DE3723890C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Windenergienutzung, bei dem der Wind durch die Kombination einer Ablenkplatte mit einer Windwalze zum Strahl konzentriert wird, der dann die Flügel einer Vertikalachsturbine antreibt.The invention relates to a method for using wind energy, where the wind by combining a baffle is concentrated to the jet with a wind roller, which then drives the blades of a vertical axis turbine.

Vertikalachsturbinen sind in der Windenergienutzung den Propellerwindturbinen mit horizontaler Achse stark unterlegen. Nach J. P. Molly liegt ihr Leistungsbeiwert 2-3mal niedriger als der von Horizontalachsturbinen. Um diesen Nachteil auszugleichen, wird in der Erfindung der Anströmwind, bevor er auf die Flügel der Vertikalachsturbine trifft, konzentriert und beschleunigt, wodurch seine Energiedichte und Energieleistung ansteigen.Vertical axis turbines are used in wind energy Strongly inferior to propeller wind turbines with a horizontal axis. According to J. P. Molly, their performance coefficient is 2-3 times lower than that of horizontal axis turbines. To this To compensate for the disadvantage, the inflow wind is before hitting the blades of the vertical axis turbine hits, focuses and accelerates, reducing its energy density and energy performance increase.

Windkonzentrierungen kennt man bei Horizontalachsturbinen, z. B. bei der Mantelturbine und beim Berwian. Die Mantelturbine erzielt den Konzentrationseffekt über einen konisch zulaufenden Zylinder, der als Mantel um den Rotor liegt, und der Berwian benutzt eine Rosette von Konzentrationsflügeln um den Rotor, die den Anströmwind zum Strahl auf den Rotor konzentrieren.Wind concentrations are known in horizontal axis turbines, e.g. B. in the jacket turbine and the Berwian. The jacket turbine achieves the concentration effect over a conical tapered cylinder, which lies as a jacket around the rotor, and the Berwian uses a rosette of concentration wings around the rotor which turns the oncoming wind to the jet concentrate the rotor.

Für Vertikalachsturbinen ist eine selbsttätige Windkonzentrierung bisher unbekannt. Im Gebrauch sind hier lediglich Lenkplatten, die dem Wind einen bestimmten Strömungsverlauf geben (DE-OS 30 45 826 und FR-PS 2 28 654), allerdings ohne den Wind zum wirbelfreien Strahl zu konzentrieren.For vertical axis turbines there is an automatic wind concentration previously unknown. Are only in use here Steering plates that give the wind a certain flow give (DE-OS 30 45 826 and FR-PS 2 28 654), however without concentrating the wind to the vortex-free jet.

Im Patent DE 33 03 898 wird durch einen elektrisch angetriebenen Hohlzylinder (Flettnerrotor) ebenfalls eine Windbeschleunigung erreicht, die durch Addition der Umlenkströmung mit der Zirkulationsströmung entsteht, die jedoch mit der selbsttätigen Windkonzentrierung der vorliegenden Windstrahlturbine nicht identisch ist.In patent DE 33 03 898 is an electrically driven Hollow cylinder (Flettner rotor) also accelerates the wind achieved by adding the deflection flow with the circulation flow, but with the automatic wind concentration of the wind turbine at hand is not identical.

Die Beschleunigung der Luftmoleküle zum Wind wird durch Unterschiede des Luftdruckes zwischen zwei Orten nach dem Gesetz von Bernoulli ausgelöst. Die Differenz der Windgeschwindigkeiten zwischen den Orten A und B beträgt dann: The acceleration of the air molecules to the wind is triggered by differences in air pressure between two locations according to Bernoulli's law. The difference in wind speeds between locations A and B is then:

p = Luftdruck (N/m²), ρ = Luftdichte (kg/m³)
v = Windgeschwindigkeit (m/sec) p = air pressure (N / m²), ρ = air density (kg / m³)
v = wind speed (m / sec)

