DE202008003431U1 - Windkraftanlage mit horizontal liegendem Rotor und zusätzlichen Strömungshilfen zur Leistungssteigerung - Google Patents

Abstract

Windkraftanlage mit horizontal liegendem Rotor und zusätzlichen Strömungshilfen zur Leistungssteigerung.
dadurch gekennzeichnet,
dass man einer Windkraftanlage einen horizontal liegenden Rotor mit horizontal liegender Rotorachse (11) gem. Schutzanspruch 1, zuordnet und dieser mit zusätzlichen Strömungshilfen, gem. Schutzanspruch 2, mit 2 Unteransprüchen, versehen wird,
dass der Strom erzeugende Generator (20), gem. Schutzanspruch 3, im oberen Turmsegment (7) senkrecht stehend verankert wird, der nicht Bestandteil der sich drehenden Rotoranlage (9) ist.

Description

• Zweck:
• Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage der erneuerbaren Energien nach dem Savonius-Prinzip, jedoch mit horizontal liegendem Rotor. Die Wirkungsweise des Windes auf den Rotor beruht hauptsächlich auf dem Widerstandsprinzip, wechselseitig auch auf dem aerodynamischen Auftriebsprinzip. Dieser Rotor soll auf Aufbauten aus Beton oder Stahl in geeigneter Größe, nachgeordnet in windreichen Regionen über Wasser oder an Land installiert, über angepasste Getriebe große Generatoren zur gewerblichen Stromerzeugung antreiben. Zur Leistungssteigerung und Verbesserung des Wirkungsgrades, werden dem Rotor in seinem direkten Anströmbereich zusätzliche Strömungshilfen zugeordnet. Mit diesen Strömungshilfen erreichbaren höheren Umlaufgeschwindigkeiten und Drehmomente des Rotors, bereits bei extrem niedrigen Windgeschwindigkeiten (< 1,5 m/sec), ist dieses horizontal liegende Antriebssystem, neben seinem einfachen konstruktiven Aufbau und seinem einfachen Betrieb, technisch und ökonomisch für größere und leistungsstärkere Generatorantriebe zur gewerblichen Stromerzeugung sehr geeignet.
• Kritik des Standes der Technik:
• Es sind bis heute keine Windkraftanlagen im Bereich der erneuerbaren Energien zur gewerblichen Stromerzeugung bekannt, deren Generatoren vom Wind, mittels horizontal liegender Rotoren angetrieben und denen zur Leistungssteigerung zusätzliche Strömungshilfen zugeordnet werden. Savonius-Rotoren, die bislang hauptsächlich nur in vertikaler Ausführung und in Kleinstformat mit geringen Leistungen bekannt sind, haben, wenn sie vom Wind frei angeströmt werden, wegen ihres schlechten Wirkungsgrades bis heute keinen nennenswerten Zugang in der Technik gefunden. Sie sind selbst für geringe Arbeitsleistungen zur gewerblichen Stromerzeugung ungeeignet. Erst mit zusätzlichen Strömungshilfen kann dem einfachen Savonius-Rotor, in geeigneter Baugröße, eine adäquate Leistung für die gewerbliche Nutzung zur Stromgewinnung entnommen werden. Die im Gegensatz dazu heute bereits weltweit massiert kommerziell genutzten Windkraftanlagen werden in der Regel von dreiblättrigen, in vertikaler Ebene drehenden Rotoren, vom Wind angetrieben. Ihre Durchmesser betragen je nach Größe ca. 40 bis 80 Meter und mehr, wodurch die Strom erzeugenden Generatoren technisch aufwendig in großer Höhe (100 Meter) auf verschraubbaren Rohrtürmen installiert werden müssen. Durch diese hohen Aufbauten muss bei hohen