DD209878A5

DD209878A5 - Windenergieanlage fuer hohe leistung

Info

Publication number: DD209878A5
Application number: DD83250919A
Authority: DD
Inventors: Ernst Jaeckel
Original assignee: Ernst Jaeckel
Priority date: 1982-05-13
Filing date: 1983-05-13
Publication date: 1984-05-23
Also published as: GB2123487A; SE8302687L; GB8313096D0; GB2123487B; DE3218038A1; SE8302687D0; NL8301691A

Abstract

Die Windenergieanlage fuer hohe Leistung loest die technischen Probleme der Standfestigkeit, der Wirbelverluste in der Luft, des Kraftangriffes am laengsten Hebelarm trotz dessen der Windgeschwindigkeit ueberlegener Umlaufweggeschwindigkeit und des Auffangens hoechster Windgeschwindigkeiten ohne nennenswerte Brems- oder Reibungsverluste. Die schwere Hochleistungs-Dynamomaschine steht im Schwerpunkt der gesamten Anlage. Der Windstau in den einzelnen Treibfluegeln laesst die Windanschnittskanten der ihnen folgenden Treibfluegel im Gegenwirbel eines luftverduennten Raumes umlauf. Der Angriff des Windes auf die Windradflaeche wird gleichmaessig von der innen wirkenden reinen Schubkraftueber ein fluechtiges Wegdruecken der mittleren Treibfluegel zum aussen noch beschleunigenden Duesen-Rueckstrahlantriebe gesteigert, so dass die gesamte Windradflaeche mit sichlueckenlos ueberlappenden Treibfluegeln genutzt wird. Der Angriff hoechster Windbeschleunigungen wird federnd in einen erhoehten Windabstrom des Umlaufes umgesetzt und von einer elastischen elektronischen Leistungsabnahme aufgefangen.

Description

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Windenergieanlage für hohe Leistung Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie" und ist besonders für Hegionen mit stetigen Winden geeignet, kann aber alle Windstärken ausnutzen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist eine Vielzahl von Windkraftanlagen bekannt, die nach den verschiedensten Prinzipien aufgebaut sind. Alle gemeinsam haben aber den Nachteil, daß sie nicht bei allen Windstärken mit einem guten Ausnutzungsgrad arbeiten.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, den Mangel der schlechten Ausnutzung aller Windstärken zu beseitigen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Erfindung hat die Aufgabe, die Windenergie vollständiger als bisher in elektrische Energie umzuwandeln. Dementsprechend soll sie sich in ihrer Anwendung sowohl zur seglerischen Erfassung feinster Luftströmungen als auch für die sichere Verwertung höchster Windgeschwindigkeiten zur Speicherung für Zeiten der Piaute eignen,

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Windenergieanlage gelöst, deren Windrad mit vielen vorsegelartig zusammenwirkenden Flügeln in einer entsprechend stabilen Bauweise ausgestaltet ist.

Die mit dem Oberteil der Anlage fest verbundene Windfahne steuert das Windrad gleichbleibend so, daß der Wind senkrecht darauf trifft, es mittels der Treibflügel in Umlauf setzt und hinter ihm in einer dem Umlauf entgegengesetzten Richtung abströmt. Dieses Durchströmen als Umlaufsantrieb für die ganze Windradfläche wirksam werden zu lassen, ist die Besonderheit der Erfindung·

Obwohl am äußeren Badkranz die Umlaufweggeschwindigkeit der Flügel so groß ist, daß sie die normalen Windgeschwindigkeiten übertrifft und diesen gewissermaßen davonläuft, wird gerade dort auch eine gleichwertige Antriebswirkung der Windkraft erstrebt, weil der Wind dort am längsten Hebelarm arbeitet. Dort sind daher auch die sich von innen nach außen kreissektorförmig verbreiternden Treibflügelflachen am größten« Die hohe Zahl der einander überlappenden Treibflügel sorgt dafür, daß die gesamte Windangriffsfläche zur Umlaufbeschleunigung des Windrades genutzt wird.