Je größer das Druckgefälle zwischen A und B ist, umso mehr wird der Wind nach B beschleunigt. Die Gleichung gilt auch umgekehrt. Je höher die Windgeschwindigkeit in B gegenüber A ist, umso mehr steigt hier der Unterdruck und damit das Luftdruckgefälle für die Luftströmung. Außer der Luftbeschleunigung als Folge des Luftdruckgefälles kennen wir noch die Windkonzentrierung. Hier wird ein gegebener Massendurchsatz der Luftmoleküle auf einen kleineren Querschnitt konzentriert, z. B. ein Wind mit 4 m/sec=Massendurchsatz 4 m³ · sec^-1 · m^-2 auf den halben Querschnitt 4 m³ · sec^-1 · 0,5 m^-2, dabei verdoppelt sich die Geschwindigkeit auf 8 m/s. Eine Windkonzentrierung tritt ein, wenn der Wind durch ein Hindernis abgelenkt wird, z. B. durch eine schräg in den Wind gestellte Ablenkplatte 1 (Fig. 1). Die Stromlinien verengen sich in der Konzentrierungszone 2 zu einem Strahl 3. Die für die Windenergienutzung günstigsten Stellungen der Ablenkplatten in bezug auf eine geringe Wirbelbildung liegen zwischen 10° und 20° zur Windrichtung und ergeben Konzentrierungswerte von 1 zu 0,66 bis 0,59, wie die eigenen Versuche gezeigt haben. Damit erhöht sich die Windgeschwindigkeit im Strahl auf das 1,5- bis 1,7fache. Die unausweichliche Wirbelbildung hinter den Ablenkplatten kann durch eine Windwalze (4 in Fig. 2), die der Ablenkplatte 1 in Reihe nachgeordnet ist, weitestgehend vermieden werden. Die in Leichtbauweise gefertigte Windwalze 4 mit Schaufeln 5 auf dem Hohlzylindermantel wird vom Strahl zur Rotation gebracht und erreicht mit der Mantelgeschwindigkeit bei der sehr geringen Lagerreibung fast unverzögert die Geschwindigkeit des Strahles. Durch die eintretende Bahnverengung (Fig. 2) und Wegverlängerung wird der Strahl nach dem Kontinuitätsgesetz noch zusätzlich beschleunigt. Der hier nach Gleichung (1) auftretende Unterdruck verhindert die Wirbelbildung. The greater the pressure drop between A and B , the more the wind is accelerated to B. The equation also applies vice versa. The higher the wind speed in B compared to A , the more the negative pressure increases and thus the air pressure gradient for the air flow. In addition to the acceleration of air as a result of the drop in air pressure, we also know the wind concentration. Here a given mass flow rate of the air molecules is concentrated on a smaller cross-section, e.g. B. a wind with 4 m / sec = mass throughput 4 m³ · sec ^-1 · m ^-2 to half the cross section 4 m³ · sec ^-1 · 0.5 m ^-2 , the speed doubles to 8 m / s. Wind concentration occurs when the wind is deflected by an obstacle, e.g. B. by a diagonally placed in the wind baffle 1 ( Fig. 1). The streamlines narrow in the concentration zone 2 to a jet 3 . The most favorable positions of the deflection plates for the use of wind energy in relation to a small vortex formation are between 10 ° and 20 ° to the wind direction and result in concentration values from 1 to 0.66 to 0.59, as our own experiments have shown. This increases the wind speed in the jet by 1.5 to 1.7 times. The inevitable eddy formation behind the baffle plates can be largely avoided by a wind roller ( 4 in FIG. 2) which is arranged in series behind the baffle plate 1 . The lightweight construction of the wind roller 4 with blades 5 on the hollow cylinder jacket is made to rotate by the jet and, with the jacket speed and the very low bearing friction, reaches the jet speed almost instantaneously. As a result of the narrowing of the path ( FIG. 2) and the lengthening of the path, the jet is additionally accelerated according to the law of continuity. The negative pressure that occurs here according to equation (1) prevents the formation of eddies.

