DE20102751U1 - Schalenstern-Anemometer - Google Patents

Description

GLAWE, DELFS, MOLL S RA¹RTNER / PATENTANWÄLTE

1. Walter Wilmers, Hamburg

2. Mustafa Burg, Hamburg

3. Teyfik Tabak Hamburg

.1 ···· ZUGEtj»SSENE**RTRETER BEIM EUROPAISCHEN PATENTAMT

RICHARD GUWVE, Dr.-lng. (1952-1985)

KLAUS DELFS, Dipl.-lng., Hamburg

WALTER MOLL, Dipl.-Phys. Dr. rer. nat, München

HEINRICH NIEBUHR, Dipl.-Phys. Dr. phil. habil., Hamburg

ULRICH GLAWE, Dipl.-Phys. Dr. rer. nat., München

BERNHARD MERKAU, Dipl.-Phys., München CHRISTOF KEUSSEN, Dipl.-Chem. Dr. rer. nat., Hamburg

Postfach 26 01 62 80058 München

Liebherrstraße 20 80538 München

Tel. (089) 22 46 65 Telefax (089) 22 39 38 (G3) Telex 5 22 505

Postfach 13 03 91 20103 Hamburg

Rothenbaumchaussee 58 20148 Hamburg

Tel. (040)4 10 20 08

Telefax (040) 45 89 84 (G4.G3)

HAMBURG,

WILWO2IUDE N/at

Schalenstern-Anemometer

Die Erfindung betrifft ein Schalenstern-Anemometer mit mehreren halbseitig offenen Hohlkörpern, die in gleichmäßigen Winkelabständen an einer Achse und in gleichen Abständen von derselben angeordnet sind, wobei die Öffnungsflächen der Hohlkörper parallel zur Achse sind, und mit einer zylindrischen Säule, in der die Achse koaxial und drehbar gelagert ist.

Solche Schalenstern-Anemometer oder Windgeschwindigkeitsmesser werden zum Messen der Windgeschwindigkeit verwendet. Das Schalenstern-Anemometer wird in den Luftstrom gehalten, dessen Geschwindigkeit gemessen werden muß. Der Wind greift dabei in die offenen Hohlkörper ein und übt auf diese eine größere Kraft aus als auf die geschlossene Fläche der Hohlkör-

Dresdner Bank AG Ha^ibtirj|.Q4 030.448 ÖQ^BLZfeOO 8&thgr;&thgr;*&Ogr;&bgr;£·· Postbank«Hamberg 147&bgr;"&thgr;7-·2&Ogr;&Oacgr; (BLZ 200 100 20)

per, die strömungsgünstig ausgebildet ist. Dadurch werden die Hohlkörper mit der Achse in Drehung versetzt. Die Drehgeschwindigkeit ist dabei ein Maß für die Windgeschwindigkeit.

Solche Schalenstern-Anemometer werden für meteorologische Zwecke, auf Flughäfen, auf Segeljachten und dergleichen verwendet, wo es normalerweise auf die Genauigkeit nicht besonders ankommt und man Ungenauigkeiten von mindestens einigen bis zu 5 oder 10 % ohne weiteres in Kauf nehmen kann. Sehr genaue Messungen der Windgeschwindigkeiten sind aber für die Aufstellung von Windkraftwerken erforderlich. Hier hat es sich gezeigt, daß die Schalenstern-Anemometer zwar im Windkanal genauer als bis auf 1 % kalibriert werden können, draußen aber bei der praktischen Verwendung einen Fehler von bis zu 5 % aufweisen. Dieser Fehler ist für Windenergieanwendungen bei weitem zu groß. Er beruht auf Schwankungen der Vertikalkomponente des Windes infolge Turbulenzen, daß also der Wind nicht genau horizontal auf das Schalenstern-Anemometer trifft. Die Vertikalkomponente kann dabei im ebenen Gelände ± 0 5° betragen, während im nicht ebenen Gelände (z. B. im Gebirge) diese Vertikalkomponente bis zu 15° betragen kann. Die Frage ist in solchen Fällen, was man messen will.

Eine erste Alternative ist es, nur die Horizontalkomponente zu messen. Dahinter steckt der Gedanke, daß das Windkraftwerk im wesentlichen nur die Horizontalkomponente des Windes verwertet. Tritt also der Wind aufgrund von Turbulenzen, die auch im ebenen Gelände auftreten, oder aufgrund der Landschaftsstruktur nicht horizontal auf das Schalenstern-Anemometer auf, so wird in diesem Fall nur die Horizontalkom-

ponente der Geschwindigkeit gemessen, d. h. die Windgeschwindigkeit multipliziert mit dem Kosinus des Winkels, den die Windrichtung mit der Horizontalen macht. Eine zweite Alternative besteht darin, daß das Schalenstern-Anemometer die Windgeschwindigkeit unabhängig von dem Winkel messen soll, mit dem der Wind auf das Schalenstern-Anemometer auftritt. Der Gedanke, der dahinter steckt, ist, daß die Windkraftanlage den ganzen Vektor verarbeitet. In diesem Falle ist die Funktion der gemessenen Winkelgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Winkel eine Gerade.

