DE20207363U1

DE20207363U1 - Flow energy installation

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Publication number: DE20207363U1
Application number: DE20207363U
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Priority date: 2002-05-08
Filing date: 2002-05-08
Publication date: 2002-09-19
Anticipated expiration: 2012-05-09

Description

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BeschreibungDescription Stromungsenergieanlage, insbesondere WindkraftanlagePower generation plant, especially wind turbine

Die Erfindung betrifft eine Strömungsenergieanlage, insbesondere Windkraftanlage, wobei an einem Mast ein um eine vertikale Achse rotierender Rotor mit Rotorblättern angeordnet ist, und die durch die Windströmung erzeugte Rotation des Rotors in elektrische Energie umgewandelt wird.The invention relates to a flow energy plant, in particular a wind turbine, wherein a rotor with rotor blades rotating about a vertical axis is arranged on a mast, and the rotation of the rotor generated by the wind flow is converted into electrical energy.

Nach DE 2 99 2 0 8 99 Ul ist eine Windkraftanlage mit Vertikalrotor und Frontalanströmung bekannt, mit welcher durch eine spezielle Einleitflächenkonstruktion eine Eintrichterung bzw. ein Sog erzielt werden soll, womit höhere Durchströmgeschwindigkeiten erzielbar sind. Durch eine spezielle Konstruktion der Einleitflächen soll eine Ausrichtung entsprechend der Anströmungsrichtung des Windes erzielt werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die erwünschte Nachführung nicht immer zu verzeichnen war.According to DE 2 99 2 0 8 99 Ul, a wind turbine with a vertical rotor and frontal flow is known, with which a special inlet surface design is intended to achieve a funneling or suction, whereby higher flow velocities can be achieved. A special design of the inlet surfaces is intended to achieve an alignment in accordance with the direction of the wind flow. However, it has been shown that the desired tracking was not always achieved.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Windkraftanlage mit Vertikalrotor zu schaffen, bei welcher die Energie, insbesondere die Bewegungsenergie des strömenden Mediums mit einem hohen Wirkungsgrad in andere Energieformen überführt werden kann, und die eine zuverlässige Nachführung der Anlage entsprechend der Anströmrichtung des Windes gewährleistet.The object of the invention is to create a wind turbine with a vertical rotor in which the energy, in particular the kinetic energy of the flowing medium, can be converted into other forms of energy with a high degree of efficiency and which ensures reliable tracking of the system according to the direction of the wind flow.

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Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des ersten Schutzanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The problem is solved with the features of the first protection claim. Advantageous embodiments emerge from the subclaims.

Die Windkraftanlage weist einen an einem Mast angeordneten und um eine vertikale Achse rotierenden Rotor mit Rotorblättern auf, wobei eine sich vertikal erstreckende Seite der Rotorblätter radial nach innen und die gegenüberliegende sich vertikal erstreckende Seite der Rotorblätter radial nach außen weist. Die Rotorblätter weisen dabei im Querschnitt ein tragflächenähnliches Profil auf.The wind turbine has a rotor with rotor blades arranged on a mast and rotating about a vertical axis, with one vertically extending side of the rotor blades pointing radially inwards and the opposite vertically extending side of the rotor blades pointing radially outwards. The rotor blades have a wing-like profile in cross-section.

Der Höhe des Rotors entsprechend erstrecken sich beidseitig zu diesem zwei Diffusorelemente derart, das in Anströmrichtung des Windes vor dem Rotor eine Einstromöffnung und hinter dem Rotor eine Ausströmöffnung gebildet werden. In Anströmrichtung des Windes verjüngt sich dabei die Einströmöffnung auf eine Breite, die ca. 50% des Durchmessers des Rotors entspricht. Die Ausströmöffnung verbreitert sich demgegenüber nach dem Rotor auf ca. das doppelte des Durchmessers des Rotors. Eine in Strömungsrichtung vertikal verlaufende erste Fläche des ersten Diffusorelementes ist dabei in Richtung zum Rotor zuerst konkav und dann konvex gekrümmt. Von der in Windrichtung weisenden Kante des ersten Diffusorelements in Richtung zu dessen Kante im Bereich des Windaustritts führt eine langgestreckte konvexe Krümmung bisIn accordance with the height of the rotor, two diffuser elements extend on both sides of the rotor in such a way that an inflow opening is formed in front of the rotor in the direction of the wind flow and an outflow opening is formed behind the rotor. In the direction of the wind flow, the inflow opening tapers to a width that corresponds to approximately 50% of the diameter of the rotor. The outflow opening, on the other hand, widens after the rotor to approximately twice the diameter of the rotor. A first surface of the first diffuser element that runs vertically in the direction of flow is first concave and then convexly curved in the direction of the rotor. An elongated convex curvature leads from the edge of the first diffuser element pointing in the direction of the wind towards its edge in the area of the wind outlet to

über den Durchmesser des Rotors hinaus, an die sich eine konvexe Krümmung anschließt. In Richtung zum Rotor weist das erste Diffusorelement eine Krümmung auf, die dem Durchmesserverlauf des Rotors folgt. Das zweite Diffusorelement ist ebenfalls vertikal verlaufend an der dem ersten Diffusorelement gegenüberliegenden Seite des Rotors angeordnet. Die Diffusorelemente sind auf einer Grundplatte angeordnet, auf welcher ebenfalls der Rotor drehbar gelagert ist. Die Grundplatte ist auf einem Mast schwenkbar befestigt. Die Achsen der Grundplatte und des Rotors sind dabei voneinander beabstandet. Dadurch wird eine bessere Nachführung der Anlage in Abhängigkeit von der Windrichtung gewährleistet.beyond the diameter of the rotor, followed by a convex curve. In the direction of the rotor, the first diffuser element has a curve that follows the diameter of the rotor. The second diffuser element is also arranged vertically on the side of the rotor opposite the first diffuser element. The diffuser elements are arranged on a base plate, on which the rotor is also rotatably mounted. The base plate is pivotably mounted on a mast. The axes of the base plate and the rotor are spaced apart from one another. This ensures better tracking of the system depending on the wind direction.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below using an embodiment and associated drawings. They show:

Fig. 1: Vorderansicht der Windkraftanlage,Fig. 1: Front view of the wind turbine,

Fig. 2: Schnitt A-A gem. Fig. 1,Fig. 2: Section A-A according to Fig. 1,

Fig. 3: Einzeldarstellung des Rotors,Fig. 3: Individual view of the rotor,

Fig. 4: Draufsicht gem. Fig. 3,Fig. 4: Top view according to Fig. 3,

Fig. 5: Draufsicht der Grundplatte,Fig. 5: Top view of the base plate,

Fig. 6: Schnittdarstellung des ersten Diffusorelementes,Fig. 6: Sectional view of the first diffuser element,

Fig. 7: Schnittdarstellung des zweiten Diffusorelementes,Fig. 7: Sectional view of the second diffuser element,

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Fig. 8: Prinzipdarstellung der Lagerung von Grundplatte und RotorFig. 8: Schematic diagram of the bearing of base plate and rotor

Die Windkraftanlage besteht gem. Fig. 1 im wesentlichen aus einem Mast 1, an welchem die Grundplatte 2 drehbar gelagert ist. Beidseitig zum Rotor 3 sind ein erstes 4 und ein zweites 5 Diffusorelement vertikal auf der Grundplatte 2 sitzend angeordnet. Nach oben schließt die Windkraftanlage mittels einer Deckplatte 6 ab. Der Rotor 3 wird durch das erste Diffusorelement 4 zu 50 % seines Durchmessers verdeckt, so dass der Rotor auf 50 % seiner Breite angeströmt wird. In Fig. 2 ist der Schnitt A-A gemäß Fig. 1 dargestellt. Auf der Grundplatte 2 sitzen das erste 4 und das zweite 5 Diffusorelement. Dazwischen ist der Rotor 3 angeordnet. Das erste Diffusorelement 4 weist in Windrichtung eine Kante 4.1 und das zweite Dif fusorelement 5 eine Kante 5.1 auf, welche die Einströmöffnung ES bilden. Die beiden Kanten 4.1, 5.1 überragen den Außendurchmesser des Rotors in Windrichtung. Der Abstand 11 der beiden Kanten 4.1, 5.1 entspricht in etwa dem Rotordurchmesser D. Das erste Diffusorelement 4 weist in Ausströmrichtung des Windes eine weitere Kante 4.2 auf. In nur geringem Abstand zum Rotor ist eine dritte Kante 4.3 am ersten Diffusorelement 4 vorgesehen, die etwa bis zur Hälfte des Rotordurchmessers reicht. Zwischen der ersten Kante 4.1 und der zweiten Kante 4.2 erstreckt sich eine Diffusorflache 4a, zwischen der zweiten Kante 4.2 und der dritten Kante 4.3According to Fig. 1, the wind turbine consists essentially of a mast 1 on which the base plate 2 is rotatably mounted. On both sides of the rotor 3, a first 4 and a second 5 diffuser element are arranged vertically on the base plate 2. The wind turbine is closed off at the top by a cover plate 6. The rotor 3 is covered by the first diffuser element 4 to 50% of its diameter, so that the rotor is flowed across 50% of its width. Fig. 2 shows the section A-A according to Fig. 1. The first 4 and the second 5 diffuser elements are seated on the base plate 2. The rotor 3 is arranged between them. The first diffuser element 4 has an edge 4.1 in the direction of the wind and the second diffuser element 5 has an edge 5.1, which form the inflow opening ES. The two edges 4.1, 5.1 extend beyond the outer diameter of the rotor in the direction of the wind. The distance 11 between the two edges 4.1, 5.1 corresponds approximately to the rotor diameter D. The first diffuser element 4 has a further edge 4.2 in the direction of the wind's outflow. A third edge 4.3 is provided on the first diffuser element 4 at a short distance from the rotor, which extends approximately to half the rotor diameter. A diffuser surface 4a extends between the first edge 4.1 and the second edge 4.2, and between the second edge 4.2 and the third edge 4.3

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eine Diffusorfläche 4b und zwischen der ersten Kante 4.1 und der dritten Kante 4.3 eine Dif fusorfläche 4c. Die erste Dif fusorfläche 4a verläuft von der Kante 4.1 bis über den Rotor hinaus in einem großen Bogen konvex, an den sich eine konkave Krümmung bis zur Kante 4.2 anschließt. Die Diffusorfläche 4b verläuft von der Kante 4.2 zuerst in einen konvexen Bogen, an den sich, dem Verlauf des Rotors folgend eine konkave Krümmung bis zur Kante 4.3 anschließt. Die Dif fusorfläche 4c weist von der Kante 4.1 bis zur Kante 4.3 zuerst eine konkave und dann eine konvexe Krümmung auf. Das zweite Diffusorelement 5 weist in Richtung zum Windaustritt eine Kante 5.2 auf und ist in ihrem Querschnitt tragflächenförmig gestaltet. Zwischen der Kante 5.1 und der Kante 5.2 weist das erste Diffusorelement nach außen eine Dif fusorfläche 5a und in Richtung zum Rotor eine Diffusorfläche 5b auf. Der Verlauf der Diffusorfläche 5a ist spiegelbildlich zur Fläche 4a gestaltet. Die Fläche 5b verläuft bis zum Rotor 3 in einer konvexen Krümmung, an die sich in etwa in der Mitte des Rotors 3 eine konkave Krümmung anschließt, von der aus die Fläche 5b in konvex gekrümmten Bogen bis zur Kante 5.2 verläuft. Von der Mittellinie des Rotors 3 in Abströmrichtung weisen die Flächen 4b und 5b spiegelbildlich in etwa den gleichen Verlauf auf. Der die Einströmöffnung ES begrenzende Abstand 12 zwischen der Kante 4.3 und der Fläche 5b beträgt etwa 0, 5xD. Der diea diffuser surface 4b and between the first edge 4.1 and the third edge 4.3 a diffuser surface 4c. The first diffuser surface 4a runs from the edge 4.1 to beyond the rotor in a large convex arc, which is followed by a concave curve to the edge 4.2. The diffuser surface 4b runs from the edge 4.2 first in a convex arc, which is followed by a concave curve to the edge 4.3 following the course of the rotor. The diffuser surface 4c has first a concave and then a convex curve from the edge 4.1 to the edge 4.3. The second diffuser element 5 has an edge 5.2 in the direction of the wind outlet and is designed in the shape of an airfoil in its cross section. Between the edge 5.1 and the edge 5.2, the first diffuser element has a diffuser surface 5a on the outside and a diffuser surface 5b in the direction of the rotor. The course of the diffuser surface 5a is designed as a mirror image of the surface 4a. The surface 5b runs up to the rotor 3 in a convex curve, which is followed by a concave curve approximately in the middle of the rotor 3, from which the surface 5b runs in a convex curved arc to the edge 5.2. From the center line of the rotor 3 in the outflow direction, the surfaces 4b and 5b have approximately the same course as a mirror image. The distance 12 between the edge 4.3 and the surface 5b, which limits the inflow opening ES, is approximately 0.5xD. The

AusStrömöffnung bildende Abstand 13 der Kanten 4.2 und 5.2 beträgt bevorzugt in etwa 2xD.The distance 13 between the edges 4.2 and 5.2 forming the outflow opening is preferably approximately 2xD.

Der Rotor in der Vorderansicht ist in Fig. 3 und in der Draufsicht in Fig. 4 dargestellt. Er weist vier fluchtend übereinander angeordnete kreisscheibenförmige Rotorscheiben 3 auf, welche mit einer zentralen, axialen, länglich zylindrischen Achse A miteinander verbunden sind. An den Rotorscheiben 3 sind drei Rotorblätter 4 angeordnet. Die Rotorblätter 3.1 sind im Querschnitt tragflächenförmig gewölbt ausgebildet und erstrecken sich vom Umfang der Rotorscheiben 7 in einer gewölbten oder gebogenen Linie radial nach innen. Eine äußere Längskante der Rotorblätter 3.1 schließt mit dem Umfang der Rotorscheiben 7 ab. Die inneren Längskanten der Rotorblätter 3.1 weisen zur konkaven Fläche des nächsten Rotorblattes 3.1. Zwischen der oberen und der unteren Rotorplatte 7 erstrecken sich, die anderen beiden Rotorplatten 7 durchdringend, drei vertikal angeordnete Rotorblätter 4. Die Rotorblätter 4 sind dabei in der Art vertikal ausgerichteten Platte ausgebildet.The rotor is shown in the front view in Fig. 3 and in the top view in Fig. 4. It has four circular disk-shaped rotor disks 3 arranged one above the other in alignment, which are connected to one another by a central, axial, elongated cylindrical axis A. Three rotor blades 4 are arranged on the rotor disks 3. The rotor blades 3.1 are curved in cross-section like an airfoil and extend radially inwards from the circumference of the rotor disks 7 in a curved or bent line. An outer longitudinal edge of the rotor blades 3.1 ends with the circumference of the rotor disks 7. The inner longitudinal edges of the rotor blades 3.1 point towards the concave surface of the next rotor blade 3.1. Three vertically arranged rotor blades 4 extend between the upper and lower rotor plates 7, penetrating the other two rotor plates 7. The rotor blades 4 are designed in the form of a vertically aligned plate.

Die Draufsicht einer Grundplatte 2 ist in Fig. 5 dargestellt. Es ist die Position des Rotors (3) mit den Rotorblättern 3.1 angedeutet. Die erste Achse Al bildet die Rotationsachse des Rotors (3) zwischen Grund- und Deckplatte 2 und 6, die zweiteThe top view of a base plate 2 is shown in Fig. 5. The position of the rotor (3) with the rotor blades 3.1 is indicated. The first axis Al forms the rotation axis of the rotor (3) between the base and cover plate 2 and 6, the second

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Achse A2 die Schwenkachse D der Grundplatte 2 am Mast 1 (Fig. D .Axis A2 is the pivot axis D of the base plate 2 on the mast 1 (Fig. D ).

Fig. 6 zeigt den Querschnitt des ersten Diffusorelements 4 und Fig. 7 den Querschnitt des zweiten Diffusorelements 5.Fig. 6 shows the cross section of the first diffuser element 4 and Fig. 7 the cross section of the second diffuser element 5.

In Fig. 8 ist die Prinzipskizze der Lagerung von Rotor 3 und Grundplatte 2 in Seitenansicht dargestellt. Die Grundplatte 2 wird in der ersten Achse A2 schwenkbar am Mast 1 gelagert. Auf der Grundplatte sind die weiteren Elemente der Windkraftanlage angeordnet. Dabei ist zwischen der Grundplatte 2 und der Deckplatte 6 der Rotor 3 in einer ersten Drehachse Al gelagert. Die beiden Achsen Al und A2 sind im Abstand b zueinander angeordnet.Fig. 8 shows the principle sketch of the bearing of rotor 3 and base plate 2 in side view. The base plate 2 is pivotally mounted on the mast 1 in the first axis A2. The other elements of the wind turbine are arranged on the base plate. The rotor 3 is mounted in a first axis of rotation Al between the base plate 2 and the cover plate 6. The two axes Al and A2 are arranged at a distance b from each other.

Mit der Erfindung wird eine zuverlässige Nachführung der Diffusorelemente und somit der Einströmöffnung entsprechend der Windrichtung gewährleistet. Die konstruktive Gestaltung der Diffusorelemente verstärkt das Unterdruckgebiet und die Sogwirkung hinter dem Rotor wodurch die Schnelllaufzahl des Rotors wesentlich erhöht wird. Das Flugzeugtragflächenprofil wirkt ebenfalls durch dessen Auftriebsprinzip verbessernd auf die Laufleistung des Rotors.The invention ensures reliable tracking of the diffuser elements and thus of the inlet opening according to the wind direction. The structural design of the diffuser elements increases the negative pressure area and the suction effect behind the rotor, which significantly increases the rotor's tip speed ratio. The aircraft wing profile also improves the rotor's performance through its lift principle.

Claims

1. Flow energy plant, in particular a wind turbine, wherein a rotor ( 3 ) rotating about a first vertical axis (A1) is rotatably mounted on a mast ( 1 ), characterized in that two vertically extending diffuser elements ( 4 , 5 ) are arranged on both sides of the rotor ( 3 ), which are pivotally mounted about a second vertical axis (A2), wherein the first axis (A1) and the second axis (A2) are spaced apart from one another.

2. Flow energy plant according to claim 1, characterized in that the first axis (A1) is located at a distance (b) behind the second axis (A2) starting from the direction of flow of the wind (W).

3. Flow energy plant according to claim 1 and 2, characterized in that the diffuser elements ( 4 , 5 ) are pivotable depending on the wind direction.

4. Flow energy plant according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that an inflow opening (Es) and an outflow opening (As) are formed by the vertical diffuser elements.

5. Flow energy plant according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the diffuser elements ( 4 , 5 ) are arranged between a base plate ( 2 ) and a cover plate ( 6 ), wherein the base plate ( 2 ) is mounted on the mast ( 1 ) so as to be pivotable about the second axis (A2) and the rotor ( 3 ) is arranged so as to be rotatable about the first axis ( A1 ) between the base plate (3) and the cover plate ( 6 ).

6. Flow energy plant according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that the diffuser elements ( 4 , 5 ) have vertical edges 4.1 , 5.1 in the direction of flow of the wind (W), which form the inflow opening (Es), and vertical edges 4.2 , 5.2 in the direction of flow, which form the outflow opening (AS), which respectively extend in front of and behind the rotor ( 3 ).

7. Flow energy plant according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that, starting from the direction of flow of the wind (W), the distance between the mutually facing vertical surfaces of the diffuser elements ( 4 , 5 ) tapers in a funnel shape from their edges ( 4.1 , 5.1 ) in the direction of the rotor ( 3 ), is then adapted to the course/diameter of the rotor ( 3 ) and increases in a funnel shape after the rotor ( 3 ) up to the edges ( 4.2 , 5.2 ).

8. Flow energy plant according to claim 7, characterized in that the distance between the diffuser elements ( 4 , 5 ) tapers from a distance ( 11 ) of the edges ( 4.1 , 5.1 ) in front of the rotor ( 3 ) to a distance ( 12 ) of 0.3 to 0.7 × diameter (D) of the rotor ( 3 ).

9. Flow energy plant according to claim 7 or 8, characterized in that the distance of the diffuser elements ( 4 , 5 ) behind the rotor ( 3 ) increases to a distance ( 13 ) of the edges ( 4 , 2 , 5.2 ) of 1.5 to 3 × diameter (D) of the rotor ( 3 ).

10. Flow energy plant according to one of claims 1 to 9, characterized in that the outwardly facing vertical surfaces ( 4a , 5a ) of the diffuser elements are mirror images of each other.

11. Flow energy plant according to one or more of claims 1 to 9, characterized in that the height of the diffuser elements ( 4 , 5 ) corresponds to the height of the rotor ( 3 ).

12. Flow energy plant according to one or more of claims 1 to 10, characterized in that the surface ( 4 c) of the diffuser element ( 4 ) extending from the edge ( 4.1 ) to the rotor ( 3 ) has a concave-convex curvature.

13. Flow energy plant according to claim 1, characterized in that the rotor has vertically extending rotor blades whose shape in cross section simulates an airfoil profile.

14. Flow energy plant according to claim 12, characterized in that the convex curvature of a rotor blade points in the direction of rotation.

15. Flow energy plant according to claim 12 or 13, characterized in that the region of a rotor blade which tapers in cross section points in the direction of the concavely curved surface of the adjoining rotor blade.