Wie die Fig. 2 weiter zeigt, wird die Konzentrierungszone 2 gegenüber Fig. 1 durch die Windwalze nicht nur in der Stärke erweitert, sondern der Strahl 3 wird auch in eine kreisförmige Bahn um die Windwalze gelenkt und die Wirbelbildung hinter der Ablenkplatte, wie sie sich in der Fig. 1 darstellt, fällt weg.As FIG. 2 further shows, the concentrating zone 2 with respect to Fig. 1 is extended by the wind roll not only in the thickness, but the beam 3 is directed in a circular path about the wind roller and the formation of eddies behind the baffle plate, as they represents in the Fig. 1, is omitted.

Die Umdrehungsgeschwindigkeit der Windwalze und die Umlenkung des Windstrahles in die Kreisbahn sind von der Größe und Anzahl der Schaufeln abhängig. Die Höhe der Schaufelöffnung sollte 1/10 bis 1/12 des Windwalzendurchmessers erreichen und der seitliche Abstand der Schaufeln das zwei- bis dreifache dieser Höhe, wobei die Länge der Schaufeln sich über die gesamte Höhe der Windwalze 5 in Fig. 4 erstreckt. Eine weitere Verbesserung der Kreisbahn erzielt man, wenn die Mantelgeschwindigkeit der Windwalze noch über die Windstrahlgeschwindigkeit angehoben wird.The speed of rotation of the wind roller and the deflection of the wind jet into the circular path depend on the size and number of blades. The height of the blade opening should reach 1/10 to 1/12 of the wind roller diameter and the lateral distance of the blades should be two to three times this height, the length of the blades extending over the entire height of the wind roller 5 in FIG. 4. A further improvement of the circular path can be achieved if the surface speed of the wind roller is raised above the wind jet speed.

Koaxial zur Windwalze kreisen auch die Flügel der Windturbine 6 in Fig. 4 und 5, die in der Konzentrierungszone durch den Windstrahl ihren Antrieb erfahren. Die Flügel der Vertikalachsturbine können Halbrohre oder Darrieusflügel sein. Diesen überlegen sind Lamellenflügel, die aus schmalen, parallelgestellten Lamellen 7 bestehen, die im Winkel von 45°±15° zum Radius mit der Innenkante nach vorn in Fahrtrichtung stehen 7 (Fig. 5). Die Lamellen sind im Abstand der Lamellenbreite oder in noch größerem Abstand im Flügel angeordnet (Fig. 5). Die Lamellenflügel nutzen Auftrieb und Widerstand des Windstrahles aus. Die Winkelstellung der Lamellen bewirkt, daß mit Eintritt des Anströmwindes in die Bahn der Turbinenflügel die beaufschlagte Seite der Lamellen den Windstrahl nach innen ablenkt. Erst wenn die Flügel auf die gegenläufige Seite ihrer Bahn einschwenken, wird der Windstrahl nach außen abgelenkt (Fig. 5). Mit der Winkelstellung der Lamellen und der Kombination Ablenkplatte plus Windwalze wird erreicht, daß der Windstrahl über 2/3 der Flügelbahn die Flügel beaufschlagt und damit über eine große Tiefe genutzt wird; andererseits wird vermieden, daß der Anströmwind den Weg des geringsten Widerstandes wählt und außerhalb der Turbinenflügelbahn vorbeistreicht, wie dies bei vielen Vertikalachsturbinen der Fall ist.The blades of the wind turbine 6 in FIGS. 4 and 5 also circle coaxially with the wind roller and are driven in the concentration zone by the wind jet. The blades of the vertical axis turbine can be half tubes or Darrieus blades. These are superior to lamella wings, which consist of narrow, parallel lamellae 7 , which are at an angle of 45 ° ± 15 ° to the radius with the inner edge facing forward in the direction of travel 7 ( FIG. 5). The slats are arranged at a distance of the slat width or at an even greater distance in the wing ( Fig. 5). The louvre blades take advantage of the lift and drag of the wind jet. The angular position of the lamellae causes that when the oncoming wind enters the path of the turbine blades, the side of the lamella acted upon deflects the wind jet inwards. Only when the wings swing in on the opposite side of their path, the wind jet is deflected outwards ( Fig. 5). With the angular position of the lamellae and the combination of deflector plate and wind roller, the wind jet is applied to 2/3 of the wing path and is used over a great depth; on the other hand, it is avoided that the inflow wind chooses the path of least resistance and passes outside the turbine wing path, as is the case with many vertical axis turbines.

