DE20108925U1

DE20108925U1 - Flow energy plant, in particular wind power plant

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Publication number: DE20108925U1
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Priority date: 2001-05-23
Filing date: 2001-05-23
Publication date: 2002-09-26
Anticipated expiration: 2011-05-24

Description

BeschreibungDescription Strömungsenergieanlage, insbesondere WindkraftanlageFlow energy plant, especially wind turbine

Die Erfindung betrifft eine Strömungsenergieanlage, insbesondere Windkraftanlage, wobei an einem Mast ein um eine vertikale Achse rotierender Rotor mit Rotorblättern angeordnet ist, und die durch die Windströmung erzeugte Rotation des Rotors in elektrische Energie umgewandelt wird.The invention relates to a flow energy plant, in particular a wind turbine, wherein a rotor with rotor blades rotating about a vertical axis is arranged on a mast, and the rotation of the rotor generated by the wind flow is converted into electrical energy.

Bei derartigen Windenergieanlagen ist von Nachteil, dass zur Erzielung großer Leistungen die Anlagen sehr groß dimensioniert werden müssen. Insbesondere werden Anlagen mit mehr Rotordurchmesser benötigt. Nach DE 299 20 899 Ul ist eine Windkraftanlage mit Vertikalrotor und Frontalanströmung bekannt, mit welcher durch eine spezielle Eileitflächenkonstruktion eine Eintrichterung bzw. ein Sog erzielt werden soll, womit höhere Durchströmgeschwindigkeiten erzielbar sind. Nachteilig ist jedoch, dass die Einleitflächen der Windrichtung nicht anpassbar sind.The disadvantage of such wind turbines is that they have to be very large in order to achieve high performance. In particular, turbines with a larger rotor diameter are required. According to DE 299 20 899 Ul, a wind turbine with a vertical rotor and frontal flow is known, with which a special inlet surface design is intended to achieve a funneling or suction, which enables higher flow speeds to be achieved. The disadvantage, however, is that the inlet surfaces cannot be adjusted to the wind direction.

Bei einer derartigen Windenergieanlage ist daher die Strömungsausnutzung der Windkraft nicht optimal.In such a wind turbine, the flow utilization of wind power is therefore not optimal.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Windkraftanlage mit Vertikalrotor zu schaffen, bei welcher die Energie, insbesondere die Bewegungsenergie des strömenden Mediums mit einem hohen Wirkungsgrad in andere Energieformen überführt werden kann.The object of the invention is to create a wind turbine with a vertical rotor in which the energy, in particular the kinetic energy of the flowing medium, can be converted into other forms of energy with a high degree of efficiency.

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Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des ersten Schutzanspruchs gelöst.The problem is solved with the features of the first claim.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Windkraftanlage weist einen an einem Mast angeordneten um eine vertikale Achse rotierenden Rotor mit Rotorblättern auf, wobei eine sich vertikal erstreckende Seite der Rotorblätter radial nach innen und die gegenüberliegende sich vertikal erstreckende Seite der Rotorblätter radial nach außen weist. Erfindungsgemäß ist in definiertem Abstand zu den nach außen weisenden Seiten der Rotorblätter eine, sich vertikal erstreckende, Verschlussklappe um die Achse des Rotors, insbesondere in Abhängigkeit von der Windrichtung, schwenkbar angeordnet.Advantageous embodiments emerge from the subclaims. The wind turbine has a rotor with rotor blades arranged on a mast and rotating about a vertical axis, with a vertically extending side of the rotor blades pointing radially inwards and the opposite vertically extending side of the rotor blades pointing radially outwards. According to the invention, a vertically extending closure flap is arranged at a defined distance from the outward-facing sides of the rotor blades and can pivot about the axis of the rotor, in particular depending on the wind direction.

