 3 and behind the rotor blades 2.
  • a rotation of the wind turbine 1 can be ensured even at low wind speed or low speed of the air flow.
  • the cross section of the first guide element 31 and / or the cross section of the second guide element 32 are formed substantially streamlined and thus reduces the air resistance and the efficiency of the acceleration ring 3 is further increased.
  • the third guide element 33 and / or the spacer 37 may be formed streamlined, whereby the air resistance can be further minimized can. In this way, the air resistance of these guide elements 31, 32, 33 is low and the efficiency is high.
  • the twelve rotor blades 2 are formed radially adjacent at an angle of 30 ° to the nearest adjacent rotor blade 2.
  • the rotor blades 2 may be identical, or, in particular in the case of an even number of rotor blades 2, may be formed in two or more different embodiments of the rotor blades 2.
  • the different embodiments of the rotor blades 2 can be formed alternately alternately along the circumference of the wind turbine 1 in particular. In this case, alternately optimized rotor blades 2 for operation at low wind speeds may be formed with rotor blades 2 optimized for operation at high wind speeds. In this way, the power output of the wind turbine 1 and the wind power plant 5 can be ensured over a large wind range.
  • FIG. 1 two acceleration rings 3 are shown. One of the two is - seen in the radial direction 12 - formed closer to the hub 15 than to the outer edge 13. The other of the two acceleration rings 3 is formed as an outer edge 13 of the wind turbine 1. This advantageous positioning of the two acceleration rings 3 can influence the operating point of the air flow along the rotor blades 2.
  • the operating point which in this context denotes that point on the rotor blade 2 with the greatest interaction between the air flow flowing through in the throughflow direction 11 and the rotor blade 2
  • the operating point can be displaced in the radial direction 12 in the direction of the outer edge 13 of the wind turbine 1.
  • a larger torque can be transmitted to the generator and at a constant number of revolutions of the wind turbine 1, the power can be increased or at constant power, the number of revolutions of the wind turbine 1 can be reduced.
  • the noise development of the rotor blades 2, the wind turbine 1 and the wind turbine 5 can be reduced, which favors the use in the vicinity of residential areas and / or recreation areas and / or allows.
  • only one acceleration ring 3 or a larger number of acceleration rings 3 can be provided. In the case of only one acceleration ring 3, this is preferably arranged on the outer end of the rotor blades 2.
  • the first guide element 31 and the second guide element 32 can be connected to one another by means of at least one spacer 37.
  • the spacers 37 shown in Fig. 1 are selected in an advantageous manner in position and number. On the one hand, there should be as few spacers 37 as possible in order to reduce air resistance. On the other hand, these spacers 37 should allow the greatest possible rigidity of the wind turbine 1.
  • the number of spacers 37 correspond exactly to half the number of rotor blades 2 and it may be advantageously provided that the cross section of the at least one spacer 37 is formed streamlined.
  • the individual spacers 37 may be formed spaced apart from the two adjacent rotor blades 2 at the same distance.
  • the range of use can be extended to both low wind speeds and high wind speeds, thus allowing use at wind speeds between, for example, 2.5 to 12 m / s, advantageously 2 to 15 m / s, in particular 1.5 to 18 m / s, is made possible.
  • FIG. 2 shows a plan view of the hub 15, a complete rotor blades 2 and two - shown in section - acceleration rings of the wind turbine 1 in a schematic representation.
  • the hub 15 is mounted along a central axis 14.
  • the central axis 14 represents the center of rotation of the wind turbine 1.
  • the rotor blades 2 are connected to the hub 15 and are radially star-shaped from the latter.
  • the rotor blade 2 shown in FIG. 2 is broken after a predetermined distance from the one of the two acceleration rings 3. It can be provided that - seen in the radial direction 12 of the wind turbine 1 - 3 rotor blades 2 are arranged on both sides of the acceleration ring.
  • This acceleration ring 3, which is arranged within the wind turbine 1 and can therefore also be referred to as an internal acceleration ring 3, comprises a first guide element 31, a second guide element 32 and a third guide element 33, wherein the guide elements 31, 32, 33 are streamlined.
  • the - also shown in section - spacer 37 is streamlined. The air resistance is low and the efficiency of the acceleration ring 3 high.
  • the acceleration ring 3 has a tapering region between the first guide element 31 and the second guide element 32.
  • the clear cross-section of the acceleration ring 3 in a windward region 35 ie from the imaginary center of the rotor blade 2 to the wind and thus opposite to the direction of the wind seeing, is greater than the clear cross section in a leeward area 36, ie from the imaginary center of the Rotor blade 2 looking in the direction of the wind.
  • the third guide element 33 is arranged in the leeward region 36. In the embodiment, this third guide element 33 is matched to the first guide element 31 and the second guide element 32.
  • the third guide element 33 which is additionally formed in this area, divides the air flow in the acceleration ring 3 into two individual air flows.
  • each of these individual air flows can again - viewed in the flow direction 11 normal to the plane of the wind turbine 1 - a flow through a tapered region.
  • the air flowing through the acceleration ring 3 is thereby accelerated and a high efficiency of the acceleration ring 3 is ensured.
  • the air flow can be accelerated at low wind speeds, whereby the rotation of the wind turbine 1 and the power output is ensured even at low wind speeds and especially in this wind range, the efficiency of the wind turbine 5 can be ensured.
  • the cross section of the third guide element 33 may be formed streamlined, whereby the air resistance of the acceleration ring 3 can be kept low and turbulent flow conditions are avoided.
  • the third guide element 33 is designed to deflect the flow in the radial direction 12. In this way, the operating point, in particular the pressure point of the wind attack surface, can be shifted.
  • the power output can thus be kept constant over a wind speed range and / or the optimum operating point can be set for each of these wind speeds.
  • the high efficiency of the wind turbine can be ensured in a wide range of wind strengths, ie in a wide range of wind speeds.
  • the acceleration ring 3 is arranged substantially at the outer edge 13 of the wind turbine 1. Since the acceleration ring 3 is arranged in this arrangement on the outer edge 13 of the wind turbine 1, it may also be referred to as an external acceleration ring 3. Particularly advantageously, the external acceleration ring 3 can be arranged in addition to an internal acceleration ring 3 interrupting the rotor blades 2. In a large wind turbine 1, a plurality of internal acceleration rings 3 may be formed.
  • the maximum reasonable number of internal acceleration rings 3 results from the cross-sectional area in the flow direction 11 of the wind turbine 1, wherein a ratio of the cross-sectional area of the wind turbine 1 and the sum of the cross-sectional areas of the acceleration rings 3 should not be less than two to one, so for example three to one or more should be respected.