Bei allen bisherigen, bekannten Vertikalachsturbinen ist die windgegenläufige Seite der große Schwachpunkt, weil hier der Anströmwind auf die entgegenlaufenden Flügel trifft und diese erheblich abbremst, so daß nur sehr geringe Nutzungsgrade (<15%) dieser Turbinen erreicht wurden. Um diesen Bremsablauf zu vermeiden, wurde eine zweite Ablenkplatte 8 (Fig. 5), die im spitzen Winkel zum Wind steht, keilförmig an die erste Ablenkplatte 9 (Fig. 5) angesetzt. Die zweite Ablenkplatte 8 soll den ihr zugeordneten Teil des Anströmwindes um die Turbine als Strahl herumführen. Die keilförmig, im spitzen Winkel gestellten Ablenkplatten sind oben und unten an zwei Doppelschenkel 10 (Fig. 4 u. 5) befestigt, die drehbar um eine feststehende Achse 11 gelagert sind. Zwischen dem oberen und unteren Doppelschenkel befindet sich auf der Gegenseite eine verbindende, starre Achse 12, um die Windwalze und Turbinenflügel mit Hohlachsen 13, 14 gelagert sind. Die starre Achse 12 ist nach unten verlängert und trägt an einer Querverbindung 15 zwei Räder 16, die auf einem Schienenkreis 17 um die feststehende Achse 11 rollen. Das Gewicht von den Ablenkplatten, der Windwalze und der Turbine wird von diesen Rädern getragen und damit die Lager an der feststehenden Achse 11 entlastet. Auf die Räder verlagert sich auch der Winddruck bei Sturm und Orkanen, wodurch des erstmalig bei Windturbinen gelungen ist, die Hauptrichtung des Winddruckes mit Schwerpunkt in Richtung Boden zu verlegen.In all previous, known vertical axis turbines, the windward side is the major weak point, because the incoming wind hits the opposite blades and slows them down considerably, so that only very low levels of utilization (<15%) of these turbines were achieved. In order to avoid this braking process, a second baffle plate 8 ( FIG. 5), which is at an acute angle to the wind, was placed in a wedge shape on the first baffle plate 9 ( FIG. 5). The second baffle plate 8 is intended to guide the part of the inflow wind associated with it around the turbine as a jet. The wedge-shaped, at an acute angle baffles are attached to the top and bottom of two double legs 10 ( Fig. 4 and 5) which are rotatably mounted about a fixed axis 11 . On the opposite side, between the upper and lower double legs, there is a connecting, rigid axle 12 , around which the wind roller and turbine blades with hollow axles 13 , 14 are mounted. The rigid axle 12 is extended downwards and carries two wheels 16 on a cross-connection 15 , which roll on a rail circle 17 about the fixed axle 11 . The weight of the baffles, the wind roller and the turbine is borne by these wheels and the bearings on the fixed axle 11 are thus relieved. The wind pressure during storms and hurricanes is also shifted to the wheels, which is the first time that wind turbines have succeeded in shifting the main direction of the wind pressure with the focus towards the ground.

Der Winddruck auf die keilförmig gestellten Ablenkplatten lenkt automatisch die Spitze der Ablenkplatten in den Wind und damit auch die mit den Platten verbundene Windwalze und Turbine, wobei die tragenden Räder sich auf dem Schienenkreis 17 um die feststehende Achse 11 bewegen. Die Windstrahlturbine dreht sich damit selbsttätig in den Wind.The wind pressure on the wedge-shaped baffle plates automatically steers the tip of the baffle plates into the wind and thus also the wind roller and turbine connected to the plates, the load-bearing wheels moving on the rail circle 17 about the fixed axis 11 . The wind jet turbine turns automatically into the wind.

