DE2804711C2

DE2804711C2 - Windkraftmaschine

Info

Publication number: DE2804711C2
Application number: DE2804711A
Authority: DE
Inventors: Gert Ove Kopenhagen/Koebenhavn Ottosen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-02-04
Filing date: 1978-02-03
Publication date: 1986-01-02
Also published as: DE2804711A1; IE46056B1; AU3303178A; DK151489C; US4180369A; AU519583B2; DK47777A; SE7801205L; DK151489B; SE437065B; IE780228L; CA1086229A; GB1560064A

Description

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ist wobei d der Durchmesser der zylindrischen Oberfläche ist

Die Erfindung betrifft eine Windkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

In den letzten Jahren sind in zunehmendem Maße Anstrengungen unternommen worden, den Wind als Energiequelle auszunutzen. Bei den dabei durchgeführten Entwicklungen hat sich herausgestellt daß untsr dem Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit die besten Ergebnisse mittels einer Windturbine erreicht werden können, die durch einen Propeller bzw. ein Windrad mit zwei oder drei Flügeln bzw. Schaufeln angetrieben wird; dieses Windrad dreht sich auf einer horizontalen Achse, die durch ein Getriebe mit einem Generator gekoppelt ist

Ein solches System wird auch eis »Windkraftwerk« bezeichnet

Die Windturbine ist drehbar am oberen Ende einer Turmkonstruktion angebracht Die Höhe einer solchen Turmkonstruktion liegt im Bereich von 30 Metern bis

ίο hinauf zu 100 Meter, wobei die Länge der Schaufeln des Windrades üblicherweise ungefähr 60% der Turmhöhe beträgt

Ein solcher Turm muß relativ starr ausgebildet und konstruiert sein, da er die relativ schwere Windturbine mit den Windrädern tragen und darüber hinaus den Winddruck auf die Schaufeln des Propellers aufnehmen muß.

Einige Windturbinen sind so ausgelegt daß sie auf dem Turm gegen den Wind laufen, während andere mit

Rückenwind laufen können.

In beiden Fällen hat sich jedoch herausgestellt, daß der Turm die folgende, als »Schatteneffekt« bezeichnete Wirkung hat Dieser Effekt beruht darauf, daß der Wind vor dem Erreichen des Turms in zwei Ströme aufgeteilt wird; ein Strom fließt auf einer Seite des Turms, während der andere Strom auf der anderen Seite fließt Dies bedeutet wiederum folgendes: Wenn sich die Propellerschaufeln drehen, wird die diese Schattenzone durchlaufende Schaufel Windkräften ausgesetzt die kaum ei-

ne Ähnlichkeit mit den Windkräften haben, die auf die

Propellerschaufeln außerhalb der Schattenzone wirken. Dadurch entwickeln sich Oszillationen oder Vibrationen

der Propeller.

Durch geeignete Auslegung der Propellerschaufeln

und durch die Auswahl von geeigneten Materialien kann der nachteiligen Wirkung dieser Oszillationen oder Schwingungen auf die Schaufeln entgegengewirkt werden; es ist bisher jedoch kein Weg bekannt geworden, wie man der Wirkung dieses Effektes auf die Schau- feiwurzeln und die Nabe entgegenwirken kann.

Mit Rückenwind-Windturbinen sind Experimente durchgeführt worden, um zu untersuchen, ob und wie der Schatteneffekt oder der Einfluß dieses Effektes verringert werden kann. Dabei stellte sich heraus, daß der Schatteneffekt etwas reduziert werden kann, indem für die Turmkonstruktion ein Gitterwerk verwendet wird; die besten Ergebnisse wurden erzielt wenn alle Einzelteile der Gitterwetkkonstruktion Rohrform haben. Es stellte sich jedoch auch heraus, daß sich der Schat teneffekt mit der Windrichtung ändert Dies ist darauf zurückzuführen, daß es bei einem Turm mit Gitterkonstruktion horizontale, vertikale und quer verlaufende Elemente gibt Weiterhin ist vorgeschlagen worden, eine Turmkon struktion mit einer Basis einzusetzen, die einen Turmteil haltert, dessen Querschnitt stromlinienförmig (das heißt tropfenförmig) ist; dieser Turmteil trägt dann die Windturbine. Wenn der Wind auf den gebogenen Vorderteil eines solchen Turmteils trifft wird der Schatteneffekt auf seiner Rückseite wesentlich verringert In der offenen, freien Landschaft bläst der Wind jedoch nie in einer bestimmten, genau definierten Richtung, sondern in Richtungen, die jeweils in bezug auf die Hauptrichtung schwanken; dies bedeutet daß sich der Schatteneffekt ständig ändert Weiterhin muß der stromlinienförmige Turmteil drehbar sein, damit er in bezug auf die Hauptwindrichtung justiert werden kann, wenn sich der Wind ändert

