WO2001014741A1 - Schwachwindleiste für windanlagen - Google Patents

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Alfred Wilhelm
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Alfred Wilhelm
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D3/00—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor 
    • F03D3/06—Rotors
    • F03D3/061—Rotors characterised by their aerodynamic shape, e.g. aerofoil profiles
    • 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
    • F05B2240/30—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
    • F05B2240/301—Cross-section characteristics
    • 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
    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a device for increasing the power generation from wind with vertical rotors, in particular for better utilization of wind energy in the low wind region.
  • the kinetic energy of the flowing fluid is converted into kinetically energy by suitably designed rotor blades or rotor blades. This can be converted into electrical energy via generators.
  • Wind turbines with a horizontal axis and with a vertical axis are known from the prior art.
  • Wind turbines with a horizontal axis are usually designed for turbulence-reduced wind flows and must must therefore be installed on masts at a distance of 3 m from the ground. At wind speeds above 13 m / s, the rotors of these systems must be locked in order to avoid damage to the wind turbine.
  • Wind turbines with a vertical axis do not show any negative influence from near-ground vortices in the horizontal plane, so that these wind turbines can be used at shorter distances from the ground. Even at high wind speeds above 13 m / s, no safety shutdown of the rotor movement is necessary, the maximum power of such systems at high wind speeds generally being below the maximum output of comparable horizontal thermal energy systems.
  • the US 5,044,878 shows a vertical rotor for wind turbines.
  • the rotor has two radial rotor base surfaces, which are arranged at an axial distance from one another.
  • Rotor blades oriented parallel to the rotor axis extend between the rotor base surfaces.
  • the rotor blades are segmented parallel to the rotor axis and have axially parallel and slightly curved fins between the rotor blades, which promote flow through the gaps provided.
  • a major advantage of vertical rotors for Wmd energy generation lies in the fact that it can be used with high efficiency even at low wind speeds. Due to the slow rotation speed at low wind speeds, wind energy use is possible with small power losses. borrowed. Low turbulence has a positive effect on the performance characteristics of such systems.
  • the embodiment according to claim 2 enables the low-cost installation of the weak-water strip without major expenditure on equipment, even for systems which have already been installed, in particular by gluing the strip to the rotor blade.
  • the embodiment according to claim 3 and according to claim 8 brings about an increase in performance of the wind power plant, in particular at high wind speeds, in particular in that the buoyancy is increased and the flow is possible. This can reduce efficiency losses.
  • the embodiment according to claim 4 reinforces the effects of the bar in relation to a decrease in the minimum starting speed due to improved flow mechanical properties of the rotor.
  • the free flow area through the bar can be changed by the embodiment according to claim 5 and the influence of the wind speed on the flow behavior can be taken into account.
  • the embodiment according to claim 6 leads to a reduction in the air resistance caused by the bar.
  • Figure 1 Top view of the radial section of the vertical rotor with the schematic structure of the rotor assemblies and an embodiment of the inventive device;
  • FIG. 2 supervision according to FIG. 1 of a further preferred embodiment of the device according to the invention
  • Figure 3 Side view of the bar of Figure 1 in the direction A; such as
  • Figure 4 Side view of a further embodiment of a bar to be used according to the invention m view B acc. Figure 2.
  • FIG. 1 shows the top view of a radial sectional area through a section of a triangular vertical rotor with a rotor base area 1.
  • a vertical rotor axis 2 In the center of the vertical rotor there is a vertical rotor axis 2.
  • concave rotor blades 3 are arranged parallel and facing the axis.
  • the start and end points of the rotor blades 3 describe a quarter-circle arc, one end of which points in the wind direction and the other end in the axial direction.
  • the rotor blades 3 have an axially curved sheet-shaped profile.
  • the weak heat strip 5 On the rotor blade 3 lying in the radial direction on the outer edge of the rotor base surface 1 there is a weak strip 5 with two legs of different lengths in the direction of the rotor gate axis 2 attached.
  • the weak heat strip 5 has an m radial profile in the radial direction and is fastened to the rotor blade 3 with the short leg.
  • the weak heat strip 5 is arranged axially parallel, the long leg protrudes from the surface of the rotor blade 3.
  • Round or angular louvers 7 are located in the bend of the angular low-profile strip 5.
  • FIG. 2 shows the top view of a radial sectional area through a circular vertical rotor with a section of a rotor base area 10.
  • a vertical rotor axis 2 In the center of the vertical rotor there is a vertical rotor axis 2.
  • concave, wing-like rotor blades 4 are arranged parallel to the rotor axis 2, facing the rotor axis 2 .
  • the start and end points of the rotor blades 4 describe an arc, one end of which points in the wind direction and the other end in the axial direction.
  • On the outside of the rotor base surface 10 there is a weak heat bar 5 parallel to the rotor blades 4.
