DE19856914A1 - Vertical high power wind rotor has air induction surface on lee side that exerts drive on this side and whose size and position are accurately matched to rotor - Google Patents

Abstract

The high power wind rotor (1) has three or four vanes with an air induction surface (2) on the lee side that exerts a drive on this side and whose size and position are accurately matched to the rotor. For equal length rotors the air induction surface corresponds to two-thirds the width of a rotor vane.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftmaschine zur grundlegenden Verbesserung der Windkraft­ technologie.The invention relates to a wind power machine for the fundamental improvement of wind power technology.

Die Windkraft ist eine der hervorragendsten Energielieferanten die uns zur Verfügung steht. Sie ist sauber, unerschöpflich und wäre völlig ausreichend, um den gesamten Energiebedarf der Erde zu decken. Die Energieversorgung durch konventionelle Mittel stellt wegen seiner hohen Um­ weltbelastung kein geringes Problem dar und bei ständig steigendem Energiebedarf ist die Windkraft eine gute Alternative. Außerdem werden aufgrund seiner Erschöpflichkeit in der Zu­ kunft nicht mehr genügend Rohrstoffe zur Deckung des Energiebedarfs zur Verfügung stehen. Es ist daher gewiß, daß die Windkraft an Bedeutung zunehmen wird. Hierbei sind aber gewisse Hindernisse zu überwinden.Wind power is one of the most excellent energy suppliers available to us. she is clean, inexhaustible and would be sufficient to meet the total energy needs of the earth cover up. The supply of energy by conventional means poses because of its high order world pollution is not a minor problem and with ever increasing energy requirements it is Wind power is a good alternative. In addition, due to its exhaustion in the Zu there will no longer be enough raw materials available to cover the energy requirement. It is therefore certain that wind power will become more important. But here are certain Overcome obstacles.