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Ausgehend vom oben genannten Stand der Technik bes abertragen wird, das dann durch eine geeignete ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wind- Kupplung einen Generator dreht
kraftmaschine so auszubilden, daß die Schwingungen Das Gehäuse 5, das die gerade beschriebenen Geräte

des Propellers verringert werden. enthält, ist drehbar an dem oberen Ende des Turms

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden 5 angebracht Wenn der Propeller durch den Wind in der Merkmale des Hauptanspruchs gelöst Rückenwindstellung angetrieben wird, wird das Gehäu-

Bei der so verbesserten Windkraftmaschine wird zu- se durch den Winddruck auf den Propeller in die entnächst als wesentlicher Punkt das Risiko eines Ermü- sprechende Stellung gedreht An dem Turmbereich 7 ist dungsbruchs in den Wurzeln des Propellers und in der eine schraubenförmige Windung angebracht, die aus Nabe auf ein Minimum verringert; außerdem läßt sich 10 Plattenabschnitten hergestellt ist Die Platten sind so der Verschleiß an den Lagern der Propellerachse redu- miteinander verbunden, daß sich eine kontinuierliche zieren. Weitere Vorteile ergeben sich aus der nun fol- Schnecke bzw. Wendel ergibt die sich von dem Turmgenden, detaillierten Beschreibung. . abschnitt 7 aus in der Länge einer Propellerschaufel

Die flachen Platten können miteinander verbunden erstreckt Die Wendel fängt den Wind und erzwingt eine sein, so daß eine kontinuierliche, schraubenförmige 15 Windströmung zu der Windschatten- bzw. Lee-Seite Windung entsteht In bestimmten Fällen können sie je- des Turms. Diese Strömung wirkt den Schwingungen doch als im Abstand angeordnete, sektorförmige Berei- der Propellerschaufeln entgegen, wenn sie während ihche ausgebildet sein, deren Flächen eine unterbrochene, rer Drehung den Turm passieren,
schraubenförmige Windung bilden. Die positive Wirkung dieser Wendel läßt sich auf ein-

Die Platten sind an der Turmkonstruktion auf her- 20 fache Weise nachweisen und feststeV^a. Während seiner kömmliche Weise angebracht Drehung entwickelt der Propeller immT ein bestimm-

Wenn die Oberfläche des Turms glatt ist, Können die tes, dröhnendes bzw. brummendes Geräusch. Bei einer Platten so angebracht werden, daß sie sich direkt von Windkraftmaschine ohne diese Wendel ändert sich ständieser Oberfläche aus erstrecken. dig der Ton dieses dröhnenden Geräuschs. Wird jedoch

Wenn der Turm eine Gitterkonstruktion ist, wird ein 25 eine srjlche Wendel vorgesehen, so ergibt sich ein Mantel bzw. eine Umhüllung mit kreisförmigem Quer- Dröhnschall mit konstanterem Ton.
schnitt vorgesehen, um die Gitterkonstruktion wenig- In Fi g. 2 ist nur der obere Bereich einer Windkraft-

stens an dem Teil des Turms zu umgeben, an dem die maschine 11 dargestellt Dabei ist eine starre Säule 17 schraubenförmige Windung angebracht ist vorgesehen, die an ihrem oberen Ende eine Windturbine

Die Steigung der schraubenfönnigen Windung, die 30 trägt Die Windturbine ähnelt im wesentlichen der in durch die flachen Platten gebildet wird, kann konstant Fig. 1 gezeigten Windturbine und ist drehbar an dem sein oder sich über die Turmlänge ändern. Nach einer oberen Ende angebracht wobei jedoch die Drehachse bevorzugten Ausführungsform ist die Steigung kleiner der Propellerschaufeln 13 und 14 relativ zur Horizonta- oder gleich 3 χ A wobei D der maximale Durchmesser len etwas geneigt ist Die Wendel 18 ähnelt der Wendel des Turmbereichs ist der mit der schraubenförmigen 3s 8nachFig. 1.