  • the weak heat bar 5 consists of two axially parallel, concave m axis directions and with different angles of attack extending to the axis, which form a curved tip 6.
  • the tip has square or circular louvers 7.
  • FIG. 3 shows a side view of the low-power strip 5 with rectangular or circular louvers 7.
  • FIG. 4 shows a side view of the weak edge 5 of the embodiment according to FIG. 2 with rectangular or circular louvers 7.
  • the air flow is deflected at the rotor blades 3 or 4 attached to the rotor base area 1 or 10, and the rotor is thereby rotated in the wind direction.
  • the wind can pass through the bend region of the low-temperature strip 4 or 5.
  • the starting and rotating movement of the rotor and the utilization of the wind energy are improved at low wind speeds by the low-temperature strips 5 provided according to the invention. This leads to an increase in the annual output produced compared to vertically rotating systems without a low-temperature bar.
  • Another advantage of the device according to the invention is the low investment requirement and the possibility of inexpensive retrofitting of already existing, vertically rotating wind turbines. So the strips can Figure 3, for example, be glued to the inside of conventional rotor blades 3.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit vertikal angeordneter Achse (2), mit einem um die Achse (2) drehbaren Rotor, der eine Anzahl von achsparallelen geraden oder leicht gebogenen Rotorblättern (3, 4) aufweist, wobei wenigstens ein Rotorblatt (3, 4) auf der der Achse (2) zugewandten Seite mit einer Leiste (5) versehen ist, die ebenfalls achsparallel angeordnet ist und von der Oberfläche des Rotorblatts (3, 4) absteht.

Description

Schwachwindleiste f r Windanlagen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Leistungssteigerung der Energiegewinnung aus Wind mit Vertikallaufern, insbesondere zur besseren Ausnutzung der Windenergie im Schwachwindbereich.
Zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Wind wird die Bewegungsenergie des stromenden Fluids durch geeignet konstruierte Rotoren- oder Rotorblatter m Bewegungsenergie umgewandelt. Diese kann über Generatoren m elektrische Energie konvertiert werden.
Aus dem Stand der Technik sind Windanlagen mit horizontaler Achse und mit vertikaler Achse bekannt.
Windanlagen mit horizontaler Achse werden in der Regel für turbulenzberuhigte Wmdstromungen ausgelegt und mus- sen daher auf Masten m Abstanden oberhalb von 3 m zum Boden installiert werden. Bei Windgeschwindigkeiten oberhalb von 13 m/s müssen die Rotoren dieser Anlagen arretiert werden, um Beschädigungen der Windkraftanlage zu vermeiden .
Windanlagen mit vertikaler Achse zeigen keine negative Beeinflussung durch bodennahe Wirbel in der Horizontalebene, so daß der Einsatz dieser Windanlagen m geringeren Abstanden zum Boden möglich ist. Auch bei hohen Windgeschwindigkeiten oberhalb von 13 m/s ist keine Sicherheitsabschaltung der Rotorbewegung notwendig, wobei das Leistungsmaximum derartiger Anlagen bei hohen Windgeschwindigkeiten in der Regel unterhalb der maximalen Leistung vergleichbarer horizontaler Wmdeenergieanlagen liegt .
Die US 5,044,878 zeigt einen Vertikalrotor für Windenergieanlagen. Der Rotor weist zwei radiale Rotorgrundflachen auf, die in einem Axialabstand voneinander angeordnet sind. Zwischen den Rotorgrundflachen erstrecken sich parallel zur Rotorachse orientierte Rotorblatter. Die Rotorblatter sind parallel zur Rotorachse segmentiert und weisen zwischen den Rotorblattern achsparallele und leicht gebogene Lamellen auf, die eine Durchstro ung durch angebrachte Spalte begünstigen.
Ein wesentlicher Vorteil von Vertikalrotoren zur Wmd- energiegewmnung liegt darin begründet, daß der Einsatz auch bei kleinen Windgeschwindigkeiten mit hohen Wirkungsgraden möglich ist. Durch die langsame Rotationsgeschwindigkeit bei geringen Windgeschwindigkeiten ist die Windenergienutzung bei kleinen Leistungsverlusten mog- lieh. Geringe Turbulenzen wirken sich dabei positiv auf die Leistungscharakteristik derartiger Anlagen aus.
Auch vertikal rotierende Windenergieanlagen erfordern eine Mindestwindgeschwindigkeit, um den Anlauf der Vertikalrotoren zu ermöglichen.
Eine Verbesserung der AnlaufCharakteristik vertikal rotierender Windenergieanlagen bei niedrigen Windgeschwindigkeiten durch konstruktive Änderungen oder Ergänzungen des Vertikalrotors und der im Vertikalrotor eingesetzten Baugruppen ist derzeit nicht bekannt.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur besseren Ausnutzung der Windenergie im Schwachwindbereich für Vertikallaufer anzugeben, mit der auf einfache Weise die notwendige Mindestwmdgeschwmdig- keit zum Anlauf der Vertikalrotoren gesenkt werden kann und die mit geringen Investitionskosten verbunden ist.
