DE4110540A1 - Windkraftanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem dreh­ bar gelagerten Windrad.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Windkraftanlage der ein­ gangs genannten Art so auszugestalten, daß ein möglichst ho­ her Anteil der kinetischen Energie des anströmenden Windes möglichst verlustarm in Rotationsenergie des Windrades umge­ setzt werden kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß unter sich gleiche, profilierte Schaufeln, die sich je entlang einer Mantellinie eines Kreiszylinders erstrecken, gleichmäßig auf den Umfang des Windrades, einen Schaufelkranz bildend, verteilt sind und daß eine Schaufel über ihre ganze Länge ein Tragflächen­ profil hat und mit der vorgewölbten Seite des Tragflächen­ profils in Drehrichtung des Windrades weist.

Das Windrad wird mit vertikaler Rotationsachse aufgestellt, so daß der Wind, gleich aus welcher horizontalen Richtung er das Windrad anströmt, bezogen auf das Windrad in radialer Richtung strömt. Durch die Anordnung und Profilierung der Schaufeln wirkt auf jede Schaufel eine mehr oder weniger starke Vorschubkomponente in der gemeinsamen Drehrichtung.

Eine sehr gute Leistungsausbeute erzielt man dadurch, daß eine Schaufel am einen Profilende eine dicke Profilnase und am anderen Profilende einen schlanken Profilschwanz hat und mit ihrer Profilnase zum Zentrum des Windrades gerichtet ist.

Eine weitere Verbesserung der Leistungsausbeute ist dadurch erzielbar, daß koaxial zum Windrad ein Kreiszylinderelement aus luftundurchlässigem Material vorgesehen ist, dessen Au­ ßenfläche die Form eines Kreiszylindermantels hat, und daß zwischen dem Kreiszylinderelement und dem Schaufelkranz ein Zwischenraum ausgespart ist.

Dieses Kreiszylinderelement kann stillstehend angeordnet sein, vorzugsweise ist es jedoch um die Kreiszylinderachse drehbar angeordnet.

Damit das Kreiszylinderelement die im Interesse einer großen Leistungsausbeute sich um die Profilnase ausprägende Strö­ mungen nicht stört, empfiehlt es sich, daß der Zwischenraum 50 bis 200%, vorzugsweise 100%, der größten Stärke des Schaufelprofils beträgt.

Damit bei starkem Windeinfall das Windrad nicht beschädigt wird, empfiehlt es sich, daß die Schaufeln um je eine in der Nähe der Profilnase gelegene, sich parallel zur Rotations­ achse des Windrades erstreckende Schwenkachse schwenkbar ge­ lagert sind in eine Ruhestellung, in der sie sich in tangen­ tialer Richtung zum Windradumfang erstrecken. Im Falle eines zu starken Windeinfalls werden dann die Schaufeln in tangen­ tiale Richtung gestellt und bieten so in Verbindung mit dem Kreiszylinderelement eine windschlüpfrige Struktur, an der der starke Wind keine zerstörenden Angriffsflächen findet.

Die Schaufeln lassen sich einfach verwindungssteif in dem gewünschten Tragflächenprofil herstellen, wenn eine Profil­ schaufel auf ihrer ganzen Außenfläche aus korosionsfreiem Material, vorzugsweise Metall, besteht und im Inneren mit Polyurethan ausgefüllt ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform treibt das Windrad eine Dynamomaschine und in einem solchen Fall empfiehlt es sich, daß das Windrad über ein Planetenrädergetriebe an einen Ro­ tor einer Dynamomaschine gekuppelt ist. Auf diese Weise läßt sich einfach eine wünschenswerte Drehzahl-Übersetzung vom Windrad auf den Rotor erzielen.

Im konstruktiv einfachsten Fall ist dabei die Gestaltung so gewählt, daß das Windrad unmittelbar ein Außenrad des Plane­ tenrädergetriebes treibt, daß der Dynamorotor drehsteif auf dem Sonnenrad des Planetenrädergetriebes montiert ist und daß die zwischen Außenrad und Sonnenrad kämmend aufgereihten Planetenräder an einem Träger drehbar gelagert sind, an dem das Gegenelement für den Dynamorotor drehsteif befestigt ist.

Der Träger für die Planetenräder kann stationär sein und ist vorzugsweise an dem Kreiszylinderelement drehsteif befestigt. Wenn es sich um ein rotationsfähig gelagertes Kreiszylinderelement handelt, das gegenläufig zum Windrad umlaufend angetrieben wird, dann erzielt man eine besonders günstige aeroelektrische Energie-Umsetzung, wenn die Dynamo­ maschine einen zweiten Dynamorotor aufweist, der das Gegen­ element bildet und der vom Kreiszylinderelement zum ersten Dynamorotor gegenläufig umlaufend angetrieben wird.

Die Erfindung wird nun an Hand der beigefügten Zeichnung nä­ her erläutert.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine Windkraftanlage nach der Erfindung aufgestellt,

Fig. 2 das Windrad aus Fig. 1 perspektivisch,

Fig. 3 im Teilschnitt entsprechend dem Pfeil III aus Fig. 1 eine Schaufel mit einem Teil des angrenzenden Kreiszylinderelementes,

Fig. 4 die Schaufel aus Fig. 3 in der Ansicht entsprechend dem Pfeil IV aus Fig. 3,

Fig. 5 die Anlage aus Fig. 1 im Längsschnitt planparallel zur Zeichenebene der Fig. 1,

Fig. 6 den Schnitt VI aus Fig. 5,

Fig. 7 das Windrad in der Darstellung entspre­ chend Fig. 6 mit eingezeichneten Strö­ mungslinien,

Fig. 8 bis 15 Ausschnitte aus Fig. 7, stark vergrößert und mit weiteren Details, jeweils für die acht in verschiedenen Winkelstellungen gegenüber der anströmenden Windrichtung stehenden Schaufeln,

Fig. 16 die Strömungslinie, die sich für das Kreiszylinderelement allein ergeben, und

Fig. 17 ein Druckdiagramm zu Fig. 16.

In der Zeichnung ist mit 1 eine Windkraftanlage bezeichnet, die auf einem Ständer 2 ins Freie gestellt ist, und zwar mit vertikaler Rotationsachse 3. Den äußeren Umfang der Wind­ kraftanlage 1 bildet ein in Fig. 2 herausgezeichnetes Wind­ rad 4, das zur Achse 3 zylindersymmetrisch ausgestaltet und drehbar gelagert ist. Das Windrad 4 weist mehrere, im darge­ stellten Ausführungsbeispiel acht unter sich gleiche profi­ lierte Schaufeln 5 bis 12 auf, die sich entlang je einer Mantellinie eines Kreiszylinders erstrecken und gleichmäßig auf den Umfang des Windrades 4, einen Schaufelkranz bildend, verteilt sind.

Eine jede Schaufel hat über ihre ganze Länge ein Tragflä­ chenprofil, wie für die Schaufel 5 aus Fig. 3 ersichtlich, und weist mit ihrer vorgewölbten Seite 13 in die Drehrich­ tung gemäß Pfeil 14 des Windrades. Eine jede Schaufel, zum Beispiel die Schaufel 5, hat an einem Profilende eine dicke Profilnase 15 und am anderen Profilende einen schlanken Pro­ filschwanz 16. Mit ihrer Profilnase ist sie während des Be­ triebes des Windrades zum Zentrum, also zur Achse 3 des Windrades, gerichtet.

Koaxial zum Windrad 4 ist ein Kreiszylinderelement 17 - ver­ gleiche Fig. 5 - vorgesehen, das innerhalb des Windrades angeordnet ist, aus luftundurchlässigem Material besteht und dessen Außenfläche glatt ist und die Form eines Kreiszylin­ dermantels 18 hat. Zwischen dem Kreiszylinderelement 17 und dem durch die Schaufeln 5 bis 12 gebildeten Schaufelkranz ist ein Zwischenraum 19 - vergleiche Fig. 3 - ausgespart, der gemäß Doppelpfeil 20 etwa so groß ist wie die größte Stärke gemäß Doppelpfeil 21 des Schaufelprofils beträgt.

Der Umfang der Schaufeln wird durch einen Mantel 23 aus ko­ rosionsfestem Metallblech gebildet. Die Schaufeln sind mas­ siv ausgefüllt mit einer Polyurethanfüllung 24. Die Schau­ feln sind versteift durch in die Polyurethanfüllung 24 ein­ gearbeitete Längsstäbe 26, 27, 28.

Der dicht neben der Profilnase 15 gelegene Längsstab 26 steht mit beiden Enden an den Stirnseiten aus der Schaufel heraus und ist drehbar gelagert, so daß die Schaufel, wie in Fig. 3 gestrichelt eingezeichnet, aus der dort ausgezogen gezeichneten Funktionsstellung in eine Ruhestellung ge­ schwenkt werden kann, in der sie sich etwa tangential zum Umfang des Windrades erstreckt. Wenn alle Schaufeln sich in dieser tangentialen Stellung befinden, bietet das Windrad bei überstarker Windströmung keinen Angriffspunkt für zer­ störende Kräfte.

Die Längsstäbe 27 und 28 ragen ebenfalls an beiden Enden aus den Stirnseiten der Schaufel heraus und bieten dort An­ griffspunkte für nicht dargestellte Schwenkmechanismen zum Verschwenken der Schaufel aus der in Fig. 3 ausgezogen ge­ zeichneten Stellung in die dort gestrichelt gezeichneten Stellungen und zur Fixierung der Schaufeln in den einge­ stellten Winkelstellungen. Der Schwenkmechanismus ist vor­ zugsweise so ausgebildet, daß sämtliche Schaufeln gleichsin­ nig und gleichzeitig aus ihrer Funktionsstellung in ihre Ru­ hestellung und zurück verschwenkt werden.

Das Windrad 4 weist, wie aus Fig. 5 ersichtlich, ein Deckelteil 30 und einen Bodenring 31 auf, zwischen denen die Schaufeln 5 bis 12 befestigt sind. Das Deckelteil 30 besteht aus einer nach oben gewölbten Schutzkappe 32 und einer Treibscheibe 33. In der Treibscheibe 33 ist koaxial zur Ach­ se 3 das mit Innenverzahnung 34 versehene Außenrad 35 eines Planetenrädergetriebes 36 befestigt.

Das Außenrad 35 treibt über auf den Umfang verteilt angeord­ nete drei Planetenräder 37, 38, 39 ein zentrales Sonnenrad 40. Planetenräder und Sonnenrad sind mit Außenverzahnung versehen. Die Planetenräder kämmen mit dem Außenrad 35 und dem Sonnenrad 40.

Das Sonnenrad 40 sitzt drehsteif auf der Achse 41 eines er­ sten Rotors 42 einer Dynamomaschine 43, die koaxial zur Ach­ se 3 angeordnet ist. Das topfförmig ausgebildete Kreiszylin­ derelement 17 weist eine Deckelplatte 45 und eine Bodenplat­ te 47 und das Zylindermantelteil 44 auf. An der Deckelplatte 45 sind die Planetenräder 37, 38, 39 drehbar gelagert. An der Deckelplatte 45 ist ein zweiter Rotor 46 - ein Außenro­ tor - der Dynamomaschine 43 befestigt.

Bei Betrieb, also bei anströmendem Wind, dreht sich das Windrad 4 in Pfeilrichtung 14 und das Kreiszylinderelement 17 ist stillgesetzt oder es dreht sich, angetrieben durch den Wind, in Richtung entgegengesetzt zur Pfeilrichtung 14.

