WO2005100785A1 - Strömungsgesteuertes windrad mit windabhangiger flügelausrichtung - Google Patents

Strömungsgesteuertes windrad mit windabhangiger flügelausrichtung Download PDF

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Krzysztof Klimczak
Andrzej Szewczyk
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Jaroslaw Warszewski
Krzysztof Klimczak
Andrzej Szewczyk
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Definitions

  • the invention relates to a flow-controlled, by a wind vane ausrichtba- res wind turbine with a vertical axis of rotation for a wind turbine whose wings orbit the axis of rotation vertically.
  • Vertical axis wind turbines are known as Savonius rotors, Darrieux rotors, vertical twin rotors, and Jackson's wind turbines.
  • Jackson's wind turbines not only have a vertical axis, but also have wing-like plates that orbit the vertical axis and rotate 180 degrees in and of themselves.
  • the invention DE 30 18 211 C2 is constructed like a Darrieux rotor. However, this wind turbine has only limited movable wings. The efficiency of Darrieux rotors is low. They require high winds and mostly a startup drive assistance. The most common wind turbines used in practice have wind turbines with a horizontal axis of rotation on which propeller-like blades rotate.
  • wind turbine blades are set on the outside much flatter than near their fulcrum. They only use 16 - 27% of the theoretically available wind energy.
  • the tower on which are arranged on a horizontal axis rotating wind turbines, must be higher than wind turbines with a vertical axis of rotation.
  • the wings which work like propellers, move unequally along the length of the wind. They are slower near the axis than at the wing tips. The result is a high level of noise and poor utilization of the windage surface.
  • a wind power rotor for wind turbines with a vertical axis is described, are used in the asymmetrical profiles that automatically or necessarily have different angles of attack at each moment of rotation, so that the air forces are constantly changing so that a Direction of rotation is maintained.
  • By increasing the wind speed occurs by changing the angle of attack of the rotor blades, a reduction in the speed and the air forces are close to zero.
  • the wings of this wind turbine are on the one hand on sprockets and timing belt in a firm operative connection, but on the other hand are free to move, so that they align automatically and optimally in the wind direction with their special aerodynamic profile.
  • the object of the invention is to provide a flow-controlled wind turbine with a vertical axis of rotation, which uses the driving wind aerodynamically and with maximum effectiveness, has a relatively simple control mechanism and can be controlled by a wind vane.
  • the windmill is used to drive a wind turbine and has one or more, about a vertical central axis rotating wings, which are arranged parallel to the vertical axis, connected via horizontal beams, freely rotatably.
  • the wings have in cross section over their entire length an aerodynamic, symmetrical profile and are aligned by a wind vane in the wind direction.
  • the wings are urged by a first and a second control mechanism at each point of their orbit about the central, vertical axis in such a way. suggests that they work evenly and with the best possible aerodynamic efficiency through air mass flow (wind).
  • the first control mechanism orients the wing (s) on the horizontal supports at each point of orbit around the central vertical axis, controlled by the wind vane, along its profile in the wind direction
  • the second control mechanism places the wing (s) on the horizontal supports at each circulation point its trajectory about the central, vertical axis to the wind such that, depending on the angle of rotation of the horizontal beam to the wind vane and the rotational speed of the horizontal beam, the wing or wings are aligned with their longitudinal axes at each point of orbit of their orbit to produce optimum aerodynamic force.
  • the second control mechanism is superimposed on the first control mechanism which effects the basic alignment with the wind.
  • the profile of the wind vanes is always aligned with the wind in its circular motion about the vertical axis so that the wind attack angle is aligned to achieve an optimal buoyancy plus or minus the wind direction in dependence on the rotation angle.
  • the wind turbine can be arranged on a tower, a building or in flow-favorable areas.
  • the features according to the invention can also be used analogously for a water turbine by generating the torque in the direction of rotation hydrodynamically.