Um die Höhenschwankungen des Windes auszugleichen, sind die Ablenkplatten in gewellter Form (Fig. 3) gestaltet, wodurch gleichzeitig die Stabilität der Platten gegen die Sturmgefährdung wesentlich verbessert wird.In order to compensate for the fluctuations in the height of the wind, the deflection plates are designed in a corrugated form ( FIG. 3), which at the same time significantly improves the stability of the plates against the risk of storms.

Die Turbinenflügel sind oben und unten auf Endscheiben 19 montiert, die mit der drehbaren Hohlachse 13 starr verbunden sind. Die von den Flügeln aus dem Windstrahl entnommene Energie wird über die Hohlachse 13 und Zahnräder 20 auf einen Generator zur elektrischen Stromgewinnung oder auf Maschinen für mechanische Arbeitsgänge übertragen (20 in Fig. 4). Die Endscheiben müssen über die Turbinenflügel hinausragen, dadurch wird ein Ausweichen des Antrömwindes nach oben und unten verhindert.The turbine blades are mounted on top and bottom on end disks 19 which are rigidly connected to the rotatable hollow axis 13 . The energy taken from the blades by the wind jet is transmitted via the hollow shaft 13 and gear wheels 20 to a generator for electrical power generation or to machines for mechanical operations ( 20 in FIG. 4). The end disks must protrude beyond the turbine blades, which prevents the upstream and downstream winds from escaping.

Die Windkonzentrierung durch Ablenkplatte und Windwalze zu einem Strahl erhöht die Geschwindigkeit v _o des Anströmwindes auf 1,6-1,8 v _o und damit die von den Flügeln ausnutzbare kinetische Energie (Nm) auf das 4- bis 5,8fache. Die Tiefennutzung des Windstrahles, die erstmalig bei der Windstrahlturbine praktiziert wird, läßt eine Windenergieausnutzung von 35%-45% zu. Dadurch vermindert sich die Geschwindigkeit des Windstrahles auf 1,4 bis 1,3 v _o . Der Wind verläßt somit die Windstrahlturbine mit einer höheren Geschwindigkeit wie er vor den Ablenkplatten ankommt. Der sehr schädliche Windrückstau bei den Horizontalachsturbinen fällt hier weg. Insgesamt liegt der Wirkungsgrad der Windstrahlturbine unter Zugrundelegung von Versuchsergebnissen mit Kleinmodellen je Quadratmeter Luftstrom im Flügelbereich 6-7mal höher als bei den Hochleistungs-Horizontalachsturbinen modernster Bauart. Die Baukosten der Windstrahlturbine berechnen sich auf 600,- bis 800,- DM/1 kW und liegen damit niedrig.The wind concentration by means of a deflector plate and wind roller to form a jet increases the velocity v _{o of} the incoming wind to 1.6-1.8 v _o and thus the kinetic energy (Nm) that can be used by the blades by 4 to 5.8 times. The deep use of the wind jet, which is practiced for the first time in the wind jet turbine, allows a wind energy utilization of 35% -45%. Characterized the speed of the wind beam is reduced to between 1.4 and 1.3 V _o. The wind thus leaves the wind jet turbine at a higher speed than it arrives in front of the baffle plates. The very damaging wind back pressure in the horizontal axis turbines is eliminated here. Overall, the efficiency of the wind turbine, based on test results with small models per square meter of air flow in the wing area, is 6-7 times higher than that of the latest high-performance horizontal axis turbines. The construction costs of the wind turbine are calculated at 600 to 800 DM / 1 kW and are therefore low.

Literatur: Molly, J.-P., Windenergie in Theorie und Praxis, Verl. C. F. Müller, Karlsruhe 1978.Literature: Molly, J.-P., Wind energy in theory and practice, C.F. Müller, Karlsruhe 1978.

Der Beschreibung sind 5 Zeichnungen (Fig. 1-5) beigegeben.The description is accompanied by 5 drawings ( Fig. 1-5).

