DE20102051U1

DE20102051U1 - Windkraftanlage mit frontal angeströmten Vertikalrotoren

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Publication number: DE20102051U1
Application number: DE20102051U
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Priority date: 2001-01-31
Filing date: 2001-01-31
Publication date: 2001-05-03
Anticipated expiration: 2011-02-01

Description

Beschreibung

Windkraftanlage mit Vertikalrotoren

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit Vertikalrotor zur Energiegewinnung.

Das Einsatzgebiet der Windkraftanlage ist die Energieversorgung von Wohnparks, Einkaufszentren, Landwirtschaftsbetriebe und Industriegebieten, aber auch die Energieeinspeisung ins Netz.

Die Windkraftanlage kann sowohl als Einzelanlage als auch als Windparkanlage konzipiert werden. Entsprechend des Lehrbuches"Windkraftanlagen'YVerfasser Hau, E. /Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York 1988 stellt sich der Stand der Technik wir folgt dar.

Als allgemein bekannt gilt der Savonius-Rotor als Grundprinzip eines Rotors mit vertikaler Achse. Man findet ihn als Lüfterrad auf Eisenbahnwaggons oder Lieferwagen. Aufgrund der niedrigen Schnellaufzahl und des vergleichsweise geringen Leistungsbeiwertes kommt er für stromerzeugende Windkraftanlage nicht in Frage.

Aufgrund der Robustheit, des einfachen Grundprinzipes und konstruktiven Aufbaus des Savonius-Rotors ist eine Vielzahl von Weiterentwicklungen nachweisbar, die durch veränderte Anzahl der Flügel, durch Wind konzentrierende Leitbleche und solche Konstruktionen (Gehäuse), die eine Zwangsdurchströmung des Rotors zu Folge haben sowie zugehörige Diffusorkonstruktion, deren Aufgabe es ist, die infolge der konzentrierenden Wirkung der Leitbleche vor den Eintrittsöffnungen der Rotoren bestehende entgegengesetzt wirkende Zirkulationströmung zu mindern ohne sie jemals vollständig beseitigen zu können. Dabei ist zu beachten, daß die Wirkung des Diffusors sich bei kleiner werdenen Verhältnis der Durchströmfläche, d.h. mit Verengung der Düse, verschlechtert. Diese Konstruktionen werden für die Stromerzeugung eingesetzt.

Zusätzlich bewirkt, wie in der DE 29920899 dargestellt, eine zwischen den Rotoren gelegene Einleitflächenabtrennung die gleichmäßige Windzufuhr zu den gegenläufig arbeitenden Rotoren. Aedrodynamisch gestaltete Rotorflügel versprechen in Kombination mit hakenförmigen Windleisten eine weitere Verbessung des Wirkungsgrades und Einleitflächen trichtern die Windzufuhr ein. Diffusorbleche im Abströmbereich der Windkraftanlage erzeugen eine zusätzliche Sogwirkung, die die Eintrichterung des Luftstromes unterstützt.

Als Nachteile den dargestellten Standes der Technik sind im Einzelnen erkennbar:

Konstruktionsbedingt wird der Durchströmungsquerschnitt der Vertikalrotoren zum Einströmquerschnitt der Windkraftanlage immer unterhalb eines Wertes von 50 % liegen. Entsprechend ändert sich die Windgeschwindigkeit innerhalb der Windkraftanlage im umgekehrten Verhältnis und muß im Abströmbereich der Windkraftanlage wieder auf die ursprüngliche Windgeschwindigkeit beruhigt werden. Dabei ist der Luftaustritt aus den Rotoren jeweils als separater Strom gekennzeichnet. Beide Luftströme müssen sich dann im Diffusor zu einem Luftstrom vereinigen.

-2-

Äquivalent zur Beschleunigung und Verzögerung des durch die Vertikalrotoren strömenden Windes treten Verluste durch Stau, Reibung und Verwirbelung im Einströmbereich auf. Der Abströmbereich ist gekennzeichnet durch eine starke Verwirbelung zwischen den aus den Vertikalrotoren austretenden und sich nachfolgend vereinigenden Luftströmen. Die Verwirbelungen werden durch Geräuschentwicklung begleitet.