Anströmgeschwindigkeiten nachteilig ein begrenztes Standmoment und ein hohes Kippmoment dieser Anlagen in Kauf genommen werden. Die Zugänglichkeit der Anlagen bei Störungen (Austausch eines Generators) ist nur mit hohem technischen Aufwand möglich. Diese Windkraftanlagen arbeiten im Gegensatz zu den genannten horizontal liegenden Windrotoren ausnahmslos nach dem bekannten aerodynamischen Auftriebsprinzip (Unterdruck auf der Profiloberseite). Sie gelten mit ihren großen Rotordurchmessern als Langsamläufer, was sich nachteilig auf ihre Bauausführung und im Besonderen auf ihren Betrieb auswirkt (Strömungsabriss bei höhern Blattspitzengeschwindigkeiten). Sie sind deshalb in ihrer Konstruktion und physikalischen Arbeitsweise nicht mit dem Antrieb der Windkraftanlagen mit horizontal liegenden Rotoren vergleichbar. Sie benötigen für ihren Betrieb hohe Mindestwindgeschwindigkeiten und laufen nach Stillstand (Windflaute, Wartung oder Reparatur) systembedingt nicht wieder von selber an. Sie können nur aufwendig mittels zusätzlichen Elektromotoren über eine externe Stromversorgung (Akkumulatoren) wieder in Rotation gebracht und den augenblicklichen Windgeschwindigkeiten wieder angepasst werden. Auch die für den Betrieb dieser Windkraftanlagen unverzichtbare Windnachführung der Rotoren und die erforderliche Rotorblattverstellung für den Normalbetrieb und für die Sturm- und Bremsstellung müssen über diese externe Stromversorgung gesondert bei jeder einzelnen Anlage mechanisch und elektronisch durchgeführt werden. Dadurch, dass sich der gesamte obere Kopfteil der hohen Anlage mit seinem drehenden Rotor, Rotorkopf, Getriebe und Generator bei der Windnachführung mitdrehen muss, sind die zu- und abführenden Versorgungsleitungen starker Belastung unterworfen und oft Ursache für Störungen. Eine Windnachführung (Drehung der Anlagen) über 360° hinaus, ist deshalb systembedingt nicht möglich. Sie müssen aufwendig überwacht und in ihre Ausgangsposition zurückgedreht werden. Die bisher mit diesen großen und hohen Windkraftanlagen erzielten Stromleistungen erreichen serienmäßig bislang maximal ca. 2 bis 2,5 MW. Aufwändige Dauerversuche in der Vergangenheit mit Großanlagen dieser Bauart (80 bis 100 m Rotordurchmesser und 100 Meter Turmhöhe) in Deutschland haben deutlich gezeigt, dass ihr Bau, im Besonderen aber ihr späterer Betrieb, größeren technischen, natürlichen und damit auch ökonomischen Grenzen unterliegen als zuvor erwartet. Nur wenige Regionen in Deutschland, außer denen im Seichtwassergebiet der Küstenregionen, erfüllen die notwendigen Wettervoraussetzungen für die Durchführung eines dauerhaften und wirtschaftlichen Betriebes. Die Misserfolge mit diesen großen Anlagen haben letztlich dazu geführt, dass man die Großversuche einstellen musste, um sich notgedrungen mit kleineren und leistungsschwächeren Anlagen zu begnügen. Das hatte weltweit zur Folge, dass riesige Rotorwälder in vielen Landregionen, auch in Deutschland, entstanden sind, die wegen ihrer optischen und akustischen Beeinträchtigung der Umwelt, verbunden mit der viel zu geringen Leistungsabgabe, zu hoher Kritik bei der betroffenen Bevölkerung geführt haben. Die