DE2829717A1

DE2829717A1 - Windkraftmaschine

Info

Publication number: DE2829717A1
Application number: DE19782829717
Authority: DE
Inventors: Yoshio Prof Kato; Kazuichi Seki; Yoshio Shimizu
Original assignee: Gakko Hojin Tokai University
Current assignee: Gakko Hojin Tokai University
Priority date: 1977-07-07
Filing date: 1978-07-06
Publication date: 1979-02-22
Also published as: CA1128865A; US4247252A; JPS5417441A; JPS5642752B2

Description

Gakko Ho j in Tokai University, Tokio, Japan

Windkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Windkraftmaschine mit vertikaler Achse, deren Flügel eine geeignete Tragflächenform haben, die an entsprechenden Tragarmen befestigt sind, welche in Radialrichtung zu einer vertikalen Drehachse angeordnet sind, wobei die Spannweitenrichtung parallel zur Achse gehalten wird.

Es sind bereits verschiedene Windkraftmaschinen bekannt, welche die Windenergie in eine Drehbewegung umwandeln. Bei einer Propeller-Windkraftmaschine (Windkraftmaschine mit horizontaler Achse) ist es erforderlich, άαΒ die den Propeller drehende Scheibe jeweils korrekt zur Windrichtung ausgerichtet ist, wogegen die Windkraftmaschine mit vertikaler Achse richtungsunabhängig ist und durch die Windrichtung nicht beeinflußt wird, so daß sie in Bezug auf die Konstruktion und die Arbeitsweise besonders vorteilhaft ist. Bei Windkraftmaschinen mit vertikaler Achse, die für hohe Geschwindigkeiten ausgelegt sind, werden Flügel mit wirksamer Tragflächenforra verwendet.

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Bei einer Windkraftmaschine mit vertikaler Achse für hohe Geschwindigkeiten ist der Wirkungsgrad groß, jedoch das Anfangsoder Startdrehmoment ist niedrig. Im allgemeinen ist bei Windkraftmaschinen zum Zeitpunkt zu hoher Windgeschwindigkeit, beispielsweise während eines Taifuns, es erforderlich, die Drehgeschwindigkeit zu steuern. Daher ist es in der Praxis für Windkraftmaschinen mit vertikaler Achse erforderlich, eine Einrichtung zu entwickeln, w'elche eine Steuerung der-Drehgeschwindigkeit der Windkraftmaschine ermöglicht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftmaschine mit vertikaler Achse zu schaffen, bei der während des Startzeitpunktes ein Start- oder Anfangsdrehmoment erhalten wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung schafft eine Windkraftmaschine mit vertikaler Achse, bei welcher bei einer Normaldrehung die Reduzierung des Wirkungsgrads der Windkraftmaschine auf Grund einer Steuereinrichtung auf einem Minimum gehalten wird. Bei der Windkraftmaschine mit vertikaler Achse kann vorzugsweise das Starten und Bremsen automatisch ohne Verwendung einer zusätzlichen Energiequelle gesteuert werden.

Windkraftmaschinen werden allgemein in Windkraftmaschinen mit vertikaler Achse und Propeller-Windkraftmaschinen (mit horizontaler Achse) unterteilt. Die Erfindung bezieht sich auf eine Windkraftmaschine mit vertikaler Achse und hoher Geschwindigkeit, die ein Start- und Bremssteuersystem aufweist. Die Windkraftmaschine weist Flügel mit geeigneter Tragflächeηform auf, die an entsprechenden

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Tragarmen befestigt sind, welche radial zu einer vertikalen Drehachse angeordnet sind; die Flügel-Spannweitenrichtung wird dabei parallel zu der Achse gehalten. Außerdem ist ein Windrad zur Steuerung bei niedriger Geschwindigkeit vorgesehen, bei dem sich die Radiallage jedes Arbeitselements mit der Zentrifugalkraft ändert, die durch die Drehung der vertikalen Drehachse hervorgerufen wird.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Windkraftmaschine zur· Erläuterung weiterer Merkmale anhand der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines Flügels, der bei einer Ausführungsform der Windkraftmaschine verwendet werden kann und an der Windkraftmaschine mit vertikaler Achse befestigt ist,

Fig. 2 eine Ansicht einer Ausführungsform der Tragfläche eines Flügels für die Windkraftmaschine,

Fig. 3 eine Ansicht einer Windkraftmaschine,

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Windkraftmaschine nach Fig. 3,

Fig. 5 eine Ansicht eines wesentlichen Teils, weiches eine erste Ausführungsform eines Windrades für niedrige Geschwindigkeit zur Steuerung der Drehgeschwindigkeit der Windkraftmaschine darstellt, und

Fig. 6 bis 10 weitere Ausführungsformen eines Windrades für niedrige Geschwindigkeit zur Steuerung der Drehgeschwindigkeit der Windkraftmaschine, wobei Fig. 6 eine Ansicht des wesentlichen Teils während des Startens, Fig. 7 eine Ansicht während der Normaldrehung, Fig.

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eine Ansicht zum Zeitpunkt einer zu hohen Drehgeschwindigkeit, Fig. 9 eine Draufsicht eines Flanschteils und Fig. 10 eine Draufsicht auf einen Gleitring wiedergeben.

Fig. 1 und 2 zeigen einen Flügel für Windkraftmaschinen, der bei einer Ausführungsform der Windkraftmaschine mit vertikaler Achse für hohe Geschwindigkeiten verwendet werden kann.

Der Flügel 1 ist nach Fig. 1 an den Enden von Tragarmen 3 angeordnet, welche oberhalb und unterhalb einer vertikalen Drehachse 2 angebracht sind und sich von der Drehachse 2 in Radialrichtung weg erstrecken. Mit 4 ist in Fig. 1 ein Pfeil dargestellt, der die Bewegungsrichtung des Flügels veranschaulicht, während Pfeile 5 und 6 die positive Richtung auf der Koordinate X bzw. die positive Richtung auf der Koordinate Y darstellen. Die in Fig. 2 gezeigte Tragfläche des Flügels 1 weist eine Vorderkante 7 und eine Hinterkante 8 sowie eine Sehne 9 auf. Mit 10 ist ein Krümmungsoder Wölbungsumkehrpunkt und mit 11 eine Wölbungsumkehrstelle bezeichnet, die gleich dem Koordinatenwert X des Wölbungsumkehrpunktes 10 ist. Die Tragfiächenform des Flügels 1 ergibt sich infolge einer Wölbung mit einer nach unten konvexen Krümmung zwischen der Vorderkante 7 der Tragflächenform und der Wölbungsumkehrstelle Π sowie infolge einer Wölbung mit einer nach oben konvexen Biegung zwischen der Wölbungsumkehrstelle 11 und der Hinterkante 8 der Tragfläche, wodurch eine Mittellinie 12 geschaffen und eine rationale bzw. vernünftige Dickenverteilung zu dieser Mittellinie 12 geschaffen wird.

Durch die Form der beschriebenen Tragfläche liefert der verwendete Flügel 3 Charakteristiken, die für einen Flügel einer Windkraftmaschine mit vertikaler Achse erforderlich sind, nämlich daß der

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Kippmomentkoeffizient einen großen negativen Wert hat, daß der minimale Luftwiderstandsbeiwert klein ist und daß die Differenz zwischen dem Null-Auftriebswinkel und dem Winkel bei minimalem Luftwiderstandsbeiwert klein ist.

Die Fig. 3 und 4 zeigen eine Windkraftmaschine rait vertikaler Achse, welche die Merkmale der Erfindung aufweist. Diese Windkraftmaschine, die mit 13 bezeichnet ist, ergibt sich dadurch, daß die beschriebenen Flügel 1 an ihren oberen und unteren Teilen zur mittleren Flügelbreitenposition bzw. Spannweitenposition an den Enden der betreffenden Tragarme 3 angebracht und befestigt sind, wobei die Tragarme 3 derart vorgesehen sind, daß sie sich in gleichmäßigen Abständen radial von oberen und unteren Flanschen weg erstrecken, die an der vertikalen Drehachse 2 befestigt sind.

Ein Steuerwindrad 14 für niedrige Geschwindigkeit besteht aus Windbechern 18, welche die Arbeitselemente darstellen und an entsprechenden Lagerarmen 17 befestigt sind, die jeweils um einen Drehpunkt 16 als Mitte drehfähig sind und so angeordnet sind, daß sie sich zur Außenperipherie unter Einhaltung regelmäßiger Abstände weg erstrecken, wobei die Lagerarme 17 jeweils an einem Flansch 15 befestigt sind, der an der Drehachse 2 befestigt ist. Dieses Steuerwindrad 14 weist einen ein Gewicht lagernden Arm 20 auf, der am unteren Ende an einem Gelenkpunkt jedes Lagerarms 17 und dem Flansch 15 angelenkt ist; ein Stab 23 ist drehfähig zwischen dem mittleren Teil des Lagerarms 20 und einem Gleitring 22 gelagert, wobei der Gleitring 22 in Vertikalrichtung auf der Drehachse 2 bewegbar ist und durch eine Feder 21 nach oben vorgespannt wird.

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Mit 24 ist ein Befestigungsteil für den Flansch 15 des Lagerarras 17 bezeichnet, während 25 ein Teil des Gleitrings 22 zur Lagerung des Stabes 23 ist.

Bei dem beschriebenen Steuerwindrad 14 für niedrige Geschwindigkeit wird beim Anlaufen der Windmaschine 13 der Gleitring durch die Druckkraft der Feder 21 nach oben vorgespannt und gedruckt und wird die Gewichte 19 sowie den Lagerarm 20 durch die betreffende Stange 23 in Richtung auf die Drehwelle 2 ziehen, wodurch die Windbecher 18 in Richtung des maximalen Radius gemäß Fig. 5 positioniert werden, damit ein .Start- oder Anfangsdrehmoment erreicht wird.

