DE2930073A1

DE2930073A1 - Windenergiekonverter

Info

Publication number: DE2930073A1
Application number: DE19792930073
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Greulich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-07-25
Filing date: 1979-07-25
Publication date: 1981-02-12

Description

tr.: Patentanmeldung " Windenergiekonverter
schreibung: ndenergiekonverter werden schon seit Jahrtausenden vom nschen benutzt. Es waren und sind Windenergiekonverter e die Strömungsenergie des Windes in mechanische Energie wandeln, in dem um eine vertikale oder horizontale Achse uppiert Segel oder aerodynamisch wirksame Flächen derartig die Luftströmung gestellt werden, daI2 die vom Wind auf diese emente ausgeübten Kräfte eine Drehung der gesamten Vorrichmg bewirken.
n der in Drehung versetzten Achse kennen dann zum Beispiel @hlsteine, Wasserpumpen, Kompressoren und Generatoren anbetrieben werden.
e Wirkungsgrade solcher Konverter wurden durch die Verwendung rodynamischer Profile und die Ausbildung der Vorrichtung als Lne vom Wind angetriebene Luft schraube in diesem Jahrhundert zrbessert.
Le zur Zeit in der Entwicklung befindlichen oder in der Praxis @ngesetzten Windenergiekonverter in Form von zwei- bis sechs-Lättrigen, zum Teil gegenläufigen Luft schrauben oder diejenigen, ie parabelförmig gebogene, aerodynamisch wirksame Flächen beitzen und eine senkrecht stehende Drehachse die gemeinsame ehne der Parabeln darstellt, weisen infolge ihrer Konzeption inige Nachteile hinsichtlich einer optimalen Konvertierung der indenergle in mechanische Energie auf.
s handelt sich generell um " freifahrende " Luftschrauben, d.h., icht nur der induzierte Widerstand ist verhältnismäßig groß, ondern auch die durch die Randverwirbelung im Bereich der Blattspitzer nicht auftriebswirksame Fläche.
ie bisher beka-anten Windenergiekonverter erreichen im Hinblick uf die u adaptierenden Systeme eine ungünstig kleine Maximal-"Darrieus - Rotor" drehzahl, da die hierbei zu berücksichtigende Windgeschwindigkeit und der erforderliche Profilanstellwinkel in Verbindung mit den Auftriebs- und Winderstandsverhältnissen am Profil nur einen bestimmten, maximalen, die Drehzahl vorgebenden Anströmwinkel ermöglichen.
Den Schwingungsproblemen bei Verwendung langer, schlanker Rotorblätter kann man nur mit anspruchsvol]en, kostspieligen Konstruktionen begegnen.
Große Rotordurchmesser erfordern hohe, kostenaufwendige Lagerungstürme, die zudem noch das Gewicht schwerer Übersetzungsgetriebe zu trage haben, da - wie schon erwähnt - die Rotordrehzahlen verhältnismäßig klein sind.
Bei den bisher bekannten Windenergiekonvertern trägt der Nabennahe Bereich ( ca. 20 % des Rotordurchmessers ) nur unwecentlich zum Gesamtdrehmoment des Rotors bei, wobei jedoch dieser Längenabschnitt voll in die Biege- und Torsionsmoment- sowie die Schwj.ngungsberechnungen ein ngeht.
Die bisher bekannten Windenergiekonverter müssen um Beschädigingen der Rotorblätter bzw. der gesamten Anlage bei dem Überschreiten einer bestimmten Windgeschwindigkeit " abgeregelt werden, so daß ein nicht unwesentlicher Teil der Gesamtwindenergie ungenutzt bleibt.
Diese Nachteile werden durch den erfindungsgemäßen Windenergiekonverter vermieden bzw. wesentlich verringert, so daß ein Windenergiekonverter mit hoher Effektivität bei geringem Investitions-und Wartungsaufwand im Verhältnis zur konvertierten Leistung schon bei Windgeschwindigkeiten von 3 m/s bis 4 m/s ( Windstärken 2 bis 7 ) verwirklicht werden kann.