  • FIG. 1 shows an overall isometric view of the wind turbine with the flow-controlled wind turbine
  • FIG. 2 shows an expedient embodiment of the control mechanisms for aligning the wind turbine blades
  • Fig. 3 Schematic representation of the rotation angle-dependent control of a wing in two selected positions.
  • the wind turbine consists in Fig. 1 of a tower 2, on the top of a wind turbine 1 is rotatably mounted on a main bearing 5.
  • the windmill 1 has three to. a vertical, central axis 4 rotating wings 3, which are connected in parallel to the vertical axis 4, via horizontal beams 6.
  • the wings 3 are arranged freely rotatable at the ends of the horizontal support 6 in bearings 7.
  • the wings 3 rotate firstly with the horizontal beams 6 about the central, vertical axis 4 and secondly in themselves in the bearings 7 at the ends of the horizontal beams 6.
  • the wings 3 have over their entire length in cross section an aerodynamic, symmetrical profile 8, similar to an airplane wing.
  • a wind vane 9 for detecting the wind direction 10 is arranged concentrically in the main bearing 5 on the tower 2.
  • FIG. 2 An expedient embodiment of the control mechanisms 11 and 12 for aligning the wind turbine blades 3 is shown in Fig. 2.
  • the wind turbine 1 On the tower 2 of the wind turbine, the wind turbine 1 is rotatably supported about the central vertical axis 4 by means of the main bearing 5. From the main bearing 6 of the wind turbine 1, a horizontal support 6 is shown shortened in the image plane and a second horizontal support 6 indicated angled backwards.
  • This V-belt drive 14 forms the first control mechanism 11, which aligns the wings 3 at each point of their orbit 13 parallel to the wind vane 9. For this reason, the sash bearings 7 are flanged at different heights to the respective horizontal support 6 for each wind wing 3.
  • each vane bearing 7 Within each vane bearing 7 is a stepping motor 15 which, via a worm gear as the second control mechanism 12, adjusts each vane 3 in addition to the parallel orientation to the vane 9 at an angle plus or minus for an optimum windage angle.
  • the wings 3 are aligned at each point of rotation of their web 13 about the central vertical axis 4, controlled by the wind vane 9, with its profile 8 longitudinally in the wind direction 10.
  • these also consist of two concentric nested and independently rotatable bushings.
  • each vane 3 is adjusted on the respective horizontal carrier 6 at each circumferential point of its path 13 about the central vertical axis 4 to the wind 10 in such a way that depending on the angle of rotation of the respective horizontal carrier 6 to the wind vane 9, each vane 3 is aligned with the longitudinal axis of its profile 8 at each point of orbit of its lane 13 to produce optimum aerodynamic force.
  • the blades 3 are adjusted against the wind 10 in such a way that the rotational speed is kept approximately constant and an overload of the wind turbine is prevented.
  • FIG. 3 shows in a schematic representation the angle of rotation-dependent control of the blades 3 in two selected positions 3 and 3 'of their orbit 13 about the vertical axis of rotation 4.
  • the angle of attack of the blade profiles 8 is identical to one another. and depending on each point of its orbit 13 and may take on both the negative and positive values relative to the wind direction 10, which generates a wind force Fw, so that a buoyancy F A in each rotation angle of a wing 3 is continuous with negative or positive Values changes, so that a resultant force F ⁇ in the direction of rotation always assumes positive values.

Abstract

Das Windrad (1) besteht aus einem oder mehreren, in einem Hauptlager (5) um eine vertikale, zentrale Achse (4) rotierenden Flügeln (3), die parallel zu der senkrechten Achse (4), über Horizontaltrager (6) verbunden und in Lagern (7) frei drehbar angeordnet und durch eine Windfahne (9) ausrichtbar sind. Die Flügel (3) weisen über ihre gesamte Länge im Querschnitt ein aerodynami­sches, symmetrisches Profil (8) auf. Durch einen ersten Steuermechanismus (11) werden die Flügel (3) au den Horizontaltragern (6) an jedem Umlaufpunkt ihrer Bahn (13) um die vertikale Achse (4), gesteuert durch die Windfahne (9), mit ihrem Profil (8) längs in Wind­richtung (10) ausgerichtet und durch einen zweiten Steuermechanismus (12) werden die Flügel (3) auf den Horizontalträgern (6) derart zum Wind (10) einstellt, dass in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Horizontalträgers (6) zur Windfahne (9) und der Drehgeschwindigkeit des Horizontalträgers (6) der oder die Flügel (3) mit den Längsachsen ihres Profils (8) an jedem Umlaufpunkt ihrer Bahn (13) zur Erzeugung einer optimalen aerodynamischen Kraft ausgerichtet sind.