Windung versehen werden soii. Bei einem zylindrischen In F i g. 3 ist schematisch eine Windkraftmaschine 21

Turm mit kreisförmigem Querschnitt mit dem Durch- dargestellt Diese Windkraftmaschine weist einen Turm messer t/wird eine Steigung von 27 mit Gitterkonstruktion auf, der an seinem pberen

.. Ende die drehbar gelagerte Windturbine trägt Ein Ge-

2?rr3 _X(j 40 häuse 25 ähnelt dem in F i g. 1 gezeigten Gehäuse 5. Die

3 Drehachse der Propellerschaufeln 23 und 24 ist horizontal. In einer Länge, die näherungsweise der Länge der bevorzugt Propellerschaufeln entspricht ist der Tunr mit einer

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausfüh- Verkleidung bzw. einem Mantel 29 versehen; diese Verrungsbeispielen unter Bezugnahm? auf die schemati- 45 kleidung 29 trägt eine Wendel 28.
sehen Zeichnungen näher erläutert :

Es zeigt Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

F i g. 1 eine Seitenansicht einer Windkraftmaschine, "

bei der die Windturbine auf einem starren, kegelförmig
zulaufenden bzw. konischen Turm angebracht ist, 50

Fig.2 eine Seitenansicht einer Windkraftmaschine,
bei der die Windturbine auf einem starren, zylindrischen
Turmbereich angebracht ist, und

Fig.3 eine Seitenansicht einer Windkraftmaschine,
bei der die Windturbine auf einer Gitterkonstruktion 55
angebracht ist

Wie sich aus F i g. 1 ergibt weist die Windkraftmaschine 1 einen starren, nach oben kegelförmig zulaufenden Turm mit einer Basis 6 und einem oberen Abschnitt
7 auf. An dem oberen Ende des oberen Abschnittes 7 ist so
eine Windturbine mit einem Gehäuse 5 angebracht, das
eine Propelleranordnung 2 mit zwei Propellerschaufeln
3 bzw. 4 trägt Die Propelleranordnung ist auf übliche
Weise an einer horizontalen Achse angebracht, die in
Lagern in dem Gehäuse 5 gelagert ist Die Achse ist mit 65
einem Getriebekasten gekoppelt, durch den die Drehzahl der Propellerachse in einem Verhältnis von ungefähr 1 :50 erhöht und auf die Abtriebsachse des Getrie-

Claims

Patentansprüche:

1. Windkraftmaschine mit eine; starren Turmkonstruktion, die an ihrem oberen Ende in einer DrehtcUeranordnung eine Windturbine mit einem Propeller mit zwei oder drei Schaufeln trägt, der an einer im wesentlichen horizontalen Achse angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß flache Platten (8; 18; 28) in einer sich schraubenförmig um den Turm (7; 17; 27) von unten nach oben windenden Bahn und im wesentlichen radial von diesem nach außen stehend angebracht sind.

2. Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flachen Platten (8; 18; 28) so miteinander verbunden sind, daß sie eine kontinuierliche, schraubenförmige Bahn rings um den Turm (7; 17; 27) bilden.

3. Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flachen Platten zueinander beabstandet angeordnet sind, so daß sie eine unterbrochene, schraubenförmige Bahn bilden.

4. Windkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die flachen Platten (8; 18; 28) so angebracht sind, daß die schraubenförmige Bahn zwischen 1 und 3 Schraubengänge aufweist

5. Windkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Turmoberfläehe wenigstens auf der Länge, welche die PropeUerschaufeln (3,4; 13,14; 23,24) während ihrer Drehung überstreichet, glatt ist

6. Windkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der schraubenförmigen Bahn konstant ist

7. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der schraubenförmigen Bahn über die Länge des Turms (7; 17; 27) zunimmt

8. Windkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der schraubenförmigen Bahn maximal 3 χ D beträgt, wobei D der maximale Durchmesser des mit der schraubenförmigen Bahn aus Platten versehenen Turmbereichs ist

9. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer zylindrischen Oberfläche über die gesamte Länge der Propeflerschaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung