DE19815208A1 - Rotor mit achsparallelen flexiblen Flügelblättern und radialer Durchströmung für die Windenergienutzung - Google Patents

Abstract

Rotor mit achsparallelen flexiblen Flügelblättern mit radialer Durchströmung, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils drei oder mehr starre Holme aus einem leichten und festen Material in einer Ebene zu einem Polygon mit überstehenden Holmstücken zusammengesetzt und zwei dieser Polygone so durch Abstandsholme übereinander angeordnet sind und ein Funktionsmodul ergeben, daß radial gerichtete Segelrahen entstehen, zwischen denen Segel aus flexiblen Materialien aufgespannt werden.

Description

Gegenstand der Erfindung

Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zur Nutzung der Windenergie mittels eines um eine Achse drehenden Rotors mit flexiblen Flügelblättern in achsparalleler Anordnung und einer dazu senkrecht, also radial, erfolgenden Rotor-An- und Durchströmung.

Stand der Technik

Allgemein vorherrschend in der Anwendung sind Windkraftanlagen, deren Flügel keine achsparallele, sondern eine zur Drehachse radiale Ausrichtung haben und als Horizontalwindkraftanlagen bezeichnet werden.

Windkraftanlagen mit Flügelblättern, deren Ausrichtung achsparallel erfolgt, sind beispielsweise als Vertikalachsanlagen bekannt. In ihrer physikalischen Wirkungsweise nutzen sie in der als Savoniusrotor bekannten Bauform den vom Wind auf die Blätter ausgeübten Staudruck (häufig als Widerstandsläufer bezeichnet) und auch in der als Darrieusrotor und Heidelbergrotor bekannten Bauform die Auftriebskraft (häufig als Auftriebsläufer bezeichnet) eines Tragflügels zur Energiegewinnung.

Beide Bauformen haben Gemeinsamkeiten in den Wirkprinzipien, die sich auf die achsparallele Anordnung der Flügelblätter gründen und die sie darin von den Anlagen unterscheiden, die eine radiale Anordnung der Flügelblätter aufweisen, wie beispielsweise bei bekannten Horizontalwindkraftanlagen.

In jüngerer Zeit sind Entwicklungen bekannt geworden, die die Vorteile der Widerstandsläufer und der Auftriebsläufer verbinden sollen. Die Entwicklungen führten zu einem offenen achsnahen Bereich im Rotor, so daß der Wind, nachdem er über die Staudruckwirkung einen Teil seiner Energie abgegeben und den Flügel in Drehung versetzt hat, einen weiteren Teil seiner Energie durch die Umlenkung seines Strömungsimpulses abgibt.

In früheren Epochen gab es bereits im alltäglichen Gebrauch nachgewiesene Anlagen, beispielsweise in China, die ebenfalls die Widerstandskraft eines achsparallelen Flügels und auch in Abschnitten der Flügelumlaufbahn eine kurzzeitig wirkende Auftriebskraft des Windes ausnutzten. Den historischen Bedingungen entsprechend bestanden die verwendeten Flügel aus textilen und damit flexiblen Materialien. Diese Windkraftanlagen zeichneten sich zeitbezogen durch ein Höchstmaß von Funktionalität und technologischer Reife aus. Nachteilig war aber neben der geringen Festigkeit der verwendeten Materialien für Rotorlagerung und Flügel, deren Nichteinstellbarkeit und die Notwendigkeit, sie bei Starkwind zum Schutz der Flügel vor Zerstörung stillzusetzen.

Die gegenwärtigen Entwicklungen der Windkraftanlagen mit achsparallelen Flügeln sind dadurch gekennzeichnet, daß Rotoren zur Verbesserung der Windenergienutzung, zur Kostensenkung oder zur Erhöhung der Lebensdauer so gebaut werden, daß in unterschiedlicher Weise feste, also nichtflexible Flügelprofile verwendet werden.

Nachteilig ist bei diesen Entwicklungen, daß die aus festen Flügelprofilen bestehenden Rotoren einerseits nur auf eine bestimmte Windgeschwindigkeit energetisch optimal ausgerichtet sind und andererseits in bezug auf die zu gewinnende Energie einen hohen baulichen Aufwand haben.

