WO2004061299A1

WO2004061299A1 - Windturbine mit waagerechter welle

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Publication number: WO2004061299A1
Application number: PCT/DE2003/003076
Authority: WO
Inventors: Gerd-Stephan Bartkowiak
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-01-03
Filing date: 2003-09-17
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2005-07-03
Also published as: DE20300045U1; AU2003275914A1

Abstract

In einem Rotorrahmen werden Tragflächenprofile durch die anliegende Windströmung und den dadurch erzeugten Auftrieb in Rotation versetzt. Bedingungen für die Drehbewegung werden durch die periodische Winkelverstellung der Rotorblätter erfüllt. Auftrieb bei positiven Anstellwinkel und Abtrieb bei negativen Anstellwinkel wirken als Rotationskraft auf die Antriebswelle. Die Spannweite, Anzahl der Rotorblätter, sowie der Rotordurchmesser, bestimmt die Leistung der Anlage.

Description

Beschreibung

Titel: WINDTURBINE MIT WAAGERECHTER WELLE

Stand der Technik: Die Nutzung der Windkraft zur Energiegewinnung wird derzeit wie folgt gelöst:

Auf einem, als Beispiel angeführten Stahlrohrturm, der von der Erdoberfläche gemessen- je nach Größe der Anlage- zwischen 30 m bis 110 m beträgt, wird auf der oberen Turmfläche die Rotorwelle mit angeflanschtem Generator einerseits und anderseits die Rotornabe zur Aufnahme der Rotorblätter angebracht.

Die Form der Rotorblätter, die Befestigung, winkelverstellbar an einer Nabe ist aus aerodynamischer Betrachtung vergleichbar, mit dem Propeller eines Flugzeugs.

Die aerodynamischen Parameter kommen hier modifiziert auf Windgeschwindigkeiten von 4m/s bis 25m/s zur Anwendung. Zur Verbesserung der Windkraftnutzung werden bei herkömmlichen Windkraftanlagen bereits Rotordurchmesser bis zu 90 m eingesetzt. Trotz Blattwinkelverstellung und Einsatz leichter Werkstoffe für die Rotoren, ist die Nennleistung herkömmlicher Anlagen bei einer Windgeschwindigkeit von 4m/s, 70 kW und bei einer Windgeschwindigkeit von 25m/s, ist eine maximale Leistung ca. 2300 kW erreichbar.

Problem: Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das

Problem zugrunde, einen Rotor zu entwickeln, der es ermöglicht, die Auftriebskraft von Tragflächenprofile, bei anstehender Luft- Strömung, in Rotationsbewegung umzuwandeln. Das dadurch entstehende Drehmoment wird kraftschlüssig mit einem Generator zur Stromerzeugung verbunden. Lösung: Dieses Problem wird mit den im Schutzanspruch 1 aufgeführten

Merkmale gelöst. Erreichte Vorteile: Mit der Erfindung wird erreicht, die erzielte Energieausbeute, im

Vergleich zu herkömmlichen Windkraftanlagen, um das Mehrfache ansteigt. Vergleich: Anlage Firma NORTEX Rotor gemäß Schutzanspruch

Typ N90/2300 Windgeschwindigkeit Leistung gemäß Veröffentlichung Leistung gemäß Berechnung

4 m/s , 70 kW 474 kW

5 m/s 183 kW 926 kW

6 m/s 340 kW 1600 kW

7 m/s 563 kW 2541 kW

8 m/s 857 kW 3793 kW

9 m/s 1225 kW 5401 kW

10 m/s 1607 kW 7409 kW

11 m/s 1992 kW 9861 kW

12 m/s 2208 kW 12803 kW

13 m/s 2300 kW 16722 kW

14 m/s 2300 kW 20330 kW

15 m/s 2300 kW 25005 kW

16 m/s 2300 kW 30347 kW

17 m/s 2300 kW 36401 kW

18 m/s 2300 kW 43210 kW

19 m/s 2300 kW 50819 kW

20 m/s 2300 kW 59273 kW

21 m/s 2300 kW 67991 kW

22 m/s 2300 kW 78167 kW

23 m/s 2300 kW 89318 kW

24 m/s 2300 kW 101499 kW

25 m/s 2300 kW 114704 kW Beispielberechnung: (Abmessungen und Profildaten veränderbar) Technische Daten: Rotorprofil ausgewählt Gö 409 (nach Aerodynamische

Versuchsanstalt Göttingen) symmetrisch

Profilbreite: b = 5,65 m

Profillänge: I = 40,00 m

Rotorradius: r = 20,00 m

Rotorfläche: A = 226,00 m (Flügelfläche für 1 Flügel)

Anzahl der Rotorblätter: 8 Stück

Anstellwinkel der Rotorblätter:

Bei einer Umdrehung von 360 ° erfolgt periodische

Blattwinkelverstellung. Obere Totpunkt = 0°;Auf-u. Abtrieb = 0

Nach 30° Abwärtsbewegung, Winkelverstellung auf -12°.

