AT527970A1

AT527970A1 - Windkraftanlage

Info

Publication number: AT527970A1
Application number: ATA50044/2024A
Authority: AT
Inventors: Humer Dipl -Ing Franz (Fh) Ma; Humer Mag Ma Monika
Original assignee: Novventos Clean Energy Gmbh
Priority date: 2024-01-23
Filing date: 2024-01-23
Publication date: 2025-08-15

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem im Wesentlichen zylindrischen Rotor (30) mit einer senkrecht zur Anströmrichtung orientierten Drehachse (33), wobei am äußeren Umfang des Rotors (30) eine Leitvorrichtung (20) vorgesehen ist, die unabhängig vom Rotor (30) um die Drehachse (33) drehbar gelagert ist, wobei die Leitvorrichtung (20) Einströmöffnungen aufweist, und wobei ein Mittel vorgesehen ist, um die Leitvorrichtung (20) so zu drehen, dass die Einströmöffnungen in die Richtung des ankommenden Winds orientiert sind. Ein hoher Wirkungsgrad kann dadurch erreicht werden, dass die Leitvorrichtung (20) mehrere parallel angeordnete Fluten (23) aufweist, die sich gleichmäßig in Richtung des Rotors (30) verjüngen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem im Wesentlichen zylindrischen Rotor mit einer senkrecht zur Anströmrichtung orientierten Drehachse, wobei am äußeren Umfang des Rotors eine Leitvorrichtung vorgesehen ist, die unabhängig vom Rotor um die Drehachse drehbar gelagert ist, wobei die Leitvorrichtung Einströmöffnungen aufweist, und wobei ein Mittel vorgesehen ist, um die Leitvorrichtung so zu drehen, dass die Einströmöffnungen in die Richtung des ankommenden Winds orientiert sind.

Windkraftanlagen werden allgemein in zwei große Gruppen unterteilt: solche mit einem Rotor, dessen Drehachse parallel zur Windrichtung orientiert ist und solche mit einer Drehachse senkrecht zur Windrichtung. Die vorliegende Erfindung betrifft die zweite Gruppe von Windkraftanlagen, bei denen typischerweise ein säulenförmiger Rotor mit in Gebrauchslage senkrechter Achse dem Wind ausgesetzt ist.

Es ist bekannt, dass der Wirkungsgrad einer Windkraftanlage, deren Rotor direkt dem Wind ausgesetzt ist, relativ bescheiden ist. Der wirksame Querschnitt der Windkraftanlage ist durch das Produkt aus Höhe und Rotordurchmesser gegeben und somit ebenfalls limitiert.

Um den Wirkungsgrad zu erhöhen und den wirksamen Querschnitt zu vergrößern, sind verschiedene Lösungen entwickelt worden, bei denen der Rotor mit einer Leitvorrichtung umgeben ist, die die Luftströmung konzentrieren und in einer optimalen Weise auf den Rotor lenken. In den meisten Fällen sind diese Leitvorrichtungen zentralsymmetrisch ausgebildet und unbeweglich ausgeführt. Eine solche Lösung ist beispielsweise in der US 5,664,418 A beschrieben. Das hat den Vorteil, dass die Windkraftanlage unabhängig von der Richtung des ankommenden Winds betreibbar ist. Überdies wird der wirksame Querschnitt auf das Produkt aus Höhe und Durchmesser der Leitvorrichtung vergrößert. Allerdings bleibt der Wirkungsgrad beschränkt, da die Einströmung der Luft nur bei manchen Fluten der Leitvorrichtung optimal ist, bei anderen jedoch aufgrund des jeweiligen Winkels zwischen Windrichtung und Einströmöffnung stark verlustbehaftet ist.

Ähnliche Nachteile weist eine Windturbine auf, die in der US 5,083,899 A beschrieben ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Windkraftanlage der oben beschriebenen Art So zu verbessern, dass ein hoher Wirkungsgrad bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten erreicht wird.