  • the acceleration ring 3 in the region of the outer edge 3 of the wind turbine 1 can be provided that the acceleration ring 3 at its - viewed in the radial direction 12 of the wind turbine 1 - outer end has a diffuser 38. In this way, turbulence reducing efficiency is avoided.
  • the cross section of the rotor blades 2 is at least partially formed in two parts and a first Umströmungstage 21 and at least one spaced from the first Umströmungsterrorism 21 second Umströmungseffort 22, wherein - seen in the flow direction 11 - the second Umströmungs crusher 22 is arranged after the first Umströmungsêt 21 below.
  • a buoyancy effect on the rotor blades 2 can be made possible even with particularly low passage speeds of the air flow and the rotation of the wind turbine 1 can occur even at particularly low wind speeds. Above all, this can reduce the efficiency at low Wind speeds are increased and the rated power of the wind turbine 5 can be achieved even at low wind speeds.
  • the rated power can be delivered over an extremely long period of time over the annual average, whereby a predetermined power with a small fluctuation range over this large period into the
  • Power can be delivered.
  • the first bypass body 21 and / or the second Umströmungsharm 22 may at a
  • Accelerator ring 3 to be attached. This allows a particularly simple installation, as well as a cost-saving and surface cross-section optimized design of the first and / or second Umströmungs stressess 21, 22.
  • Umströmungs stresses 21 is formed streamlined, and / or that the cross section of the second Umströmungs stressess 22 is formed streamlined.
  • the guide elements 31, 32 may protrude beyond the rotor blades 2, whereby a
  • Verwirbelung in the area immediately behind the rotor blades 2 can be effectively avoided.
  • acceleration ring 3 is arranged at the outer end of the wind turbine 1, it can be ensured by an asymmetrical design, wherein the outer guide element 32 projects further on the wind inlet side, that a wind impinging on the wind turbine 1 is not deflected outside around the wind turbine 1.
  • FIG. 3 shows an embodiment without a third guide element 33. In this case, an acceleration of the air flow is achieved by the tapered region.
  • Arrangement of the two streamlined Umströmungsharm 21, 22 forms already at low wind speeds from a buoyancy, which can set the wind turbine 1 in rotation.
  • the wind turbine 1 can already at low wind speeds Energy-efficient work and the wind power plant 5 can already convert a low wind energy into electrical power.
  • the first flow body 21 is fixedly arranged in the wind turbine 1 and that the second flow body 22 is arranged to be movable about a substantially radial axis of the wind turbine 1.
  • the power output of the wind power plant 5 can be ensured over a wide range of wind strengths, for example in the range of a wind speed of 1 m / s to 18 m / s.
  • the length of the second Umströmungs emotionss 22 about 10% to about 50%, preferably about 12% to about 30%, in particular about 15% to about 25%, the length of the first flow body 21 is.
  • the use of the wind power plant 5 in the lowest energy range of the wind is conceivable, ie at wind speeds between 1.5m / s and 6m / s, advantageously between 2m / s and 6m / s, in particular between 2.5m / s and 6m / s.
  • the rotor blades 2 can be advantageously formed over the entire longitudinal extent of the hub 15 to the outer edge 13, in particular to the acceleration ring 3 in the region of the outer edge 12, with two- or multi-part cross-section.
  • the cross-section may be at least partially formed at least three-part or four-part.
  • the active power can be designed to be high, especially in the area of low wind speeds. At these wind speeds, the increasing with the number of spaced-apart cross-sections of a rotor blade 2 air resistance can additionally contribute to energy.
  • FIG. 5 shows a wind power plant 5 comprising a further embodiment of the wind turbine 1 according to the invention.
  • seven rotor blades 2 are formed in the area between the hub 15 and the inner acceleration ring 3.
  • the inner acceleration ring 3 which has a diameter of approximately 60% of the diameter of the wind turbine 1, and the outer acceleration ring 3, whose diameter corresponds approximately to the diameter of the wind turbine 1, is twice the number of rotor blades 2 - in this case 14 - provided.
  • the air resistance in the flow direction 11 can be minimized in the region of the hub 15 and in the region around the hub 15.
  • diffuser 38 can be provided at least in the region of one of the two acceleration rings 3.
  • the plurality of acceleration rings 3 encompassed by the wind turbine 1 according to the invention can advantageously be formed with a constant and / or identical width in the radial direction 12.
  • An optimal adaptation of the geometry of the acceleration ring 3 to the average wind speed - in particular at the location of the wind power plant 5 - is made possible.
  • the plurality of acceleration rings 3 each have the same cross section, viewed in the flow direction 11. Such a constant acceleration effect of the acceleration rings 3 can be ensured over a larger wind speed range. As a result, above all, the power fluctuations occurring due to wind gusts can be kept low, as a result of which a power output of the wind power plant 5 is made possible over a large wind speed range.
  • the acceleration rings 3 increase the rigidity of the wind turbine 1, which is why the rotor blades 2 can be formed easily and cost-effectively to achieve optimum surface geometry conditions.
  • means for controlling the position of the rotor blades 2 to the wind may be provided in the acceleration ring 3.
  • the rotor blade position can be changed simply and cost-effectively.
  • the rotor blades 2 between the hub and the nearest acceleration ring 3 and the rotor blades 2 between the arranged in the region of the outer edge 13 acceleration ring 3 and the next to this next acceleration ring 3 independently, in particular in their position to the wind, are controlled.
  • the efficiency of the rotor blades can over the entire radial extent of the wind turbine 1 in a large speed range of the air flow can be optimized.

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Abstract

Bei einem Windrad (1) für eine niedertourige Windkraftanlage mit mehreren Rotorblättern (2), wird zum Einsatz bei schwachen und böig mäßigen Winden vorgeschlagen, dass das Windrad (1) - zur Luftbeschleunigung in Richtung normal zur Ebene des Windrades (1) - zumindest einen die Rotorblätter (2) verbindenden Beschleunigungsring (3) des Windrades (1) aufweist.