Ein hauptsächlicher Faktor der der Energiegewinnung durch Wind im Wege steht ist die verbes­ serungswürdige Windkrafttechnik. Am bekanntesten sind die horizontalachsigen zwei- oder drei­ flügeligen Windräder. Diese sind aber nicht sehr effektiv und haben erhebliche Probleme. Mit ihren langen von der Achse wegstrebenden Propellerflügeln sind sie einer starken Hebelwirkung ausgesetzt, weswegen die Achsen sehr schwer und stabil sein müssen. Um die Belastung der Achsen so gering wie möglich zu halten, müssen die Propeller aus sehr leichtem und hochwerti­ gem Material gefertigt sein, was ein großer Kostenfaktor ist. Außerdem sind zur Umlenkung der Drehbewegung von der horizontalen auf die vertikale, Winkelachsen mit aufwendiger Lagerung notwendig. Wenn dies eingespart werden soll, so ist es notwendig, den Generator oben auf dem Mast direkt hinter dem Windrad zu installieren, wozu wegen der geringen Drehzahl der Achse auch noch ein umfangreiches Getriebe gehört, was ebenfalls aufwendig ist. Dann müssen die Windräder durch einen zusätzlichen Mechanismus ständig in die richtige Position zur Wind­ richtung gebracht werden, was bei großen Anlagen keinen geringen Eigenbedarf an Energie be­ deutet. Ein weiteres Problem ist die Empfindlichkeit dieser Windräder. Damit bei zu hohen Windgeschwindigkeiten die Flügel des Windrades keinen Schaden nehmen, werden sie recht früh abgeregelt, was eine erhebliche Verringerung der Durchschnittsleistung bedeutet. Diese Faktoren machen solche Windkraftanlagen teuer und unrentabel, denn erst nach vielen Jahren Betriebszeit bringen solche Anlagen Gewinn, was dazu führt, daß der durch Windkraft erzeugte Strom teurer ist als der durch konventionelle Mittel erzeugte Strom. Ein weiterer Nachteil der großen Windräder, deren Flügelspitzen oft über 100 m hoch sind und deren Licht und Schat­ teneffekte störend wirken, sind, daß sie als Verschandelung der Landschaft betrachtet werden und daher nicht selten auf deren Einsatz verzichtet wird. Auch die Vertikalachsrotoren, die we­ gen ihrer konstruktiven Einfachheit besser sind, sind nicht zufriedenstellend, da sie wie der Dar­ rieus und der Savoniusrotor neben den Anlaufschwierigkeiten auch noch eine zu geringe Lei­ stung haben. Weitere Varianten der Vertikalachser sind die nach dem Vorbild der alten persi­ schen Windmühlen gebauten Windkraftmaschinen wie der DE 26 35 909 A1 und der DE 195 14 ­ 499 A1. Diese Modelle sind mit einem umfangreichen Gehäuse und einem großen trichterförmi­ gen Vorbau versehen, was äußerst material- und platzaufwendig ist. Im Verhältnis zur Ge­ samtgröße haben solche Windkraftmaschinen eine geringe Leistung, denn es darf nicht nur die Leistung des Rotors gesehen werden, sondern auch der Aufwand der dazu führt. Außerdem sorgt der große Vorbau, der zur Umlenkung des Windes dient, für eine starke Seitendrehung, so daß sich das gesamte Gefüge ständig aus dem Wind dreht. Um dies zu verhindern sind sehr große Windfahnen erforderlich oder es werden zu diesem Zweck mechanische Apparaturen notwendig. Es ergibt sich bei den Windkraftmaschinen immer das gleiche Problem: die Materialkosten und der technische Aufwand sind im Verhältnis zur Leistung viel zu hoch.A major factor that stands in the way of wind energy generation is the verbes worthy of wind power technology. The best known are the horizontal-axis two or three winged wind turbines. However, these are not very effective and have significant problems. With With their long propeller blades straying away from the axis, they are a powerful lever exposed, which is why the axes must be very heavy and stable. To the burden of To keep axles as low as possible, the propellers must be made of very light and high quality be made according to the material, which is a major cost factor. In addition, to redirect the Rotational movement from the horizontal to the vertical, angular axes with complex storage necessary. If this is to be saved, it is necessary to place the generator on top of the Install mast directly behind the wind turbine, which is due to the low speed of the axis also an extensive gearbox belongs, which is also complex. Then they have to Wind turbines are always in the correct position to face the wind thanks to an additional mechanism direction, which is not a small energy requirement for large systems points. Another problem is the sensitivity of these wind turbines. So with too high Wind speeds do not damage the blades of the wind turbine, they are right shut down early, which means a significant reduction in average performance. This Factors make such wind turbines expensive and unprofitable, because it takes many years Such systems bring profitable operating time, which leads to the fact that the generated by wind power Electricity is more expensive than electricity generated by conventional means. Another disadvantage of large wind turbines, the wing tips of which are often over 100 m high and whose light and shade  The disruptive effects are that they are viewed as a disfigurement of the landscape and is therefore often not used. The vertical axis rotors, which we because of their constructive simplicity are unsatisfactory because they are like Dar rieus and the Savonius rotor, in addition to the starting difficulties, the lei too low have stung. Other variants of the vertical axles are those based on the old persi Windmills built according to windmills such as DE 26 35 909 A1 and DE 195 14 499 A1. These models have an extensive housing and a large funnel-shaped against the stem, which is extremely material and space consuming. In relation to Ge Such wind turbines have a small overall performance, because not only that Performance of the rotor can be seen, but also the effort that leads to it. Also cares the large stem, which serves to deflect the wind, for a strong side rotation, so that the whole structure turns constantly from the wind. To prevent this from happening are very large Wind vanes are required or mechanical equipment is required for this purpose. The same problem always arises with wind turbines: material costs and the technical effort is much too high in relation to the performance.