Dabei ist die entgegen der Drehrichtung des Rotors weisende und sich vertikal erstreckende Kante der Verschlussklappe so ausgerichtet, dass der Wind diese tangential anströmt. Bevorzugt ist die Verschlussklappe radial nach außen so gewölbt, dass sie dem Verlauf eines, die nach außen weisenden Enden der Rotorblätter umspannenden, Hüllkreises angepasst ist. Der Radius der Verschlussklappe wird dabei entsprechend des gewünschten Abstandes von den Rotorblättern gewählt.The edge of the closure flap, which faces against the direction of rotation of the rotor and extends vertically, is aligned so that the wind flows tangentially against it. The closure flap is preferably curved radially outwards so that it is adapted to the course of an enveloping circle spanning the outward-facing ends of the rotor blades. The radius of the closure flap is selected according to the desired distance from the rotor blades.

Die Länge der Verschlussklappe sollte in etwa dem Abstand der nach außen weisenden Kanten zweier Rotorblätter entsprechen.The length of the closure flap should be approximately the same as the distance between the outward-facing edges of two rotor blades.

Zur Gewährleistung der Schwenkbewegung kann die Verschlussklappe z.B. oben und unten in einem Lagerring geführt und die Schwenkbewegung über die einen Stellmotor und einen Stellkranz erfolgen. Die Schwenkbewegung der Verschlussklappe kann dabei z.B.To ensure the pivoting movement, the closure flap can be guided in a bearing ring at the top and bottom, for example, and the pivoting movement can be carried out via an actuator and an adjusting ring. The pivoting movement of the closure flap can, for example,

in Abhängigkeit von einer, durch den Wind drehbaren, Windfahne gesteuert werden. Die Hohe der Verschlussklappe sollte in etwa der Höhe der Rotorblätter entsprechen. Durch die Anordnung der Verschlussklappe in relativ geringem Abstand von den Rotorblättern, wobei die Verschlussklappe tangential angeströmt wird, ist eine überraschend starke Sogwirkung zu verzeichnen, die eine große Steigerung der Durchströmgeschwindigkeit und damit der Drehzahl des Rotors zur Folge hat. Dadurch kann die Leistung der Windkraftanlage um ca. 25% gesteigert werden. Weiterhin kann eine zusätzliche Erhöhung der Durchströmgeschwindigkeit dadurch erzielt werden, dass sich der Abstand der Verschlussklappe in Richtung des anströmenden Windes trichterförmig vergrößert. Als vorteilhaft hat sich auch erwiesen, dass die entgegen der Windrichtung angeordnete vertikale Kante der Verschlussklappe etwas nach außen gebogen ist.depending on a wind vane that can be rotated by the wind. The height of the closure flap should be approximately the same as the height of the rotor blades. By arranging the closure flap at a relatively short distance from the rotor blades, with the air flowing tangentially onto the closure flap, a surprisingly strong suction effect is achieved, which results in a large increase in the flow rate and thus the speed of the rotor. This can increase the output of the wind turbine by around 25%. Furthermore, an additional increase in the flow rate can be achieved by increasing the distance of the closure flap in a funnel shape in the direction of the oncoming wind. It has also proven advantageous if the vertical edge of the closure flap, which is arranged against the wind direction, is bent slightly outwards.

Die Rotorblätter sind in der Art einer dünnen vertikal ausgerichteten Platte ausgebildet und erstrecken sich in einer gewölbten Form von außen nach innen, wobei eine innere freie Längskante der Rotorflächen beabstandet zur Achse angeordnet ist und sich die Dicke der Rotorblätter von der inneren Längskante in Richtung zu ihrer äußeren Längskante erhöht. Die Wölbung der Rotorblätter nimmt dabei in Richtung zur inneren Längskante ab. Der Abstand der inneren Längskante von der Achse des Rotors beträgt in etwa die Hälfte des Durchmessers des Hüllkreises.The rotor blades are designed in the form of a thin vertically aligned plate and extend in a curved shape from the outside to the inside, with an inner free longitudinal edge of the rotor surfaces being arranged at a distance from the axis and the thickness of the rotor blades increasing from the inner longitudinal edge towards their outer longitudinal edge. The curvature of the rotor blades decreases towards the inner longitudinal edge. The distance of the inner longitudinal edge from the axis of the rotor is approximately half the diameter of the enveloping circle.