Aufgabe der Erfindung ist,

den Windenergiedurchsatz durch die Windkraftanlage zu verbessern und somit die luftstrombedingten Wirbel-, Stau- und Reibungsverluste im Einströmbereich der Windkraftanlage zu vermindern. Für den Abströmbereich gilt gleichermaßen die Forderung nach Beseitigung der Verwirbelungen infolge des Zusammenfuhrens der aus den Vertikalrotoren ausfließenden Luftströme und die Umsetzung des nun zur Verfügung stehenden vergrößerten Einergiepotentials in mechanische oder elektrische Arbeit.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe im Zusammenwirken der im kennzeichnenden Teil des Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Das Wesen der Erfindung besteht aus der Anordnung eines Spaltes zwischen frontal angeströmten Vertikalrotoren und der zusätzlichen Anordnung eines dritten Vertikalrotors im Diffusor. Der Spalt wird durch ein zwischen den Rotoren angeordnetes in den Diffusor ragendes aerodynamisch geformte Leitbleich gebildet.

Das Leitblech ist mit den Deckblechen des Einleittrichters bzw. des Diffusors festverbunden und bildet somit auf der einen Seite ein Gehäuseteil, in welchem ein Vertikalrotor läuft bzw. nachfolgend ein kastenförmiges Rohr, durch welches die aus dem Vertikalrotor ausströmende Luft entweicht.

Infolge dieser Anordnung wird der Luftstrom nach dem Verlassen des Vertikalrotors zwangsgeführt und neigt nicht zur Verwirbelung.

Auf der anderen Seite wird zwischen dem Leitblech und dem zweiten Vertikalrotor ein Spalt mit einer Breite d ausgebildet welche mit der Breite b des Einströmquerschnittes eines Vertikalrotors gemäß nachfolgender Gleichung

0,65 + 0,1

im Verhältnis steht.

Die durch diesen Spalt geleitete Luft gelangt vollständig in einen dritten Vertikalrotor, der sich unmittelbar an den zweiten Vertikalrotor anschließt. Damit der dritte Vertikalrotor sowohl von dem durch den Spalt geleiteten Luftstrom, als auch von einem Teil der aus dem zweiten Rotor abströmenden Luft erfaßt wird, ist er so angeordnet, daß seine Mittelachse zur Symetrieachse der frontal angeströmten Vertikalrotoren eine Exentrizität aufweist, die mit der Ungleichung

0,3 d < e < 0,7

beschrieben wird.

Ahnlich wie bei dem ersten Vertikalrotor bildet das Leitblech bei dem dritten Vertikalrotor auch ein Teil des Gehäuses und läuft stromlinienförmig in den Diffusor bis zum Abströmquerschnitt des Diffusors und vereinigt somit wirbelarm den entweichenden Luftstrom aus dem ersten sowie aus dem zweiten und dritten Vertikalrotor.

Insgesamt gesehen bewirkt die Erfindung durch die relative Vergrößerung des Einströmbereichs hier eine Verringerung von Wirbel-, Stau- und Reibungsverlusten, und im Abströmbereich wird die Verwirbelung dadurch unterbunden, daß in dem Wirbelbereich zwischen den frontal angeströmten Vertikalrotoren sich nunmehr ein dritter Vertikalrotor befindet, der sowohl den Luftstrom aus dem zwischen den frontal angeströmten Vertikalrotoren mittig angeordneten Spalt als auch einem Teil der aus dem angrenzenden Vertikalrotors entweichenden Luft zur Energiegewinnung ausnutzt, sowie daß das spaltbildenende Leitblech aerodynamisch geformt bis zum Abströmquerschnitt des Diffusors geführt ist.

Darüberhinaus wird durch die Unterdrückung der Verwirbelungen die Geräuschentwicklung gemindert.

A-

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausfuhrungsbeispiel erläutert werden.