Durch die vorsegelartige Anbringung der Treibflügel läuft jeder von ihnen in dem luftverdünnten Raum, den ihm vor der eigenen Windanschnittskante der vor ihm umlaufende Treibflügel verschafft. In dessen Hohlfläche staut sich der Windstrom seitwärts, so daß unmittelbar neben diesem seitwärts gestauten Windstrom ein luftverdünnter Raum entsteht, in welchen der nächste Treibflügel hineinstößt. Mit der Bodenplatte des Oberteils fest verbunden ist die große Hoch-

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leistungsdynamomaschine, die an dieser Stelle einer .Topplastigkeit der Anlage entgegenwirkt, indem sie im Schwerpunkt der gesamten Anlage angebracht ist. Die Magnet- oder Ankerwicklungen des Dynamos sind so aufgegliedert, daß sich einzelne Teile davon mit dem Anwachsen oder Absinken der der Windstärke entsprechenden Umdrehungszahl automatisch zu- oder abschalten und mit solcher automatischen Erhöhung oder Minderung der Kraftabnahme dem Windrad ein Durchrasen bei Sturm oder Stehenbleiben bei Flaute ersparen·-Die Dynamomaschine sollte deshalb in ihrer Leistung so hoch ausgelegt werden, daß sie auch bei Spitzenanforderungen höchster Windstärken nicht überlastet wird»

Das aus Leichtmetall gefertigte Windrad hat so viele Speichen, wie es auf ihnen am äußeren Badkranz drehbare, sich vorsegelartig ergänzende Treibflügel unterbringen kann.

Die Speichen des großen Windrades sind zwischen dem inneren Trägerrad und dem äußeren Badkranz im Badius-Abstand von etwa zwei Metern fest mit weiteren Badkränzen verbunden, welche die Speichen in entsprechende Teilspeichen teilen, auf denen entsprechende Teiltreibflügel zu beiden Seiten in den Badkränzen in der Weise federnd gelagert sind, daß eine kreissektorförmig vierkantige Nase an der Flügelkante in einer kreissektorförmigen Ausnehmung der Innenkante des Badkranzes gleitet und in dieser Ausnehmung durch eine verspannbare Feder nach dem Windrade zu festgehalten wird.

Zur Anpassung der Windeinwirkung an die Umlaufweggeschwindigkeit der verschiedenen Achsenabstände des Windrades sind_v die mehrgeteilten Antriebsflügel so in sich selbst verwunden

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und in dieser Verbindung als Grundstellung ihrer Halte-Zugfedern festgehalten, daß der von den Windflügelteilen und der Windradfläche gebildete Winkel an dem inneren Trägerrad mit 45° am größten ist und von da nach außen hin gleichmäßig bis zu einer Fast-Parallelstellung zum Windrad abnimmt·

Die sich überlappenden Teibflügel kommen einander in ihrer Fast-Parallelstellung zum Windrad derart nahe, daß der Windstau im davor umlaufenden Treibflügel durch eine, düsenartige Verengung zwischen den ireibflügein abströmen und dadurch als ein zusätzlich beschleunigender Sückstrahlantrieb für das Windrad wirksam werden muß·

Die Treibflügel werden durch plötzliche Sturmböen gegen die Kraft ihrer Haltefedern aus ihrer Grundeinstellung zum Windrad hinausgedrückt, damit ein vermehrter Abstrom entsteht, bis die ümlaufbeschleunigung des Windrades dem gleichen vermehrten Abstrom bewirkt hat und die gespannten Federn mit dem Übergang der Windbeschleunigung in die.erhöhte Windgeschwindigkeit die geöffneten Treibflügel wieder in die Feder- und Treibflügel-Grundeinstellung zurückziehen·

Wie bei der Honnef-Turbine bestimmt daher nicht die Umdrehung der Achse, sondern diejenige des äußeren Radkranzes des Windrades die Höhe des Kraftlinienabschnittes und damit die Leistung der Dynamomaschine, indem der äußere Badkranz selbst zwar nicht selber an der Funktion der Dynamomaschine teilhat, deren Achse aber unmittelbar mechanisch antreibt·