Description

Strömungsgesteuertes Windrad
Die Erfindung betrifft ein strömungsgesteuertes, durch eine Windfahne ausrichtba- res Windrad mit senkrechter Drehachse für eine Windkraftanlage, dessen Flügel die Drehachse vertikal rotierend umkreisen.
[Stand der Technik]
Windräder mit senkrechten Achsen sind als Savonius- Rotoren, Darrieux- Rotoren, Vertikal- Doppel- Rotoren und Jackson'sche Windräder bekannt. Die Jack- son'schen Windräder haben nicht nur eine senkrechte Achse sondern besitzen auch flügelähnliche Platten, die die senkrechte Achse umkreisen und gleichzeitig in sich selbst um 180° drehen.
Nach Bauart der Jackson'schen Windräder sind z. B. die Lösungen in den Erfindungsbeschreibungen DE 198 47469 A1 , DE 81 119 10 U1 und DE 39 18 184 A1 ausgeführt.
Die Erfindung DE 30 18 211 C2 ist wie ein Darrieux- Rotor aufgebaut. Dieses Windrad besitzt jedoch nur begrenzt bewegliche Flügel. Der Wirkungsgrad von Darrieux- Rotoren ist gering. Sie benötigen starke Winde und meistens eine Startantriebshilfe. Die häufigsten in der Praxis eingesetzten Windkraftanlagen besitzen Windräder mit einer waagerechten Drehachse, auf der sich propellerähnliche Flügel drehen.
Die nach diesem Prinzip arbeitenden Windradflügel sind außen wesentlich flacher eingestellt als in der Nähe ihres Drehpunktes. Sie nutzen nur 16 - 27 % der theoretisch vorhandenen Windenergie aus. Der Turm, auf welchem, die sich auf einer waagerechten Achse drehenden Windräder angeordnet sind, muss höher sein als bei Windrädern mit senkrechter Drehachse. Die Flügel, die wie Propeller arbeiten, bewegen sich über ihre Länge ungleich zum Windstrom. Sie sind in Achsennähe langsamer als an den Flügelspitzen. Die Folge ist eine hohe Geräuschentwicklung und eine schlechte Ausnutzung der Windangriffsfläche. In der Erfindungsbeschreibung DD 232 959 A1 wird ein Windkraftrotor für Windkraftanlagen mit vertikaler Achse beschrieben, bei dem unsymmetrische Profile verwandt werden, die untereinander automatisch oder zwangsläufig in jedem Moment der Rotierung verschiedene Anstellwinkel aufweisen sollen, so dass die Luftkräfte sich laufend so verändern, dass eine Drehrichtung eingehalten wird. Mit Vergrößerung der Windgeschwindigkeit tritt durch Veränderung der Anstellwinkel der Rotorflügel eine Verringerung der Drehzahl ein und die Luftkräfte gehen gegen Null.
Die Flügel dieser Windkraftanlage stehen einerseits über Zahnkränze und Zahn- riemen in einer festen Wirkverbindung, sind aber andererseits frei beweglich, damit sie sich mit ihrem besonderen aerodynamischen Profil automatisch und optimal in Windrichtung ausrichten. Nicht zu entnehmen ist aber, wie die Grundausrichtung der Rotorflügel in Windrichtung erfolgen soll, um ein selbständiges Anlaufen der Windkraftanlage zu ermöglichen.
[Aufgabe der Erfindung]
Aufgabe der Erfindung ist es, ein strömungsgesteuertes Windrad mit senkrechter Drehachse zu schaffen, das aerodynamisch und mit höchster Effektivität den antreibenden Wind nutzt, einen relativ einfachen Steuerungsmechanismus besitzt und durch eine Windfahne ansteuerbar ist.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des 1. Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das Windrad dient dem Antrieb einer Windkraftanlage und besitzt einen oder mehrere, um eine vertikale, zentrale Achse rotierende Flügel, die parallel zu der senkrechten Achse, über Horizontalträger verbunden, frei drehbar angeordnet sind. Die Flügel weisen im Querschnitt über ihre gesamte Länge ein aerodynamisches, symmetrisches Profil auf und sind durch eine Windfahne in Windrichtung ausrichtbar.
Die Flügel werden durch einen ersten und einen zweiten Steuermechanismus in jedem Punkt ihrer Umlaufbahn um die zentrale, vertikale Achse derart beauf- schlagt, dass sie durch eine Luftmassenströmung (Wind) gleichmäßig und mit einem bestmöglichen aerodynamischen Wirkungsgrad arbeiten.
Der erste Steuermechanismus richtet den oder die Flügel auf den Horizontalträgern an jedem Umlaufpunkt ihrer Bahn um die zentrale, vertikale Achse, gesteuert durch die Windfahne, mit ihrem Profil längs in Windrichtung aus und der zweite Steuermechanismus stellt den oder die Flügel auf den Horizontalträgern an jedem Umlaufpunkt ihrer Bahn um die zentrale, vertikale Achse derart zum Wind ein, dass in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Horizontalträgers zur Windfahne und der Drehgeschwindigkeit des Horizontalträgers, der oder die Flügel mit ihren Längsachsen an jedem Umlaufpunkt ihrer Bahn zur Erzeugung einer optimalen aerodynamischen Kraft ausgerichtet sind.
Der zweite Steuermechanismus ist dabei dem ersten Steuermechanismus, der die Grundausrichtung zum Wind bewirkt, überlagert.
Um kontinuierliche Drehmomente zu erzeugen, wird das Profil der Windflügel bei seiner Kreisbewegung um die senkrechte Achse immer so zum Wind ausgerichtet, dass der Wind- Angriffswinkel zur Erreichung eines optimalen Auftriebs plus oder minus zur Windrichtung in Abhängigkeit vom Drehwinkel ausgerichtet ist.
Die Windkraftanlage kann auf einem Turm, einem Gebäude oder in strömungsgünstigen Gebieten angeordnet werden. Die erfindungsgemäßen Merkmale sind analog auch für eine Wasserturbine nutzbar, indem das Drehmoment in Drehrichtung hydrodynamisch erzeugt wird.
[Beispiele]
An Hand von Zeichnungen wird die Erfindung in einer bevorzugten Ausführung näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 Eine isometrische Gesamtansicht der Windkraftanlage mit dem strömungsgesteuerten Windrad, Fig. 2 Darstellung einer zweckmäßigen Ausführungsform der Steuermechanismen zur Ausrichtung der Windradflügel, Fig. 3 Schematische Darstellung der drehwinkelabhängigen Steuerung eines Flügels in zwei ausgewählten Positionen.
Die Windkraftanlage besteht in Fig. 1 aus einem Turm 2, auf dessen Spitze ein Windrad 1 drehbar über ein Hauptlager 5 gelagert ist. Das Windrad 1 besitzt drei, um. eine vertikale, zentrale Achse 4 rotierende Flügeln 3, die parallel zu der senkrechten Achse 4, über Horizontalträger 6 verbunden sind. Die Flügel 3 sind an den Enden der Horizontalträger 6 in Lagern 7 frei drehbar angeordnet. Die Flügel 3 drehen sich erstens mit den Horizontalträgern 6 um die zentrale, vertikale Achse 4 und zweitens in sich selbst in den Lagern 7 an den Enden der Horizontalträger 6. Die Flügel 3 weisen über ihre gesamte Länge im Querschnitt ein aerodynamisches, symmetrisches Profil 8, ähnlich einer Flugzeug-Tragfläche auf.