Diese Vorteile des erfindungsgemäßen Windenergiekonverters werden dadurch erreicht, daß ( Fig. 1, beispielhaft ein Windenergiekonverter mit horizontaler Drehachse ) der mit aerodynamisch wirksamen, in ihrer Stellung zur Luftströmung variabelen Elementen (1) besetzte Rotor (2) in einem Strömungskanal (3) arbeitet, dessen Querschnitt (4) gegenüber dem Eintrittsquerschnitt (5) kleiner ist. Der Übergang (6) vom Eintrittsquerschnitt (5) zum Arbeitsquerschnitt (4) ist so auszulegen,daß sich eine möglichst gleichmäßige Geschwindigkeitszurahme der Luft ergibt.
Bei der Verwendung eines Rotors (6) nach Fig. 1 ist dieser nöglichst so zu gestalten, daß die aerodynamisch wirksamen 3lemente (1) am Innendurchmesser in einer konvexen (7) und am Außendurchmesser in einer konkaven (8) Kugelfläche so ge-Lagert sind, daß sie in ihrer Winkelstellung (9) zur Längsachse des Konverters verändert werden können, ohne daß sich strömungsungünstige Spalten oder Kanten ergeben. Aus dem zeichen Grunde sollten auch die Übergänge der umlaufenden Peile der Kugelflächen (7,8) zu den feststehenden Teilen des (onverters strömungsgünstig ausgeführt werden.
Der weitere Strömungsverlauf der infolge der Energieentnahme lurch den Rotor (2) verzögerten Luftströmung hat im Abströmbereich (10) so zu erfolgen, daß durch die außen an dem Kon-Werte vorbeiströmende Luft in bekannter Weise eine Ejektorwirkung erzielt wird.
Der Winkel (9) zur Länschse des Konverters, die auch durch 3as mittels der in der freien Luftströmung liegenden Leit-Flächen (11) um die drehbare Lagerung (12) des Konverters erzeugte Stellmoment die Strömungsrichtung der in den erfiniungsgemäßen Konverter strömende Luft ist, wird durch eine automatisch arbeitende, die Strömungsgeschwindigkeit der Luft in in Längsrichtung des Konverters und die Drehzahl nR des rotors (2) berücksichtigende Regeleinrichtung jeweils so geçählt, daß die aerodynamisch wirksamen Elemente (1) über den sich bekannterweise ergebenden Anströmwinkel#= arctan vU Umfangsgeschwindigkeit am Rotor (2) ) hinaus um den jeweils gunstigsten Anstellwinkelα gegen die Luft strömung angestellt werden. Hierbei kann es günstig sein, bei kleinen totordrehzahlen nR, d.h., bei geringen Umfangsgeschwindigkeiten JU, einen größeren Anstellwinkelα vorzusehen als bei großen totordrehzahlen.
zinke weitere Möglichkeit, bei allen Windgeschwindigkeiten eine lohe Wirksamkeit des Konverters zu erreichen, besteht darin, qie in Fig. 2 gezeigt, das aerodynamische Profil (13) von der [orderkante bis zur Hinterkante mit einem Spalt zu versehen.
[m Anströmbereich sollte der Spalt (14) vom Staupunkt (15), wie r sich bei einem mittleren Anstellwinkel ergibt, ausgehen und bis in das letzte Drittel der Saugseite des Profiles (13) vor der Hinterkante (16) erstrecken, wobei eine Spaltverengung der @rsprünglichen Spaltbreite vorzusehen ist. Dieser Spalt (14) soll einmal den Staubereich vor der Profilkontur verkleinern und zum anderen den Staudruck zur gezielten Profilausblasung nutzen, was zur Folge hat, daß eine Strömungsablösung an der Profilsaugseite (16) erst bei größeren Anstellwinkeln erfolgt und die Erzielung eines größeren maximalen Auftriebes bei gleichen oder geringeren Widerstandswerten, d.h.,eine günstigere Gleitzahl des aerodynamischen Profiles erreicht wird.
