DE2823065C3 - Windturbine mit verstellbaren Windflügeln - Google Patents

Description

Während der Turbinendrehung wirken bei einer Windgeschwindigkeit ν auf den Schwerpunkt G eines jeden Flügels gleichzeitig zwei Kräfte: Die Schwerkraft Fg und die Fliehkraft Fc. Die Stellung des Flügels wird von der Resultante dieser beiden Kräfte gegeben. Der Druckmittelpunkt P bzw. Flächenmittelpunkt eines jeden Windflügels 5 wird sich auf einem Abstand R zur Drehachse der Turbine befinden. Dieser Abstand wächst gleichzeitig mit dem Ansteigen der Windgeschwindigkeit, was letzten Endes eint sehr langsame Änderung der Turbinendrehzahl zur Folge hat (Fig. 5).

In dieser Weise vergrößert sich der Durchmesser des Rotors und beschränkt dabei das Ansteigen der Drehgeschwindigkeit, während das aktive Drehmo- is ment wächst, wodurch die Drehzahl auch bei erheblichen Änderungen der Windgeschwindigkeit im wesentlichen konstant bleibt.

Gemäß der Erfindung sind also die Windflügel 5 an ihrem oberen Ende mittels je einer horizontalen, >o tangentialen Schwenkachse am äußeren Ende je eines Armes 4 angelenkt. Bei Windstille hängen die !anglichen Windfliigel senkrecht herunter; bei der D;ehung durch eine Windkraft dagegen schwenken die Windflügel nach außen, sie stellen sich also in eine Schräglage ein, entsprechend der jeweiligen Fliehkraft Fc.die wiederum von der Drehzahl abhängig ist, welche wiederum von der Windgeschwindigkeit abhängig ist.

Wenn nun aber die Windflügel seitlich ausschwenken, so kommen sie, bzw. kommt ihr Flächen-Mittel- jo punkt P auf einem größeren Abstand R von der senkrechten Welle zu liegen. Hierdurch wird einem stärkeren Ansteigen der Drehzahl der Windturbine entgegengewirkt. Die Umfangsgeschwindigkeit des Windrades bzw. der einzelnen Windfliigel kann natiirlieh höchstens so groß sein wie die Windgeschwindigkeitselbst, praktisch wird sie bedeutend geringer sein, in Abhängigkeit von der von der Welle abgegebenen Leistung bzw. Belastung.

Steigt nun die Windgeschwindigkeit an, so wächst auch die Umfangsgeschwindigkeit der Windflügel. Wäre der radiale Abstand R gleichbleibend, unabhängig von der Windgeschwindigkeit, so würde die Drehzahl im wesentlichen entsprechend der Windgeschwindigkeit ansteigen. Da aber die Windflügel bei anwachsender Drehzahl bzw. anwachsender Windgeschwindigkeit seitlich ausschwenken und sich somit der radiale Abstand R des Flächenmittelpunktes und damit des Angriffspunktes der resultierenden Windkraft vergrößert, die Umfangsgeschwindigkeit der Tendenz nach aber gleichbleibt, so wirkt dies einem Ansteigen der Drehzahl entgegen. Wie das Diagramm nach Fig. 5 zeigt, steigt die Drehzahl η über einen sehr weiten Bereich von Windgeschwindigkeiten ν nur ziemlich geringfügig an. Allerdings wirkt die Windkraft bei höherer Windgeschwindigkeit auf einem größeren Hebelarm R, die Turbine ist also entsprechend höher belastbar, sie kann er:s größere Leistung abgeben.

Durch den erwähnten Anschlag 8 an jedem Windfliigel ist das radiale Einschwenken auf die Senkrechtlage begrenzt, es kann also nicht zu Kollisionen zwischen Windflügeln und Stützgestell kommen.

Die Erfindung weist folgende Vorteile auf:

- Sie gewährleistet das Aufrechterhalten einer merklich konstanten Drehbewegung in einem weiten Windgeschwindigkeitsbereich und erlaubt die Anpassung der Windturbine an vorhandene Ortsbedingungen durch entsprechende Bemessung der Turbinenteile;

- sie erlaubt einen sicheren Betrieb bei allen Windstärken;

- sie hat eine hohe Energieleistung bei jeder Windgeschwindigkeit.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Windturbine mit verstellbaren Windflügeln, mit senkrecht angeordneter, im Innern eines Stützgestells gelagerter Welle, an deren oberem Ende eine Anzahl Arme radial befestigt ist, an denen je ein Windflügel schwenkbar angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß am äußeren Ende eines jeden Armes (4) ein horizontales, tangentiales Gelenk (7) angebracht ist, daß jeweils mit dem oberen Ende der halbzylinderförmig ausgebildeten, an beiden Enden durch Halbscheiben (6) begrenzten Windflügel (5) verbunden ist, wobei jeder Windflügel mit einem Anschlag (8) versehen ist, der den Windflügel (5) in eingeschwenkter Stellung auf Abstand von dem Stützgestell (2) hält.

   Die Erfindung betrifft eine Windturbine gemäß dem Oberbegriff. Eine solche Windturbine ist bereits aus der FR-PS 40 341 bekannt. Die Schwenkachsen « für die Windflügel erstrecken sich dabei in radialer Richtung. Die Windflügel können aJso um je eine horizontale, radiale Achse schwenken. Das untere Ende jedes Windflügels ist mittels eines Seils mit dem in Drehrichtung jeweils vorhergehenden Arm verbun- so den, so daß jeder Windflügel in einer vorbestimmten Schräglage gehalk..i ist, welche die Normalstellung darstellen soll. Auf Grund d^r Sch—erkraft sollen die Windflügel auch bei mittleren und größeren Windgeschwindigkeiten in dieser Schräglage verbleiben. Erst » bei recht großen Windgeschwindigkeiten überwiegt die Windkraft die Schwerkraft, die Windflügel werden von der Windkraft hochgeschwenkt in eine geringere Neigung gegenüber der Horizontalen. Auf diese Weise soll eine Entlastung der Windturbine, genauer gesagt eine Drehzahlbegrenzung bei hohen Windgeschwindigkeiten erreicht werden. Durch das Hochlchwenken bieten die Windflügel dem Wind eine geringere Angriffsfläche, während über den der Windrichtung entgegengesetzten Bereich der Um- ·τ> laufbahn die Windflügel wieder herunterschwenken werden, also relativ stärker abgebremst werden. Nachteilig ist hierbei, daß zwangsläufig nur bei recht hohen Windgeschwindigkeiten eine Drehzahlbegrenzung eintritt, es wird also lediglich eine Überlastungs- ίο Sicherung erreicht. Recht nachteilig im Betrieb dürfte es auch sein, daß jeder Windflügel bei jeder Umdrehung einmal angehoben wird und dann wieder - bei der Gegenrichtung - herunterschwenkt, wobei er einen starken Ruck auf das Seil ausüben wird und damit r, die gesamte Windturbine durch diese Schläge bzw. das Rütteln stark beanspruchen wird, und zwar ausgerechnet gerade bei hohen Windgeschwindigkeiten.

   Eine ähnliche Windturbine ist aus der FR-PS «10581 bekannt, bei der als Windflügel Hohlkegel ho undrehbar an den Armen sitzen. Zum Zwecke einer selbsttätigen Drehzahlregelung ist an der Spitze jedes Kegels ein Ventil angebrächt, welches sich bei einer bestimmten Windgeschwindigkeit zu öffnen beginnt. Diese Windturbine hat den Nachteil eines weniger si- 65-cheren Betriebes wegen der Benutzung der Ventile) Welche ein zusätzliches, störanfälliges Organ darsteU len. Ferner kann die Windenergie gerade bei höheren

   Windgeschwindigkeiten nicht ausgenutzt werden.

   Aus der FR-PS 1326712 ist ferner eine Windturbine bekannt, die aus einer stehenden Hauptwelle besteht, an deren oberen Ende sich eine Scheibe befindet, auf der eine Reihe von Flügeln gelenkig angebracht sind. Diese Flügel drehen sich nur auf waagerechter Ebene mittels Armen und Hebeln und tragen jeweils am Flügelende ein Gegengewicht. Während der Drehung sucht das Gegengewicht eine extreme Stellung einzunehmen und beeinflußt in dieser Weise die Stellung des Flügels zur Windrichtung.

   Jeder Flügel ist mit einer Aushöhlung und einer hinteren Tasche versehen, die der Windeinwirkung ausgesetzt sind.

   Diese Vorrichtung erlaubt zwar eine selbsttätige Regelung der Drehbewegung durch Änderung der Stellung der Flügel zur Windrichtung. Diese Anlage hat aber den Nachteil, daß die Umwandlungskapazität der Windenergie in mechanische Energie sich durch den Einfluß der Gegengewichte merklich verringert.

   Demgegenüber liegt der trfindung die Aufgabe zugrunde, eine Windturbine der eingangs genannten Art zu schaffen, deren Drehzahl sich besonders bei kleineren bis mittleren Windgeschwindigkeiten, also während praktisch der gesamten Betriebsdauer, selbsttätig derart regelt, daß bei größeren Schwankungen der Windgescfiwindigkeit die Drehzahl im wesentlichen gleich bleibt, wobei die Windturbine aber bei höherer Windgeschwindigkeit ein größeres Drehmoment abgibt. Die Lösung dieser Aufgabe ist in dem Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs angegeben.

   Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung beschrieben.

   Fig. 1 ist eine axonometrische Ansicht einer erfindungsgemäßen Windturbine schräg von oben;

   Fig. 2 zeigt diese Windturbine in Seitenansicht, wobei der Deutlichkeit halber nur *.v.^-ei Windflügel gezeigt sind;

   Fig. 3 ist eine Draufsicht auf die Windturbine nach Fig. 1;

   Fig. 4 zeigt eine teilweise Seitenansicht, ähnlich Fig. 2, zur Erläuterung der Wirkungsweise;

   Fig. 5 zeigt die kennlinie der erfindungsgemäßen Windturbine, nämlich die Drehzahl aufgetragen über der Windgeschwindigkeit.

   Die Windturbine gemäß der Hrfindung weist eine senkrechte Welle 1 auf. die im Inneren eines Stützgestells 2 mittels Lagern 3 eingebaut ist.

   Die Welle 1 ist oben mit einer Anzahl von waagerechten, an der Welle befestigten Armen 4 versehen, an deren äußeren Ende je ein halbzylinderförmiger, an den Enden mit je einer Halbscheibe 6 begrenzter Windflügel gelenkig 7 angebracht ist.

   Jeder Windflügel kann von der ursprünglichen senkrechten Stellung bis zur extremen waagerechten Stellung um sein Gelenk 7 schwingen.

   Ein an jedem Windflügel angebrachter Anschlag 8 erlaubt dem Flügel nicht, sich dem Stützgestell zu nähern, wenn der Flügel sich vor dem Stützgestell befindet, also senkrecht herunterhängt.

   Die Windturbine arbeitet in folgender Weisel

   Bei Windstille befinden sich die Windflügel S in senkrechter Lage.

   Mit dem Ansteigen der Windgeschwindigkeit beginnt die Windturbine, sich zu drehen (Fig. 4).