Dadurch sind die Rotorblätter mit ihren inneren vertikalen Längskanten weiter nach außen gezogen, wodurch ebenfalls die Sogwirkung verstärkt wird.As a result, the rotor blades are pulled further outwards with their inner vertical longitudinal edges, which also increases the suction effect.

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ie Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below using an embodiment and associated drawings. They show:

Fig. 1: schematische Darstellung der Windkraftanlage inFig. 1: schematic representation of the wind turbine in

Seitenansicht,side view,

Fig. 2: Windkraftanlage in der schematisierten Draufsicht,
Fig. 3: Seitenansicht eines Rotors,
Fig. 4: Draufsicht auf den Rotor gem. Fig. 3,
Fig. 5: Darstellung eines Rotorblattes in der Draufsicht,
Fig. 6: schematische Draufsicht auf den Rotor nach Fig. 4 mit einer davon gleichmäßig beabstandeten dieFig. 2: Wind turbine in the schematic top view,
Fig. 3: Side view of a rotor,
Fig. 4: Top view of the rotor as per Fig. 3,
Fig. 5: Representation of a rotor blade in plan view,
Fig. 6: schematic plan view of the rotor according to Fig. 4 with a uniformly spaced

Verschlussklappe,
Fig. 7: Draufsicht auf den Rotor und die Verschlussklappe mitClosing flap,
Fig. 7: Top view of the rotor and the closure flap with

einem sich trichterförmig vergrößernden Abstand dera funnel-shaped increasing distance between the

VerschlussklappeClosing flap

Die Windkraftanlage besteht gem. Fig. 1 im wesentlichen aus einem Mast 1, an welchem der Rotor 2 drehbar gelagert ist. Der Rotor 2 weist zwei sich gegenüberliegende, kreisscheibenförmige und axial fluchtende Rotorscheiben 3 auf, welche mit einer zentralen, axialen, länglich zylindrischen Achse A miteinander verbunden sind. An den Rotorscheiben 3 sind drei Rotorblätter 4 angeordnet. Die Rotorblätter 4 sind streifenförmig, gewölbt ausgebildet und erstrecken sich vom Umfang der Rotorscheiben 3 in einer gewölbten oder gebogenen Linie radial nach innen, wobei eine innere freie Längskante 5 der Rotorblätter 4 beabstandet zur Achse A angeordnet ist. Eine äußere Längskante 6 der Rotorblätter 4 schließt mit dem Umfang der Rotorscheiben 3 ab. Durch die gewölbte Ausbildung derAccording to Fig. 1, the wind turbine consists essentially of a mast 1 on which the rotor 2 is rotatably mounted. The rotor 2 has two opposing, circular disk-shaped and axially aligned rotor disks 3, which are connected to one another by a central, axial, elongated cylindrical axis A. Three rotor blades 4 are arranged on the rotor disks 3. The rotor blades 4 are strip-shaped, curved and extend radially inwards from the circumference of the rotor disks 3 in a curved or bent line, with an inner free longitudinal edge 5 of the rotor blades 4 being arranged at a distance from the axis A. An outer longitudinal edge 6 of the rotor blades 4 ends with the circumference of the rotor disks 3. Due to the curved design of the

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Rotorblätter 4 wird zwischen den Längskanten 5, 6 eine konkave Fläche 7.1 und eine konvexe Fläche 7.2 ausgebildet. Die inneren Längskanten 5 der Rotorblätter 4 weisen zur konkaven Fläche 7.1 des nächsten Rotorblattes 4. Gem. Fig. 2 ist in definierten gleichbleibenden Abstand zu dem äußeren Hüllkreis H der Rotorblätter 4, der in diesem Fall dem Außendurchmesser der Rotorscheiben 3 entspricht, eine Verschlussklappe 8 angeordnet. Die Verschlussklappe 8 ist um die Achse A schwenkbar und kann so ausgerichtet werden, dass deren entgegen der Drehrichtung des Rotors gerichtete vertikale Kante im wesentlichen tangential zum Windangriff liegt. Die Länge der Verschlussklappe 8 entspricht dabei in etwa dem Abstand der äußeren Längskanten 6 zweier Rotorblätter und deren Höhe etwa der Höhe der Rotorblätter. ·
Rotor blades 4, a concave surface 7.1 and a convex surface 7.2 are formed between the longitudinal edges 5, 6. The inner longitudinal edges 5 of the rotor blades 4 face the concave surface 7.1 of the next rotor blade 4. According to Fig. 2, a closure flap 8 is arranged at a defined, constant distance from the outer envelope circle H of the rotor blades 4, which in this case corresponds to the outer diameter of the rotor disks 3. The closure flap 8 can be pivoted about the axis A and can be aligned so that its vertical edge directed against the direction of rotation of the rotor is essentially tangential to the wind attack. The length of the closure flap 8 corresponds approximately to the distance between the outer longitudinal edges 6 of two rotor blades and its height approximately to the height of the rotor blades.

Weiterhin weist die Windkraftanlage vertikale Einleitflächen 10 und sich daran oben und unten anschließend in Richtung zum Rotor erstreckende horizontale Einleitflächen 11 auf.Furthermore, the wind turbine has vertical inlet surfaces 10 and horizontal inlet surfaces 11 extending above and below in the direction of the rotor.

In Fig. 3 ist ein Rotor 2 in Seitenansicht und in Fig. 3 in Draufsicht dargestellt. Der Rotor 2 weist vier fluchtend übereinander angeordnete Rotorplatten 3 auf. Zwischen der oberen und der unteren Rotorplatte 3 erstrecken sich, die anderen beiden Rotorplatten 3 durchdringend, drei vertikal angeordnete Rotorblätter 4. Die Rotorblätter 4 sind dabei in der Art einer dünnen vertikal ausgerichteten Platte ausgebildet und erstrecken sich in einer gewölbten Form von außen nach innen, wobei eine innere freie Längskante 5 der Rotorblätter 4 beabstandet zur Achse &Aacgr; angeordnet ist und sich die Dicke b der Rotorblätter 4 von derIn Fig. 3 a rotor 2 is shown in side view and in Fig. 3 in plan view. The rotor 2 has four rotor plates 3 arranged in alignment one above the other. Between the upper and lower rotor plates 3 extend three vertically arranged rotor blades 4, penetrating the other two rotor plates 3. The rotor blades 4 are designed in the manner of a thin vertically aligned plate and extend in a curved form from the outside to the inside, wherein an inner free longitudinal edge 5 of the rotor blades 4 is arranged at a distance from the axis �Aacgr; and the thickness b of the rotor blades 4 differs from the

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inneren Längskante 5 in Richtung zu ihrer äußeren Längskante 6 erhöht. Die Wölbung der Rotorblätter 4 nimmt in Richtung zur inneren Längskante 5 ab. Der Abstand a der inneren Längskante 5 von der Achse A des Rotors 2 in etwa die Hälfte des Durchmessers D des Hüllkreises H beträgt. Fig. 5 Zeigt eine Einzeldarstellung eines Rotorblattes 4 in der Draufsicht, aus der nochmals die sich in Richtung zur äußeren Kante erhöhende Dicke ersichtlich wird.inner longitudinal edge 5 in the direction of its outer longitudinal edge 6. The curvature of the rotor blades 4 decreases in the direction of the inner longitudinal edge 5. The distance a of the inner longitudinal edge 5 from the axis A of the rotor 2 is approximately half the diameter D of the enveloping circle H. Fig. 5 shows a single representation of a rotor blade 4 in plan view, from which the increasing thickness in the direction of the outer edge can be seen again.

Fig. 5 zeigt in der Draufsicht eine in gleichmäßigen Abstand zum Rotor 2 angeordnete Verschlussklappe 8. Die Verschlussklappe ist ebenfalls in der Art einer dünnen, nach außen radial gewölbten Platte ausgebildet.Fig. 5 shows a top view of a closure flap 8 arranged at a uniform distance from the rotor 2. The closure flap is also designed in the manner of a thin plate that is curved radially outwards.