Erkenntnis daraus, dass sich die Seichtwassergebiete der Küstenregionen (ablandig), wegen ihrer im Jahresmittel höheren und dauerhafteren Windgeschwindigkeiten und der kaum noch wahrnehmbaren Optik und Akustik der Anlagen (Erdkrümmung), als Standort für Windkraftanlagen besser eignen als viele Regionen an Land hat sich bislang weltweit nicht elementar durchsetzen können. Auch die in letzter Zeit installierten noch höheren Versuchsanlagen (mittlerweile 120 Meter Turmhöhe), mit keineswegs gesicherten höheren Leistungen, in den Regionen an Nord- und Ostsee und auf hoher See haben bislang keine erkennbaren Beiträge zur Lösung besserer und ökonomisch vertretbareren Techniken erbringen können. Stattdessen werden die Anlagen baulich immer höher, die Rotoren werden immer größer und anfälliger. Sie sind noch viel zu nah an bewohnten Küsten und Stränden zu finden, denn man hört sie und man sieht sie. Die ständig zunehmende Verknappung der nur noch begrenzt vorhandenen fossilen Brennstoffe in der Welt, verbunden mit den hohen Lieferanfälligkeiten des Imports von Gas und Erdöl, und der dringend erforderlichen Reduzierung des schädlichen CO₂-Ausstoßes in die bereits hoch belastete Erdatmosphäre muss für Technik und Politik dringender Grund sein, sich intensiv neueren, einfacheren, aber leistungsstärkeren Techniken zuzuwenden. Dabei kann weltweit auf eine sinnvollere Nutzung der unbegrenzt vorhandenen Windkraft auch zukünftig nicht verzichtet werden.
• Problemlösung:
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass man einen Windrotor (nach dem Savonius-Prinzip/Pat. – Nr. GB 244,414 ), hier horizontal anordnet. Die Wirkungsweise der Strömung auf den Rotor beruht sowohl auf dem Widerstands- als auch wech selseitig auf dem aerodynamischen Auftriebsprinzip. Der Rotor selbst besteht aus zwei vertikal sich drehenden runden Scheiben auf einer horizontal liegenden Rotorachse. Die zwischen den beiden Scheiben horizontal liegenden, gegeneinander versetzt angeordneten Halbschalen (Schaufeln), zwei oder mehr, über die auch die bauliche Stabilität des Rotors erreicht wird, drehen sich vom Wind angetrieben, um die horizontal liegende Rotorachse. Die gegeneinander versetzten offenen Halbschalen des Rotors bewirken systembedingt, dass ein Teil der nach vorn gerichteten Luftströmung der gerade offenen Halbschale, diese innerhalb des Rotors, senkrecht auf die gegenüberliegende konkave Halbschale anteilig vortriebswirksam umleitet. Um die bei freier Anströmung des horizontal liegenden Rotors entstehenden Strömungsverluste auf die konvexen Rückseiten der jeweils unteren umlaufenden Halbschalen zu verhindern, die den Rotor abbremsen würden, wird diesem zur Erhöhung der Leistung im direkten Anströmbereich eine um die Rotorachse stufenlos absenkbare, parabolisch ansteigende Windleitfläche zugeordnet (1–1–3). Diese bewirkt in ihrer 0°-Stellung (senkrecht zur Windanströmung) durch ihre parabolische Formgebung, dass das gesamte Windvolumen, der vom Wind angeströmten projizierten Fläche des Rotors (m1 × Rotor-Länge) verlustlos zu 100% für den Antrieb des Rotors nutzbar umgesetzt werden kann (2). Durch die