An der zentralen Achse 4 ist konzentrisch im Hauptlager 5 auf dem Turm 2 eine Windfahne 9 zur Erfassung der Windrichtung 10 angeordnet. Die Flügel 3 umkreisen, gesteuert durch einen ersten und einen zweiten Steuermechanismus 11 und 12, mit ihren Lagern 7 die senkrechte Achse 4 derart auf einer Kreisbahn 13, dass die Flügelprofile 8 immer parallel zur Windrichtung 10 ausgerichtet sind und gleichzeitig plus oder minus für einen optimalen Angriffswinkel gegenüber der von der Windfahne 9 vorgegebenen Windrichtung 10 ausge- richtet sind.
Eine zweckmäßige Ausführungsform der Steuermechanismen 11 und 12 zur Ausrichtung der Windradflügel 3 ist in Fig. 2 dargestellt.
Auf dem Turm 2 der Windkraftanlage ist mittels des Hauptlagers 5 das Windrad 1 um die zentrale, vertikale Achse 4 drehbar gelagert. Von dem Hauptlager 6 des Windrades 1 ist ein Horizontalträger 6 in Bildebene verkürzt dargestellt und ein zweiter Horizontalträger 6 nach hinten abgewinkelt angedeutet.
Innerhalb einer Buchse des Hauptlagers 5 ist die Windfahne 9 mit einem Keilriemenrad 14, das drei Ebenen besitzt, unabhängig zum Hauptlager 5 und konzen- trisch in diesem drehbar gelagert. Von jeder Ebene des Keilriemenrades 14 führt ein Keilriemen durch jeweils einen Horizontalträger 6 zu einem Flügel 3. Dieser Keilriementrieb 14 bildet den ersten Steuermechanismus 11, der die Flügel 3 an jedem Punkt ihrer Umlaufbahn 13 parallel zur Windfahne 9 ausrichtet. Aus diesem Grund sind die Flügellager 7 für jeden Windflügel 3 in unterschiedlicher Höhe an dem jeweiligen Horizontalträger 6 angeflanscht.
Innerhalb jedes Flügellagers 7 befindet sich ein Schrittmotor 15, der über ein Schneckengetriebe als zweiter Steuermechanismus 12 jeden Flügel 3 zusätzlich zu der parallelen Ausrichtung zur Windfahne 9 in einem Winkel plus oder minus für einen optimalen Windangriffswinkel verstellt. Durch den ersten Steuermechanismus 11 werden die Flügel 3 auf jedem Umlaufpunkt ihrer Bahn 13 um die zentrale, vertikale Achse 4, gesteuert durch die Windfahne 9, mit ihrem Profil 8 längs in Windrichtung 10 ausgerichtet.
Zur Realisierung zweier unabhängiger Drehbewegungen in den Flügellagern 7 bestehen diese ebenfalls aus zwei konzentrisch ineinander angeordneten und unabhängig zueinander drehbaren Buchsen.
Durch den zweiten Steuermechanismus 12 wird in Abhängigkeit vom ersten Steuermechanismus 11 jeder Flügel 3 auf dem jeweiligen Horizontalträger 6 an jedem Umlaufpunkt seiner Bahn 13 um die zentrale, vertikale Achse 4 derart zum Wind 10 eingestellt, dass in Abhängigkeit vom Drehwinkel des jeweiligen Horizon- talträgers 6 zur Windfahne 9 jeder Flügel 3 mit der Längsachse seines Profils 8 an jedem Umlaufpunkt seiner Bahn 13 zur Erzeugung einer optimalen aerodynamischen Kraft ausgerichtet ist.
Ferner werden die Flügel 3 in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit der Horizontalträger 6, die sich in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit verän- dert, derart gegen den Wind 10 eingestellt, dass die Drehgeschwindigkeit annähernd konstant gehalten und eine Überlastung der Windkraftanlage verhindert wird.
