DE2718608A1

DE2718608A1 - Windkraftmaschine

Info

Publication number: DE2718608A1
Application number: DE19772718608
Authority: DE
Inventors: Max Dipl Phys Dr Rer N Fenkner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-04-27
Filing date: 1977-04-27
Publication date: 1978-11-02

Description

Windkraftmaschine
Die Erfindung bezieht sich auf eine Maschine zur Gewinnung von Energie aus atmosphärischen Luftströmungen.
Aus dem Altertum sind verschiedene Formen von Windmühlen, mit denen die Energie des Windes in mechanische Arbeit umgewandelt wird, bekannt. Nach dem Prinzip der holländischen Windmühle mit einem an einer horizontalen Achse angesetzten Flügelrad wurden in den letzten Jahrzehnten Windkraftmaschinen mit schnellaufenden Luftschrauben entwickelt, die in GroBanlagen elektrische energie bis zu mehreren 100 KW erzeugen. Bekanntgeworden sind verschiedene Windkraftanlagen. Als erste wurde 1931 in Jalta auf einem 30 m hohen Turm eine Windturbine mit einem Dreiflügelrotor von 30 m Durchmesser für 100 KW Leistung installiert. Die bisher größte Anlage mit 1250 KW wurde 1934 in Viginia auf einer 34 m hohen Stahlkonstruktion mit einem Zweiflügelrotor von 52,3 m Durchmesser aufgestellt. 1975 nahm die NASA eine Versuchsanlage für 100 KW am L'riesee in Betrieb. Vom deutschen Bundesministerium für Forschung und Technologie ist der Bau von Windkraftturbinen mit 200 K und 2 bis 3 MW geplant.
Kennzeichnend für alle diese Maschinen ist die Benutzung einer Aerodynamisch profilierten, langflügeligen Luftscnraube auf horizontal liegender Achse. Neigen des großen Rotorkreises ist die Aufstellung auf hohen Türmen erforderlich, wobei dte ganze Einrichtung urn eine senkrechte Achse drehbar sein muß, um die Ausrichtung der Turbinenachse in die jeweilige Windrichtung zu ermöglichen.
Ein guter Wirkungsgrad wird von schnellaufenden Turbinen mit langflügeligen Luftschrauben erst in großen Anlagen mit entsprechend sehr hohen Investitionskosten erreicht.
Außerdem liegt der günstige Arbeitsbereich der Luftturbinde bei @indgeschwindigkeiten wischen 5 und 10 m/sec, weshalb lür derartire Anlagen nur Gebiete mit gleichmäßigen und relntiv hohen Windgeschwindigkeiten, wie große Ebenen oder küstennahe Bereiche geeignet sind.
Es sind weiterhin Windradkonstruktionen mit vertikaler Achse, sogenannte Pananemonen, bekannt. Historisch überliefert ist ein auf senkrechter Achse gelagertes Doppelkreuz mit dazwischenliegenden, im Vollkreis gegen einen Anschlag frei schwenkbar aufgehängten Klappflügeln. Als neuere Entwicklungen dieses Typs sind neben dem als Anemometer verwendeten Schalenkreuz der avonius-Rotor, bestehend aus zwei,seitlich gegenüber der vertikalen drehachse versetzt, starr im Rotor montierten Halbzylinderschalen, sowie der aus drei halbkreisförmig an die senkrechte @rehachse angelenkten, aerodynamisch profilierten Windflügeln bestehende Darrieus-Rotor zu erwähnen.
Die aus der vertikalen Drehachse der Paiianemonen folgende Unabhängigkeit von der Windrichtung bietet den Vorteil, diese Maschinen bei geringem Raumbedarf ebenerdig aufstellen zu können. Eine wirtschaftliche Nutzung von Pananemonen als Windkraftmaschinen ist bisher noch nicht erfolgt, doch wird erwartet, daß derartige Konstruktionen im Leistungsbereich bis 20 KW günstig betrieben werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine vorteilhafte Konstruktion einer Pananemone anzugeben, die bei geringem Raumbedarf und niedrigen Investitionskosten auch für niedrige Windgeschwindigkeiten in kleinen Aggregaten noch eine wirtschaftliche AusnUt7ung der Windenergie ermöglicht.
Das erfindungsgemäße System besteht aus einem, um eine vertikale Achse drehbaren, spulenförmig begrenzten Zylinder, der konzentrisch von mehreren, als Zylindermantelsektoren ausgebildeten, aneinandergrenzenden ### Segmentflächen umschlossen ist. Die Segmentflächen sind jede für sich um eine zur Drehachse parallele Schwenkachse, die unsymmetrisch zur Flächenmitte liegt, beweglich, und zwar so, daß der breitere Teil der Segmentfläche um einen einstellbar begrenzten Winkel bis maximal 90° frei nach außen schwenkbar ist. Im ausgeschwenkten Zustand ragt der größere Teil der Flächenbreite aus der genannten umschließenden Zylindermantelfläche heraus, während der schmalere Teil hineinragt. Zur Verringerung des Strömungswiderstandes, sowie zur Erzeugung eines, das Ausschwenken bewirkenden Auftriebmomentes bei der Anströmung von vorn, ist das Profil der Sementflächen gekrümmt stromlinienförmig ausgebildet.