Erfindungsgemäß werden diese obigen Aufgaben dadurch gelöst, dass die Leitvorrichtung mehrere parallel angeordnete Fluten aufweist, die sich gleichmäßig in Richtung des Rotors verjüngen. Wesentlich ist dabei, dass die Strömungsgeschwindigkeit zum Rotor hin kontinuierlich erhöht wird, ohne dass in nennenswertem Umfang Wirbel auftreten, die den Wirkungsgrad verschlechtern. Als gleichmäßige Verjüngung wird eine Ausgestaltung verstanden, bei der der Querschnitt der Fluten monoton abnimmt, wobei das Ausmaß der Abnahme annähernd konstant ist. Auf diese Weise kann bei höheren Windgeschwindigkeiten ein hoher Durchsatz erreicht werden, wodurch der nutzbare Bereich des Kennfelds vergrößert wird.

Der Rotor der Windkraftanlage ist beispielsweise mit starren Rotorblättern, deren Achsen parallel zur Drehachse des Rotors ausgerichtet sind, ausgeführt, wobei die Rotorblätter eine gekrümmte oder gerade Kontur aufweisen können. Der Rotorkern weist einen kreisförmigen Querschnitt auf, dessen Durchmesser in einem Bereich von 10 bis 90 % des Rotordurchmessers beträgt, vorzugsweise 40 bis 60 %, sodass die Strömungsleiteinrichtung und der Rotorkern zusammen eine definierte Aufteilung und Geschwindigkeitsbeeinflussung des einströmenden Luftstromes ermöglichen. Damit wird der einströmende Luftstrom nicht nur beschleunigt, sondern derart aufgeteilt, dass über einen weiten Umfangsbereich, vorzugsweise 90° bis 180°, Luft mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit auf die Rotorblätter auftrifft.

Es ist bevorzugt, dass die Fluten schneckenförmig gekrümmt sind. Durch diese Geometrie wird nicht nur eine gleichmäßige Verjüngung der einzelnen Fluten erreicht, es werden auch starke Krümmungen der Trennwände vermieden. Dies begünstigt die Erreichung hoher Wirkungsgrade bei unterschiedlichen Anströmgeschwindigkeiten.

Es hat sich als besonders günstig herausgestellt, wenn die Fluten Ausströmöffnungen aufweisen, die sich entlang eines Abschnitts der Umfangsfläche des Rotors erstrecken, und dass der Abschnitt etwa die Hälfte der Umfangsfläche ausmacht. Dadurch kann die Durchströmung des Rotors maximiert werden.

Es ist auch günstig, wenn die Verhältnisse der Querschnittsflächen der Einströmöffnungen der einzelnen Fluten zu den Ausströmöffnungen der jeweiligen Flut etwa gleich sind und wenn die Einströmöffnungen und/oder die Ausströmöffnungen der einzelnen Fluten etwa gleich groß sind. Damit wird eine gleichmäßige Beaufschlagung des Rotors gewährleistet.

Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn die Einströmöffnungen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Dadurch kann die gegenseitige Beeinflussung der Strömungen in den einzelnen Fluten minimiert werden.

Eine konstruktiv besonders günstige Lösung sieht vor, dass die einzelnen Fluten durch gekrümmte Trennwände begrenzt sind, die sich von den Einströmöffnungen der einzelnen Fluten bis zu den Ausströmöffnungen erstrecken. Insbesondere sollten dabei die Tangenten der Trennwände im Bereich der Ausströmöffnungen im Querschnitt mit den Tangenten an den Rotor im Bereich der jeweiligen Trennwand jeweils einen etwa gleich großen Winkel einschließen. Damit werden die Strömungen in den einzelnen Fluten unter im

Eine erste Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass der Rotor eine Nabe und mehrere sich von der Nabe radial nach außen erstreckende Schaufeln aufweist. Die Umströmung des Rotors erfolgt dabei um die zentrale Nabe herum.

In einer alternativen Ausführungsvariante der Erfindung weist der Rotor mehrere Flettner-Rotoren auf, die entlang seines Umfangs angeordnet sind. Es handelt sich dabei um im Wesentlichen zylindrische Rotoren, die senkrecht zu ihrer Drehachse angeströmt werden. Dabei wird der Magnus-Effekt benutzt, um ein Drehmoment zu generieren. Bei dieser Ausführungsvariante ist typischerweise keine zentrale Nabe vorgesehen. Allenfalls gibt es eine zentrale Welle aus Gründen der mechanischen Stabilität.