Der Hersteller eines Schalenstern-Anemometers muß nun einerseits angeben und sein Instrument entsprechend konstruieren, daß entweder die Horizontalkomponente (Alternative 1) oder die Winkelgeschwindigkeit unabhängig vom Winkel (Alternative 2) gemessen wird. Für die erste Alternative werden kegelförmige Hohlkörper, für die zweite Alternative werden halbkugelförmige Hohlkörper verwendet. Bei diesen wird durch das Anströmen mit Wind auch von oben oder unten eine Saugwirkung 0 erzeugt, wie man sie von der Oberfläche von Tragflächen von Flugzeugen kennt, so daß auch bei vertikaler Anströmung der Windgeschwindigkeitssensor noch das Vorhandensein von Wind dadurch anzeigt, daß sich die Achse mit den Hohlkörpern dreht. Die Hersteller versuchen nun ihre Schalenstern-Anemometer so zu konstruieren, daß sie möglichst genau die Windgeschwindigkeit entsprechend der ersten oder zweiten Alternative messen.

Das Problem dabei ist, daß zwar eine recht gute Übereinstimmung mit den theoretischen Werten bei der Anströmung von unten gegeben ist, dies aber nicht bei der Anströmung von oben

der Fall ist. Die Winkelbereiche, in denen die Übereinstimmung mit den theoretischen Werten aber gut sein sollte, sollte mindestens ± 20° sein.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Schalenstern-Anemometers, mit dem mit wesentlich größerer Genauigkeit die Windgeschwindigkeiten auch dann gemessen werden können, wenn der Wind nicht genau horizontal weht.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß das Schalenstern-Anemometer ein mit Achse und Säule koaxiales zylindrisches Element aufweist, das sich auf der der Säule entgegengesetzten Seite der Befestigungspunkte der Hohlkörper bis über dieselben hinaus erstreckt.

Die Säule mit der darin angeordneten Achse und der oben angeordneten Nabe, an dem die Hohlkörper angebracht sind, endet also nicht in dieser Nabe mit den Befestigungspunkten der Hohlkörper. Vielmehr ist das Schalenstern-Anemometer in Rich-0 tung über diese Befestigungspunkte mit einem zylindrischen Element verlängert, das bei der normalen Arbeitsstellung des Schalenstern-Anemometers nach oben reicht. Dieses zylindrische Element erstreckt sich auch über die Hohlkörper hinaus. Durch eine solche einfache Maßnahme kann nun erstaunlicherweise und in nicht hervorsehbarer Weise die Winkelabhängigkeit der Windgeschwindigkeitsmessung wesentlich näher an die theoretische Kurve (Kosinusfunktion bei der ersten Alternative, Gerade bei der zweiten Alternative) angepaßt werden. Warum dies der Fall ist, muß im wesentlichen vermutet werden.

Vermutlich hängt es aber mit der Tatsache zusammen, daß die

Umgebung der Hohlkörper, wo die Messung durchgeführt wird, einer symmetrischen Umgebung besser angenähert ist als ohne das zylindrische Element. Dabei hat es sich aber gezeigt, daß eine vollständige Symmetrie nicht erstrebenswert ist, so ist das zylindrische Element bei vorteilhaften Ausführungsformen, wie dies weiter unten noch ausgeführt werden wird, im wesentlichen dicker und kürzer als die Säule ist.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist das zylindrische Element unverdrehbar mit der Säule verbunden. Es bildet also eine Verlängerung der Säule. Konstruktiv einfacher ist aber eine vorteilhafte Ausführungsform, bei der das zylindrische Element mit der Achse verbunden ist und zusammen mit derselben und dem Hohlkörper drehbar ist. In diesem Falle ist das zylindrische Element eine Fortsetzung der Nabe, an dem die Hohlkörper angebracht sind und die oben auf der Säule angeordnet ist.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, daß sich das 0 zylindrische Element über das Zwei- bis Fünffache der Strecke erstreckt, die dem vertikalen Abstand der Befestigungspunkte bis zum in Richtung von der Säule weg weitesten Teil der Hohlkörper entspricht. Insbesondere wird zweckmäßigerweise vorgesehen, daß sich das zylindrische Element über das ungefähr 3-fache der Strecke erstreckt, die dem vertikalen Abstand der Befestigungspunkte bis zum in Richtung von der Säule weg weitesten Teil der Hohlkörper entspricht.