Fig. 3 zeigt in einer schematischen Darstellung die drehwinkelabhängige Steue- rung der Flügel 3 in zwei ausgewählten Positionen 3 und 3' ihrer Umlaufbahn 13 um die vertikale Drehachse 4. Der Anstellwinkel der Flügelprofile 8 ist untereinan- der und abhängig von jedem Punkt ihrer Umlaufbahn 13 verschieden und kann bezogen auf die Windrichtung 10, die eine Windkraft Fw erzeugt, sowohl negative als auch positive Werte annehmen, so dass ein Auftrieb FA in jedem Drehwinkel eines Flügels 3 sich stetig mit negativen oder positiven Werten ändert, so dass eine resultierende Kraft Fτ in Drehrichtung stets positive Werte annimmt.
Bezugszeichenliste
1 Windrad
2 Turm 3 Windflügel
4 zentrale, vertikale Achse
5 zentrales Hauptlager
6 Horizontralträger
7 Flügellager 8 Symmetrisches, aerodynamisches Profil
9 Windfahne
10 Windrichtung
11 erster Steuermechanismus
12 zweiter Steuermechanismus 13 Umlaufbahn der Windflügel
14 Keilriemenrad
15 Schrittmotor

Claims

Patentansprüche
1. Strömungsgesteuertes Windrad (1 ) für eine Windkraftanlage mit einem oder mehreren, um eine vertikale, zentrale Achse (4) über ein Hauptlager (5) rotierende Flügel (3), die parallel zu der senkrechten Achse (4), über Horizontalträger (6) verbunden, in Lagern (7) frei drehbar angeordnet und in Windrichtung (10) ausrichtbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (3) über ihre gesamte Länge im Querschnitt ein aerodynamisches, symmetrisches Profil (8) aufweisen, zur Erfassung der Windrichtung eine Windfahne (9) angeordnet ist, ein erster Steuermechanismus (11) angeordnet ist, der den oder die Flügel (3) auf den Horizontalträgern (6) an jedem Umlaufpunkt ihrer Bahn (13) um die zentrale, vertikale Achse (4), gesteuert durch die Windfahne (9), mit ihrem Profil (8) längs in Windrichtung (10) ausrichtet, ein zweiter Steuermechanismus (12) angeordnet ist, der den oder die Flügel (3) auf den Horizontalträgern (6) an jedem Umlaufpunkt ihrer Bahn (13) um die zentrale, vertikale Achse (4) derart zum Wind (10) einstellt, dass in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Horizontalträgers (6) zur Windfahne (9) und der Drehgeschwindigkeit des Horizontalträgers (6) der oder die Flügel (3) mit den Längsachsen ihres Profils (8) an jedem Umlaufpunkt ihrer Bahn (13) zur Erzeugung einer optimalen aerodynamischen Kraft ausgerichtet sind und der zweite Steuermechanismus (12) dem ersten Steuermechanismus (11) überlagert ist.
2. Windrad (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermechanismen (11 , 12). mechanisch, elektromechanisch, hydraulisch oder pneumatisch betätigbar sind.
Windrad (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass für den ersten Steuermechanismus (11) ein Keilriementrieb und für den zweiten Steuermechanismus (12) ein Schrittmotor (15) mit einem Schneckentrieb angeordnet ist.
4. Windrad (1) nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Windfahne (9) auf der zentralen vertikalen Achse (4) konzentrisch drehbar im Hauptlager (5) angeordnet ist.
5. Windrad (1 ) nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass alternativ zur Windfahne (9) ein elektronischer Windmesser angeordnet ist.
6. Windrad (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (3) an den Horizontalträgern (6) in den Lagern (7) nach oben und/oder nach un- ten weisend angeordnet sind.
7. Windrad (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (3) durch Horizontalträger (6) gehalten sind, die in mehreren, übereinander angeordneten Ebenen an der zentralen, vertikalen Achse (4) angeordnet sind.
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