Figur 1 Vorderansicht der Windkraftanlage

Figur 2 Schnitt A-A (Horizontalschnitt)

Auf einem Fundament 26 steht ein Mast 25, der in einer Grundplatte 9 endet. Die Grundplatte ist mit der Drehachse 1 der Windkraftanlage und dem Drehkranz 28 verbunden. Auf dem Drehkranz 28 befindet sich ein unterer dreieckiger Rahmen 16, welcher die Vertikalrotoren 4,5,6 lagert. Ein weiterer oberer Rahmen 15 stützt die Vertikalrotoren 4,5,6 im oberen Teil der Windkraftanlage ab. Weiterhin sind der untere Rahmen 16 mit dem unteren Deckblech 2 und der obere Rahmen 15 mit dem oberen Deckblech 27 verbunden. An dem Außenkanten der horizonal liegenden Deckbleche 27,2 sind beidseitig Einleitbleche 11, die als Ausleitbleche 18 fortgeführt werden. Somit bilden die Deckbleche 2,27 mit den Einleitblechen 11 und Ausleitblechen 18 einen beidseitig offenen Kasten, der in seinen Öffhungsflächen den Einströmquerschnitt Fzu und in dem Abströmquerschnit FAB bildet.

Die Innenseiten der Einleitbleche 11 sind trichterförmig und sphärisch gestaltet, und verjüngen sich von deren Einströmquerschnitt Fzu in Richtung der Vertikalrotoren 4,5 und die Ausleitbleche öffnen sich nachfolgend als Diffusor in Richtung des Abströmquerschnittes FAb.

Im engsten Querschnitt (mittig) sind die Einleitbleche und die Ausleitbleche 18 als Teil der Gehäuse für den Vertikalrotor 4 und 5 ausgebildet.

Ebenfalls mit den unteren Deckblech 2 und den oberen Deckblech 27 verbunden ist das Gehäuseteil mit Leitblech 10 fur Vertikalrotor 2.

Dieses bildet mit deren Einleitblech 11 den Einströmquerschnitt FsI für Rotor 5 und ist gekennzeichnet durch seine Breite b. In dem Einleitblech 11 ist im Abstand d parallel zur Durchströmrichtung innerhalb des Windkraftwerkes das spaltbildende Leitbleich 13 angeordnet. Das spaltbildende Leitblech 13 wird mindestens bis zur Ebene der Abströmfläche FAb geführt und ist wie das Einleitblech 11 mit dem unteren Deckblech 2 und dem oberen Deckblech 27 verbunden.

Alle vorgehend beschriebenen Bleche bilden insgesamt das Gehäuse des Windkraftwerkes, welches sich aufgrund der beschriebenen Konstruktion einer außergewöhnlichen Steifigkeit erfreut.

Der in der Windeinströmung 12 befindliche Teil des spaltbildenden Leitbleches 13 umschließt den Vertikalrotor 4 in gleicher Weise als Gehäuseteil wie der Rotor 5 von dem Gehäuseteil mit dem Leitblech 10 umschlossen wird.

Die Bleche 10, 13 lassen an den Vertikalrotoren 5,4 Austrittsquerschnitte für FAl und FA2 die durchströmende Luft offen. Diese Querschnitte sind immer so bemessen, daß sie größer als die Einströmquerschnitte FsI und Fs2 sind.

Hinter dem Spalt d unmittelbar anschließend an den Vertikalrotor 5 befindet sich der Vertikalrotor 6 dergestalt, daß seine Mittelachse zur Symetrieachse der Vertikalrotoren 4 und 5 eine Exentrizität e aufweist die mit der Ungleichung

0,3 d < e < 0,7 d

deffiniert ist. Das spaltbildende Leitblech 13 umschlingt den Vertikalrotor 6 ebenfalls teilweise und bildet nach dem Muster der Umschlingung des Rotors 4 eine Gehäuse wand für den Vertikalrotor

Weiterhin ist das spaltbildende Leitblech 13 im Diffusorteil des Windkraftwerkes zu den Deckblechen 2 und 27 so angeordnet, daß der Abströmquerschnitt FAb des Diffusors in die Abströmquerschnitte FAbI und FAb2 unterteilt wird. Diese Unterteilung erfolgt im Verhältnis der Aufteilung des Einströmquerschnittes Fzu in die Teilfachen Fs2 sowie (FsI + d).