Vorteilhafterweise ist der Durchmesser des zylindrischen EIements größer als derjenige der Säule, und zwar insbesonder ungefähr 20 bis 40 % größer als derjenige der Säule. Die Lan-

ge des zylindrischen Elements ist zweckmäßigerweise kleiner als diejenige der Säule. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungform beträgt die Länge des zylindrischen Elements ungefähr 40 bis 80 % der Länge der Säule. Die Säule kann aber auch wesentlich länger sein, was dann allerdings die Baugröße des Schalenstern-Anemometers in möglicherweise unerwünschter Weise erhöht.

Bei einer sich als besonders zweckmäßig herausgestellten Ausführungsform beträgt die Länge und das Durchmesser der Säule ungefähr 120 mm bzw. 16 mm, die Länge und der Durchmesser des zylindrischen Elements ungefähr 100 mm bzw. 20 mm, der Durchmesser der Hohlkörper in Richtung der Achse ungefähr 65 mm und der Abstand der Hohlkörper von der Achse bzw. einer Nabe derselben ungefähr 10 mm. Es hat sich als sehr zweckmäßig erwiesen, daß das distale Ende des zylindrischen Elementes abgerundet ist, damit hier der Wind nicht an scharfen Kanten vorbeitstreichen muß, was zu Verwirbelungen führen würde.

Wenn die Hohlkörper kegelförmig sind, so erhält man für einen recht großen Winkelbereich im wesentlichen die Kosinusabhängigkeit der Alternative 1; es wird also im wesentlichen nur die horizontale Geschwindigkeitskomponente gemessen. Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform sind die Hohlkörper 5 halbkugelförmig. In diesem Falle wird über einen verhältnismäßig großen Winkelbereich der Windrichtung nach oben oder nach unten die Windgeschwindigkeit gemäß Alternative 2 gemessen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in perspektivischer Ansicht ein Schalenstern-Anemometer des Standes der Technik;

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Schalenstern-Anemometers; und
10

Fig. 3 theoretische und tatsächliche Meßkurven für Schalenstern-Anemometer als Funktion des Anströmwinkels gegenüber der Vertikalen.

Das Schalenstern-Anemometer des Standes der Technik der Fig. 1 weist einen Sockel 1 auf, in dem ein Sensor für die Drehzahlmessung und ggf. wenigstens ein Teil der Auswerteelektronik angeordnet ist. Von dem Sockel 1 erstreckt sich nach oben eine Säule 2, auf der oben eine Nabe 3 angeordnet ist, die mit einer nicht sichtbaren Achse verbunden ist, die sich durch die Säule 2 bis zum Drehzahlsensor im Sockel 1 erstreckt. Diese Achse und/oder die Nabe 3 sind durch geeignete an sich bekannte Mittel gelagert. An der Nabe 3 sind drei halbkugelförmige Hohlkörper 4 mit Hilfe von Streben 5 angebracht. Die offenen Seiten 6 zeigen dabei alle in den gleichen Drehsinn, hier die Uhrzeigerrichtung. Blaßt Wind von irgendeiner Richtung, so dringt er in die Öffnungen 6 ein, wo er einen größeren Widerstand erfährt als auf den halbkugelförmigen Oberflächen auf der anderen Seite, so daß die Nabe mit der Achse und den Hohlkörpern in Drehung versetzt wird, wobei die Drehgeschwindigkeit von der Windgeschwindigkeit ab-

hängt. Auf diese Weise kann die Windgeschwindigkeit bestimmt werden. Kommt der Wind nicht genau horizontal, trifft er also nicht direkt unter einem Winkel von 0° auf die Säule 2 und die Achse, so ist die Horizontalkomponente um den Kosinus des Winkels kleiner. Andererseits wird aber die Außenwölbung der Hohlkörper 4 ähnlich wie bei einer Tragfläche umströmt, was eine Saugwirkung erzeugt, die in derselben Richtung wirkt wie der Winddruck auf die Öffnungen 6. Deswegen ist das Schalenstern-Anemometer zumindestens theoretisch bis zu einem gewissen Grade unabhängig von der Anströmrichtung und mißt die absolute Windgeschwindigkeit. Dies gilt aber nur sehr bedingt. In Fig. 3 ist die Abweichung der gemessenen Umdrehungsfrequenz von derjenigen bei horizontaler Anströmung in Prozenten für ein als besonders genau angesehenes Schalenstern-Anemometer des Standes der Technik mit I bezeichnet. Wie man sieht erhält man eine recht gute Annäherung an die theoretische Gerade II (Unabhängigkeit der Windgeschwindigkeitsmessung von der Anströmrichtung) wenigstens im Bereich von 110° (Anströmung schräg von unten) bis 80° (Anströmung schräg von oben). Bei einer Winkelabweichung von mehr als 10° bei Anströmung von oben wird die Abweichung aber deutlich größer und erreicht bei einem Anströmwinkel von 70° fast 6 %, während normalerweise nur 1 % zu tolerieren ist. Auch im Bereich zwischen 95 und 100° wird eine Abweichung von fast 2 % erreicht.