Mit 50 ist ein zur Achse 3 koaxialer Achsstumpf bezeichnet, auf dem der erste Rotor 42 der Dynamomaschine 43, der Boden­ ring 31 und die Bodenplatte 47 drehbar gelagert sind. An dem Rotor 42 ist eine Welle 51 koaxial zur Achse 3 befestigt, die mit dem Rotor 42 umläuft und in Drehlagern 48 und 53 am Deckelteil 30 drehbar gelagert ist. Die Deckelplatte 45 ist mit dem Drehlager 52 an der Achse 41 drehbar gelagert.

Ein horizontal anströmender Wind wirkt auf sämtliche Schau­ feln mehr oder weniger stark in Richtung des Pfeils 14 vorwärtstreibend. Die diesbezüglichen aerodynamischen Zusam­ menhänge ergeben sich aus den Fig. 7 bis 17.

Das Kreiszylinderelement 17 dreht sich, angetrieben durch die gleiche anströmende Windströmung, entgegengesetzt zur Pfeilrichtung 14, wenn es drehbar gelagert ist, andernfalls wird es stillstehend gehalten.

In sämtlichen Fig. 7 bis 17 ist die Windrichtung durch den Pfeil W angezeigt und die Umlaufrichtung des Windrades durch den Pfeil 14.

Die aerodynamische Wirkung, die die Schaufeln in jeder be­ liebigen Winkelstellung bei Anströmrichtung W in Pfeilrich­ tung 14 umtreiben, wird nachfolgend erläutert.

Zu Fig. 8: Die Schaufel 6 wirkt wie eine Turbinenschaufel. Die vom Zylindermantelteil 44 abgelenkte Luft drückt das Windrad 4 in Pfeilrichtung 14. Der dadurch entstehende Koanda-Effekt wirkt auf das Kreiszylinderelement 17 und dreht dieses in entgegengesetzter Drehrichtung.

Zu Fig. 9: Die Schaufel 5 ergreift den Wind von der Hälfte des Trommeldurchmessers. Die tangentiale Schnelligkeit kann sich ausgleichen je nach der Geschwindigkeit des Windes. In dieser Schaufelstellung kommt der Koanda-Effekt, der das Kreiszylinderelement 17 in Richtung entgegengesetzt des Pfeils 14 dreht, noch stärker zum Ausdruck als in der Stel­ lung entsprechend Fig. 8.

Zu Fig. 10: Die Schaufel 12 wirbelt den Luftstrom in die Lage größerer Depression, wodurch sich das positive Drehmo­ ment von Windrad und Kreiszylinderelement 17 vergrößert.

Zu Fig. 11: Die Schaufel 11 steht im Winkel von 180°, das ist der Moment, an dem die Schaufel aufhört mit der Lenkung von Luft in den Lagen hoher Depression. Das ist aber gleich­ zeitig die Lage, in der sich die größten Wirbel und Depres­ sionen an der Profilnase der Schaufel ausbilden und das wirkt positiv auf die Drehmomente von Windrad 4 in Pfeil­ richtung 14 und Kreiszylinderelement 17 in Gegenrichtung.

Zu Fig. 12: Durch die Stellung der Schaufel 10 gegen die Windanströmung vergrößert sich die Windgeschwindigkeit an der Vorderfläche und das verursacht Depression. An der Hin­ terfläche kommt es zu einer Druckerhöhung. Dieser Unter­ schied von Über- und Unterdruck erzeugt ein Drehmoment des Windrades in Pfeilrichtung 14.

Zu Fig. 13: Da sich die Schaufel 9 wie auch in den angren­ zenden Stellungen gegen den anströmenden Wind bewegt, ver­ größert sich die relative Windgeschwindigkeit gegenüber der wirklichen Windgeschwindigkeit. Dadurch entsteht eine größe­ re Depression auf der Oberfläche der Schaufel, während sich auf der Unterseite ein stärkerer Unterdruck ausbildet. Durch den unterschiedlichen Über- und Unterdruck ergibt sich eine positive Kraftkomponente, die wiederum zu einem positiven Drehmoment auf das Windrad 4 gemäß Pfeil 14 und in Gegen­ richtung auf das Kreiszylinderelement 17 führt.