Ziel der Erfindung ist es, eine Windkraftmaschine zu schaffen, bei der diese Probleme weitge­ hend entfallen. Sie muß konstruktiv einfach sein, muß sehr stabil sein, darf keine hohen Kosten verursachen und muß eine hohe Leistung haben. Dies wird durch folgende Merkmale erreicht:
Ein drei- oder vierflügeliger vertikaler Windrotor, dessen Flügel gleich der Achse senkrecht ste­ hen und eine auf der windoffenen Seite dem Rotorkreis entsprechende nach innen gehende Krümmung aufweisen, bilden größenmäßig den Hauptteil der Windkraftmaschine. Diese Form­ gebung hat den Vorteil, daß der Wind direkt und ohne Umwege auf die Flügel des Windrotors wirken kann und so eine optimale Windkraftnutzung gewährleistet ist. Hauptgegenstand der er­ findungsgemäßen Windkraftmaschine ist aber eine schmale senkrecht stehende und der Länge des Rotors entsprechende Fläche, die sich auf der Windschattenseite des Rotors befindet. Diese Fläche hat nur zweidrittel der Breite eines Rotorflügels, ist leicht nach außen gewölbt und steht im rechten Winkel zur Windrichtung. Sie deckt, leicht nach außen versetzt, ungefähr die Mitte der Windschattenseite des Rotors ab. Diese Fläche dient nicht der Abschattung, sondern sie er­ zeugt beim Anströmen des Windes auf der Rückseite einen starken Ansaugeffekt, wodurch der Rotor auf dieser Seite in die gewünschte Richtung getrieben wird und die Leistung erheblich gesteigert wird. Durch diese einfache Vorrichtung wird anders als bei einem normalen Wider­ standsläufer die Windkraft durch eine Umkehrwirkung auf der Windschattenseite zu einem gro­ ßen Teil genutzt. Gemäß Patentanspruch muß Größe und Position der Luftansaugfläche genau auf den Rotor abgestimmt sein, so daß beides ein einheitliches Ganzes ergibt. Eine Veränderung der angeführten Maßbestimmungen würde einen erheblichen Leistungsverlust bedeuten.The aim of the invention is to provide a wind turbine in which these problems are largely eliminated. It must be structurally simple, must be very stable, must not incur high costs and must have high performance. This is achieved through the following features:
A three- or four-bladed vertical wind rotor, the blades of which are perpendicular to the axis and have an inward curvature corresponding to the rotor circle on the open-wind side, form the main part of the size of the wind turbine. This shape has the advantage that the wind can act directly and without detours on the wings of the wind rotor, thus ensuring optimal use of wind power. The main subject of the wind machine according to the invention, however, is a narrow vertical surface corresponding to the length of the rotor, which is located on the slipstream side of the rotor. This area is only two thirds the width of a rotor blade, is slightly curved outwards and is at right angles to the wind direction. Covered slightly outwards, it covers approximately the middle of the slipstream side of the rotor. This area is not used for shading, but it creates a strong suction effect when the wind blows on the back, which drives the rotor on this side in the desired direction and significantly increases performance. By means of this simple device, in contrast to a normal resistance rotor, the wind power is largely used by a reversing effect on the slipstream side. According to claim, the size and position of the air intake surface must be precisely matched to the rotor, so that both result in a uniform whole. A change in the stated dimensional provisions would mean a considerable loss of performance.

Die Luftansaugfläche ist in jede Richtung drehbar und wird von einer Windfahne immer gegen den Wind gehalten. Ein großer Vorteil ist es, daß die Luftansaugfläche verhältnismäßig schmal ist und sich direkt am Rotor befindet und deshalb keine große Kraft erforderlich ist, um diese zu steuern, weshalb eine kleine Windfahne ausreichend ist.The air intake surface can be rotated in any direction and is always countered by a wind vane kept the wind. It is a great advantage that the air intake area is relatively narrow and is located directly on the rotor and therefore no great force is required to close it control, which is why a small wind vane is sufficient.

Länge und Durchmesser des Rotors können den an sie gestellte Aufgaben individuell angepaßt werden. Es empfiehlt sich zur Stromerzeugung eine lange schmale Form zu wählen, wodurch der Rotor relativ hochtourig wird und Getriebe weitgehend entfallen, was eine weitere vorteilhafte Vereinfachung ist. Außerdem ist der Rotor mit seinen dicht an der Achse befindlichen Flügeln und seiner beidseitigen Lagerung sehr robust und stabil, was für hohe Windgeschwindigkeiten eine Notwendigkeit ist. Um ein Überdrehen bei zu hohen Windgeschwindigkeiten zu vermeiden, läßt sich auf einfachem Weg eine Sturmsicherung einbauen. Dies geschieht durch eine flexible Gestaltung der Luftansaugfläche. Diese befindet sich an drehbaren Gelenken, welche bei einer bestimmten Druckausübung des Windes nachgeben und sich die Luftansaugfläche zur äußeren Seite des Rotors in die Windrichtung dreht, so daß der Rotor durch den Wind gebremst wird. Bei Nachlassen des Windes drehen sich die Gelenke durch Federn in die ursprüngliche Stellung zu­ rück.The length and diameter of the rotor can be individually adapted to the tasks assigned to them become. It is advisable to choose a long, narrow shape for power generation, which means that Rotor becomes relatively high-speed and gears are largely eliminated, which is another advantageous Simplification is. In addition, the rotor with its blades located close to the axis and its bilateral storage very robust and stable, what high wind speeds is a necessity. To avoid overwinding when the wind speeds are too high, a storm safety device can be easily installed. This is done through a flexible Design of the air intake surface. This is on rotatable joints, which at a give in to certain pressure exerted by the wind and the air intake surface faces the outside Side of the rotor turns in the wind direction so that the rotor is braked by the wind. At When the wind subsides, the joints turn to their original position due to springs return