Darüber hinaus sind noch zwei weitere Effekte zu erwähnen, die die Gleitzahl des aerodynamischen Profiles günstig beeinflusen. Einmal vergrößert sich gegenüber bisher bekannten Windenergiekonverter - Konzeptionen infolge der im Arbeitsquerschnitt (Fig. 1,4) größeren Luftgeschwindigkeit und der hierdurch ermöglichten Steigerung der Umfangsgeschwindigkeit die resultierende Umströmlmgsgeschwindigkeit für das Profil und damit die Reynolds - Zahl, was eine Erhöhung des Profilauftriebes und eine Verringerung des Profilwiderstandes zur Folge hat. Die weitere Möglichkeit, die Gleitzahl des aerodynamischen Profiles und damit die Effektivität des Konverters zu verbessern besteht darin, daß die, wie Fig. 2 zeigt, aerodynamischen Profile (13) sowie die Lagerzapfen (17,18) hohl ausgeführt werden, so daß infolge der Rotation des Rotors (Fig. 1,2) nach dem Prinzip der Radialströmungsmaschinen ein nach außen gerichteter Luftstrom in den Profilhohlräumen entsteht, der einen Unterdruck in diesen Hohlräumen erzeugt.
Dieser Unterdruck kann dazu benutzt werden, mittels spezieller Offnungen (20) ( z.B. Schlitze oder Bohrungen ) in den Saug-und Druckbereichen der aerodynamischen Profile (13) eine Grenzschichtabsaugung vorzunehmen.
Die den jeweiligen Windgeschwindigkeiten vL und Rotordrehzahlen nR beziehungsweise Umfangsgeschwindigkeiten vU hinsichtlich einer optimalen Energieumwandlung entsprechenden Anstellwinkel der aerodynamischen Profile werden durch einen Regler eingestellt, der die ihm eingegebenen Parameter vL und nR mechanisch, elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch in die erforderliche Stellgröße verarbeitet. In Fig. 3 ist als Beispiel ein pneumatisch -mechanischer Regler dargestellt. Hierbei werden der statische und der dynamische Druck in der anströmenden Luft mittels entsprechender Zuleitungen (21) in zwei voneinander durch eine f1exibale Membran (22) getrennte Ean-mern (23,24) eingeleitet.
t der Membran (22) ist eine Regelstange (25) verbunden, die ei Erhöhung des dynamischen und Verringerung des statischen uckes, d.h., bei größeren Windgeschwindigkeiten, gegen die igkraft der einstellbaren Feder (32) in die positive x - Richmg verschoben wird und auf die Basis des mit ihr verbundenen, doch mit der Welle (26) des Rotors (Fig. 1,2) umlaufenden @iehkraftreglers (27) so einwirkt, daß bei gleicher Drehzahl as s Rotors der Gesamtanstellwinkel zwischen der Sehne des Nrodynamisch wirksamen Profiles und der Rotorlängsachse über 3n Stellhebel (28), das Kurvensegment (29) und den Stellarm (30) 1 einem kleineren Winkel hin verstellt wird.
@nkt zum Beisiel die Drehzahl des Rotors (Fig. 1,2) und der Lt ihm verbundenen Welle (Fig. 3,26) bei gleichbleibender Wind-Nschwindigkeit, so wird dann bei unveränderter Position der Ngelstange (25) alleine durch die Stellgröße des auf die Drehahländerung reagierenden Fliehkraftreglers über den Stellhebel 28), das Kurvensegment (29) und den Stellrrn (30) der Gesamtstellwinkel auf einen entspre<hend optimalen Wert verringert.