Description

Windrad
Die Erfindung betrifft ein Windrad für eine niedertourige Windkraftanlage mit mehreren Rotorblättern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Windkraftanlagen mit mehreren Rotorblättern sind bekannt und finden immer häufiger bei der alternativen und umweltschonenden Energiegewinnung Einsatz. Weit verbreitet sind dabei Windräder mit drei Rotorblättem, welche Windkraftanlagen für den Hochenergiebereich des Windes darstellen und eine Nennleistung von bis zu 6 MW pro Windkraftanlage aufweisen. Eine derartige Windkraftanlage ist dabei üblicherweise weit über 100m hoch und es treten beim Betrieb, aufgrund der hohen Umfangsgeschwindigkeit der Rotorblätter von bis zu 300 km/h an den Spitzen, hohe Betriebsgeräusche auf. Die sogenannte Schnelllaufzahl, welche das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit der Blattspitze und der Windgeschwindigkeit darstellt, ist bei diesen Anlagen meist im Bereich von sechs bis acht. Derartige Windkraftanlagen sind in der Herstellung teuer und deshalb für viele Anwendungsgebiete unrentabel und dürfen, aufgrund der Größe und der Geräuschentwicklung, nur mit vorbestimmtem Abstand zu bestimmten Orten - insbesondere Siedlungsgebieten aufgestellt werden.
Für den Einsatz in einem Nennleistungsbereich zwischen 50 kW und 500 kW finden oftmals Windkraftanlagen für den Niedrigenergiebereich des Windes Verwendung. Diese Windkraftanlagen können üblicherweise eine Mehrzahl - insbesondere mehr als drei Rotorblätter - aufweisen, da sich Luftverwirbelungen im Bereich eines Rotorblattes nur wenig auf das nächstliegend benachbarte Rotorblatt auswirken. Mittels der Vielzahl der Rotorblätter kann das Windrad auch bei geringer Winkelgeschwindigkeit, also bei geringerer Umdrehungszahl pro Zeiteinheit, die Windkraft effizient nützen. Dabei bleibt die Schnelllaufzahl im Betrieb stets unter fünf. Durch die niedertourige Betriebsweise und den geringeren Durchmesser des Windrades dieser Windkraftanlagen können viele Nachteile der Windkraftanlagen für den Hochenergiebereich des Windes vermieden werden, weshalb derartige Windkraftanlagen für den Niedrigenergiebereich des Windes auf vielen Anwendungsgebieten und an vielen Aufstellungsorten immer beliebter werden. Eine Windkraftanlage für den Niedrigenergiebereich des Windes weist dabei meist eine geringere Bauhöhe - beispielsweise unter 50m - als eine Windkraftanlage für den Hochenergiebereich des Windes auf. Nachteilig an bislang verwendeten Windkraftanlagen ist jedoch, dass bei geringen Windgeschwindigkeiten das Windrad nicht stabil läuft und daher eine Leistungsabgabe nicht erfolgen kann. Dabei wirkt sich ein - vor allem in Bodennähe verstärkt auftretender - böiger Wind oftmals stark aus. Insbesondere treten bei kurzzeitigem Stillstand des Windrades große Leistungsschwankungen auf, weshalb - oftmals bei schwachem bis mäßigem Wind - auftretende Flauten das Stromnetz besonders beanspruchen und deshalb der Einsatz unter diesen Bedingungen oftmals nicht sinnvoll ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Windrad für eine niedertourige Windkraftanlage der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem die genannten Nachteile vermieden werden können und welches bei schwachen und böig mäßigen Winden sinnvoll und effizient eingesetzt werden kann.
Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Patentanspruches 1 erreicht. Durch den Beschleunigungsring kann auch der Betrieb der Windkraftanlage bei schwachen Winden begünstigt werden. Durch die beschleunigende Wirkung der Luftströmung kann das Windrad bereits bei besonders niedrigen Windgeschwindigkeiten in Rotation versetzt werden, wodurch schwache Winde bereits zur Energieerzeugung nutzbar werden. Dies ermöglicht vor allem den Einsatz an Orten mit - im Jahresmittel gemessen - mäßigen Windgeschwindigkeiten und damit an Orten mit mittleren Luftströmungsgeschwindigkeiten und im Niedrigenergiebereich des Windes. Dadurch kann insbesondere durch die Erhöhung der Betriebszeiten eine Wirkungsgradverbesserung erreicht werden.
Vor allem in Bodennähe, wo die Luftströmung aufgrund der verstärkten Böigkeit auch des Öfteren komplett zum Erliegen kommt, ist es dabei wichtig, dass das Windrad bei einer geringen Luftströmung weiter rotiert und es zu keinem kompletten Stillstand kommt. Mit dem Beschleunigungsring kann dabei auf elektronische Hilfseinrichtungen, welche den Komplettstillstand des Windrades verhindern oder verzögern, verzichtet werden. Dadurch kann der Aufbau weiter vereinfacht werden und die Herstellungskosten der Windkraftanlage können weiter reduziert werden.
Bereits bei geringen Windgeschwindigkeiten kann eine hohe Kraft an eine Nabe übertragen werden. Entsprechend dem Zusammenhang Leistung gleich Drehmoment mal Winkelgeschwindigkeit, wird dadurch auch bei geringen Windgeschwindigkeiten eine hohe Leistung an die Nabe des Windrades übertragen. Ein besonders effizienter und dauerhafter Betrieb der Windkraftanlage ist dadurch sichergestellt. Der Beschleunigungsring zur Luftbeschleunigung bewirkt dabei eine Beschleunigung der durch den Beschleunigungsring bewegten Luft. Diese Beschleunigung erfolgt in Richtung normal zur Ebene des Windrades. Die in der Projektionsfläche des Windrades zumindest bereichsweise Beschleunigung des Windes, kann die Einflüsse von Windböen reduzieren.
Dadurch kann bei böig mäßigem Wind eine größere Konstanz der abgegebenen Leistung ermöglicht werden. Dabei wird auch das Stromnetz weniger belastet, womit der Einsatz der
Windkraftanlage bereits bei Luftströmungen geringer Windstärke sinnvoll ist.
Die Unteransprüche, welche ebenso wie der Patentanspruch 1 gleichzeitig einen Teil der
Beschreibung bilden, betreffen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Dabei kann der Beschleunigungsring 3 eine Ummantelung des Windrades ersetzen, wodurch der Luftwiderstand des Windrades minimiert und die Effizienz maximiert werden kann.
Der Arbeitsdruck der Rotorblätter kann im Windrad radial nach außen - also in Richtung der
Rotorspitzen - verschoben werden. Dadurch kann bei konstantem Wind die Arbeit und damit einhergehend die Leistung erhöht werden. Dies ist vor allem bei schwachen Winden von besonderem Vorteil, wodurch Winde im Niedrigenergiebereich für die Energiegewinnung besser genutzt werden können.
