DE2829716A1 - Windkraftmaschine mit vertikaler achse - Google Patents

Windkraftmaschine mit vertikaler achse

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DE2829716A1
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Yoshio Kato
Kazuichi Seki
Yoshio Shimizu
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Gakko Hojin Tokai University
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Description

Gakko HoJin Iokai University
Windkraftmaschine mit vertikaler Achse
Die Erfindung betrifft eine Windkraftmaschine mit vertikaler Achse.
Es sind verschiedene Windkraftmaschinen bekannt, welche die Windenergie in eine Drehbewegung umsetzen. Die Windkraftmaschinen werden in Windkraftmaschinen mit vertikaler Achse und Propeller-Windkraftmaschinen (mit horizontaler Achse) gegliedert. Bei der Propeller-Windkraftmaschine (Windkraftmaschine mit horizontaler Achse) ist es erforderlich, daß die den Propeller drehende Scheibe korrekt zur Windrichtung ausgerichtet ist, wogegen eine Windkraftmaschine mit vertikaler Achse richtungsunabhängig ist und nicht durch die Windrichtung beeinflußt wird, so daß eine Windkraftmaschine mit vertikaler Achse im Hinblick
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auf den Aufbau und die Arbeitsweise vorteilhafter ist. Es wurden bereits Windkraftmaschinen mit vertikaler Achse für hohe Geschwindigkeiten vorgeschlagen, die Hügel mit wirksamer Tragflächenform verwenden. Bei einer derartigen Windkraftmaschine mit vertikaler Achse für hohe Geschwindigkeit ist der Wirkungsgrad sehr groß, jedoch ist das Anfangs- oder Startdrehmoment gering. Bei Windkraftmaschinen ist es im allgemeinen bei zu hoher Windgeschwindigkeit, beispielsweise während eines Taifuns, erforderlich, die Drehgeschwindigkeit zu steuern. Für die Anwendung einer Windkraftmaschine mit vertikaler Achse ist es daher erforderlich, eine Steuerung für deren Drehgeschwindigkeit vorzusehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftmaschine mit vertikaler Achse zu schaffen, bei der zum Zeitpunkt des Startens ein St art drehmoment erhalten wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung schafft eine Windkraftmaschine mit vertikaler Achse, bei der zum Zeitpunkt einer zu hohen Windgeschwindigkeit, beispielsweise während eines Taifuns, ein Bremsmoment erzeugt wird. Bei der Windkraftmaschine mit vertikaler Achse wird eine aerodynamische Steuerung ausgeführt, und zwar nur während des StartVorganges und während einer zu hohen Drehzahl, wobei jedoch der Wirkungsgrad bei der Drehung der Windkraftmaschine während des ITormalbetriebs durch diese Steuerung nicht reduziert wird.
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Bei der Windkraf tmaschine mit vertikaler Achse wird die Windkraftmaschine durch die aerodynamische Steuerung so gesteuert, daß sie bei einer bevorzugten Drehgeschwindigkeit arbeitet, so daß die Windkraftmas chine auf den Wind-Energiewert und auf die Anforderung, die von einer Ausgangseinrichtung, beispielsweise einem Generator, einem Wassererhitzer oder einem Luft-Kompressor gestellt wird, abgestimmt ist.
Die Erfindung schafft eine Windkraftmaschine mit vertikaler Achse für. hohe Geschwindigkeiten, die Steuersysteme für die Drehgeschwindigkeit aufweist. Die Windkraftmaschine mit vertikaler Achse weist !flügel mit geeigneter Tragflächenform auf, die an entsprechenden Tragarmen befestigt sind, welche sich radial von einer vertikalen, drehenden Achse weg erstrecken, wobei die JTügelspannweitenrichtung parallel zur Achse liegt und die Flügel aerodynamische Steuerelemente aufweisen, die manuell oder automatisch betrieben werden, um die Drehgeschwindigkeit der Windkraftmaschine zu steuern. Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Windkraftmaschinen und insbesondere auf eine Windkraftmaschine mit vertikaler Achse für hohe Geschwindigkeit, bei der die aerodynamische Steuerung der Drehgeschwindigkeit während des gesamten Betriebs, d.h. während des Startens, während des Mbrmalbetriebs und während des Bremsens möglich ist.