gleichzeitige Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit auf den Rotor, hervorgerufen durch die Parabolik der Windleitfläche, die höher ist als die anströmende Geschwindigkeit des Windes selbst, erreicht der Rotor bereits bei extrem niedrigen Windgeschwindigkeiten (< 1,5 m/sec) hohe Drehmomente. Durch die stufenlose Absenkung der Windleitfläche, aus der 0°-Stellung (Neutralstellung) bis –41°, addiert sich das daraus resultierende erhöhte Windvolumen (m2 × Rotor-Länge) um weitere 110% auf insgesamt 210% = [(m1 + m2) × Rotor-Länge)] der gesamten Anlage. Bei Anhebung der Windleitfläche hingegen von 0° (Neutralstellung) bis +32° wird deren ebene Unterseite zur Brems- und Sturmstellung automatisch umfunktioniert, indem dem Rotor Windvolumen entzogen wird, bis dieser zum Stillstand kommt. Die Windströmung auf die Unterseite der Windleitfläche wird dabei nach unten wirkungslos abgeleitet. Die Abbremsung des Rotors bei Sturm und Orkan ist erforderlich, um die Anlage durch Überdrehzahl des Rotors und des Generators bei hohen Windgeschwindigkeiten vor Zerstörung zu schützen. Die Absenkung und Anhebung wird windabhängig automatisch gesteuert. Durch Modellversuche wurde bestätigt, dass mit der zusätzlichen variablen absenkbaren Windleitfläche, abhängig von der Anströmgeschwindigkeit des Windes, erhebliche Steigerungen stabiler Umlaufgeschwindigkeiten und erhöhte Drehmomente des Rotors erreicht werden. Zur Verbesserung der Luftströmung im Inneren der Halbschalen, um Wirbelbildungen bei abrupten Windlastwechseln zu vermeiden, werden diesen zusätzliche Laminarzäune, die die offenen Halbschalen in Laminarkammern unterteilen, zugeordnet. Die damit erreichte Laminarströmung trägt zu einem ruhigeren Drehverhalten des Rotors, dem Abbau der Schwingungen auf die beiden Achslager und zur Richtungsstabilität der gesamten Anlage bei. Die Unterteilung wirkt sich somit auch leistungssteigernd auf den Rotor aus. Zur erforderlichen Windnachführung der Rotoranlage, die aus Rotor, Traverse mit Rotorlagerung und die um die Rotorachse absenkbare Windleitfläche besteht, ist auf dem oberen Sockel des oberen Turmsegmentes um dessen Mittelpunkt drehbar gelagert. Zur Unterstützung der Drehung der kompletten Rotoranlage, die nur durch die Windanströmung erreicht wird, wurden dieser im Strömungsnachlauf zur automatischen Richtungsstabilisierung rechts und links Stabilisierungsflossen mit zusätzlich steuerbaren Rudern und Trimmklappen zugeordnet. Sie sind Bestandteil der variablen Windleitfläche und bewirken, dass die Windströmung bei allen vorgewählten Positionen der Windleitfläche immer senkrecht auf den Rotor auftrifft. Die Anlage passt sich durch die Stabilisierungsflossen automatisch jeder Windrichtung an, wie am Modell nachgewiesen werden konnte. Die Drehung der Traverse von 0° über 360° hinaus ist systembedingt nicht begrenzt, weil der Strom erzeugende Generator im oberen Turmsegment senkrecht stehend fest verankert ist und sich über eine geeignete Getriebeanordnung nicht mit der Rotoranlage mitdreht. Dadurch wird erreicht, dass eine Rückpositionierung der Rotoranlage während des Betriebes wegen schleppender Strom- und Versorgungskabel nicht erforderlich ist.