Durch die Beschleunigung der Luftströmung in den Beschleunigungsringen entsteht hinter den Rotorblättern ein Unterdruck, welcher in weiterer Folge Sog bezeichnet wird. Der Sog kann insbesondere den Start des Windrades auch bei geringen Windgeschwindigkeiten und damit den Wirkungsgrad des Windrades begünstigen.
Durch den umlaufenden Beschleunigungsring kann weiters die Stabilität des Windrades erhöht werden. Damit kann der sichere Einsatz der Windkraftanlage auch bei höheren
Windgeschwindigkeiten ermöglicht und der Einsatzbereich der Windkraftanlage weiter erhöht werden. Somit können die Jahresbetriebsstunden weiter erhöht werden und der aufs Jahr hochgerechnete Wirkungsgrad der Windkraftanlage kann verbessert werden.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen, in welchen lediglich bevorzugte Ausführungsformen beispielhaft dargestellt sind, näher beschrieben.
Dabei zeigt:
Fig. 1 ein Windrad einer ersten Ausführungsform in Frontsicht in schematischer Darstellung;
Fig. 2 ein Rotorblatt und zwei - im Schnitt längs der Linie A - A der Fig. 1 dargestellte -
Beschleunigungsringe in schematischer Darstellung;
Fig. 3 ein Rotorblatt und zwei Beschleunigungsringe einer zweiten Ausführungsform, welche in schematischer Darstellung analog Fig. 2 gezeigt ist; Fig. 4 ein - im Schnitt normal zur Längserstreckung des Rotorblattes und längs der Linie B - B der Fig. 1 dargestelltes - Rotorblatt mit einem ersten Umströrnkörper und einem zweiten Umströmkörper und
Fig. 5 ein Windkraftwerk umfassend ein erfindungsgemäßes Windrad einer dritten Ausführungsform in schematischer Darstellung.
Die Fig. 1 bis 5 zeigen Ausführungsformen eines Windrades 1 für eine niedertourige Windkraftanlage 5 mit mehreren Rotorblättern 2, wobei das Windrad 1 - zur Luftbeschleunigung in Richtung normal zur Ebene des Windrades 1 - zumindest einen die Rotorblätter 2 verbindenden Beschleunigungsring 3 des Windrades 1 aufweist. Das Windrad 1, welches auch als Rotor oder Luftschraube bezeichnet werden kann, ist mittels einer Nabe 15 mit dem Generator der Windkraftanlage 5 verbunden und ist drehbar um eine Zentralachse 14 gelagert. Die Windkraftanlage 5 kann auch als Windenergieanlage, als Windoder Windenergiekraftwerk bezeichnet werden.
Das Windrad 1 weist eine Mehrzahl, insbesondere vier oder mehr, Rotorblätter 2 auf. Dadurch kann bereits bei niedriger Umdrehungszahl, welche in Umdrehungen des Windrades 1 pro Minute gemessen werden kann, dem Luftstrom Energie entzogen werden. Zumindest ein Beschleunigungsring 3 ist im Windrad 1 vorgesehen. Dieser Beschleunigungsring 3, welcher um den gesamten Rotorumfang und im Wesentlichen radial konstant zur zentralen Nabe 15 beabstandet ist, bewirkt eine zusätzliche Beschleunigung in Durchströmrichtung 11 der durch den Beschleunigungsring 3 durchtretenden Luftmassen parallel zur Zentralachse 14 des Windrades 1, wobei unter Beschleunigung eine Geschwindigkeitserhöhung zu verstehen ist. Dadurch kann das Windrad bereits bei niedrigen Windgeschwindigkeiten in Rotation versetzt werden, wodurch schwache Winde bereits zur Energieerzeugung genutzt werden können. Die Rotorblätter 2 können auch als Windradblätter und/oder als Propellerblätter bezeichnet werden. Dabei kann die Anzahl der Betriebsdauer oftmals erheblich erhöht werden, wodurch die erreichte Leistungsabgabe gesteigert wird. Insbesondere kann eine hohe Zuverlässigkeit der Bereitstellung von Energie im Bedarfsfall erreicht werden.
Meist ist das Windrad 1 gegenüber dem Turm 51 luvseitig angeordnet. Dabei wird durch den Beschleunigungsring 3 Druckenergie in kinetische Energie umgewandelt, wobei - in Richtung der Zentralachse 14 gesehen - hinter dem Beschleunigungsring 3 ein Unterdruck ausgebildet wird. Derart entsteht in Richtung der Zentralachse 14 ein Sog hinter dem Beschleunigungsring 3 und hinter den Rotorblättern 2. Der Sog bewirkt ein gutes Arbeitsverhalten und eine hohe Effizienz, insbesondere auch bei geringen Windgeschwindigkeiten.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass der Beschleunigungsring 3 zumindest ein erstes Leitelement 31 und ein zweites Leitelement 32 umfasst, wobei das erste Leitelement 31 und das zweite Leitelement 32 in radialer Richtung 12 des Windrades 1 gesehen voneinander beabstandet sind und einen Luftdurchlass 34 in Richtung normal zur Ebene des Windrades 1 ausbilden.
Die Fig. 1 zeigt ein Windrad 1 einer ersten Ausführungsform in Frontsicht in schematischer Darstellung. Dargestellt sind die Nabe 15, zwölf Rotorblätter 2, zwei Beschleunigungsringe 3, je sechs Abstandhalter 37 pro Beschleunigungsring 3, mehrere Luftdurchlässe 34 der Beschleunigungsringe 3, die ersten Leitelemente 31, die zweiten Leitelemente 32, die dritten Leitelemente 33, die vom Zentrum und von der Nabe des Windrades 1 wegweisende radiale Richtung 12, sowie ein äußerer Rand 13 des Windrades 1. Durch die dritten Leitelemente 33 kann eine glättende Wirkung der Strömung hinter dem Windrad 1 erreicht werden. Der Querschnitt des Luftdurchlasses 34 kann - in der in Fig. 1 nicht dargestellten Durchströmungsrichtung 11 normal zur Ebene des Windrades 1 gesehen -einen den Luftdurchlass 34 verjüngenden Bereich aufweisen. Derart wird besonders wirkungsvoll die Luftbeschleunigung der durch den Beschleunigungsring 3 durchtretenden Luftmassen ermöglicht und die Sogwirkung im Bereich - in Durchströmungsrichtung 11 gesehen - nachfolgend hinter dem Beschleunigungsring 3 und hinter den Rotorblättern 2 gewährleistet. Dadurch kann bereits bei niedriger Windgeschwindigkeit oder niedriger Geschwindigkeit der Luftströmung eine Rotation des Windrades 1 gewährleistet werden. Durch die Ausweitung des sinnvollen Einsatzbereiches - vor allem in Bezug auf den Bereich der Windstärke oder der Windgeschwindigkeit - des Windrades 1 kann der durchschnittliche Wirkungsgrad und der Jahresertrag mit einfachen und kostenschonenden Mitteln erhöht werden. Besonders kann dadurch der Einsatz bereits bei Windgeschwindigkeiten von in etwa beispielsweise 2,5m/s, vorteilhafterweise 2m/s, insbesondere 1,5m/s ermöglicht werden.