Der vertikale Hochleistungswindrotor ist technisch unkompliziert und benötigt keine teuren und speziellen Materialien; daher kann er sehr kostengünstig hergestellt werden. Außerdem hat er im Verhältnis zu seiner Größe eine überdurchschnittlich hohe Leistung und läuft schon bei Schwachwind problemlos an. Auch ist er in der Landschaft bedeutend unauffälliger als die ein­ gangs erwähnten großen Windräder mit ihren langen Propellerflügeln.The vertical high-performance wind rotor is technically uncomplicated and does not require any expensive and special materials; therefore it can be manufactured very inexpensively. He also has in In relation to its size an above average performance and is already running Low wind without problems. He is also significantly less noticeable in the landscape than the one gangs mentioned large wind turbines with their long propeller blades.

Der vertikale Hochleistungswindrotor ist als Groß- und Kleinanlage eine hervorragende Mög­ lichkeit zur alternativen Energiegewinnung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wir im folgenden näher beschrieben.The vertical high-performance wind rotor is an excellent option for large and small systems alternative energy production. An embodiment of the invention is in the Drawing shown and we described in more detail below.

Fig. 1 zeigt die gesamte Windkraftmaschine im Querschnitt. Der Rotor 1 mit seinen speziell ge­ krümmten Flügeln. Position und Breite der Luftansaugfläche 2 sind deutlich dargestellt. Die Windfahne 3 lenkt durch ein Gestänge die Luftansaugfläche 2 gegen den Wind. An der hinteren Seite der Luftansaugfläche befindet sich ein Gelenk 4, welches bei zu hoher Windgeschwindig­ keit nachgibt und sich so die Luftansaugfläche bis zu einem gewissen Grad in die Windrichtung dreht und damit den Rotor bremst. Fig. 1 shows the entire wind turbine in cross section. The rotor 1 with its specially curved wings. The position and width of the air intake surface 2 are clearly shown. The wind vane 3 guides the air intake surface 2 against the wind by means of a linkage. On the rear side of the air intake surface there is a joint 4 which yields at too high a wind speed and so the air intake surface rotates to a certain extent in the wind direction and thus brakes the rotor.

Fig. 2 zeigt die Seitenansicht der gesamten Windkraftmaschine. Den Rotor 1 mit seiner Achse und deren Lagern. An der äußeren linken Seite ist noch die Luftansaugfläche 2 mit seinem Dreh­ gelenk 4 zu sehen, welche sich auf der Windschattenseite des Rotors befindet. Eine verhältnis­ mäßig kleine Windfahne 3 ist ausreichend, um die Luftansaugfläche gegen den Wind zu lenken. Die gesamte Konstruktion wird durch einen Mast 5 oder durch eine Abspannung gehalten. Fig. 2 shows the side view of the entire wind turbine. The rotor 1 with its axis and its bearings. At the far left or the air suction 2 can be seen with its rotary joint 4, which is located on the leeward side of the rotor. A relatively small wind vane 3 is sufficient to direct the air intake surface against the wind. The entire construction is held by a mast 5 or by anchoring.

Claims (1)

Ein drei- oder vierflügeliger vertikaler Windrotor mit geschwungenen Flügeln.
Dadurch gekennzeichnet, daß sich auf der Windschattenseite des Rotors eine Luftansaugfläche befindet. Diese Vorrichtung bewirkt auch einen Antrieb auf dieser Seite. Größe und Position sind genau auf den Rotor abgestimmt.
Mit gleicher Länge des Rotors hat die Luftansaugfläche eine Breite die zweidrittel der Breite eines Rotorflügels entspricht. Leicht nach außen versetzt deckt diese ungefähr die Mitte der Windschattenseite des Rotors ab.
Mit leichter Wölbung nach außen steht sie dicht vor dem Rotor im rechten Winkel zur Wind­ richtung und wird durch eine Windfahne stets gegen den Wind gehalten.A three- or four-bladed vertical wind rotor with curved blades.
Characterized in that there is an air intake surface on the slipstream side of the rotor. This device also drives on this side. Size and position are exactly matched to the rotor.
With the same length of the rotor, the air intake surface has a width which corresponds to two thirds the width of a rotor blade. Moved slightly outwards, it covers approximately the middle of the slipstream side of the rotor.
With a slight curvature to the outside, it stands right in front of the rotor at right angles to the wind direction and is always held up against the wind by a wind vane.