Wenn das Windrad 13 eine normale Drehgeschwindigkeit erreicht, werden die Gewichte 19 durch die Zentrifugalkraft nach außen gegen die Vorspannungs- oder Druckkraft der Feder 21 bewegt und die Windbecher 18 werden in Positionen mit minimalem Radius gedruckt, so daß nachteilige Effekte auf die Windkraftmaschine verhindert werden.

Die Fig. 6 bis 10 zeigen weitere Ausführungsformen des Windrads 14 zur Steuerung bei niedriger Drehgeschwindigkeit. Bei dem Windrad nach Fig. 6 ff. ist ein Gelenkmechanismus 26 derart vorgesehen, daß sich jeder Windbecher 18 um etwa 90 drehen kann, wenn sich das Gewicht 19 um etwa 45 dreht und daß sich jeder Windbecher 18 um etwa 180° dreht, wenn sich das Gewicht 19 um 90 dreht, so daß das Drehmoment, weld übertragen wird, halbiert werden kann.

90 dreht, so daß das Drehmoment, welches von dem Windbecher

Im Falle einer zu hohen Drehgeschwindigkeit der Windkraftmaschine 13 nehmen somit die Windbecher 18 auf Grund der

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Bewegung der Gewichte 19 infolge der Zentrifugalkraft die Positionen mit maximalem Radius in der entgegengesetzten Richtung ein, so daß eine aerodynamische Widerstandskraft, d.h. ein Bremsmoment erhalten wird.

Bei der dargestellten AusfUhrungsform wird bevorzugt, daß das Verhältnis zwischen der Position jedes Flügels 1 der Windkraftmaschine und der Position jedes Windbechers 18 des Steuerwindrades derart gewählt ist, daß das Anfangsdrehmoment des Steuerwindrades 14 in der Position ein Maximum ist, in welcher das Anfangsdrehmoment der Windkraftmaschine 13 ein Minimum darstellt. Vorzugsweise hat das Gewicht solche Form, daß es einen kleinen Luftwiderstandsbeiwert liefert, beispielsweise die Form eines Wassertropfens.

Bei der Windkraftmaschine mit vertikaler Achse ist die Zahl der Flügel, die parallel zur vertikalen Drehachse angeordnet sind, nicht auf drei begrenzt, wie dies in der dargestellten Ausführungsform der Fall ist, sondern es kann jede günstige Zahl an Flügeln abhängig von den lokalen und meteorologischen Bedingungen vorgesehen werden, unter welchen die Windkraftmaschine benützt werden soll. Das gleiche trifft auch auf die Zahl der Windbecher des Steuerwindrades für die niedrige Geschwindigkeit oder Drehzahl zu.

Bei Windkraftmaschinen mit vertikaler Achse können die Positionen und Zahl der Lagerarme zur Halterung der Flügel an der Drehachse oder DrehweJ]e im Gegensatz zu den in den Zeichnungen gezeigten Positionen und Anzahl verändert werden.

Die Art und der Aufbau des Hechanismus zur Bewegung der Arbeitselemente durch die Zentrifugalkraft, die in Bezug auf das be-

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schriebene Windrad zur Steuerung bei niedriger Geschwindigkeit angegeben sind, können ebenfalle abgewandelt werden.

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Claims

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6 Frqnkiuxi a. M. 1
Paiksiiaße 13

Gakko Ho jin Tokai University, Tokio, Japan

Patentansprüche

Iy Windkraftmaschine mit vertikaler Achse, deren Flügel eine geeignete Flächenform haben, die an entsprechenden Tragarmen befestigt sind, welche in Radialrichtung zu einer vertikalen Drehachse angeordnet sind, wobei die Spannweitenrichtung der Flügel parallel zur Achse gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Windrad (14-) zur Ausführung einer Steuerung bei niedriger Geschwindigkeit vorgesehen ist, welches Arbeitselemente (18) aufweist, deren radiale Stellung sich abhängig von der Zentrifugalkraft ändert, die durch die Drehung der vertikalen Drehachse (2) erzeugt wird.
2. Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Arbeitselement (18) des Steuer-V/indrades (14) eine maximale Radiusposition beim Startvorgang annimmt und bei Erreichen einer normalen Betriebsgeschwindigkeit eine Position mit minimalem Radius annimmt.
3. Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Arbeitselement (18) des Windrads (14) während des

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Startvorgangs eine Position mit maximalem Radius animmt und bei normaler Betriebsgeschwindigkeit eine Position mit minimalem
Radius erreicht, daß sich jedes Arbeitselement (18) in eine
Position mit maximalem Radius und in entgegengesetzter Richtung zu der Position mit maximalem Radius während des Startvorganges bei Erreichen einer zu hohen Drehzahl bewegt, so daß eine sich
erhöhende aerodynamische Viiderstandskraft erzeugt wird, die ein Bremsmoment liefert.

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