Unterer Totpunkt = 0° (siehe oberer Totpunkt)

Nach 30° Aufwärtsbewegung = +12°.

Auftriebs- und Widerstandsbeiwerte für Profil Gö 409 gemäß Polardiagramm.

Quelle: Otto Günther, Fachbuchverlag Leipzig 1955

Anstellwinkel Auftriebsbeiwert CA Widerstandsbeiwert CW

0° 0 0,016

+3° 0,02 0,020

-3° 0,02 0,020

+6° 0,40 0,030

-6° 0,40 0,030

+9° 0,80 0,040

-9° 0,80 0,040

+12° 1,00 0,060

-12° 1,00 0,060

Literaturnachweis:

W.D. PICHT, Moderne Flugzeugtechnik, Verlag Technik Berlin 1960

Günther, Segelflugmodelle, Fachbuchverlag Leipzig 1955

HÜTTE, Die Grundlagen der Ingenieurwissenschaften, Springer-Verlag Berlin, 2000

Grundwissen des Ingenieurs, 13.Auflage, Fachbuchverlag Leipzig 2002 im Carl Hanser Verlag Formeln:

Auftriebsberechnung der Rotorblätter: FA = 0,5 v² CA A [N] ( A = b I ) [m²]

Widerstandskraft der Rotorblätter: FW = 0,5 v² CW Ä [ N ]

Resultierende Gesamthaltekraft: FH = FA + FW [ N ]

Arbeit: W = FH x 2 π x r [ Nm]

Winkelgeschwindigkeit: ω = 2 π n [rad/s]

Leistung: p = = W x ω [ W ]

Formelzeichen Einheit Bedeutunα

FA N Haltekraft

Fw N Widerstandskraft

FH N Resultierend Haltekraft

A m² Rotorfläche

V m/s Strömungsgeschwindigkeit

CA 1 Auftriebsbeiwert

Cw 1 Widerstandsbeiwert r ^m Rotorradius

W Nm Arbeit n 1/min Drehzahl ω 1/s Winkelgeschwindigkeit ß kg/m³ Dichte Anzahl der Rotorblätter: 8 Stück Vwind = m/s Auftrieb FA INI Widerstand FWfNl Haltekraft FH INI

4 m/s 17.718,40 1.063,10 18.781,50

5 m/s 27.685,00 1.661,10 29.346,10

6 m/s 39.866,40 2.391,98 42.258,38

7 m/s 54.262,60 3.255,76 57.518,36

8 m/s 70.873,60 4.252,42 75.126,02

9 m/s 89.699,40 5.381,96 95.081,36

10 m/s 110.740,00 6.644,40 117.384,40

11 m/s 133.995,40 8.039,72 142.035,12

12 m/s 159.465,60 9.567,94 169.033,54

13 m/s 187.150,60 11.229,04 198.379,64

14 m/s 217.050,40 13.023,02 230.073,42

15 m/s 249.165,00 14.949,90 264.114,90

16 m/s 283.494,40 17.009,66 300.504,06

17 m/s 320.038,60 19.202,32 339.240,92

18 m/s 358.797,60 21.527,86 380.325,46

19 m/s 399.771,40 23.986,28 423.757,68

20 m/s 442.960,00 26.577,60 469.537,60

Arbeit W = FH x 2 x 3,14 x r . Nm l

Vwind . m/s 1 W f Nm l

4 m/s 2.358.956,40

5 m/s 3.685.870,16

6 m/s 5.307.652,53

7 m/s 7.224.306,02

8 m/s 9.435.828,11

9 m/s 11.942.218,82

10 m/s 14.743.480,64

11 m/s 17.839.611,07

12 m/s 21.230.612,62

13 m/s 24.916.482,78

14 m/s 28.897.221,55

15 m/s 33.172.831,44

16 m/s 37.743.309,94

17 m/s 42.608.659,55

18 m/s 47.768.877,78

19 m/s 53.223.964,61

20 m/s 58.973.922,56 Leistung = P [ W ] P = Arbeit x Winkelgeschwindigkeit [rad/s] P = W x Omega ü» [ W ]

Vwind [m/s] W [ Nm ] ύύ> Omega [ rad/s ] P [ W ]

4 m/s 2.358.956,40 0,20101 474.173,83

5 m/s 3.685.870,16 0,25127 926.148,60

6 m/s 5.307.652,53 0,30152 1.600.363,39

7 m/s 7.224.306,02 0,35177 2.541.294,13

8 m/s 9.435.828,11 0,40202 3.793.391,62

9 m/s 11.942.218,82 0,45228 5.401.226,73

10 m/s 14.743.480,64 0,50253 7.409.041,33

11 m/s 17.839.611,07 0,55278 9.861.380,21

12 m/s 21.230.612,62 0,60304 12.802.908,63

13 m/s 24.916.482,78 0,65329 16.277.689,04

14 m/s 28.897.221,55 0,70355 20.330.640,22

15 m/s 33.172.831,44 0,75380 25.005.680,34

16 m/s 37.743.309,94 0,80405 30.347.508,36

17 m/s 42.608.659,55 0,85331 36.401.003,94

18 m/s 47.768.877,78 0,90456 43.209.816,08

19 m/s 53.223.964,61 0,95482 50.819.305,89

20 m/s 58.973.922,56 1,00507 59.272.920,35

Berechnunαsbeispiel: Windgeschwindigkeit 4m/s

Auftrieb:

FA = CA0,5ßV² bl [N] [bxl = A]

FA = 1 ,0 x 1 ,225/2 x 4^a x 5,65 x 320 [ kg/m³ x m/s x m² ] [N]

FA = 17718.4 N Widerstand:

FW = 0,06 x 1,225/2 x4 x 5,65 x 320 [kg/m³ x m/s x m²] [N]

FW = 1063.104 N Haltekraft:

FH = FA + Fw [N}

FH = 17718,4 + 1063,104 [N]

FH = 18781.504 N

Arbeit:

W = FH x 2H^*r [Nm]W = 18781,504 N x 125,6 m [Nm]

W = 2358956.902 Nm

Leistung:

P = w x G3 [W]

P = 2358956,902 x 0,2001 rad/s [W]

P = 472027,2762 W /1000

P = 472.027 kW Berechnungsbeispiel: Windgeschwindigkeit: 10 m/s

Auftrieb:

FA = CAO,5 IV² b I [N] ( b x I = A [ m²] )

FA = 1,0 x 0,5 x 1,225/2 x 10² x 5,65 x 320 [ kg/m³ x m/s x m² ] [ N ]

Widerstand:

Fw = 0,06x1,225/2 x10² x5,65 x 320 [kg/m³ x m/s xm²] [N]

Fw = 6644.4 N

Haltekraft:

FH = 55370,0 + 6644,4 [N] FH = 62014.4 N

Arbeit:

W = FHx2^ci xr [Nm]

W = 62014,4 N x 125,6 m [Nm]

W = 7789008.64 Nm

Leistung:

P - W x G [W]

P = 7789008,64 Nm x 0,50253 rad/s [W]

P = 3914210,512 W / 1000

P = 3914.211 kW Berechnungsbeispiel: Windgeschwindigkeit: 20 m/s

Auftrieb:

FA = CA O,5Q v bl [N] [bxl = A] (m²)

FA = 1,0 x 1,225/2 x20² x 5,65x320 [kg/m³ x m/s x m²] [N]

FA = 442960 N

Widerstand:

Fw = Cw0,5( v²bl [N]

Fw = 0,06 x 1,225/2 x 20² x 5,65x320 [kg/m³ x m/s x m²] [N]

Fw = 26577.6 N

Haltekraft:

FH = 442960 N + 26577,6 [N]

FH = 469537.6 N

Arbeit:

W = 469537,6 N x 125,6 m

W = 58973922.56 Nm

Leistung:

P = W x (0 [W]

P = 58973922,56 Nm x 1,00507 rad/s [W]

P = 59272920,35 W /: 1000

P = 59272.9204 kW

Claims

Schutzansprüche

Oberbegriff: 1. Vorrichtung zur Energiegewinnung aus Windkraft.

Kennzeichnender Teil: dadurch gekennzeichnet, dass die im Rotorrahmen (2), im Profilschwerpunkt (5) zur Anströmwinkelverstellung verstellbar gelagerten Rotorblätter (1), auf einer Kreisbahn, im Rotorgrundrahmen (3) durch eine Strömung erzeugte Kraft, um eine Achse rotieren.

Oberbegriff des Unteranspruchs: Vorrichtung zur Energiegewinnung aus Windkraft nach Schutzanspruch 1.

Kennzeichnender Teil des Unteranspruchs: dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter, in frei gewählter Anzahl, ein modifiziertes

Tragflächenprofil aufweist und auf der Rotationsbahn im vorderen

Bereich der Strömung, vom Drehwinkel 0° bis 180°, einen positiven

Auftrieb und im hinteren Bereich der Strömung, vom Drehwinkel von >180° bis 360°, einen negativen Auftrieb

(Abtrieb) erzeugen.

Die Rotorblätter (1) werden im Rotorrahmen (2), verbunden mit einem

Kurvengetriebe auf einer Kreisbahn von 360°, periodisch im

Profilschwerpunkt (5), zur Anströmrichtung so winkelverstellt, damit die resultierende Windkraft, in Größe und Richtung an der Rotorwelle ein optimales Drehmoment erzeugt.