@ können die Parameter Windgeschwindigkeit vL und Rotordrehihl nR bekannterweise auch elektrisch, hydraulisch ermittelt ld in eine resultierende Stellgröße für die Veränderung des esamtanstellwinkels im gewünschten Maße umgewandelt werden.
e nach Leistungsvermögen der an dem Kupplungsflansch (31) der Dtorwelle (26) angeflanschten Verbraucher ( z.B. Kompressoren Lneratoren, Pumpen, u.s.w. ) und des infolge der allgemeinen indsituation in Betracht gezogenen Arbeitsbereiches hinsichtich der minimalen und maximalen Windgeschwindigkeit, können durch entsprechende Einstellung o.g. Regelorgane in bekannter 3ise eine Einhaltung der geforderten Werte erreicht und der inverter sowie die angeschlossenen Verbraucher bei Überschreiung bestiinrfter, vorgegebener Grenzgrößen vor Beschadigung beshrt werden.
ine weitere Möglichkeit mit dieser Zielsetzung besteht darin, aß im Lufteintrittsbereich des Konverters (Fig. 1, zwischen 4 nd 5) vom äußeren Luftführungsring aus ( nicht dargestellte) lappen in den Luftstrom geschwenkt werden, die einen entsprechnden Anteil der einströmenden Luft vor dem Rotor (Fig. 1,2) urch den äußeren Luftführuagsring hindurch bleiten.
Schließlich kann der erfindungsgemäße Windenergiekonverter zum Beispiel im Hinblick auf den Umweltschutz oder eine bessere Anpassung an Bauwerke auch derartig ausgeführt sein, daß die aerodynamisch wirksamen Elemente (1), wie in Fig. 4 gezeigt, an Ketten oder ( Zahn- ) Riemen (33) etc. befestigt sind, die über zwei oder mehrere Umlenkräder (34) laufen. In dieser Ausführung wird die Anstellung der aerodynamisch wirksamen Elemente (1) in Bezug auf die anstronende Luft vom Regler (37) aus mittels der Stellschiene (75) und des Rollenarmes (36) vorgenommen. Die bei einer derartigen Ausführung des erfindungsgemäßen Wind energie'onverters erforderliche Abstützung der aerodynamisch wirksamen Elemente (1) in Längsrichtung des Konverters erfolgt über die Stützschienen (38,39), die Rollen (40,41) und die Zapfen (42,43). Die Energieableitung kann in dieser Konfiguration über eines oder r-¾rere der Umlenkräder (34) erfolgen, wodurch die Möglichkeit eröffnet wird, durch unterschiedliche Durchmesser der Umlenkräder (34) verschiedene Verbraucher gegebenenfalls ohne Zwischen-schaltung kostspieliger Getriebe über die Kupplungsflansche (31) zu versorgen.
Darüber hinaus ermöglicht diese Ausführung des erfindungsgemäßen Windenergiekonverters die Ausbildung nahezu beliebiger Arbeitsquerschnitte(z.B. Ovalspalt,rechteckförmiger Spalt etc.).

Claims

Betr.: Patentanmeldung " Windenergiekonverter." Patentansprüche ½) Vorrichtung zur Umwandlung der Windenergie in mechanische Energie, dadurch gekennzeichnet, daß sich die aerodynamisch wirksamen, in ihrer Lage zur anströmenden Luft veränder-Earn Elemente (Fig. 1,1) des Energiekonverters in einem die Luftströmung führenden Raum befinden, in dem die Strömungsgeschwindigkeit der Luft infolge einer im Luftströmungsverlauf vor den aerodynamisch wirksamen Elementen senkrecht zur Strömung erfolgten, möglichst stetigen Querschnittsverkleinerung wesentlich erhöht wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsverkleinerung in einen kreisringförmigen Querschnitt übergeht, in dem ein mit aerodynamisch wirksamen Elementen besetztes Rad ( oder mehrere hintereinander ) senkrecht zur Strömungsrichtung umlaufend derartig eingesetzt ist sind ), da£: die verstellbaren aerodynamisch wirksamen Elemente von einem Innen - und einem Außenring ( von Innen -und Außenringen ) begrenzt werden, die im Übergang zum kreisringförmigen Durchströmungsquerschnitt strömungsgünstig geformt mit den aerodynamisch wirksamen Elemnten (Fig. 1,1) umlaufen.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Strömungsverlauf hinter dem Rotor (Fig. 1,2) die auf eine geringere Geschwindigkeit verzögerte Luftströmung derartig geführt wird, daß im Zusammenwirken mit der freien Lufiströmung im Umfeld des Windenergiekonverters ein Ejektoreffekt zur Erhöhung des Gesamtdruckgefälles zwischen dem Eintritt in den Konv@rter und dessen Austritt entsteht.