Jeder Vertikalrotor ist mit einem hydraulischen Antrieb 9 verbunden, welche ihre Energie über einen hydraulischen Drehkopf 19 und den hydraulischen Vor- und Rücklauf leitungen 21, 22 zu dem hydraulischen Motor 23 mit stufenlosen Getriebe 23 führen. Der Motor 23 wandelt die hydraulische Energie um. Motor 23 und Generator 24 befinden sich innerhalb des Mastes 25 im Wirtschaftsraum 17, der auch für die Aufnahme von Transformatoren oder anderen technischen Geräten verwendbar ist.

Oberhalb der Windkraftanlage befindet sich die Windrichtungsleiteinrichtung 7, welche den Windrichtungstellantrieb 20 so steuert, daß die Vertikalrotoren 4 und 5 immer frontal angeströmt werden, bzw. ihre Symetrieachse immer parrallel zur Windrichtung geführt wird.

Legende

1 Drehachse der Windkraftanlage

2 Unteres Deckblech

3 Diffusor

4 Vertikalrotor

5 Vertikalrotor

6 Vertikalrotor

7 Windrichtungsleiteinrichtung

8 Grundplatte

9 Hydraulischer Antrieb

10 Gehäuseteil mit Leitblech für Rotor

11 Einleitblech

12 Windeinströmung

13 spaltbildendes Leitblech

14 Strömungsaustritt

15 oberer Rahmen

16 unterer Rahmen

17 Wirtschaftsraum

18 Ausleitblech

19 hydraulischer Drehkopf

20 Windrichtungstellantrieb

21 hydraulischer Vorlaufleitung

22 hydraulischer Rücklaufleitung

23 hydraulischer Motor mit stufenlosen Getriebe

24 Generator

25 Mast

26 Fundament

27 oberes Deckblech

28 Drehkranz

d Spaltbreite

e Exentrizität der Achslage Rotor

b Breite Einströmquerschnitts eines Rotors

FAb Abströmquerschnitt des Diffusors

FAbI Abströmquerschnitt des Rotors 1 am Abströmquerschnitt des Diffusors

FAb2 Abströmquerschnitt der Rotoren 2 und 3 am Abströmquerschnitt des Diffusors

Fzu Einströmquerschnitt für Rotor 5

Fs 1 Einströmquerschnitt für Rotor 5

Fs2 Einströmquerschnitt für Rotor 4

FA1 Austrittquerschnitt am Rotor 4

FA2 Austrittquerschnitt am Rotor 5

Claims

1. Windkraftanlage mit frontal angeströmten Vertikalrotoren, deren Anströmbereich mit trichterartigen Einleit- und Abdeckblechen (Einleittrichter) sowie einem im Trichterbereich mittig angeordneten Leitblech und deren Abströmbereich mit diffusorähnlichen Leitblechen (Diffusor) ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, daß den frontal angeströmten Vertikalrotoren ein in den Diffusor ragendes aerodynamisch geformtes Leitblech nachgeordnet ist, welches mit den Abdeckblechen des Diffusors verbunden ist und einerseits wandförmig den Einström- und Abströmbereich eines Vertikalrotors begrenzt und andererseits zwischen einem zweiten Vertikalrotor und dem Leitblech einen Spalt mit der Spaltbreite d eröffnet, wobei das spaltbildende Leitblech sich an einen dritten Vertikalrotor anschmiegt, dessen Mittelachse zur Symetrieachse der frontal angeströmten Vertikalrotoren eine Exentrizität e aufweist und der sich unmittelbar an den zweiten Vertikalrotor anschließt.

2. Windraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Spaltbreite d zur Breite b des Einströmquerschnittes eines Vertikalrotors mit der Verhälniszahl von

0,65 ± 0,1 = d/b

und die Exentriezität e mit der Ungleichung
0,3d < e < 0,7d
bestimmt ist

3. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das spaltbildende Leitblech bis mindestens zur Ebene der Abströmfläche geführt wird und so angeordnet ist, daß die Aufteilung der Abströmquerschnitte im Verhältnis zur Aufteilung der Einströmquerschnitte steht.