DE19946389A1

DE19946389A1 - Wind-Energie-Konverter (WEK) mit vertikaler Rotorachse und Kombinationsströmungsprofilen

Info

Publication number: DE19946389A1
Application number: DE1999146389
Authority: DE
Inventors: Viktor Otte; Naseri Morteza Mobalegh
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-09-28
Filing date: 1999-09-28
Publication date: 2001-03-29
Also published as: DE10082951D2; AU7780100A; WO2001023758A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen um eine vertikale Achse drehbaren Wind-Energie-Konverter (WEK). Der WEK besteht aus einem Rotor mit Flügeln 1 und/oder Kombiflügeln 1a, die aus einer Verbindung von Profilen 1 nach dem Auftriebs- oder Widerstandsprinzip und Darrieus- bzw. H-Darrieus-Profilen entstehen und die in der Halterung 5 befestigt sind. Die Halterung ist im Gestell 9 durch eine Lagerung bzw. im Frontleiter 2 durch eine Kreisführung 10 gelagert. Durch die besondere Gestaltung der Teile 2 und 3 sowie durch die Leitbleche 4 erfolgt eine Windumleitung. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die zuströmende Luft im unteren Bereich umgeleitet wird und dabei ihre Energie an die Flügel 1 abgibt. Der obere Bereich nutzt die vom unteren Bereich in der Anlaufphase des WEK angetriebenen Auftriebsprofile nach dem Darrieus-Prinzip zur weiteren Windenergienutzung. Dadurch wird die Windenergie sowohl nach dem Widerstands- als auch nach dem Auftriebsprinzip genutzt. Die erfindungsgemäße Luftumleitung bewirkt, daß der Luftstrom um einen bestimmten Betrag versetzt, aber zu sich selbst weiterhin parallel bleibt. Durch diese Konstruktion wird erreicht, daß der umgelenkte Windstrom die Flügel 1 immer unter dem gleichen Winkel trifft. Die Luft-Energieverluste durch Reibung und Stau, die bei starken Richtungsänderungen auftreten, werden damit vermieden. In der Erfindung wird somit der Schwerpunkt der Luftumleitung auf den Parallelversatz des Luftstroms gelegt. ...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen um eine vertikale Achse drehbaren Wind-Energie-Konverter zur energetischen Nutzung anströmender Luftmassen.

Stand der Technik und vorhandene Nachteile zur jeweiligen Lösung

Die Vorstellung neuer Prinzipien für Windenergiekonverter ist in der letzten Zeit deutlich zurückgegangen. Der WEK mit horizontaler Drehachse stößt aufgrund der Flügelgröße und der damit zusammenhängenden Belastungen (Eigengewicht, auftretende Momente) an technische Grenzen. Obwohl der horizontale WEK eine optimale "Winderntefläche" besitzt, ergeben sich zunehmend Probleme aus der Windrichtungs- und Geschwindigkeitsregelung, den Kosten für den Turmbau und die Rotoren selbst. Die Störanfälligkeit der Systeme bei hohen Windgeschwindigkeiten (Sturm) ist groß, d. h. gerade dann, wenn eine, maximale Energiegewinnung möglich wäre, muß das System abgeschaltet werden. Der Flächenbedarf für die Installation derartiger Anlagen ist groß, die Flächenverfügbarkeit aufgrund zusätzlicher Effekte wie Geräusch, Schwingungen usw. eingeschränkt.

WEK mit vertikaler Drehachse, wie z. B. der Tornado Typ oder der Damus Rotor sind aufgrund der Bauform leistungsmäßig begrenzt.

Es gibt eine Reihe von Erfindungen, die die Vorteile von horizontaler und vertikaler Drehachse vereinigen (DE 38 20 490 A1, DE 38 44 376 A1, DE 38 29 112 A1). Bei diesen Erfindungen sind aber wichtige Fragen ungenügend gelöst, beispielsweise werden durch starke Windrichtungsänderungen hohe Energieverluste in Kauf genommen, die in der Summe zur Leistungssenkung oder u. a. zur Stabilitätsverringerung der Anlage führen.

Im Patent DE 38 20 490 A1 wird durch Konzentration der Luftströmung und ihre tangentiale Umleitung der Luft die Energie entzogen, aber durch die alleinige Nutzung der Energiegewinnung nach dem Widerstandsprinzip ist ein geringer Wirkungsgrad des Konverters zu verzeichnen. Dazu kommt ein nachteiliger voluminöser Aufbau.

In den Patenten DE 38 44 376 A1 und DE 38 29 112 A1 wird der Wind durch einen oder mehrere Kanäle, die sich im Querschnitt verkleinern, zentriepetal und tangential zu Turbienenläufern geführt. Die Anlage gewinnt Energie nach dem Widerstandsprinzip. Nachteilig ist, daß sich durch die Anlage selbst ein Luftstau ergibt, der zur Leistungssenkung führt.