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Die Nutzung höchster Windstärken zur Spitzenerzeugung elektrischer Energie wird durch deren unmittelbare Abgabe zum Verbrauch, insbesondere zur Speicherung für Zeiten der Flaute erreicht. Diese Speicherung geschieht durch die Abgabe an Elektrolyseure zur Wasserstoffgewinnung für einen Wasserstoff-Dynamoantrieb oder durch die Abgabe an eine Tauchsieder-Aufheizung von Moltopren-Wasserbehältern zur Vererhitzung eines Dampf-Turbodynamos·

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1: die Windenergieanlage in Vorderansicht} Fig. 2: die Windenergieanlage in Seitenansicht;

Fig. 3: von der Nabe aus gesehen je einen Querschnitt durch einen Außenflügel ganz außen und einen Innenflügel ganz innen in deren Flügel- und Haltefeder-Grundeinstellung.

Die Anlage besteht aus dem bodenfesten Unterteil 1 und dem drehbaren Oberteil 2 mit dem Windrad 3« Sie eignet sich vorzugsweise zur Aufstellung an der Meeresküste der norddeutschen Tiefebene, auf den bewaldeten Höhen der Mittelgebirge oder auf den freien Hochebenen der Alpen zur Gemeinschaftsversorgung von Dörfern oder Stadtteilen.

Der Turmunterteil 1 besitzt weit ausgreifende Trägerfüße 4·, die tief in den Boden oder in den felsigen Untergrund ein-

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betoniert sind. Diese Eüße 4- tragen eine massive Plattform 5» in welcher eine runde drehbare Bodenplatte 6 des Oberteils 2 der Anlage mit dem Windrad 3 in stabilen Kugel- oder Kunststofflagern 7 gegen jede Verkantung sicher gelagert ist.

Die Plattform 5 cles bodenfesten Unterteiles 1 der Anlage ist so hoch, daß sie eben über die Wipfel des Waldes hinwegragt· So können die Wipfel mit ihrer Neigung den Wind nach oben ablenken und voll auf den unteren Teil des Windrades auftreffen lassen, damit dieser Unterteil dem oberen Teile des Windrades 3 gegenüber nicht benachteiligt ist· Der Wald sollte deshalb auch unter der Plattform 5 &^Qs Unterteiles der Anlage bestehen bleiben oder nachwachsen dürfen.

Über der drehbaren Bodenplatte 6 erhebt sich der parallel zur Achse des Windrades 3 stromlinienförmig gebaute Turm 8 des Oberteiles 2 der Anlage· In dessen massiven obersten Teil ist die Windradachse 9 in Kugel- oder Kunststofflagern 10 gegen jede Verkantung gesichert eingebaut»

Die sich nach außen verbreiternden Treibflügel 11 sind vogelflügelartig mit einer dicken Windanschnittskante 12 versehen, hinter deren Wulst der Wind an der ihm leicht entgegengewölbten Flügelfläche entlang gleitet und in der Drehrichtung des Windrades eine Schubkraft erzeugt.

Die Wülste der Windanschnittskante 12 der Flügel sind hohl und lagern mit diesem Hohlraum drehbar auf"den Speichen 13 des Windrades als ihren Achsen. Diese Hohlräume sind ausge— schäumt und dadurch geräuscharm. Die Flügelwulste sind auf den speichenartigen Achsen in Kunststoff* gelagert und dadurch wartungsfrei.

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Die beispielsweise dreigeteilten Antriebsflügel sind so in sich selbst verwunden und werden so in dieser Verwendung als Grundstellung ihrer Haltefedern festgehalten, daß der von den Flügelflächen und der ?/indradfläche gebildete Winkel an dem inneren Trägerrade mit 45° am größten ist und von da nach außen hin gleichmäßig bis zu einer Fast-Parall eist ellung zum "Wandrade abnimmt. So kann die Windgeschwindigkeit der Umlaufweggeschwindigkeit des Windrades angepaßt werden.