Zu Fig. 14: Die wirkliche Schnelligkeit des Windes ist, be­ zogen auf die Schaufel 8, vergrößert, und zwar erstens wegen der Abweichung des Windstromes um das Kreiszylinderelement 17 und zweitens wegen der Drehrichtung der Schaufel gegen die Windrichtung in Pfeilrichtung 14 und schließlich wegen des Windumlaufs an der Oberfläche der Schaufel. Diese drei Faktoren vergrößern die Schnelligkeit der relativen Windströmung. Das resultiert in einem Druckunterschied auf den beiden Seiten der Schaufel. Dadurch ergibt sich eine tangentiale Kraft, die die Schaufel in Pfeilrichtung 14 treibt und das Kreiszylinderelement 17 in Gegenrichtung.

Zu Fig. 15: Die Schaufel 7 erfährt durch den anströmenden Wind einen Unterdruck auf der Schaufeloberseite und einen Überdruck auf der Schaufelunterseite und damit ein Drehmo­ ment in Pfeilrichtung 14.

Claims (10)

1. Windkraftanlage mit einem drehbar gelagerten Windrad, da­ durch gekennzeichnet, daß unter sich gleiche, profilierte Schaufeln (5-12), die sich je entlang einer Mantellinie eines Kreiszylinders erstrecken, gleichmäßig auf den Umfang des Windrades (4), einen Schaufelkranz bildend, verteilt sind und daß eine Schaufel über ihre ganze Länge ein Tragflächen­ profil hat und mit der vorgewölbten Seite des Tragflächen­ profils in Drehrichtung des Windrades weist.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaufel (5) am einen Profilende eine dicke Profilnase (15) und am anderen Profilende einen schlanken Profilschwanz (16) hat und mit ihrer Profilnase zum Zen­ trum des Windrades (4) gerichtet ist.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß koaxial zum Windrad (4) ein Kreiszylinderelement (17) aus luftundurchlässigem Material vorgesehen ist, des­ sen Außenfläche die Form eines Kreiszylindermantels hat, und daß zwischen dem Kreiszylinderelement und dem Schaufel­ kranz ein Zwischenraum (20) ausgespart ist.

4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (20) 50 bis 200% (Prozent), vor­ zugsweise 100%, der größten Stärke des Schaufelprofils beträgt.

5. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (5-12) um je eine in der Nähe der Profilnase (15) gelegene, sich parallel zur Rotationsachse (3) des Windrades (4) erstreckende Schwenkachse (26) schwenkbar gelagert sind in eine Ruhestellung, in der sie sich in tangentialer Richtung zum Windradumfang erstrecken.

6. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Profilschaufel (5) in ihrer ganzen Außenfläche aus korrosionsfreiem Material, vorzugsweise Metall, besteht und im Inneren mit Polyurethan ausgefüllt ist.

7. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Windrad (4) über ein Planetenrädergetriebe (36) an einen Rotor (42) einer Dynamomaschine (43) ge­ kuppelt ist.

8. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das Windrad (4) unmittelbar ein Außenrad (35) des Planetenrädergetriebes (36) treibt,
daß der Dynamorotor (42) drehsteif auf dem Sonnenrad (40) des Planetenrädergetriebes montiert ist und
daß die zwischen Außenrad und Sonnenrad kämmend aufge­ reihten Planetenräder (37-39 ) an einem Träger (45) drehbar gelagert sind, an dem das Gegenelement (46) für den Dynamorotor drehsteif befestigt ist.

9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (45) drehsteif an dem Kreiszylinderele­ ment (17) befestigt ist.

10. Anlage nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dynamomaschine (43) einen zweiten Dynamorotor (46) aufweist, der das Gegenelement bildet und vom Kreis­ zylinderelement (17) zum ersten Dynamorotor (42) gegen­ läufig umlaufend angetrieben wird.