• Ausführbares Beispiel:
• Die Windkraftanlage (3) wird aus Gewichts- und Montagegründen in Modulbauweise an Land gefertigt und am zukünftigen Standort zusammengefügt. Sie soll auf einem massiven Betonsockel, der aus 4 diagonal zusammenfügbaren Einzelsegmenten besteht (1), installiert werden. Um die einzelnen Segmente des Sockels kraftschlüssig zu verbinden, werden diese an Land im Boden versenkt. Für den Aufbau der Anlage im Seichtwassergebiet (unter Wasser) werden die Segmente konstruktiv so miteinander verschachtelt, dass sie sich durch ihr hohes Eigengewicht gegenseitig fest zusammenfügen. In diesen Sockel wird mittig ein Betonturm (2) in einen bereits vorgefertigten runden Schacht eingebracht. Der untere innere Betonturm, der mit einem dichten Boden abgeschlossen wird, hat außen in Höhe des Sockelabschlusses einen integrierten Verstärkungsring zur zusätzlichen Erhöhung des Standmomentes der Anlage (3). Sein Innenraum ist als zusätzlicher Ballastraum gedacht (4). Er kann im Bedarfsfall mit Kies gefüllt oder mit Wasser geflutet werden. Es sind nach außen keine anderen Öffnungen vorgesehen. Nach oben ist der Ballastraum durch eine Luke mit dem darüber liegenden Elektronikraum/Leitstand (5) zugänglich und wasserdicht abgeschottet. Im Elektronikraum sind alle erforderlichen Bedienelemente der Elektronik, Hydraulik und Mechanik für den Betrieb der Anlage zu einem Leitstand zu sammengefasst, der auch von einer entfernten Leitzentrale telemetrisch überwacht und gesteuert werden kann. Der Zugang zum Leitstand ist über einen außen angebrachten Aufstieg mit Rundumgang (6) und über den Generatorraum (8) des oberen Turmsegmentes (7), ebenfalls aus Beton gefertigt, über eine abwärts führende Wendeltreppe zu erreichen. Dass obere Turmsegment ist in das untere Turmsegment bündig eingelassen und mit diesem fest verbunden. Es ist nach oben im Durchmesser konisch erweitert und dient, mittig nach vorn versetzt (senkrecht zur Windströmungsrichtung), im obersten Abschlussteil, als verstärkte Aufnahmeplattform für die wasserdichte Dreheinheit der gesamten Rotoranlage (9). Diese selbst besteht aus der Traverse mit beiden zugehörigen Lagerstützen A, B (10), die die gesamte Rotoreinheit trägt und dem horizontal liegendem Rotor mit Rotorachse (11), die an ihren Enden die Lagerung der Windleitfläche (12) mit den Stabilisierungsflossen (13) aufnimmt. Zur Unterstützung der automatischen Windnachführung der Anlage wurden die Stabilisierungsflossen zusätzlich mit Rudern (14) und Trimmklappen (15) versehen. Im Inneren besteht der Rotor aus zwei gegeneinander versetzten, offenen Halbschalen (16), die mit Laminarzäunen (17) in Laminarkammern (18) unterteilt sind. Die Kraftübertragung des Rotors auf den Generator wird mittels eines halb verdeckten umlaufenden Zahnsegments in der linken Außenseite der sich vertikal drehenden Rotorscheibe (19) erreicht und über ein angepasstes Getriebe (21), das von einer dreifach gelagerten Welle im Traversenboden der Dreheinheit den Generator antreibt. Bei der Wahl dieser Antriebsversion wurde der Strom erzeugende Generator außermittig, senkrecht stehend, im Generatorraum fest verankert. Dadurch wurde erreicht, dass der Generator (20) sich für den Windnachlauf nicht mit der Rotoranlage mitdrehen muss und die Traverse durch Gewichtsreduzierung nicht zusätzlich belastet wird. Eine Rückpositionierung der Rotoranlage, wegen schleppenden Versorgungskabeln von und zum Generator, wie bei den meisten heute gebräuchlichen Windkraftanlagen, ist nicht erforderlich. Wetter unabhängige Wartung und Reparaturen am Generator (Austausch) sind im Generatorraum ohne große Gerätschaften leicht durchzuführen. Die Anlage ist mit eigener Hubeinrichtung ausgestattet. Steuereinheiten der Anlage für Absenkung und Anhebung der Windleitfläche sowie für die Ruder und Trimmklappen der Stabilisierungsflossen sind ebenfalls in dem Generatorraum untergebracht. Die gesamte Anlage arbeitet automatisch und ist personell unbesetzt.
• Erzielte Vorteile:
• – Einfacher und unkomplizierter konstruktiver Aufbau und laufender Betrieb der gesamten Anlage.
• – Begrenzte Aufbauhöhe durch horizontal liegenden Rotor, geringe optische Beeinträchtigung der Umwelt.
• – Keine schädigende akustische Geräusche durch laufenden Rotor.