Der von innen nach außen wachsenden Umlaufwegbeschleunigung entspricht so eine von innen nach außen wachsende Beschleunigung der Windgeschwindigkeit. Dieses Wachsen beginnt bei der im Maße der Schubkraft abgebremsten Windgeschwindigkeit am inneren Trägerrade, steigert sich als Minderung dieser Abbremsung um das Entlanggleiten an der Hohlfläche der mittleren Tragflügel und geht nach außen zu in eine Beschleunigung der Windgeschwindigkeit selbst über.·

Die sich überlappenden Treibflügel kommen nach außen hin einander in ihrer I?ast-Parallelstellung zum Windrad derartig nahe,^rdaß der Windstau im davor liegenden Treibflügel durch eine düsenartige Verengung zwischen den Treibflügeln abströmen und dadurch als ein zusätzlich beschleunigender Bückstrahlantrieb für das Windrad wirksam werden muß. Beim Segeln hart am Wind wird eine solche Düsenwirkung mit Hilfe von senkrecht zum Achterliek in die Segel eingeführten Lat~. ten angestrebt. .

So steigert sich die Antriebswirkung der von innen nach außen wachsenden UmlaufWeggeschwindigkeit entsprechend von der reinen Schubkraft für die inneren Treibflügel zum lau-

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fenden Anstoße, der auch die schneller vorübergleitenden Treibflügel seitlich wie schiefe Ebenen wegdrückt, bis zum auch die schnellsten äußeren Treibflügel noch beschleunigenden Düsen-Rückstrahlantriebe. So wird der die Windradfläche treffende Wind von seinem Zustrom über das konische innere Trägerrad bis zur Beschleunigung noch des relativ schnellsten äußeren Radkranzes in Umlaufgeschwindigkeit .des Windrades umgesetzt, die von einer entsprechend hohen elektrischen Leistung aufgefangen werden muß.

Ss ist deshalb von Bedeutung, daß eine unmittelbare mechanische Saergieabnahme am äußeren Radkranz in einfachster Form in das Arbeitsmaß des Kraftlinienschnittes in der Dynamomaschine 14· übergehen und dieses als elektrische Leistung abführen kann.

Die ständige Belastung des Umlaufmomentes des Windrades verlangsamt dessen Fähigkeit, sich plötzlichen Böen durch Umlaufbeschleunigung anzupassen und den Wind damit entsprechend stärker abströmen zu lassen.

Plötzliche Sturmböen drücken deshalb die Treibflügel gegen die Kraft ihrer Haltefedern aus ihrer Grundstellung zum Windrad hinaus - bei Orkan bis in die I?ast-Senkrechtstellung zum Windrad -, um sich einen vermehrten Abstrom zu verschaffen, bis die Umlaufbeschleunigung des Windrades den gleichen vermehrten Abstrom erwirkt hat. Mit dem Übergang der Windbe— schleunigung in die erhöhte Windgeschwindigkeit ziehen die gespannten Pedern die geöffneten Treibflügel allmählich wieder in die Feder- und Treibflügel-Grundeinstellung zurück. So kann das Windrad auch Orkanböen elastisch abfangen.

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Diese Pedernachgibigkeit entspricht der Handfübrung der Schot eines Segels» Die Trägheit des im Wassergebremsten Bootes entspricht der Bremseirkung der Windraddrehung duroh den die ständige elektrische Leistung erzeugenden Kraftlinienschnitt in der Dynamomaschine 14·

Der hohe Kraftlinienschnitt der Hochleistungsdynamomaschine 14 sorgt außerdem mit deren Antriebswelle bei einer Einschaltung mit allen Wicklungen dafür, daß das Windrad bei Windstille abgebremst werden kann· Diese Äbbremsung kann noch dadurch verstärkt -werden, daß zu beiden Seiten der Dynamoantriebswelle aus der Plattform des Unterteils der Anlage je ein schwerer Bremklotz mit einem Schneckengewinde hochgefahren und gegen den äußeren Radkranz des Windrades gepreßt wird.