Claims (7)

1. Verfahren zur Windenergienutzung mittels einer Windstrahlturbine, dadurch gekennzeichnet, daß der Anströmwind sich über eine Kombination Ablenkplatte (1, 9) und Windwalze (4) zum Strahl (3) konzentriert und in eine kreisförmige Bahn um die Windwalze geführt wird und dort die koaxial um die Windwalze kreisenden Flügel einer Vertikalachswindturbine antreibt. Eine zweite Ablenkplatte (8), die keilförmig an die genannte Ablenkplatte (9) im spitzen Winkel angesetzt ist, lenkt den zugehörigen Wind um die Windwalze (4) und Turbinenflügel (6) herum. Beide in Keilstellung angeordneten Ablenkplatten (8, 9) sind im Scheitelpunkt um eine feststehende Achse (11) drehbar gelagert und rollen, von Rädern getragen, auf einem Schienenkreis (17) um die feststehende Achse.1. A method for using wind energy by means of a wind jet turbine, characterized in that the inflow wind is concentrated via a combination baffle plate ( 1 , 9 ) and wind roller ( 4 ) to the beam ( 3 ) and is guided in a circular path around the wind roller and there the coaxial drives a vertical axis wind turbine wing rotating around the wind roller. A second baffle plate ( 8 ), which is attached in a wedge shape to said baffle plate ( 9 ) at an acute angle, directs the associated wind around the wind roller ( 4 ) and turbine blades ( 6 ). Both deflecting plates ( 8 , 9 ) arranged in the wedge position are rotatably mounted at the apex around a fixed axis ( 11 ) and, supported by wheels, roll on a rail circle ( 17 ) around the fixed axis. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Sturm der Seitendruck auf die Windstrahlturbine auf Stützräder (16) übertragen wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the side pressure is transmitted to the wind turbine on support wheels ( 16 ) in a storm. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die keilförmig gestellten Ablenkplatten (8, 9) in einem Winkel von 10° bis 20° zum Wind stehen und in gewellter Form (Fig. 3) ausgebildet sind.3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that the wedge-shaped baffle plates ( 8 , 9 ) are at an angle of 10 ° to 20 ° to the wind and are formed in a corrugated shape ( Fig. 3). 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenflügel aus Lamellen (7) bestehen, die mit der Innenkante nach vorn im Winkel von 45°±15° zum Radius stehen und bei zwei und mehr Lamellen je Flügel nicht unter dem Abstand ihrer Breite angeordnet sind.4. The method according to claims 1-3, characterized in that the turbine blades consist of lamellae ( 7 ) which stand with the inner edge forward at an angle of 45 ° ± 15 ° to the radius and with two or more lamellae per blade not below the distance of their width are arranged. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem Hohlzylindermantel der Windwalze (4) angebrachten Schaufeln (5) eine Öffnungsweite von 1/10 bis 1/12 des Walzendurchmessers erreichen, der seitliche Abstand das zwei- bis dreifache dieser Weite beträgt und deren Länge sich über die gesamte Höhe der Windwalze erstreckt. 5. The method according to claims 1-4, characterized in that on the hollow cylinder jacket of the wind roller ( 4 ) attached blades ( 5 ) reach an opening width of 1/10 to 1/12 of the roller diameter, the lateral distance two to three times this width is and the length of which extends over the entire height of the wind roller. 6. Verfahren nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Windstrahl angetriebene Windwalze durch zusätzlichen Antrieb eine höhere Umlaufgeschwindigkeit erreicht.6. The method according to claims 1-5, characterized in that the wind roller driven by the wind jet by additional Drive reached a higher rotational speed. 7. Verfahren nach den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenflügel oben und unten auf Endscheiben (19) montiert sind, die mit ihrem Durchmesser über die äußere Turbinenflügelbahn hinausragen.7. The method according to claims 1-6, characterized in that the turbine blades are mounted on top and bottom on end plates ( 19 ) which protrude with their diameter beyond the outer turbine blade track.