Diese Aufgabe wird von einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelost, derart, daß die Leiste eine Verengung des freien Stromungsquerschnittes zwischen den achsparallelen Rotorblattern verursacht und eine zusätzliche Angriffsflache für die Luftströmung bietet. Dadurch kann die zum Anlauf notwendige Anströmgeschwindigkeit gesenkt werden.
Die Ausfuhrungsform nach Anspruch 2 ermöglicht die kostengünstige Installation der Schwachwmdleiste ohne größeren apparativen Aufwand, auch für bereits installierte Anlagen, insbesondere durch Verkleben der Leiste mit dem Rotorblatt. Die Ausfuhrungsform nach Anspruch 3 und nach Anspruch 8 bewirkt eine Leistungssteigerung der Windenergieanlage insbesondere bei hohen Windgeschwindigkeiten, insbesondere dadurch, daß die Auftriebskraft vergrößert wird und die Durchstro ung möglich ist. Dadurch können die Wir- kungsgradverluste gesenkt werden.
Die Ausfuhrungsform nach Anspruch 4 verstärkt die Auswirkungen der Leiste m Bezug auf ein Absinken der minimalen Anlaufgeschwindigkeit durch verbesserte stromungsmechani- sche Eigenschaften des Rotors.
Durch die wahlweise eckige oder runde Ausfuhrungsform der Luftschlitze kann durch die Ausfuhrungsform nach Anspruch 5 die freie Durchstromungsflache durch die Leiste geändert und der Einfluß der Windgeschwindigkeit auf das Durchstromungsverhalten berücksichtigt werden.
Die Ausfuhrungsform nach Anspruch 6 fuhrt zur Verringerung des von der Leiste verursachten Luftwiderstandes.
Durch die emstuckige Ausfuhrung der Leiste nach Anspruch 7 ergeben sich Kostenvorteile bei der Herstellung und beim Einbau, zudem wird die Stabilität der Leiste gegenüber mechanischer Beanspruchung erhöht.
Durch die wahlweise Bestückung aller Rotorblatter mit Leisten kann die minimal erforderliche Anströmgeschwindigkeit zur Einleitung des Anlaufvorganges weiter abgesenkt werden. Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.
Es zeigen:
Figur 1 : Aufsicht auf die radiale Schnittflache des Vertikalrotors mit dem schematischen Aufbau der Rotorbaugruppen und einer Ausfuhrungsform der erfmdungsgemaßen Vorrichtung;
Figur 2 : Aufsicht gemäß Figur 1 einer weiteren bevorzugten Ausfuhrungsform der erfmdungsgemaßen Vorrichtung;
Figur 3: Seitenansicht auf die Leiste gemäß Fig. 1 in Richtung A; sowie
Figur 4 : Seitenansicht auf eine weitere Ausfuhrungsform einer erfmdungsgemaß zu nutzenden Leiste m Ansicht B gem. Figur 2.
Figur 1 zeigt die Aufsicht auf eine radiale Schnittflache durch einen Ausschnitt eines dreieckformigen Vertikalrotors mit einer Rotorgrundflache 1. Im Zentrum des Vertikalrotors liegt eine vertikale Rotorachse 2. Auf der Rotorgrundflache 1 sind parallel und der Achse zugewandt konkave Rotorblatter 3 angeordnet. Anfangs- und Endpunkte der Rotorblatter 3 beschreiben einen Viertelkreisbogen, dessen eines Ende m Windrichtung und dessen anderes Ende m Achsrichtung weist. Die Rotorblatter 3 besitzen ein Achsrichtung gebogenes blattförmiges Profil. An dem m radialer Richtung am äußeren Rand der Rotorgrundflache 1 liegenden Rotorblatt 3 ist eine Schwachw dleiste 5 mit zwei unterschiedlich langen Schenkeln Richtung der Ro- torachse 2 angebracht. Die Schwachwmdleiste 5 weist ein m radialer Richtung winkelförmiges Profil auf und ist mit dem kurzen Schenkel an dem Rotorblatt 3 befestigt. Die Schwachwmdleiste 5 ist achsparallel angeordnet, der lange Schenkel steht von der Oberflache des Rotorblatts 3 ab. In der Biegung der winkelförmigen Schwachwmdleiste 5 befinden sich runde oder eckige Luftschlitze 7.