Im folgenden werden bevorziigte Ausführungsformen der Windkraftmaschine mit vertikaler Achse zur Erläuterung weiterer Merkmale anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
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Ig. 1 eine Drauf sieht auf einen Flügel, der "bei einer Ausführungsform der Windkraftmaschine verwendet wird und an der Windkraftmaschine mit vertikaler Achse "befestigt ist,
Fig. 2 eine Ansicht zur Erläuterung einer Ausführungsform der Tragflächenform eines bei der Windkraftmaschine verwendeten Flügels,
Fig. 3 eine Seitenansicht einer Windkraftmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform,
Fig. 4 eine Draufsicht auf die Windkraftmaschine nach Fig. 3,
Fig. 5 eine Seitenansicht einer Windkraftmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 6 eine Draufsicht auf die Windkraftmaschine nach Fig. 5,
Fig. 7 eine Seitenansicht einer Windkraftmaschine gemäß einer dritten Ausführungsform,
Fig. 8 eine Draufsicht auf die Windkraftmaschine nach Fig. 7, und
Fig. 9 "bis 13 aerodynamische Steuerelemente für die Windkraftmaschine, wobei die Figuren 9a bis 13a die Steuerelemente in ihrer Normalposition und die Fig. 9b bis 13b die Steuerelemente in ihrer Arbeitsstellung zeigen.
Die Figuren 1 und 2 zeigen einen Flügel für Windkraft-
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maschinen, der sich, insbesondere zur Verwendung "bei einer erfindungsgemäßen Findkraftmaschine mit vertikaler Achse für hohe Geschwindigkeit eignet.
Der Flügel 1 ist nach Fig. 1 an den Enden von Tragarmen angebracht und befestigt, die oben und unten an einer vertikalen Drehachse 2 befestigt sind und sich radial von der Drehachse weg erstecken. In Fig. 1 ist mit 4· ein Pfeil bezeichnet, der die Bewegungsrichtung jedes Flügels anzeigt, während Pfeile 5 und 6 die positive Sichtung einer Koordinate Z bzw. einer Koordinate T angeben. Bei der Darstellung der Tragflächenform des Flügels 1 gemäß Fig. 2 ist mit 7 die Torderkante und mit 8 die Hinterkante des Tragflügels bezeichnet, irährend mit 9 eine Sehne des Tragflügels und mit Ί0 ein Krümmungs-Wendepunkt oder Krümmungs-irmkehrpunkt und mit 11 eine Krüirmungs-Ümkehrstelle auf der Koordinate X des Krümmungs-Umkehrpunktes 10 angegeben ist (die Krümmungs-Umkehrstelle ist eine Projektion des TJmkehrpunktes 10 auf die Koordinate X). Der Tragflügel 1 weist eine nach unten konvexe Krümmung zwischen der Vorderkante 7 des Tragflügels und der Umkehrstelle 11 und eine nach oben' konvexe Krümmung zwischen dem Umkehrpunkt 11 und der Hinterkante 8 des Tragflügels auf, so daß sich eine Mittellinie 12 ergibt und eine angemessene entsprechende Dickenverteilung um diese Mittellinie 12.
Durch die Form des beschriebenen Tragflügels hat der bei der Erfindung verwendete Flügel drei Eigenschaften, die für einen Flügel für eine Windkraftmaschine mit vertikaler Achse erforderlich sind. Die eine Eigenschaft ist, daß der Kippmomentkoeffizient (Längsmomentenbeiwert) einen großen negativen Wert haben sollte,'die andere Eigenschaft, daß der minimale Luftwiderstands-
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beiwert klein sein sollte, während die dritte Eigenschaft ist, daß die Differenz zwischen dem KuIl-Auftriebswinkel (lift angle) und dem minimalen Luftwiderstandsbeiwertswinkel (LuftwiderStandskoeffizientenwinkel) klein sein sollte.
Die Figuren 3 uncl 4 zeigen eine Windkraftmaschine mit vertikaler Achse gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Diese Windkraftmaschine 13 weist die beschriebenen Flügel 1 auf-, die an ihren mittleren oberen und unteren Teilen an den Enden der !ragarme angebracht und befestigt sind, wobei die Tragarme 3 unter Einhaltung gleichmäßiger Abstände radial von zwei oberen und unteren Planschen wegstehen, die an der vertikalen Drehachse 2 befestigt sind.