Erfindungsziel

Die Erfindung hat einen mit achsparallelen Flügeln nach bekannten Wirkprinzipien arbeitenden Rotor zum Ziel, der den baulichen Aufwand durch die Verwendung von flexiblen, segelförmigen und radial gekrümmten Flügeln verringert. Ein weiteres Erfindungsziel besteht darin, die wirksame Flügelfläche im Fall der Windänderung durch selbsttätiges Einstellen der segelförmigen Flügel soweit anzupassen, daß die Anlage eine Einstellung auf die maximale Auslegungslast erfährt und eine Zerstörung des Rotors verhindert wird.

Lösungsweg

Die erfinderische Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Rotorgestell durch starre Holme und Streben die Flügel aus flexiblen Materialien so aufspannt, daß die Flügel ähnlich den bei einem Rahsegelschiff angebrachten Segeln durch den Wind angeströmt werden können, während sich das Rotorgestell um eine zentrale Achse dreht.

Ein weiteres erfinderisches Merkmal besteht darin, daß die Flügel bei Starkwind gerefft werden und ihre windwirksame Fläche verringern, indem sie zum Rotorzentrum hin eingezogen werden, wodurch sich gleichzeitig der freie Durchströmquerschnitt in der Rotormitte soweit verringert, daß auch der im Normalbetrieb erwünschte Umlenkim­ puls nicht mehr auftritt und der Rotor sich in seiner Drehzahl selbst begrenzt. Zu den erfindungsgemäßen Merkmalen zählt auch, daß die Kraft zum Einziehen der Flügel durch Fliehkräfte infolge der Rotordrehung erzeugt sowie das gleichmäßige Einziehen aller Flügel durch eine kinematische Hilfseinrichtung gewährleistet wird.

Erfindungsgemäß können Rotoren der beschriebenen Funktionsweise als Baueinheit mehrfach so übereinander gesetzt werden, daß die Rotorgestelle einer Baueinheit in einem Winkel, der sich aus der Flügelzahl ergibt, gegeneinander versetzt sind und die Rotorgestelle miteinander fest verbunden werden. In einem solchen Fall können die Rotorgestelle selbst ein Teil des Turmes sein.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt

Bild 1 die Anströmung der Flügel des Rotors entlang der Umlaufbahn mit einer Überlagerung von Staudruckwirkung und Impulsumlenkung in einer Draufsicht auf den Rotor,

Bild 2 die Ansicht einer Windkraftanlage bestehend aus einem Turm mit einem darauf angeordneten Rotor,

Bild 3 die Anordnung der flexiblen Flügel in der normalen Betriebsstellung, die an ihren äußeren Lieken durch Zugfedern nach außen gezogen werden sowie einen um die Rotorachse drehbaren Speichenkranz, der das synchrone Einziehen der flexiblen Flügel bei Starkwind gewährleistet,

Bild 4 die durch Fliehgewichte eingezogenen flexiblen Flügel bei Starkwind,

Bild 5 die Anordnung der flexiblen Flügel an Gleitschienen zwischen den Holmen in einem Holmquerschnitt,

Bild 6 die Anordnung eines Fliehgewichtes auf einer Gleitschiene an einem Holm in einem Holmquerschnitt,

Bild 7 die Anordnung der Zugfedern an einem Holm, die die flexiblen Flügel an die Außenseiten des Rotors ziehen,

Bild 8 einen Querschnitt durch zwei Holme mit einem zwischen den Holmen aufgespannten Profilflügel,

Bild 9 die Ansicht einer Windkraftanlage, die aus zwei übereinander gesetzten und verbundenen Rotorgestellen besteht, die um die gemeinsame Achse drehen. Der Rotor besteht nach Bild 1 aus drei Mittelholmen, die im vorliegenden Beispiel fest so miteinander verbunden sind, daß sie ein gleichseitiges Dreieck bilden. Die Holme bestehen aus einem geeigneten Material, das hohe Festigkeit mit geringem Gewicht vereint, beispielsweise aus einem Leichtmetall-Hohlprofil.

An die Mittelholme sind Außenholme gesetzt, die mit Spreizholmen gegen die Mittelholme abgestützt werden. Die so gebildete Holmebene dient der Befestigung der flexiblen Flügel. Dabei bilden jeweils ein Mittelholm mit dem nach außen zeigenden Außenholm eine Rahe mit gleicher Funktion wie bei einer Rahbesegelung von Schiffen.

Die Befestigung der flexiblen Flügel kann wie bei einer Rahbeseglung mit Reihleinen oder mit Gleitschuhen, die auf Schienen gleiten (Bild 5) oder in einer Keep (Bild 8) erfolgen.