Figur 2 zeigt die Aufsicht auf eine radiale Schnittflache durch einen kreisförmigen Vertikalrotor mit einem Ausschnitt einer Rotorgrundflache 10. Im Zentrum des Vertikalrotors liegt eine vertikale Rotorachse 2. Auf dem Rotor sind parallel zur Rotorachse 2 gebogene, der Rotorachse 2 zugewandt konkave, tragflachenartige Rotorblatter 4 angeordnet. Die Anfangs- und Endpunkte der Rotorblatter 4 beschreiben einen Bogen, dessen eines Ende in Windrichtung und dessen anderes Ende m Achsrichtung weist. An der Außenseite der Rotorgrundflache 10 befindet sich parallel zu den Rotorblattern 4 eine Schwachwmdleiste 5. Die Schwachwmdleiste 5 besteht aus zwei achsparallelen, m Achsrichtung konkav und mit unterschiedlichen Anstellwinkeln zur Achse verlaufenden bogenförmigen Rotorblattern, die eine geschwungene Spitze 6 bilden. Die Spitze weist eckige oder kreisförmige Luftschlitze 7 auf.
Figur 3 zeigt eine Seitenansicht auf die Schwachwmαleis- te 5 mit rechteckigen oder kreisförmigen Luftschlitzen 7.
Figur 4 zeigt eine Seitenansicht auf die Schwachwmdleiste 5 der Ausfuhrungsform gemäß Figur 2 mit rechteckigen oder kreisförmigen Luftschlitzen 7. Im Betriebszustand wird die Luftströmung an den auf der Rotorgrundflache 1 bzw. 10 angebrachten Rotorblattern 3 bzw. 4 umgelenkt und dadurch der Rotor in Windrichtung gedreht. Durch die vorgesehenen Luftschlitze 7 kann der Wind durch den Biegungsbereich der Schwachwmdleiste 4 bzw. 5 hmdurchstro en .
Die Anlauf- und Rotationsbewegung des Rotors und die Ausnutzung der Windenergie wird bei niedrigen Windgeschwindigkeiten durch die erfmdungsgemaß vorgesehenen Schwach- wmdleisten 5 verbessert. Dadurch kommt es zu einem Anstieg der produzierten Jahresleistung im Vergleich zu vertikal rotierenden Anlagen ohne Schwachwmdleiste.
Ein großer konstruktiver Vorteil ergibt sich weiterhin daraus, daß die erfmdungsgemaß vorgesehenen Luftschlitze 7 im Winkel- oder Biegungsbereich der Schwachwmdleisten 5 die Durchstromung des Windes an dieser Stelle ermöglichen und dadurch für besonders hohe Auftriebskräfte bei hohen Windgeschwindigkeiten sorgen. Als Folge davon kommt es zu geringeren Wirkungsgradverlusten.
Im Vergleich zu horizontalen Windenergieanlagen sind bei mittleren Jahreswindgeschwindigkeiten unterhalb von 10 m/s deutliche Leistungssteigerungen möglich durch den Einsatz von Vertikallaufern mit Schwachwmdleiste.
Ein weiterer Vorteil der erfmdungsgemaßen Vorrichtung ist der niedrige Investitionsbedarf und die Möglichkeit der kostengünstigen Nachrüstung bereits bestehender, vertikal rotierender Windenergieanlagen. So können die Leisten gem. Figur 3 beispielsweise an der Innenseite von konventionellen Rotorblattern 3 angeklebt werden.

Claims

P a te n t an s p rü c h e
1. Windkraftanlage mit vertikal angeordneter Achse, mit einem um die Achse drehbaren Rotor, der eine Anzahl von achsparallelen geraden oder leicht gebogenen Rotorblättern (3,4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Rotorblatt (3, 4) auf der der Achse (2) zugewandten Seite mit einer Leiste (4,5) versehen ist, die ebenfalls achsparallel angeordnet ist und von der Oberfläche des wenigstens einen Rotorblatts (3, 4) absteht.
2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiste (4,5) ein abgewinkeltes oder gebogenes Profil (6) aufweist, wobei ein kurzer Schenkel des Profils (6) an der Lamelle befestigt ist und ein langer Schenkel des Profils (6) von der Oberfläche (1) absteht.
3. Windkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiste im Winkelbereich Luftschlitze (7) aufweist .
4. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der lange Schenkel gebogen, insbesondere der Achse (2) zugewandt konkav ist .
5. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftschlitze (7) eckig oder rund sind.
6. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiste (4,5) in Drehrichtung des Rotors vorne an dem Rotorblatt (3,4) angeordnet ist.
7. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiste (4,5) emstuckig an das Rotorblatt (3,4) angeformt ist.
8. Windkraftanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Übergang zwischen dem Rotorblatt
(3,4) und der angeformten Leiste (4,5) Luftschlitze (7) vorgesehen sind.
9. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle bezüglich der Achse (2) radial außen angeordneten Rotorblatter
(3,4) mit Leisten (4,5) versehen sind.
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