Es ist auch vorteilhaft, wenn der Rotor schlank ausgebildet ist. Schlank bedeutet in diesem Fall, dass der Durchmesser des Rotors deutlich kleiner ist als seine Länge, d.h. seine Höhe in Gebrauchslage. Das Verhältnis von Höhe zu Durchmesser liegt dabei typischerweise in einem Bereich zwischen 10:1 und 2:1.

Grundsätzlich ist es möglich, die Verdrehung der Leitvorrichtung durch ein Leitwerk zu verwirklichen, so wie dies etwa in der GB 2 513 674 A gezeigt ist. Es hat sich allerdings als günstiger herausgestellt, wenn die Leitvorrichtung durch einen Antriebsmotor verdrehbar ist. Dies bedeutet, dass die Windrichtung laufend gemessen wird und auf Basis der Messergebnisse der Antriebsmotor angesteuert wird. Dies ermöglicht eine schnellere und feinere Einstellung der Leitvorrichtung. Dadurch kann darüber hinaus auch bei Bedarf die Leitvorrichtung aus dem Wind gedreht werden, beispielsweise um Schäden bei Sturm zu vermeiden.

In der Folge wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Windkraftanlage gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Schrägansicht von oben;

Fig. 2. die Windkraftanlage von Fig. 1 in einer Schrägansicht von unten;

Fig. 4 eine Darstellung ähnlich Fig. 3 in einer Ansicht von vorne oben;

Fig. 5 eine schematische Draufsicht auf die Windkraftanlage von Fig. 1 bis 4; und

Fig. 6 ein Detail von Fig. 5.

Fig. 1 zeigt die Leitvorrichtung 20 zur definierten Aufteilung, Umleitung und Beschleunigung der Luftströmung, bestehend aus den seitlichen Begrenzungen 21, den Trennwänden 22, dem Gehäuseboden 24 und der oberen Gehäuseabdeckung 25. Mit 33 ist die Rotordrehachse angedeutet.

In der Fig. 2 ist zusätzlich ein Abschnitt der Rotorwelle 40 zu sehen, der beispielsweise mit einem nicht dargestellten Generator verbunden ist.

Die Fig. 3 und Fig. 4 zeigen die Leitvorrichtung 20, wobei insgesamt fünf Fluten 23 vorgesehen sind, die durch die Trennwände 22 voneinander getrennt sind und außen von den seitlichen Begrenzungen 21 begrenzt sind. Der Gehäuseboden 24 und die obere Gehäuseabdeckung 25 bilden die weiteren Begrenzungen der Fluten 23.

Ein Rotor 30 ist drehbar um die Achse 33 mit einem Lager 34 gelagert und weist eine Drehrichtung 30‘ auf. Konzentrisch zur Drehachse 33 ist ein zylinderförmiger Rotorkern 32 ausgebildet, auf dessen Umfang Rotorblätter 31 starr angeordnet sind.

Die Fig. 5 zeigt die erfindungsgemäße Windkraftanlage 1, wobei mit den Pfeilen 10‘ die Strömungen in den einzelnen Fluten 23 angedeutet sind. Aufgrund der Ausbildung der Fluten 23 mit verengenden Querschnittsverläufen kommt es zu einer Beschleunigung der Subluftströmungen 10‘ in Richtung Rotor 30, wobei die Subluftströmungen 10‘ mit erhöhter Geschwindigkeit auf die Rotorblätter 31 auftreffen.

Der Rotor 30 hat einen Außendurchmesser 31‘, der von den Rotorblättern 31

gebildet wird und der zylinderförmige Kern 32 hat einen Durchmesser von ca. 10 bis 90%, vorzugsweise ca. 40 - 60 %, des Außendurchmessers 31‘.

In Fig. 6 werden einige wichtige geometrische Verhältnisse erklärt. Die Einströmöffnungen 40 der einzelnen Fluten 23 liegen nebeneinander in einer gemeinsamen Ebene 44. Die Trennwände 22, die die Fluten 23 trennen, sind gleichmäßig gekrümmt und in Strömungsrichtung konvergent. Dadurch sind die Querschnittsflächen der Einströmöffnungen 40 größer als die der Ausströmöffnungen 41. Die Querschnittsflächen der Einströmöffnungen 40 ergeben sich aus dem Produkt ihrer Breite b (in Fig. 6 für eine Flut 23 beispielhaft dargestellt) mit der Höhe der Flut 23. Die Querschnittsflächen der Ausströmöffnungen 41 ergeben sich aus dem Produkt ihrer Breite c mit der Höhe der Flut 23. Das Verhältnis von b : c und damit der betreffenden Querschnittsflächen liegt typischerweise in einem Bereich von 1,5 : 1bis 5 : 1, vorzugsweise bei etwa 2 : 1.

