DE4110540C2 - Windkraftanlage - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem drehbar gelagerten Windrad, wobei 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 Tragflächenprofil hat und mit der vorgewölbten Seite des Tragflächenprofils in Drehrichtung des Windrades weist.

In der US-PS 42 36 866 ist ein Strömungssystem beschrieben, bei dem möglichst viel Strömungsenergie von Luft oder Flüssigkeit in elektrische Energie zum Antreiben von Pumpen umgesetzt werden soll. Hierzu werden beispielsweise zwei entlang einer Mantellinie unterschiedlichen Durchmessers vorhandene profilierte Schaufelreihen eingesetzt, die so angeordnet sind, daß sich der äußere Ring in eine erste Richtung und der zweite innere Ring in eine zweite Richtung, die entgegengesetzt zur ersten Richtung ausgerichtet ist, dreht. Die Strömung wird hierbei innerhalb des Systems bereichsweise in Richtung der Längsdrehachse des Systems geführt zum Antreiben der beiden mit den profilierten Schaufeln versehenen Ringe. Die Ausbildung des Schaufelkranzes ist aufgrund seiner räumlichen Geometrie relativ kompliziert und konstruktiv aufwendig.

Die FR-PS 557 416 beschreibt eine Windkraftanlage, bei der im Innern ein Kreiszylinderelement vorhanden ist. Dieses Kreiszylinderelement ist von einem drehbaren Schaufelkranz umgeben. Die Schaufeln sind hierbei als dünne Streifenelemente ausgebildet.

Die beiden deutschen Gebrauchsmuster G 87 01 130 und G 82 29 696 zeigen Windturbinen mit entsprechend ausgebildeten Windfangblättern bzw. Schaufeln, die speziell rotierbar gelagert sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftanlage der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß sie neben der Umsetzung eines möglichst hohen Anteils der kinetischen Energie des anströmenden Windes eine möglichst verlustarme Umsetzung in Rotationsenergie des Windrades ermöglicht und darüberhinaus das die Rotationsenergie in elektrische Energie umwandelnde Aggregat auch bei hohen auftretenden Windgeschwindigkeiten im optimalen Betriebsbereich gehalten werden kann.

Die erfindungsgemäße Windkraftanlage ist durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gegeben. Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist Gegenstand des abhängigen Anspruchs 2.

Die erfindungsgemäße Windkraftanlage zeichnet sich demgemäß dadurch aus, daß das Windrad über ein Planetenrädergetriebe an einen Rotor einer Dynamomaschine gekuppelt ist, das Windrad unmittelbar ein Außenrad des Planetenrädergetriebes treibt, der Dynamorotor drehsteif auf dem Sonnenrad des Planetenrädergetriebes montiert ist, die zwischen Außenrad und Sonnenrad kämmend aufgereihten Planetenräder an einem Träger drehbar gelagert sind, an dem das Gegenelement für den Dynamomotor drehsteif befestigt ist, koaxial zum Windrad ein drehbares Kreiszylinderelement aus luftundruchlässigem Material vorgesehen ist, dessen Außenfläche die Form eines Kreiszylindermantels hat und zwischen dem Kreiszylinderelement und dem Schaufelkranz ein Zwischenraum ausgespart ist, der Träger drehsteif an dem Kreiszylinderelement befestigt ist und die Dynamomaschine von dem Kreiszylinderelement zum ersten Dynamorotor aufgrund des Koanda-Effekts gegenläufig umlaufend angetrieben wird.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Windkraftanlage zeichnet sich dadurch aus, daß der Zwischenraum 50 bis 200% (Prozent), vorzugsweise 100%, der größten Stärke des Schaufelprofils beträgt.

Die Erfindung wird nun an Hand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

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 (2)

1. Windkraftanlage mit einem drehbar gelagerten Windrad, wobei 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 Tragflächenprofil hat und mit der vorgewölbten Seite des Tragflächenprofils in Drehrichtung des Windrades weist. dadurch gekennzeichnet, daß
- das Windrad (4) über ein Planetenrädergetriebe (36) an einen Rotor (42) einer Dynamomaschine (43) gekuppelt ist,
- das Windrad (4) unmittelbar ein Außenrad (35) des Planetenrädergetriebes (36) treibt,
- der Dynamorotor (42) drehsteif auf dem Sonnenrad (40) des Planetenrädergetriebes montiert ist,
- die zwischen Außenrad und Sonnenrad kämmend aufgereihten Planetenräder (37-39 ) an einem Träger (45) drehbar gelagert sind, an dem das Gegenelement (46) für den Dynamorotor drehsteif befestigt ist,
- koaxial zum Windrad (4) ein drehbares Kreiszylinderelement (17) aus luftundurchlässigem Material vorgesehen ist, dessen Außenfläche die Form eines Kreiszylindermantels hat und zwischen dem Kreiszylinderelement und dem Schaufelkranz ein Zwischenraum (20) ausgespart ist,
- der Träger (45) drehsteif an dem Kreiszylinderelement (17) befestigt ist und
- die Dynamomaschine (43) einen zweiten Dynamorotor (46) aufweist, der das Gegenelement bildet und vom Kreis­ zylinderelement (17) zum ersten Dynamorotor (42) aufgrund des Koanda-Effekts gegenläufig umlaufend angetrieben wird.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (20) 50 bis 200% (Prozent), vorzugsweise 100%, der größten Stärke des Schaufelprofils beträgt.