Im Bereich des Übergangs von Mittelholm zum Außenholm werden die flexiblen Flügel nicht an den Holmen befestigt, so daß sich hier die Flügel bei Längszug frei nach einer Bogenlinie einstellen können.

Bild 2 zeigt die Verbindung zweier übereinanderliegender Holmebenen durch Querholme, wodurch sich ein verwindungssteifer Rotorkörper ergibt, auf den die flexiblen Flügel aufgespannt werden.

Die Befestigung des Rotorkörpers erfolgt drehbar an einer Mittenachse mit üblichen maschinenbaulichen Mitteln. Sie ist nicht Gegenstand der erfindungsgemaßen Lösung. Der drehbare Rotorkörper wird auf einen Turm ausreichender Höhe zur Verbesserung der Anströmung gesetzt.

Die Reduzierung der wirksamen Flügelfläche zur Verhinderung von Schäden am Rotor bei Starkwind wird mit den Bildern 3 und 4 erläutert.

Auf der Drehachse sind in jeder Holmebene drehbare Naben angeordnet, an denen drei als Hebelarm ausgebildete Speichen angeordnet sind. Die Speichen haben an ihren Enden Gabeln, mit denen sie an den flexiblen Flügeln angreifen können. Jeder Flügel ist so mit zwei Fliehgewichten, die auf Gleitschienen an den Holmen entlang geführt sind, verbunden, daß bei Drehung des Rotors eine Zentrifugalkraft entgegen einer am Außenholm angeordneten Zugfeder (Bild 7) eine Zugkraft auf den Flügel ausübt und ihn damit zur Rotormitte zieht. Bild 4 zeigt die Stellung des Flügels bei einer höheren Drehzahl. Die wirksame Flügelfläche wird reduziert. Gleichzeitig wird durch die zusammengeführten Flügel der achsnahe Raum des Rotors für die Durchströmung verringert, so daß durch die Kombination beider Maßnahmen eine Leistungs- und Drehzahlbegrenzung eintritt.

Für unzulässig hohe Windgeschwindigkeiten ergibt sich hierdurch eine selbsttätige Havariesicherung der Windkraftanlage.

Bild 8 zeigt einen flexiblen Flügel, der in Keepen an den Holmen geführt wird. Bild 9 zeigt die Kombination mehrerer Rotorkörper zu einer größeren Windkraftanlage. Die Rotorkörper sind um 60 Grad versetzt übereinander angeordnet und an Kreuzungspunkten der Mittelholme fest miteinander verbunden. Durch die Steifigkeit der Holmkonstruktion bilden die Rotorkörper eine in sich steife, selbsttragende Rotorsäule. Mit der dargestellten Konfiguration von drei Flügeln pro Rotorkörper lassen sich selbsttragende Rotorsäulen mit mehreren Rotorebenen ohne aerodynamische Unwucht zusammensetzen.

Claims (5)

1. Rotor mit achsparallelen flexiblen Flügelblättern mit radialer Durchströmung dadurch gekennzeichnet, daß jeweils drei oder mehr starre Holme aus einem leichten und festen Material in einer Ebene zu einem Polygon mit überstehenden Holmstücken zusammengesetzt und zwei dieser Polygone so durch Abstandsholme übereinander angeordnet sind und ein Funktionsmodul ergeben, daß radial gerichtete Segelrahen entstehen, zwischen denen Segel aus flexiblen Materialien aufgespannt werden.

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radial nach außen gerichteten Holme in der Polygonebene in einem stumpfen, einstellbaren Winkel durch kurze Holme verlängert werden, so daß die zwischen den Holmen aufgespannten Segel die Form einer nach rückwärts gekrümmten Schaufel einer Strömungsmaschine erhalten.

3. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Holmen aufgespannten Segel umkehrbar durch eine von der Rotordrehzahl ausgelöste Kraftwirkung, vorzugsweise eine Fliehkraft, so zwischen den Holmen verschoben werden, daß die wirksame Windangriffsfläche und der freie Durchströmraum in der Rotormitte verändert werden.

4. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Holmen gespannten Segel aus einfachem oder mehrfachem Segeltuch mit oder ohne zwischenliegenden elastischen Materialien oder aus einzelnen elastischen, untereinander verbundenen Segmenten bestehen.

5. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Funktionsmodule übereinander angeordnet und fest miteinander verbunden werden können, so daß eine Rotorsäule gebildet wird, die mit einem Drehlager auf einer Turmunterkonstruktion sitzt, in der die vom Rotor angetriebenen Aggregate angeordnet sind.