Die Gesamtheit der Ausströmöffnungen 41 nehmen einen Abschnitt 42 der Umfangsfläche 43 des Rotors 30 ein, der etwa die Hälfte der Umfangsfläche 43 ausmacht.

Eine besonders effiziente Lösung wird erreicht, wenn die Winkel mit denen die

Trennwände 22, die die Fluten 23 trennen gegenüber dem Umfang des Rotors 30 etwa gleich sind. Genauer gesagt sind die Winkel 47, die von den jeweiligen

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In einer alternativen Ausführungsvariante der Erfindung weist der Rotor 30 anstelle der Rotorblätter 31 mehrere Flettner-Rotoren auf, und zwar mindestens zwei, vorzugsweise drei bis zehn, die entlang seines Umfangs angeordnet sind. Zur Erzeugung eines Drehmomentes auf den Rotor 30 aus der Luftströmung wird dabei der Magnus-Effekt genutzt, der darauf beruht, dass ein um seine Achse rotierender Körper, der senkrecht zu seiner Drehachse von einer Luftströmung angeströmt wird, einen komplexen Strömungsverlauf entlang des Umfanges des rotierenden Körpers erzeugt. Dabei teilt sich der auf den rotierenden Körper hinbewegende Luftstrom in zwei Sub-Strömungen auf und umfließt derart den rotierenden Flettner-Rotor, wobei jene Subströmung, die sich in dieselbe Richtung wie die an Oberfläche des rotierenden Körpers anhaftende Luftschicht bewegt lokal beschleunigt wird und dabei eine Verringerung der Dichte erfährt, während der auf der entgegengesetzten Seite befindliche anströmende Luftstrom der sich entgegen der an der Oberfläche des rotierenden Körpers anhaftenden Luftschicht bewegt, lokal verzögert wird und dabei eine Erhöhung der Dichte erfährt. Dieser Dichteunterschied bewirkt auf die Geometrie des rotierenden Körpers eine Differenzkraft, die als Magnus-Kraft bekannt ist. Diese Magnus-Kraft ist im Wesentlichen vergleichbar mit der Auftriebskraft (Lift) eines im Luftstrom befindlichen Tragflügels, dessen Auftriebskraft sich ebenfalls aus der Differenz der Luftdichten der Sub-Luftströmungen entlang der oberen und entlang der unteren Tragflügelgeometrie herleitet. Zusätzlich gibt es noch eine aerodynamische Widerstandskraft, die gegen die Richtung der auf den rotierenden Flettner-Rotor auftreffenden Luftströmung wirkt, ebenfalls vergleichbar mit der Widerstandskraft (Drag) eines Tragflügelprofils in einer Luftströmung. Dabei bewirkt die besondere Aufteilung der Luftströmung in der Leitvorrichtung, dass über einen weiten Umfangsbereich des Rotors 30, vorzugsweise in einem Bereich größer 90° bis 180° die Flettner-Rotoren Magnuskräfte erzeugen, die einen positiven Beitrag zur Drehmomenterzeugung bewirken. Zusätzlich wird auch in einem weiten Umfangsbereich des Rotors 30 die aerodynamische Widerstandskraft (Drag) der Flettner-Rotoren zur Drehmomenterzeugung genutzt.

Windkraftanlage mit einem im Wesentlichen zylindrischen Rotor (30) mit einer senkrecht zur Anströmrichtung orientierten Drehachse (33), wobei am äußeren Umfang des Rotors (30) eine Leitvorrichtung (20) vorgesehen ist, die unabhängig vom Rotor (30) um die Drehachse (33) drehbar gelagert ist, wobei die Leitvorrichtung (20) Einströmöffnungen (40) aufweist, und wobei ein Mittel vorgesehen ist, um die Leitvorrichtung (20) so zu drehen, dass die Einströmöffnungen (40) in die Richtung des ankommenden Winds orientiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitvorrichtung (20) mehrere parallel angeordnete Fluten (23) aufweist, die sich gleichmäßig in Richtung des Rotors (30) verjüngen.

Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluten (23) schneckenförmig gekrümmt sind.

Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluten (23) jeweils eine Ausströmöffnung (41) aufweisen, die sich entlang eines Abschnitts (42) der Umfangsfläche (43) des Rotors (30) erstrecken, und dass der Abschnitt (42) etwa die Hälfte der Umfangsfläche (43) ausmacht.

Windkraftanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verhältnisse der Querschnittsflächen der Einströmöffnungen (40) der einzelnen Fluten (23) zu den Ausströmöffnungen (41) der jeweiligen Flut (23) etwa gleich sind.

Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmöffnungen (40) und/oder die Ausströmöffnungen (41) der einzelnen Fluten (23) etwa gleich groß sind.

Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmöffnungen (40) in einer gemeinsamen Ebene (44) angeordnet sind.

Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Fluten (23) durch gekrümmte Trennwände (22) begrenzt sind, die sich von den Einströmöffnungen (40) der einzelnen Fluten (23) bis zu den Ausströmöffnungen (41) erstrecken.

9. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (30) eine Nabe (48) und mehrere sich von der Nabe radial nach außen erstreckende Schaufeln (49) aufweist.

10. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (30) mehrere Flettner-Rotoren aufweist, die entlang seines Umfangs angeordnet sind.

11. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (30) schlank ausgebildet ist.

12. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch

gekennzeichnet, dass die Leitvorrichtung (20) durch einen Antriebsmotor verdrehbar ist.

23.01.24 BA/iv

Claims

Windkraftanlage mit einem im Wesentlichen zylindrischen Rotor (30) mit einer senkrecht zur Anströmrichtung orientierten Drehachse (33), wobei am äußeren Umfang des Rotors (30) eine Leitvorrichtung (20) vorgesehen ist, die unabhängig vom Rotor (30) um die Drehachse (33) drehbar gelagert ist, wobei die Leitvorrichtung (20) Einströmöffnungen (40) aufweist, und wobei ein Mittel vorgesehen ist, um die Leitvorrichtung (20) so zu drehen, dass die Einströmöffnungen (40) in die Richtung des ankommenden Winds orientiert sind, wobei die Leitvorrichtung (20) mehrere parallel angeordnete Fluten (23) aufweist, die sich gleichmäßig in Richtung des Rotors (30) verjüngen, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (30) eine Nabe (48) und mehrere sich von der Nabe radial nach außen erstreckende Schaufeln (49) aufweist und dass die Einströmöffnungen (40) in einer gemeinsamen Ebene (44) angeordnet sind und dass die gesamte Querschnittsfläche der Einströmöffnungen (40) im Verhältnis zur angeströmten Rotor-Querschnittsfläche 150% bis 500% beträgt.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluten (23) schneckenförmig gekrümmt sind.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluten (23) jeweils eine Ausströmöffnung (41) aufweisen, die sich entlang eines Abschnitts (42) der Umfangsfläche (43) des Rotors (30) erstrecken, und dass der Abschnitt (42) etwa die Hälfte der Umfangsfläche (43) ausmacht.
Windkraftanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verhältnisse der Querschnittsflächen der Einströmöffnungen (40) der einzelnen Fluten (23) zu den Ausströmöffnungen (41) der jeweiligen Flut (23) etwa gleich sind.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmöffnungen (40) und/oder die Ausströmöffnungen (41) der einzelnen Fluten (23) etwa gleich groß sind.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Fluten (23) durch gekrümmte Trennwände (22) begrenzt sind, die sich von den Einströmöffnungen (40) der einzelnen Fluten (23) bis zu den Ausströmöffnungen (41) erstrecken.
16/17 ZULETZT VORGELEGTE ANSPRÜCHE
8. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (30) schlank ausgebildet ist.
9. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitvorrichtung (20) durch einen Antriebsmotor verdrehbar ist.

04.11.2024 BA/iv

17/17 ZULETZT VORGELEGTE ANSPRÜCHE