• – Aufbau der Anlage im Seichtwassergebiet der Küstenregionen (ablandig), geringe optische Beeinträchtigung.
• – Hohe Umlaufgeschwindigkeiten und abnehmbare Drehmomente der Rotoren, bei extrem niedrigen Windanströmgeschwindigkeiten (< 1,5 m/sec).
• – Selbstanlauf des Rotors aus allen Positionen, keine externe Hilfsfunktion erforderlich.
• – Erhöhung der Leistung (Verbesserung des Wirkungsgrades) des Rotors durch stufenlose Anpassung einer steuerbaren, parabolisch ansteigenden Windleitfläche.
• – Stabilisierung der Strömungsführung im Inneren der Halbschalen des Rotors durch Unterteilung in Laminarkammern.
• – Automatische Windnachführung der drehbaren Rotoranlage durch zusätzliche Strömungsflossen mit steuerbaren Rudern und Trimmklappen, nur durch die Windströmung, keine externen Hilfsfunktionen erforderlich.
• – Feststehender, nicht mit der Rotoranlage mitdrehender Strom erzeugender Generator im oberen Turmsegment der Anlage. Dadurch hohe Gewichtsersparnis der drehenden Rotoranlage.
• – Einfache Zugänglichkeit für Wartung und Reparatur der Anlage. Austausch des Generators mit bordeigener Hubvorrichtung, kein Großeinsatz von Kränen oder Hubschraubern erforderlich. Dadurch hohe Reduzierung der Betriebskosten.
• – Durch die gewählte Modulbauweise der gesamten Anlage, ist der Aufbau auch in extrem schwierigem Gelände möglich.
• – Geringe Sturm- und Orkananfälligkeit durch tief liegende Schwerpunktlage. Die Bremswirkung wird durch Anheben der Windleitfläche erreicht.
• – Hohe Eignung der Erfindung für den Einsatz zur gewerblichen Stromerzeugung.
• Zur tieferen Erkenntnis der gesetzmäßigen Abhängigkeiten zwischen der Bauhöhe einer Anlage, der weiteren Ausgestaltung des Rotors sowie die Steigung der Parabolik der Windleitfläche und die auf den Rotor wirkenden höheren Windanströmgeschwindigkeiten, sind weiter Modellversuche in entsprechendem Maßstab unerlässlich.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• - GB 244414 [0003]

Claims (6)

1. Windkraftanlage mit horizontal liegendem Rotor und zusätzlichen Strömungshilfen zur Leistungssteigerung. dadurch gekennzeichnet, dass man einer Windkraftanlage einen horizontal liegenden Rotor mit horizontal liegender Rotorachse (11) gem. Schutzanspruch 1, zuordnet und dieser mit zusätzlichen Strömungshilfen, gem. Schutzanspruch 2, mit 2 Unteransprüchen, versehen wird, dass der Strom erzeugende Generator (20), gem. Schutzanspruch 3, im oberen Turmsegment (7) senkrecht stehend verankert wird, der nicht Bestandteil der sich drehenden Rotoranlage (9) ist.
2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das man den Rotor mit Rotorachse (11) in den beiden Lagerstützen A und B (10) in der Traverse horizontal liegend anordnet.
3. Windkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man dem Rotor (11) eine variable, parabolisch ansteigende Windleitfläche (12) zuordnet.
4. Windkraftanlage nach Unteranspruch zu 3. dadurch gekennzeichnet, dass man die beiden Halbschalen (16) des Rotors (11) mittels Laminarzäunen (17) in Laminarkammern (18) unterteilt.
5. Windkraftanlage nach Unteranspruch zu 3. dadurch gekennzeichnet, dass man dem Rotor (11) im Strömungsnachlauf, rechts und links je eine Stabilisierungsflosse (13) mit Ruder (14) und Trimmklappe (15) zuordnet.
6. Windkraftanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass man den Strom erzeugenden Generator (20) im oberen Turmsegment (7) senkrecht stehend installiert.