Bei der beschriebenen Ausführungsform ist ein aerodynamisches Steuerelement 14 zur Steuerung der Drehgeschwindigkeit der Windkraftmaschine 13 an jedem Flügel 1 vorgesehen. Dieses Steuerelement 14 ist über die gesamte Länge oder teilweise auf dem Flügel 1 vorgesehen bzw. ausgebildet. Das auf dem Flügel 1 vorgesehene Steuerelement 14 hat solche Form bzw. solchen Aufbau, daß es manuell oder automatisch zyklisch oder zusammen mit allen anderen Steuerelementen durch bekannte Mittel, beispielsweise eine hydraulische oder pneumatische Einrichtung/betätigbar ist.
Fig. 5 und 6 zeigen eine zweite Ausführungsform der Windkraftmaschine mit vertikaler Achse. Bei dieser Ausführungsform ist das aerodynamische Steuerelement 14-über die gesamte Länge oder teilweise auf dem den Flügel 1 lagernden Arm 3 vorgesehen.
Das aerodynamische Steuerelement 14 kann einen Kompromiß der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform darstellen und sowohl am Flügel 1 als auch am Tragarm 3 ausgebildet sein.
Die Pig. 7 und 8 zeigen eine windkraftmaschine mit vertikaler Achse, die eine dritte Ausführungsform der Erfindung darstellt. Im Gegensatz zur ersten und zweiten Ausführungsform ist das aerodynamische Steuerelement nicht auf dem Flügel 1 oder dem Tragarm 3 des Flügels selbst, sondern auf einem Steuerflügel 14a ausgebildet, welcher das Steuerelement trägt und als unabhängige aerodynamische Fläche ausgebildet ist. Jeder Steuerflügel 14a ist parallel zur Vertikalrichtung zwischen den oberen und unteren Flügel-Tragarmen 3 befestigt.
Bei der beschriebenen Ausführungsform, kann der erwähnte Steuerflügel 14a auf einem nicht gezeigten Tragarm für einen Steuerflügel angeordnet sein, welcher unabhängig zur vertikalen Drehachse .2 vorgesehen ist. In diesem Fall wird bevorzugt, den Steuerflügel 14a in einer ¥inkelstellung zu plazieren, in welcher das Start- oder Anfangsdrehmoment des Steuerflügels 14a ein Maximum darstellt, wenn das Startmoment der Windkraftmaschine für hohe Geschwindigkeit ein Minimum ist.
Im folgenden·werden verschiedene Ausführungsformen des aerodynamischen Steuerelementes 14, die bei der erfindungsgemäßen windkraftmaschine als Steuereinrichtungen verwendet werden und auf den Flügeln, Flügel-Tragarmen und Steuerflüget. 14a angeordnet sind, unter Bezugnahme auf die Figuren 9 bis 13 beschrieben.
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Pig. 9 zeigt eine Klappe I, bei welcher der rückwärtige Abschnitt des Tragflügels als Steuerteil ausgebildet ist, welches als einfache Flügelklappe bezeichnet wird und sich ungehindert in der Weise ■verschwenken kann, wie dies in Fig. 9 gezeigt ist. Fig. 10 zeigt eine Klappe II, bei welcher der rückwärtige Abschnitt des Tragflügels ein Steuerteil trägt, welches als Spalthilfsflügel (Spaltklappe) bezeichnet wird und sich ohne weiteres gegenüber der Tragflügelkontur öffnen und schließen kann, d.h. sich aus der Tragflügel-Kontur heraus bewegen und zurück bewegen kann. Fig. 11 zeigt einen Spoiler I, der Steuerelemente 15 auf den oberen und unteren Flächen des Tragflügels trägt, so daß sich die Steuerteile aus der Kontur des Tragflügels öffnen und schließen können, wobei der Tragflügel Ausnehmungen zur Aufnahme der Steuerteile im geschlossenen bzw. eingeklappten Zustand enthält. Fig. 12 zeigt einen Spoiler II, bei dem die Steuerteile 15 im Gegensatz zum Spoiler I verschiebbar sind. Fig. 13 zeigt einen Spoiler III, bei dem der rückwärtige Abschnitt des Tragflügels zur Bildung von zwei Steuerteilen 15 verwendet wird, die sich nach den beiden Seiten öffnen können. Das Steuerelement 14· oder der Steuerflügel 14-a, der mit dem Steuerelement versehen ist, ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt.