Die Windfahne ist mit einem aus- und einrastenden Drehgelenk versehen, damit sie als Sicherung gegen ein plötzliches Horizontal-Schwenken des Oberteils der Anlage bei Windrichtung sander ung en nach unten geholt und an der Plattform des Unterteils festgezurrt werden kann»

Weitere Festsetzungsmöglichkeiten der beweglichen Anlage dürften sich erübrigen, da die Anlage völlig wartungsfrei arbeitet und jahrelang ohne menschliches Zutun laufen kann.

Sin übermäßiger Windraddurchmesser wirkt nicht mehr entscheidend zur Leistungsvermehrung mit, da auch die düsenartige Beschleunigung des Windes am äußeren Radkranz begrenzt ist» Sine weitere Leistungssteigerung muß dann durch die Vermehrung der Zahl der Windenergieanlagen erreicht werden.

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Die weitestgehende Nutzung der vollen Angriffsfläche des Windes setzt eine hohe Zähigkeit und Bruchfestigkeit des Materials der gesamten Anlage voraus, was bei einem Windraddurchmesser von 16 Metern durchaus sichergestellt werden kann. Anderenfalls lohnt es sich, die Energieversorgung auf mehrere gleichartige Windenergieanlagen zu verteilen.

Die Hochleistung der Anlage ist also dadurch gekennzeichnet, daß sie durch die Gestaltung der Y/indradfläche den gesamten sie treffenden Wind nutzt, indem die Anlage die Flügel nicht in bremsenden Wirbeln, sondern im luftverdünnten Räume uew laufen läßt, ohne sie nach außen hin dem Winde davonlaufen zu lassen· Das wird dadurch erreicht, daß z* B. der Noah-Windenergieanlage gegenüber

1) etwa 80 anstelle von 6 Rotorflügeln die Schubkraft des Windes nutzen,

2) die nach außen breiter werdenden Flügel die Hauptschubkraft des Windes auch am günstigsten Hebelarm einwirken lassen,

3) die einzelnen Flügel nicht in irgendwelchen durch die davor umlaufenden Flügel verursachten Wirbeln, sondern in einem durch deren Strömungslenkung geschaffenen luft— verdünnten Baum umlaufen und

A-) die Verdrehung der Flügel in sich selbst nach außen hin bis zu ihrer Fast-Berührung führt und so die Windgeschwindigkeit mit günstiger werdendem Hebelarm zum Düsen-Rückstrahlantriebe steigert.

Aus dieser Tatsache der Nutzung der gesamten Windradfläche errechnet sich die zu fordernde Mindestleistung der Dynamomaschine, welche auf zwei nebeneinander stehende, einander im Bedarfsfall automatisch ergänzende Maschinen verteilt werden sollte.

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Die in der folgenden Tabelle errechnete Leistung der Windenergieanlage beruht allein auf der vollständigen Nutzung der Windangriffsfläche, Sie ist als Mindestleistung anzusehen, was bei der Auslegung der Dynamomaschine zu berücksichtigen ist. Es ist möglich und durchaus wahrscheinlich, daß die Faktoren des Umlaufes im luftverdünnten Baum und des Hückstrahlantriebes am günstigsten Hebelarm mit der Uutzungsberechnung der gesamten Windradfläche allein noch nicht genügend berücksichtigt worden sind· Die Praxis des Betriebes kann eine beachtlich höhere Leistung ergeben·

Claims

Al·

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Brfindungsanspruch

-Air hohe lästu.f)9
1. Windenergieanlage eg, gekennzeichnet dadurch, daß ein Windrad mit vielen vorsegelartig zusammenwirkenden !Flügeln in einer entsprechend stabilen Bauweise ausgestattet ist.
2. Windenergieanlage nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die vorsegelartige Anbringung der Treibflügel jeden von ihnen in einem luftverdünnten Raum umlaufen läßt, den ihm vor der eigenen Windanschnittskante der vor ihm uml auf ende*· Treibflügel verschafft.
3. Windenergieanlage nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Dynamomaschine nicht in Höhe der Windradachse, sondern im Schwerpunkt der gesamten Anlage angebracht ist,

.4. Windenergieanlage nach Punkt 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Magnet- und/oder Ankerwicklungen der Dynamomaschine so aufgegliedert sind, daß sie sich in' Teilen davon mit dem Anwachsen oder Absinken der der jeweiligen Windstärke entsprechenden Umdrehungszahl des Windrades automatisch zu- oder abschalten.

5» Windenergieanlag.e nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Windrad so viele Speichen hat, wie auf ihnen am äußeren Badkranze drehbare, sich vorsegelartig ergänzende Treibflügel untergebracht werden können.
6. Windenergieanlage nach Punkt 1, 2 und 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Speichen zwischen dem inneren Trägerrad und dem äußeren Radkranz mit mindestens einem Hadkranz verfestigt sind, zwischen denen sich - den Speichenabstän-

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den entsprechend - nach, innen verschmälernde Treibflügelteile auf den Speichen zu beiden Seiten des Kadkranzes mit je einer der Windkraft entgegen wirkenden Zugfeder gelagert sind·

Windenergieanlage nach Punkt 1, 2, 5 und 6, gekennzeichnet dadurch, daß zur Anpassung der Windeinwirkung an die Umlaufweggeschwindigkeit der verschiedenen Achsenabstände des Windrades die mehrgeteilten Antriebsflügel so in sich selbst verwunden sind und in dieser Verbindung als Grundstellung ihrer.Halte-Zugfedern festgehalten werden, daß der von den Windflügelteilen und der Windradfläche gebildete Winkel an dem inneren Trägerrad mit 45° am größten ist und von da nach "außen hin gleichmäßig bis zu einer ast-Paralielstellung zum Windrad -abnimmt·
8. Windenergieanlage nach Punkt 1,2 und 5 bis 7» gekennzeichnet dadurch, daß die sich überlappenden Treibflügel einander in ihrer Fast-Parallelstellung zum Windrad derart nahekommen, daß der Windstau im davor umlaufenden Treibflügel durch eine düsenartige Verengung zwischen den Treibflügeln abströmen und dadurch als ein zusätzlich beschleunigender Rückstrahlantrieb für das Windrad wirksam werden muß.

9· Windenergieanlage nach Punkt 1, 2 und 5 bis 8> gekennzeichnet dadurch, daß die Treibflügel durch plötzliche - Sturmböen gegen die.Kraft ihrer Haltefedern aus ihrer Grundeinstellung zum Windrad hinausgedrückt werden, damit ein vermehrter Abstrom entsteht, bis die Umlaufbeschleunigung des Windrades den gleichen vermehrten Abstrom.bewirkt hat und die gespannten Federn mit dem. Übergang der

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Windbeschleunigung in die erhöhte Windgeschwindigkeit die geöffneten Treibflügel.wieder in die Feder- und Treibflügel-Grundeinstellung zurückziehen. "

10· Windenergieanlage nach Punkt 1, 3> 4 uncl 8, gekennzeichnet dadurch, daß nicht die Umdrehung der Achse, sondern diejenige des äußeren Badkranzes des Windrades die Höhe des Kraftlinienschnittes und damit die Leistung der Dynamomaschine bestimmtj indem diese vom äußeren Badkranze des Windrades unmittelbar mechanisch angetrieben wird*

11, Windenergieanlage nach-Punkt 1 bis 10, gekennzeichnet dadurch, daß die Hutzung höchster Windstärken zur Spitzenzeugung elektrischer Energie durch deren unmittelbare Abgabe an Elektrolyseure zur Wasserstoffgewinnung für, einen Wasserstoffdynamoantrieb oder an eine Tauchsieder-Aufheizung von beispielsweise Moltopren-Heißwasser*- behältern als Yorerhitzung eines Dampf-Turbodynamos für Zeiten der Flaute erreicht wird.

Hierzu 3 Seiten Zeichnung