Eine Reihe weiterer Patente ist dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzufuhr zur Anlage, die Luftumleitung und -abführung in der Anlage, die Kraftentnahme und die Profilbeaufschlagung durch den Wind variiert werden.

So ist das Patent DE 39 28 321 A1 dadurch gekennzeichnet, daß der Luftstrom durch einen Trichter mit schräg gelagertem Boden um 90° abgelenkt und über einen senkrecht liegenden Luftkanal zwei Windturbinen zugeführt wird. Der Winddurchsatz wird durch horizontal und vertikal angeordnete Ventilatoren unterstützt. Die Schwachstellen dieser Konstruktion liegen in den Energieverlusten durch die 90° Umleitung, dem großen Abstand zwischen Windeintritt und Nutzung durch die Rotoren und dem Energieverbrauch der zusätzlich angeordneten Ventilatoren.

Im Patent WO 96/38 668 wird der Wind durch auf dem Umfang der Anlage, sich bei Wind öffnende bewegliche Klappen der Anlage zugeführt und durch die vorgegebene zentral gelegene Austrittsöffnung über die zentrisch gelagerte Turbine geleitet. Die Anlage selbst erzeugt auf Grund ihrer Konstruktion einen großen Windwiderstand und ist deshalb sturmgefährdet.

Das Patent WO 96/14 507, das den Wind nach Konzentration einem Vertikalrotor zuführt, ist nur für kleine Windgeschwindigkeiten geeignet.

Im Patent G 810 504 S8 werden Flügelräder nach dem Widerstandsprinzip übereinander angeordnet, so daß ein turmartiger Aufbau entsteht. Der Nachteil der Flügelradgestaltung besteht insbesondere darin, daß durch die einheitliche Ausrichtung der Flügel dem Wind gleichzeitig die konkave und die konvexe Flügelradfläche angeboten wird, so daß nur die Differenz der Schubkräfte zur Drehmomentgewinnung genutzt werden kann.

Im Patent EP 0048790 soll der Wind durch auf dem Umfang der Anlage angebrachte Leitprofile in die Mitte der Anlage geleitet und hier einem zentrisch gelagerten Flügelrad zugeführt werden. Die der Konzentration dienenden Profile werden aber bereits große Anteile der Windenergie verbrauchen, so daß dem Rotor nur eine reduzierte Energie angeboten werden kann.

Eine weitere Konstruktion wird in Patent EP 0206750 beschrieben. Ein wesentlicher Unterschied zum vorgelegten Patent besteht allerdings zum einen darin, daß der Luftstrom im Zentrum der Anlage gestaut wird, zum anderen darin, daß durch die fehlende Luftumleitung die horizontal angeströmten, in einem Ring vertikal angeordneten und zentral gelagerten Strömungsprofile die vorliegende Windenergie nicht optimal nutzen können.

Aufgabe der Erfindung ist ein kostengünstiger, stabil und einfach herzustellender Wind-Energie- Konverter zum Einsatz auf der Wasseroberfläche und auf dem Land.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen um eine vertikale Achse drehbaren Wind-Energie-Konverter. Der Wind-Energie-Konverter besteht entsprechend Fig. 1 und 2 aus einem Rotor mit Flügeln 1, die in der Halterung 5 befestigt sind. Die Halterung ist im Bild 1 im Gestell 3 unter Nutzung des Axial-Lagers 7 gelagert, während sie entsprechend Bild 2 im Frontleiter 2 durch eine Radiallagerung oder Kreisführung 10 gelagert ist. Durch die besondere Gestaltung der Teile 2 und 3 sowie durch die Leitbleche 4 erfolgt eine Windumleitung.

Beschreibung

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die im Bereich I zuströmende Luft entsprechend Fig. 6 über den Bereich II in den Bereich III umgeleitet wird und dabei ihre Energie an die Flügel 1 (Fig. 1 und 2) abgibt. Dadurch wird die Energie sowohl nach dem Widerstands- als auch nach dem Auftriebsprinzip genutzt. Die Luftumleitung nach Fig. 6 bewirkt, daß der Luftstrom um einen bestimmten Betrag versetzt wird, aber zu sich selbst parallel bleibt. Durch diese Konstruktion wird erreicht, daß der umgelenkte Windstrom die Flügel 1 immer unter dem gleichen Winkel trifft. Die Luft-Energieverluste durch Reibung und Stau, die bei starken Richtungsänderungen auftreten, werden damit vermieden. In der Erfindung wird somit der Schwerpunkt der Luftumleitung auf den Parallelversatz des Luftstroms gelegt. Die bei anderen Erfindungen hauptsächlich vorgesehene Konzentration des Luftstroms durch Querschnittsveränderung tritt zwar auch auf, ist aber nur ein zusätzlicher nützlicher Nebeneffekt. Die Umleitung des Luftstromes nach Fig. 6 aus der Richtung I in die Richtung II wird durch die Gestaltung des Horizontalleiters 3 und des Leitbleches (Vertikal-Seitenleiter) 4 nach Fig. 1 und 2 erzeugt und durch die Gestaltung des Frontleiters 2 begünstigt. Der Luftstrom wird auf diese Weise immer in der gleichen Richtung zu den Flügeln 1 (bzw. untere Bereich von 1a) geleitet, die das Strömungsprofil D 1 nach Fig. 5 besitzen. Durch die besondere Gestaltung des Frontleiters 2 in Verbindung mit dem Profil der Flügel 1 bildet sich ein zusätzliches Tragflügelprofil D 2 (Fig. 5) aus, das durch den entstehenden Randeffekt eine zusätzliche Luftströmung von unten nach oben erzeugt und damit die Luftströmung in der Hauptströmungsrichtung II nach Fig. 6 unterstützt. Besonderes effektiv wird die Ausnutzung der Windenergie, wenn die in Fig. 1 und Fig. 2 verwendeten Profile nach dem Auftriebs- oder Widerstandsprinzip mit Darrieus- oder H-Darrieus-Flügeln nach Fig. 3, 3a bzw. 3b kombiniert werden und damit ein Kombiprofil entsteht. In einen solchen Fall kann