Trifft eine horizontale Strömu-!g auf das vertikal stehende System, so schwenkt diejenige Segmentfläche, deren Schwenkachse in Windrichtung gesehen hinten liegt, aus der Xylinc.ermantelfläche gegen den Wind aus. Der auf diese Fläche wirkende Staudruck dreht das ganze Zylindersystem, wodurch die näciste Segmentfläche in die Strömu!lg einläuft und ausschwenkt. Auf der, der Ausschwenkposition gegenüber liegenden Seite des Systems streift die Strömung die Segmentflächen so, daß die Schwenkachse vorn liegt. Damit schmiegen sich diese Flächen der Form des umschreibenden Zylinders an, und bieten dem Wind den geringstmöglichen Strömungswiderstand.
Die vom Staudruck gegen die ausgeschelenkten Segmentflächen erzeugte Drehung des Systems wird zusätzlich unterstützt durch die als Magnuseffekt bekannte Verlagerung einer Strömung an einem rotierenden Zylinder. Weiterhin wird durch die ausgeschwenkten Flächen zwischen deren nach innen geschwenktem Teil und dem starren Zylinder ein Düsenspalt gebildet, durch den die Strömung beschleunigt auf die dahinterliegenden ausgeschwenkten Flächen trifft. Dieser Effekt kann durch strömungegünstige Profilierung des Zylindermantels verbessert werden, so daß das Gesamtmoment des Pananemonenrades verstärkt wird.
Mit einer, von außen einstellbaren, oder über die Drehzahl automatisierbaren Endbegrenzung des Schwenkwinkels der Segmentflächen kann das Gesamtsystem der jevelligen Strömungsgeschwindigkeit angepasst, oder auch, z.B. bei zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten, etillgesetzt werden.
Von der aus beliebiger horizontaler Richtung angreifenden Strömung wird eine Drehung des ganzen Pananemonenrades erzeugt, die mit bekannten Mitteln zum Antrieb mechanischer oder elektrischer Arbeitesysteve benutzt werden kanal.
Das erfindungsgemäße System soll anhand der Zeichnungen mit beispielsweise 8 Schwenkflächen näher beschrieben werden. Die Fig. 1 eigt einen horizontalen Schnitt durch das Pananemonenrad im Irbeitezustand bei einem, in der Zeichnungsebene von oben anströmenden Nind. Die Vig. 2 zeigt eine Seitenansicht des gleichen Pananemonenrades.
Auf der Drehachse 1 ist das Pananemonenrad mit den Endscheiben 2 und 2' , die mit dem Zylinder 3 starr verbunden sind, drehbar gelagert. Jede der acht Segmentflächen 4 ist um eine in den Endscheiben 2 und 2' gelagerte Achse 5 in einem begrenzten Winkel frei nach außen schwenkbar. Zur Begrenzung dee Schwenkwinkels der Segmentflächen 4 dient ein daran befestigter Anschlagbolzen 6, der durch den Spalt 7 in der Endscheibe 2 gegen den Kreisbogen 8 der Steuerscheibe 9 anlegt. Die mit dem rananemonenrad mitlaufende Steuerscheibe 9 ist durch einen - nicht gezeichneten,-von außen zu bedienenden - Verstellmechanismus gegenüber der endscheibe 2 um einen kleinen Winkelbereich drehbar, womit der freie Schwenkwinkel der Segmentflächen 4 im Bereich von 0 bis 900 begrenzt werden kann.
Wie dargentellt, werden die in der Zeichnungsebene linke liegenden Schwenkflächen durch den anströmenden Wind ausgeschwenkt, und die in der Zeichnungsebene rechts liegenden Schwenkflächen eingeschwenkt. Der zwischen der linken und rechten Seite unterehiedliche Strömungswiderstand versetzt das ganze Pananemonenrad in Drehung, die durch einen, nicht gezeichneten, Abtrieb zur Arbeitsleistung abgenommen werden kann.
Durch entsprechend. Dinensionierung von Durchmesser und Höhe des Pananemonenrades, ;ahl und Breite der Schwenkflächen, swie Durchmesser des starren Zylinders und Mittenversetzung der Schwenkflächenachsen, kann das erfindungsgemäße System den örtlich gegebenen mittleren Windgeschwin digkeiten angepaßt und für eine gewünschte Leistung optimal ausgelegt werden.

Claims

Patentansprüche: 1. Windkraftmaschine in zylindrischer Form mit vertikal stehender Drehachse und beweglichen Windfangflächen, dadurch gekennzeichnet, daß ein spulenförmig ausgebildeter Zylinder (3) von mehreren beweglich gelagerten, aneinandergrenzenden, zylindersegmentförmigen Flächen (4) umschlossen ist, wobei jede Segmentfläche auf einer eigenen, unsymmetrisch zur Segmentflächenmitte, zur Drehachse (1) parallel liegenden Schwenkachse (5) um einen bis maximal 900 begren ten Winkel frei drehbar gelagert ist.
2. Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglich gelagerten Segmentflächen (4) ein gekrümmt stromlinienförmiges Profil haben.
3. Windkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel des spulenförmig ausgebildeten Zylinders (3) so profiliert ist, daß zwischen den nach innen geschwenkten Teilen der Schwenkflächen (4) und dem profilierten Zylindermantel strömungsgünstige Disenspalte gebildet werden.

1. Windkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Schwenkwinkel der Segmentflächen (4) durch eine, im @inkelbereich von 0 bis 90° einstellbare Vorrichtung begrenzt werden kann.