Betr.: Patentanmeldung " Windenergiekonverter " - Patentansprüche 4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aerodynamisch wirksamen, zwischen dem Innen - und Außenring entsprechend dem Strömungseintrittswinkel und dem optimalen Anstellwinkel einstellbaren Elemente über die gesamte Höhe H im Bereich des Staupunktes an der Elementvorderkante bis kurz vor der Hinterkante auf der Saugseite einen konisch zulaufenden Spalt aufweisen, der den Staudruck zur Beschleunigung einer Luftströmung in diesem Spalt benutzt, um vor der Hinterkante der Elemente eine Ausblasung zu ermöglichen, die den Auftrieb vergrößert und den Widerstand verringert.
5. Vorrichtung nach den Asprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aerodynamisch wirksamen Elemente hohl ausgeführt sind und sich infolge der bei der Drehung des Rotors erzeugten Zentrifugalbeschleunigung in Verbindung mit entsprechenden Buftdurchgangsöffmlngen in den Elementlagerungen im Innen - und Außenring in den hohlen Elementen eine nach außen gerichtete Strömung ergibt, die bei entsprechender, sehr feiner Perforation oder Schlitzung der äußeren Elementoberfläche zur Grenzschichtabsaugung benutzt wird, und somit die Auftriebs - und Widerstandskoeffizienten des Elementes günstigere Werte annehmen.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die hinsichtlich der Windgeschwindigkeit und der Drehzahl optimale Winkeleinstellung der aerodynamisch wirksamen Elemente in Bezug zur Längsachse des Windenergiekonverte mittels eines pneumatisch - mechanischen Reglers erreicht wird, dessen pneumatischer Teil den Differenzdruck zwischen dem dynamischen und statischen Druck als Maß für die Windgeschwindigkeit in eine Größe umwandelt, die auf die Basis eines mechanischen Fliehkraftreglers wirkt, und somit eine Überlagerung dessen Stellgröße hervorruft, die über Stellhebel und Kurvensegmente auf die Verstellung der aerodynamisch wirksamen, vorzugsweise in ihrem Druckpunkt drehbar gelagerten Elemente einwirkt.
Betr.: Patentanmeldung " Windenergiekonverter " - Patentansprüche 7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei drohender Überlastung des Windenergiekonverters selbst oder einer der angeschlossenen Verbraucher entweder die verwendete Regeleinrichtung für die Winkeleinstellung der aerodynamisch wirksamen Elemente die aus dem Wind konvertierte leistung begrenzt oder mittels im Lufteintrittsbereich des Konverters am äußeren Eintrittsring angebrachter Klappen ein entsprechender Anteil der einströn nden Luft vor dem Rotor durch diesen äußeren Ring hindurch abgeleitet wird.
8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,daß der drehbar gelagerte Windenergiekonverter mittels einer oder mehrerer im Strömungsverlauf hinter der Lagerung, Jedoch in der freien Lufiströmung, befindlicher Leitflächen immer so gegen den Wind gestellt wird, daß die Windrichtung gleich der KonverterlängsaeYse ist.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 , 3, 4 und 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die aerodynamisch wirksamen Elemente, an über entsprechende Umlenkräder laufende Ketten oder ( Zahn- ) Riemen etc. befestigt, einen senkrecht zur anströmenden Luft von der Kreisringform abweichenden Arbeitsquerschnitt durchlaufen, wobei enges oder mehrere der Umlenkräder zur Energieableitung verwendet wird/werden.