Es kann weiters vorgesehen sein, dass der Querschnitt des ersten Leitelements 31 und/oder der Querschnitt des zweiten Leitelements 32 im Wesentlichen stromlinienförmig ausgebildet sind und derart der Luftwiderstand verringert und die Effizienz des Beschleunigungsringes 3 weiter erhöht wird. Ebenso kann das dritte Leitelement 33 und/oder der Abstandhalter 37 stromlinienförmig ausgebildet sein, wodurch der Luftwiderstand weiter minimiert werden kann. Derart ist der Luftwiderstand dieser Leitelemente 31, 32, 33 gering und der Wirkungsgrad hoch.
In der Fig. 1 sind die zwölf Rotorblätter 2 radial benachbart im Winkel von jeweils 30° zum nächstliegenden benachbarten Rotorblatt 2 ausgebildet. Die Rotorblätter 2 können in einer Ausführungsform identisch, oder, insbesondere bei einer geraden Anzahl von Rotorblättern 2, in zwei oder mehr unterschiedlichen Ausführungsformen der Rotorblätter 2 ausgebildet sein. Die unterschiedlichen Ausführungsformen der Rotorblätter 2 können dabei insbesondere alternierend abwechselnd entlang des Umfanges des Windrades 1 ausgebildet sein. Dabei können abwechselnd zum Betrieb bei niedrigen Windgeschwindigkeiten optimierte Rotorblätter 2 mit zum Betrieb bei hohen Windgeschwindigkeiten optimierte Rotorblätter 2 ausgebildet sein. Derart kann die Leistungsabgabe des Windrades 1 und des Windkraftwerkes 5 über einen großen Windbereich sichergestellt werden. Dies kann besonders vorteilhaft bei Stromnetzen sein, welche empfindlich auf Leistungsschwankungen reagieren. Die Abgabe des Stromes kann derart besser und vor allem in einem großen Windgeschwindigkeitsbereich vorherbestimmt werden, wodurch ein hoher prozentueller Anteil an Windenergie im an die Windkraftanlage 5 angeschlossenen Stromnetz ermöglicht wird. Dadurch können weitere Einsatzmöglichkeiten für eine erfindungsgemäße Windkraftanlage erschlossen werden. In der Fig. 1 sind zwei Beschleunigungsringe 3 dargestellt. Einer der beiden ist - in radialer Richtung 12 gesehen - näher zur Nabe 15 als zum äußeren Rand 13 ausgebildet. Der andere der beiden Beschleunigungsringe 3 ist als äußerer Rand 13 des Windrades 1 ausgebildet. Diese vorteilhafte Positionierung der beiden Beschleunigungsringe 3 kann den Arbeitspunkt der Luftströmung entlang der Rotorblätter 2 beeinflussen. Dadurch kann der Arbeitspunkt, welcher in diesem Zusammenhang jenen Punkt am Rotorblatt 2 mit der größten Wechselwirkung zwischen in Durchströmrichtung 11 durchströmender Luftströmung und dem Rotorblatt 2 bezeichnet, in radialer Richtung 12 in Richtung dem äußeren Rand 13 des Windrades 1 verschoben werden. Dadurch kann ein größeres Moment auf den Generator übertragen werden und bei konstanter Umdrehungszahl des Windrades 1 kann die Leistung erhöht oder bei konstanter Leistung kann die Umdrehungszahl des Windrades 1 verringert werden. Bei einer Verringerung der Umdrehungszahl kann auch die Geräuschentwicklung der Rotorblätter 2, des Windrades 1 und der Windkraftanlage 5 verringert werden, was den Einsatz in der Nähe von Siedlungsgebieten und/oder Erholungsgebieten begünstigt und/oder ermöglicht. Bei anderen Ausführungsformen des Windrades 1 können auch lediglich ein Beschleunigungsring 3 oder eine größere Anzahl an Beschleunigungsringen 3 vorgesehen sein. Bei lediglich einem Beschleunigungsring 3 ist dieser bevorzugt am äußeren ende der Rotorblätter 2 angeordnet.
Es können das erste Leitelement 31 und das zweite Leitelement 32 mittels zumindest eines Abstandhalters 37 miteinander verbunden sein. Die in der Fig. 1 dargestellten Abstandhalter 37 sind in vorteilhafter Weise in Position und Anzahl gewählt. Einerseits sollen es möglichst wenige Abstandhalter 37 sein, um den Luftwiderstand zu senken. Anderseits sollen diese Abstandhalter 37 eine größtmögliche Steifigkeit des Windrades 1 ermöglichen. Dazu kann die Anzahl der Abstandhalter 37 genau der Hälfte der Anzahl der Rotorblätter 2 entsprechen und es kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der Querschnitt des zumindest einen Abstandhalters 37 stromlinienförmig ausgebildet ist. Die einzelnen Abstandhalter 37 können zu den jeweils zwei benachbarten Rotorblättern 2 mit gleichem Abstand beabstandet ausgebildet sein. Derart sind sämtliche Abstandhalter 37 eines Beschleunigungsringes 3 zu deren beiden jeweiligen benachbarten Rotorblättern 2 gleich beabstandet, wodurch Spannungsspitzen im Windrad 1 vermieden werden und das Windrad optimal für den gesamten vorbestimmten Einsatzbereich ausgelegt werden kann. Durch die hohe Steifigkeit des Windrades 1 kann der Einsatzbereich, also jener Windbereich, in welchem die Windkraftanlage 5 betrieben und Leistung ins Stromnetz abgegeben werden kann, auch auf hohe Windgeschwindigkeiten, beispielsweise 12m/s, vorteilhafterweise 15m/s, insbesondere 18m/s, ausgeweitet werden.
Durch die Kombination mehrerer der oben stehenden Merkmale, kann der Einsatzbereich sowohl auf niedrige Windgeschwindigkeiten, als auch auf hohe Windgeschwindigkeiten ausgeweitet werden, wodurch ein Einsatz bei Windgeschwindigkeiten zwischen beispielsweise 2,5 bis 12 m/s, vorteilhafterweise 2 bis 15 m/s, insbesondere 1,5 bis 18 m/s, ermöglicht wird.
Die Fig. 2 zeigt in Aufsicht die Nabe 15, ein vollständiges der Rotorblätter 2 und zwei - im Schnitt dargestellte - Beschleunigungsringe des Windrades 1 in schematischer Darstellung. Die Nabe 15 ist entlang einer zentralen Achse 14 angebracht. Die zentrale Achse 14 stellt den Drehmittelpunkt des Windrades 1 dar. Die Rotorblätter 2 sind mit der Nabe 15 verbunden und sind von dieser radial nach außen sternförmig ausgebildet.
Das in der Fig. 2 dargestellte Rotorblatt 2 ist nach einem vorbestimmten Abstand von dem einen der beiden Beschleunigungsringe 3 durchbrochen. Dabei kann vorgesehen sein, dass - in radialer Richtung 12 des Windrades 1 gesehen - an beiden Seiten des Beschleunigungsrings 3 Rotorblätter 2 angeordnet sind. Dieser Beschleunigungsring 3, welcher innerhalb des Windrades 1 angeordnet ist und daher auch als innenliegender Beschleunigungsring 3 bezeichnet werden kann, umfasst ein erstes Leitelement 31, ein zweites Leitelement 32 und ein drittes Leitelement 33, wobei die Leitelemente 31, 32, 33 stromlinienförmig ausgebildet sind. Ebenso ist der - ebenso im Schnitt dargestellte - Abstandhalter 37 stromlinienförmig ausgebildet. Der Luftwiderstand ist dabei gering und die Effizienz des Beschleunigungsringes 3 hoch.
Der Beschleunigungsring 3 weist dabei einen verjüngenden Bereich zwischen dem ersten Leitelement 31 und dem zweiten Leitelement 32 auf. Dabei ist der lichte Querschnitt des Beschleunigungsringes 3 in einem luvseitigen Bereich 35, also von der gedachten Mitte des Rotorblattes 2 zum Wind und damit entgegen der Richtung des Windes sehend, größer als der lichte Querschnitt in einem leeseitigen Bereich 36, also von der gedachten Mitte des Rotorblattes 2 in Richtung des Windes sehend. Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform ist das dritte Leitelement 33 in dem leeseitigen Bereich 36 angeordnet. Dieses dritte Leitelement 33 ist in der Ausgestaltung auf das erste Leitelement 31 und das zweite Leitelement 32 abgestimmt. Das in diesem Bereich zusätzliche ausgebildete dritte Leitelement 33 teilt den Luftstrom im Beschleunigungsring 3 in zwei Einzelluftströme. In jedem dieser Einzelluftströme kann wiederum - in Durchströmungsrichtung 11 normal zur Ebene des Windrades 1 gesehen - eine Durchströmung eines verjüngenden Bereiches erfolgen. Die durch den Beschleunigungsring 3 durchströmende Luft wird dabei beschleunigt und eine hohe Effizienz des Beschleunigungsringes 3 wird gewährleistet. Besonders kann die Luftströmung bei geringen Windgeschwindigkeiten beschleunigt werden, wodurch die Rotation des Windrades 1 und die Leistungsabgabe auch bei niedrigen Windgeschwindigkeiten gewährleistet ist und besonders in diesem Windbereich die Effizienz der Windkraftanlage 5 sichergestellt werden kann.
Dabei kann der Querschnitt des dritten Leitelements 33 stromlinienförmig ausgebildet sein, wodurch der Luftwiderstand des Beschleunigungsringes 3 gering gehalten werden kann und turbulente Strömungszustände vermieden werden.
Gegebenenfalls können bei den vom dritten Leitelement 33 geteilten Einzelluftströmen unterschiedliche Austrittsgeschwindigkeiten erzielt werden. Dadurch kann eine besonders gute Glättung der Strömung hinter dem Windrad 1 erreicht werden. In vorteilhafter Weise kann vorgesehen sein, dass das dritte Leitelement 33 zur Umlenkung der Strömung in radialer Richtung 12 ausgebildet ist. Derart kann der Arbeitspunkt, insbesondere der Druckpunkt der Windangriffsfläche, verschoben werden. Mit einfachen Mitteln kann derart die Leistungsabgabe über einen Windgeschwindigkeitsbereich konstant gehalten und/oder für jede dieser Windgeschwindigkeiten der optimale Arbeitspunkt eingestellt werden. Die hohe Effizienz der Windkraftanlage kann dabei in einem weiten Windstärkenbereich, also in einem weiten Bereich der Windgeschwindigkeit, gewährleistet werden.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass der Beschleunigungsring 3 im Wesentlichen am äußeren Rand 13 des Windrades 1 angeordnet ist. Da der Beschleunigungsring 3 bei dieser Anordnung am äußeren Rand 13 des Windrades 1 angeordnet ist, so kann dieser auch als außenliegender Beschleunigungsring 3 bezeichnet werden. Besonders vorteilhafterweise kann der außenliegende Beschleunigungsring 3 zusätzlich zu einem die Rotorblätter 2 unterbrechenden innenliegenden Beschleunigungsring 3 angeordnet sein. Bei einem großen Windrad 1 können auch mehrere innenliegende Beschleunigungsringe 3 ausgebildet sein. Die maximale sinnvolle Anzahl an innenliegenden Beschleunigungsringen 3 ergibt sich dabei aus der Querschnittsfläche in Durchströmungsrichtung 11 des Windrades 1, wobei ein Verhältnis der Querschnittsfläche des Windrades 1 und der Summe der Querschnittsflächen der Beschleunigungsringe 3 von zwei zu eins nicht unterschritten werden sollte, also beispielsweise drei zu eins oder mehr eingehalten werden sollte.
Bei dieser vorteilhaften Anordnung des Beschleunigungsringes 3 im Bereich des äußeren Randes 3 des Windrades 1 kann vorgesehen sein, dass der Beschleunigungsring 3 an seinem - in radialer Richtung 12 des Windrades 1 gesehen - äußeren Ende einen Diffusor 38 aufweist. Derart werden den Wirkungsgrad mindernde Turbulenzen vermieden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Querschnitt der Rotorblätter 2 zumindest bereichsweise zweiteilig ausgebildet ist und einen ersten Umströmungskörper 21 und wenigstens einen von dem ersten Umströmungskörper 21 beabstandeten zweiten Umströmungskörper 22 umfasst, wobei - in Durchströmungsrichtung 11 gesehen - der zweite Umströmungskörper 22 nachfolgend nach dem ersten Umströmungskörper 21 angeordnet ist. Dadurch kann auch bei besonders geringen Durchtrittsgeschwindigkeiten der Luftströmung ein Auftriebseffekt an den Rotorblättern 2 ermöglicht werden und die Rotation des Windrades 1 kann bereits bei besonders niedrigen Windgeschwindigkeiten eintreten. Vor allem kann dadurch der Wirkungsgrad bei geringen Windgeschwindigkeiten gesteigert werden und die Nennleistung der Windkraftanlage 5 kann bereits bei geringen Windgeschwindigkeiten erreicht werden. Derart kann die Nennleistung im Jahresmittel über einen besonders großen Zeitraum abgegeben werden, wodurch eine vorbestimmte Leistung mit geringer Schwankungsbreite über diesen großen Zeitraum ins
Stromnetz abgegeben werden kann.
Der erste Umströmungskörper 21 und/oder der zweite Umströmungskörper 22 kann an einem
Ende an der Nabe 15 und am dem einen Ende gegenüberliegenden anderem Ende am
Beschleunigungsring 3 befestigt sein. Dies ermöglicht eine besonders einfache Montage, sowie eine kostenschonende und oberflächenquerschnittsoptimierte Ausgestaltung des ersten und/oder zweiten Umströmungskörpers 21, 22. Durch die Montage an beiden Enden der
Längserstreckung des ersten und/oder zweiten Umströmkörpers 21, 22 können die in diesen
Montagepunkten auftretenden Beanspruchungen gering gehalten werden, wodurch die
Belastung der Bauteile im Bereich dieser Montagepunkte gering ist, eine hohe Lebensdauer und ein minimaler Wartungsaufwand dieser Bauteile gewährleistet werden kann.
In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass der Querschnitt des ersten
Umströmungskörpers 21 stromlinienförmig ausgebildet ist, und/oder dass der Querschnitt des zweiten Umströmungskörpers 22 stromlinienförmig ausgebildet ist.
Die Leitelemente 31, 32 können über die Rotorblätter 2 hinausragen, wodurch eine
Verwirbelung im Bereich unmittelbar hinter den Rotorblättern 2 wirksam vermieden werden kann.
Ist der Beschleunigungsring 3 am äußeren Ende des Windrades 1 angeordnet, so kann durch eine asymmetrische Ausbildung, wobei das äußere Leitelement 32 an der Windeintrittsseite weiter vorragt, sichergestellt werden, dass ein auf das Windrad 1 auftreffender Wind nicht außen um das Windrad 1 umgelenkt wird.
In der Fig. 3 ist eine Ausführungsform ohne drittem Leitelement 33 dargestellt. Dabei wird durch den verjüngenden Bereich eine Beschleunigung des Luftstromes erreicht.
In der Fig. 4 ist ein erfindungsgemäßes Rotorblatt 2 mit einem ersten Umströmkörper 21 und einem zweiten Umströmkörper 22 im Schnitt dargestellt, wobei der erste Umströmungskörper
21 und der zweite Umströmungskörper 22 stromlinienförmig ausgebildet sind. Zwischen den beiden Umströmungskörpern 21, 22 ist der Durchströmbereich 34 vorgesehen. Durch diese
Anordnung der beiden stromlinienförmigen Umströmungskörper 21, 22 bildet sich bereits bei geringen Windgeschwindigkeiten eine Auftriebskraft aus, welche das Windrad 1 in Rotation versetzten kann. Das Windrad 1 kann bereits bei geringen Windgeschwindigkeiten energieeffizient arbeiten und das Windkraftwerk 5 kann bereits eine geringe Windenergie in elektrische Leistung umwandeln.
In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass der erste Umströmungskörper 21 in dem Windrad 1 fest angeordnet ist und dass der zweite Umströmungskörper 22 um eine im Wesentlichen radiale Achse des Windrades 1 bewegbar angeordnet ist. Dadurch kann die Leistungsabgabe des Windkraftwerkes 5 über einen großen Windstärkenbereich, beispielsweise im Bereich einer Windgeschwindigkeit von 1 m/s bis 18 m/s, sichergestellt werden.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass - in Durchströmungsrichtung 11 gesehen - die Länge des zweiten Umströmungskörpers 22 etwa 10% bis etwa 50%, vorzugsweise etwa 12% bis etwa 30%, insbesondere etwa 15% bis etwa 25%, der Länge des ersten Umströmungskörpers 21 beträgt. Dadurch ergeben sich aufeinander abgestimmte Flächenverhältnisse der Oberflächen der beiden Umströmungskörper 21, 22, wodurch der optimale Windstärkenbereich vorbestimmt werden kann und der optimale Wirkungsgrad über einen großen Windstärkenbereich sichergestellt werden kann.
Weiters ist der Einsatz des Windkraftwerkes 5 im Niedrigstenergiebereich des Windes denkbar, also bei Windgeschwindigkeiten zwischen 1,5m/s und 6m/s, vorteilhafterweise zwischen 2m/s und 6m/s, insbesondere zwischen 2,5m/s und 6m/s. In diesem Zusammenhang können vorteilhafterweise die Rotorblätter 2 über deren gesamte Längserstreckung von der Nabe 15 zum äußeren Rand 13, insbesondere bis zum Beschleunigungsring 3 im Bereich des äußeren Randes 12, mit zwei- oder mehrteiligem Querschnitt ausgebildet sein. Dabei kann der Querschnitt zumindest bereichsweise wenigstens dreiteilig oder vierteilig ausgebildet sein. Dadurch kann die Wirkleistung vor allem im Bereich kleiner Windgeschwindigkeiten hoch ausgebildet sein. Bei diesen Windgeschwindigkeiten kann der mit der Anzahl der voneinander beabstandeten Querschnitte eines Rotorblattes 2 steigende Luftwiderstand zusätzlich zur Energiegewinnung beitragen.
Jedoch würde bei dieser Ausgestaltung - ebenso aufgrund des größeren Luftwiderstandes - die Effizienz bei höheren Windstärken abnehmen. Der mögliche Windgeschwindigkeitseinsatzbereich einer derartigen Ausgestaltung der Rotorblattgeometrie könnte im Windgeschwindigkeitsbereich von 1,5m/s bis 6m/s liegen. Besonders vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Windräder 1 mit einer großen Anzahl von Rotorblättern 2, beispielsweise über 12. Die Fig. 5 zeigt ein Windkraftwerk 5 umfassend eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Windrades 1. In diesem Beispiel sind sieben Rotorblätter 2 im Bereich zwischen Nabe 15 und dem innenliegenden Beschleunigungsring 3 ausgebildet. Zwischen dem innenliegenden Beschleunigungsring 3, welcher einen Durchmesser von in etwa 60% des Durchmessers des Windrades 1 aufweist, und dem außenliegenden Beschleunigungsring 3, dessen Durchmesser in etwa dem des Durchmessers des Windrades 1 entspricht, ist die doppelte Anzahl von Rotorblättern 2 - in diesem Fall 14 - vorgesehen. Derart wird beim Windrad 1 Material und Gewicht gespart. Der Luftwiderstand in Durchströmrichtung 11 kann im Bereich der Nabe 15 und im Bereich um die Nabe 15 minimiert werden. Auch bei dieser vorteilhaften Ausbildungsform können Diffusor 38 zumindest im Bereich eines der beiden Beschleunigungsringe 3 vorgesehen sein.
Die mehreren vom erfindungsgemäßen Windrad 1 umfassten Beschleunigungsringe 3 können vorteilhafterweise mit - in radialer Richtung 12 - konstanter und/oder identischer Breite ausgebildet sein. Eine optimale Anpassung der Geometrie des Beschleunigungsringes 3 an die mittlere Windgeschwindigkeit - insbesondere am Standort des Windkraftwerkes 5 - wird derart ermöglicht.
Ebenso kann vorgesehen sein, dass die mehreren Beschleunigungsringe 3 jeweils den - in Durchströmrichtung 11 gesehen - gleichen Querschnitt aufweisen. Derart kann eine konstante Beschleunigungswirkung der Beschleunigungsringe 3 über einen größeren Windstärkenbereich gewährleistet werden. Dadurch können vor allem die durch Windböen auftretenden Leistungsschwankungen gering gehalten werden, wodurch über einen großen Windgeschwindigkeitsbereich eine Leistungsabgabe des Windkraftwerkes 5 ermöglicht wird. Die Beschleunigungsringe 3 erhöhen die Steifigkeit des Windrades 1, weshalb die Rotorblätter 2 einfach und kostenschonend zur Erzielung optimaler oberflächengeometrischer Bedingungen ausgebildet werden können.
Vorteilhafterweise können im Beschleunigungsring 3 Mittel zur Steuerung der Stellung der Rotorblätter 2 zum Wind vorgesehen sein. Dadurch kann einfach und kostenschonend die Rotorblattstellung geändert werden. Dabei können vorteilhafterweise die Rotorblätter 2 zwischen Nabe und nächstliegendem Beschleunigungsring 3 und die Rotorblätter 2 zwischen dem im Bereich des äußeren Randes 13 angeordnetem Beschleunigungsring 3 und dem zu diesem nächstliegendem Beschleunigungsring 3 unabhängig voneinander, insbesondere in ihrer Stellung zum Wind, gesteuert werden. Derart kann die Effizienz der Rotorblätter über die gesamte radiale Erstreckung des Windrades 1 in einem großen Geschwindigkeitsbereich der Luftströmung optimiert werden.
Weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen weisen lediglich einen Teil der beschriebenen Merkmale auf, wobei jede Merkmalskombination, insbesondere auch von verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen, vorgesehen sein kann.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Windrad (1) für eine niedertourige Windkraftanlage mit mehreren Rotorblättern (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Windrad (1) - zur Luftbeschleunigung in Richtung normal zur Ebene des Windrades (1) - zumindest einen die Rotorblätter (2) verbindenden Beschleunigungsring (3) des Windrades (1) aufweist.
2. Windrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungsring (3) zumindest ein erstes Leitelement (31) und ein zweites Leitelement (32) umfasst, wobei das erste Leitelement (31) und das zweite Leitelement (32) in radialer Richtung (12) des Windrades (1) gesehen voneinander beabstandet sind und einen Luftdurchlass (34) in Richtung normal zur Ebene des Windrades (1) ausbilden.
3. Windrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Luftdurchlasses (34) - in Durchströmungsrichtung (11) normal zur Ebene des Windrades (1) gesehen -einen den Luftdurchlass (34) verjüngenden Bereich (35) aufweist.
4. Windrad nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des ersten Leitelements (31) und/oder der Querschnitt des zweiten Leitelements (32) im Wesentlichen stromlinienförmig ausgebildet sind.
5. Windrad nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem erweiternden Bereich (36) ein drittes Leitelement (33) angeordnet ist.
6. Windrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Leitelement (33) zur Umlenkung der Strömung in radialer Richtung (12) ausgebildet ist.
7. Windrad nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Leitelement (31) und das zweite Leitelement (32) mittels eines Abstandhalters (37) miteinander verbunden sind.
8. Windrad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Abstandhalters (37) stromlinienförmig ausgebildet ist.
9. Windrad nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungsring (3) im Wesentlichen am äußeren Rand (13) des Windrades (1) angeordnet ist.
10. Windrad nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungsring (3) an seinem - in radialer Richtung (12) des Windrades (1) gesehen - äußeren Ende einen Diffusor (38) aufweist.
11. Windrad nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass - in radialer Richtung (12) des Windrades (1) gesehen - an beiden Seiten des Beschleunigungsrings (3) Rotorblätter (2) angeordnet sind.
12. Windrad nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Rotorblätter (2) zumindest bereichsweise zweiteilig ausgebildet ist und einen ersten Umströmungskörper (21) und wenigstens einen von dem ersten Umströmungskörper (21) beabstandeten zweiten Umströmungskörper (22) umfasst, wobei - in Durchströmungsrichtung (11) gesehen - der zweite Umströmungskörper (22) nachfolgend nach dem ersten Umströmungskörper (21) angeordnet ist.
13. Windrad nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des ersten Umströmungskörpers (21) stromlinienförmig ausgebildet ist, und/oder dass der Querschnitt des zweiten Umströmungskörpers (22) stromlinienförmig ausgebildet ist.
14. Windrad nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Umströmungskörper (21) in dem Windrad (1) fest angeordnet ist und dass der zweite Umströmungskörper (22) um eine im Wesentlichen radiale Achse des Windrades bewegbar angeordnet ist.
15. Windrad nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass - in Durchströmungsrichtung (11) gesehen - die Länge des zweiten Umströmungskörpers (22) etwa 10% bis etwa 50%, vorzugsweise etwa 12% bis etwa 30%, insbesondere etwa 15% bis etwa 25%, der Länge des ersten Umströmungskörpers (21) beträgt.
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