Das Steuerelement 14 kann auch so ausgebildet sein, daß es in einem solchen System vorliegt, bei dem das Anfangs- oder Startdrehmoment und das Bremsdrehmoment dadurch erzielt werden, daß die sich durch die Befestigung des Flügels 1 und des Steuerflügels 14a ergebenden Winkel verändert werden, ohne daß ein Steuerteil 15 vorgesehen wird, wie es vorstehend beschrieben ist.
S0988W0Ö9A
Bei der erfindungsgemäßen Windkraftmaschine v/ird das Steuerelement 14-, welches auf dem Flügel 1 oder dem Tragarm 3 ausgebildet ist, oder der Steuerflügel 14a, der mit dem Steuerelement versehen ist, manuell oder automatisch durch eine bekannte Antriebseinrichtung, beispielsweise eine hydraulische oder pneumatische Einrichtung, während der Startzeit bzw. bei zu hoher windgeschwindigkeit (beispielsweise während eines Taifuns) betätigt, um ein Startdrehmoment zu erreichen "bzw. um ein Bremsdrehmoment zur Steuerung der Drehgeschwindigkeit der Windkraftmaschine zu erhalten.
In der folgenden Tabelle sind die Wirkungen dargestellt, die sich durch die Steuerelemente in den betreffenden Betriebsarten der jeweiligen Ausführungsformen ergeben:
Steuerelemente Klappe I Klappe II Spoiler
I und II		 Spoiler
III
Ausführungsform
erste Ausführungs--
form		 A,B A,B A,B A,B
Zweite Ausfüh
rungsform		 A5B,G A,B A,B,C
dritte Ausfüh
rungsform		 A,B A,B,C A,B A,B,G
In der vorstehend angegebenen Tabelle gibt A den Bremszustand durch eine gesamte Steuerung, B das Startdrehmoment durch eine zyklische Steuerung und G das Startdrehmoment durch eine gesamte Steuerung (der Steuerelemente) an. Die zyklische Steuerung dient dazu, das Steuerelement in eine spezielle Winkelposition gegenüber der Windrichtung zu betätigen, während die gesamte
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oder kollektive Steuerung dazu dient, das Steuerelement unabhängig von der Windrichtung zu betätigen.
Bei der Windkraftmaschine mit vertikaler Achse ist die Zahl der Flügel, die parallel zur vertikalen Drehachse angeordnet sind, nicht auf drei wie bei der dargestellten Ausführungsform begrenzt,sondern es kann jede geeignete Zahl von Flügeln abhängig von den lokalen und meteorologischen Konditionen vorgesehen und befestigt werden, unter welchen die Windkraftmaschine benützt werden soll. Gleiches trifft auch auf die Positionen und die Zahl der Steuerelemente sowie auf die Zahl der Steuerflügel zu, die verwendet werden können.
Bei der erfindungsgemäßen Windkraftmaschine mit vertikaler Achse sind die Positionen und die Zahl der Lagerarme zur Halterung der Flügel an der Drehachse nicht auf die gezeigten Möglichkeiten begrenzt.

Claims (5)

  1. Pcdeniaawälie 2 Q 2 9 / 1 Q
    Dr.-iDö. Wilhelm Reichel 9138
    i»i)]-Iiio. Wolfgang Beichel
    6 Frankfurt a. M. 1
    Poiksiroße 13
    Gakko Ho j in Tokai university
    Patentansprüche .
    Windkraftmaschine mit vertikaler Achse,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    Flügel (1) mit geeigneten Tragflächen an zugeordneten
    Tragarmen (3) befestigt sind, welche sich von einer radialen Drehachse (2) nach außen erstrecken, daß die Flügel-Spannbreitenrichtung parallel zur Achse liegt und daß aerodynamische Steuerelemente (I4;i4a) zur Steuerung der Drehgeschwindigkeit im gesamten Betriebsbereich vorgesehen sind.
  2. 2. Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes aerodynamische Steuerelement (14) auf einem zugeordneten Flügel (1) vorgesehen ist.
  3. 3· Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes aerodynamische Steuerelement (14) auf einem Tragarm (3) des Flügels (1) vorgesehen ist.
  4. 4. X/indkraf tmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuerflügel (14a) mit dem aerodynamischen
    Steuerelement (14) auf dem Tragarm (3) des Flügels oder
    auf dem Tragarm für den Steuerflügel angeordnet ist.
  5. 5. Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur aerodynamischen Steuerung der Befestigungswinkel des Flügels (1) oder des Steuerflügels (I4a) veränderbar ist.
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    • ORiQtNAL INSPECT»
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