Stückliste

1

Flügel (nach Auftriebs- bzw. Widerstandsprinzip)

1

a Kombiflügel

1

b Auftriebsprofil nach Darrieus

2

Frontleiter

3

Horizontalleiter

4

Leitblech (Vertikal-Seitenleiter)

5

Flügelhalter

6

Feder

7

Lager

8

Verbindungsstück

9

Gestell

10

Kreisführung

Claims

1. Konzentrisch aufgebauter Wind-Energie-Konverter, bestehend aus einer außen liegenden Einrichtung zur Windumlenkung und einer in die Windumlenkung integrierten Einrichtung zur Abnahme der Windenergie, wobei die integrierte Einrichtung erfindungsgemäß angeordnete Strömungsprofile verschiedener Bauart sowohl vereinzelt als auch als Kombinationsprofile verwenden kann.

2. Konzentrisch aufgebauter Wind-Energie-Konverter nach Anspruch 1, bei dem die die Windkraft abnehmenden Strömungsprofile in der Mitte (zentrisch) oder am Umfang der Anlage gelagert werden können (Fig. 1 und 2).

3. Konzentrisch aufgebauter Wind-Energie-Konverter nach Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Strömungsprofile Profile nach dem Widerstands- oder dem Auftriebsprinzip verwendet werden können.

4. Konzentrisch aufgebauter Wind-Energie-Konverter nach Ansprüche 1 bis 3, bei dem statt einer Axial-Lagerung (Fig. 1) eine Kreisführung für die Strömungsprofile vorgesehen wird, die sich auf dem Frontleiter 2 (Fig. 2) befinden kann.

5. Konzentrisch aufgebauter Wind-Energie-Konverter nach Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Drehmomentabnahme durch einen Generator entweder eine form- oder kraftschlüssige Kopplung zwischen dem Flügelhalter 5 (Fig. 1) und der Generatorwelle im Zentrum oder am äußeren Umfang der Anlage vorgenommen wird.

6. Konzentrisch aufgebauter Wind-Energie-Konverter nach Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere baugleiche Windenergiekonverter horizontal übereinander angeordnet werden.

7. Konzentrisch aufgebauter Wind-Energie-Konverter nach Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an den Flügelprofilen (nach Auftriebs- oder Widerstandsprinzip) zusätzlich Darrieus-Flügel 1b (bzw. H-Darrieus-Flügel) drehbar angeordnet sind (Fig. 3) die auch als Kombinationsprofil gestaltet sein können wobei die Kombination 1a von Flügeln mit Auftriebs- oder Widerstandsprofil und Darrieus- Flügeln auch fest verbunden ausgeführt werden kann (Fig. 3a). Eine Ausführung der Kombination 1a Auftriebs-Flügelprofilen und Darrieus-Flügeln wird in Fig. 3b gezeigt.

8. Konzentrisch aufgebauter Wind-Energie-Konverter nach Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an den für die Erzeugung des vertikalen Abstandes zwischen den einzelnen Konvertern erforderlichen Abstandhaltern Darrieus-Flügel oder H-Darrieus- Flügel angeordnet sind (Fig. 4).

9. Konzentrisch aufgebauter Wind-Energie-Konverter nach Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertikal-Seitenleiter 4 nach Fig. 1 und 2 in ihrer Ausrichtung geändert werden und damit zur Drehzahlregulierung genutzt werden können (Fig. 7).

10. Konzentrisch aufgebauter Wind-Energie-Konverter nach Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der in Fig. 2 dargestellte Horizontalleiter 3 nach Fig. 8 flexibel einstellbar gestaltet wird und damit zur Regulierung des Luftdurchsatzes respektive der Drehzahl der Anlage verwendet werden kann.

11. Konzentrisch aufgebauter Wind-Energie-Konverter nach Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage auf einer schwimmfähigen Plattform aufgebaut ist.