Diese Abweichungen können nun erstaunlicherweise ganz entschieden vermindert werden, indem die Säule 2 durch ein zylindrisches Element 7 nach oben verlängert wird, das in Fig. 2 gezeigt ist. Dieses zylindrische Element ist an seinem oberen distalen Ende noch abgerundet, damit hier infolge schar-

fer Abrißkanten keine unnötigen Wirbel erzeugt werden. Eine Messung der Abweichung der gemessenen Windgeschwindigkeit von der horizontalen Anströmung bei einem erfindungsgemäßen Schalenstern-Anemometer ist in Fig. 3 durch die Kurve III bezeichnet. Man sieht, daß die Abweichungen wesentlich geringer sind als die bei Kurve I und insbesondere nirgendswo größer sind als ungefähr 1 %, was ohne weiteres für die Projektierung von Windkraftanlagen toleriert werden kann.

In der Fig. 3 ist durch Kurve IV noch der kosinusförmige Verlauf gezeigt, wie er erwartet wird, wenn man nur die Horizontalkomponente der Winkelgeschwindigkeit messen will. Zu diesem Zweck verwendet man statt der halbkugelförmigen Hohlkörper kegelförmige Hohlkörper. Auch in diesem Falle wird eine recht gute Annäherung der gemessenen Kurve an die theoretische Kurve IV erzielt, was allerdings in Fig. 3 nicht dargestellt ist.

Besonders vorteilhafte Maße für die Säule 2, das zylindrische Element 7, die Streben 5 und die Hohlkörper 4 sind weiter oben angegeben, können aber im Rahmen der Erfindung abgewandelt werden. Wesentlich ist, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, daß das zylindrische Element 7 deutlich nach oben über die Hohlkörper 4 hinausragt.

Claims (13)

1. Schalenstern-Anemometer mit mehreren halbseitig offenen Hohlkörpern, die in gleichmäßigen Winkelabständen an einer Achse und in gleichen Abständen von derselben angeordnet sind, wobei die Öffnungsflächen der Hohlkörper parallel zur Achse sind, und mit einer zylindrischen Säule, in der die Achse koaxial und drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß es ein mit Achse und Säule (2) koaxiales zylindrisches Element (7) aufweist, das sich auf der der Säule (2) entgegengesetzten Seite der Befestigungspunkte der Hohlkörper (4) bis über dieselben hinaus erstreckt.

2. Schalenstern-Anemometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrische Element (7) unverdrehbar mit der Säule (2) verbunden ist.

3. Schalenstern-Anemometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrische Element (7) mit der Achse verbunden ist und zusammen mit derselben und den Hohlkörpern (4) drehbar ist.

4. Schalenstern-Anemometer nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß sich das zylindrische Element (7) über das Zwei- bis Fünffache der Strecke erstreckt, die dem vertikalen Abstand der Befestigungspunkte bis zum in Richtung von der Säule (2) weg weitesten Teil der Hohlkörper (4) entspricht.

5. Schalenstern-Anemometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich das zylindrische Element (7) über ungefähr das Dreifache der Strecke erstreckt, die dem vertikalen Abstand der Befestigungspunkte bis zum in Richtung von der Säule (2) weg weitesten Teil der Hohlkörper (4) entspricht.

6. Schalenstern-Anemometer nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des zylindrischen Elements (7) größer ist als derjenige der Säule (2).

7. Schalenstern-Anemometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des zylindrischen Elements (7) ungefähr 20 bis 40% größer ist als derjenige der Säule (2).

8. Schalenstern-Anemometer nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des zylindrischen Elements (7) kleiner ist als diejenige der Säule (2).

9. Schalenstern-Anemometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des zylindrischen Elements (7) ungefähr 40 bis 80% der Länge der Säule (2) beträgt.

10. Schalenstern-Anemometer nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge und der Durchmesser der Säule (2) ungefähr 150 mm bzw. 16 mm, die Länge und der Durchmesser des zylindrischen Elements (7) ungefähr 100 mm bzw. 20 mm, der Durchmesser der Hohlkörper (4) in Richtung der Achse ungefähr 65 mm und der Abstand der Hohlkörper (4) von der Achse bzw. einer Nabe derselben ungefähr 10 mm beträgt.

11. Schalenstern-Anemometer nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß das distale Ende des zylindrischen Elements (7) abgerundet ist.

12. Schalenstern-Anemometer nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkörper (4) halbkugelförmig sind.

13. Schalenstern-Anemometer nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkörper (4) kegelförmig sind.