Eine weitere Variante der Ausbildung der Verschlussplatte 8 ist in Fig. 6 dargestellt, wobei hier der Abstand zwischen Rotor 2 und Verschlussklappe 8 trichterförmig erweitert ist.A further variant of the design of the closure plate 8 is shown in Fig. 6, where the distance between the rotor 2 and the closure flap 8 is widened in a funnel shape.

Die Schwenkbewegung der Verschlussklappe ist durch verschiedene Möglichkeiten realisierbar, die hier nicht näher dargestellt wurden.The pivoting movement of the closure flap can be realized in various ways, which are not described in detail here.

Mit der Windkraftanlage wird eine Turbine angetrieben, die elektrische Energie erzeugt.The wind turbine drives a turbine that generates electrical energy.

Neben den Einsatz als Windkraftanlage kann die Strömungsenergieanlage auch durch flüssige Medien angetrieben werden, z.B. durch Wasser. Da die Flussrichtung in diesem FallIn addition to being used as a wind turbine, the flow energy system can also be driven by liquid media, e.g. water. Since the flow direction in this case

&tgr;- :&tgr;- :

• · immer gleich sein wird, kann auf eine schwenkbare Anordnung der • · will always be the same, can be arranged in a pivoting manner

Verschlussklappe verzichtet werden.Closing flap can be dispensed with.

Claims

1. Flow energy plant, in particular wind power plant, wherein a rotor ( 2 ) rotating about a vertical axis is rotatably mounted on a mast ( 1 ), and with rotor blades ( 4 ) arranged on a rotor plate ( 3 ), wherein a vertically extending side (5) of the rotor blades ( 4 ) points radially inwards and the opposite vertically extending side (6) of the rotor blades ( 4 ) points radially outwards, characterized in that a vertically extending closure flap ( 8 ) is arranged at a defined distance from the outward-facing sides (6) of the rotor blades ( 4 ).

2. Flow energy plant according to claim 1, characterized in that the closure flap ( 8 ) is pivotable about the axis (A) of the rotor ( 2 ).

3. Flow energy plant according to claim 1 and 2, characterized in that the closure flap ( 8 ) is pivotable depending on the wind direction.

4. Flow energy plant according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the vertically extending side (8.1) of the closure flap ( 8 ) pointing opposite to the direction of rotation of the rotor ( 2 ) is aligned such that the wind flows tangentially towards the inlet forming between the rotor ( 2 ) and the side (8.1) of the closure flap ( 8 ).

5. Flow energy plant according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the closure flap ( 8 ) is curved radially outwards.

6. Flow energy plant according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that the closure flap ( 8 ) is curved such that it is adapted to the course of an enveloping circle (H) spanning the outwardly facing edges ( 6 ) of the rotor blades ( 4 ).

7. Flow energy plant according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that the distance of the closure flap ( 8 ) from the envelope circle (H) increases in a funnel-like manner in the direction of the oncoming wind.

8. Flow energy plant according to one or more of claims 1 to 7, characterized in that the distance of the closure flap ( 8 ) from the envelope circle (H) increases against the direction of the oncoming wind.

9. Flow energy plant according to one or more of claims 1 to 8, characterized in that the length of the closure flap ( 8 ) corresponds approximately to the distance between the outwardly facing edges ( 6 ) of two rotor blades ( 4 ).

10. Flow energy plant according to one or more of claims 1 to 9, characterized in that the height of the closure flap ( 8 ) corresponds to the height of the rotor blades ( 4 ).

11. Flow energy plant according to one or more of claims 1 to 10, characterized in that the closure flap ( 8 ) is guided at the top and bottom in a bearing ring.

12. Flow energy plant according to one or more of claims 1 to 11, characterized in that the closure flap ( 8 ) can be pivoted via a servomotor and a servo ring.

13. Flow energy plant according to one or more of claims 1 to 12, characterized in that the pivoting movement of the closure flap ( 8 ) is controllable as a function of a wind vane which can be rotated by the wind.

14. Flow energy plant according to one or more of claims 1 to 13, characterized in that the pivoting movement of the closure flap takes place via a magnetic control.

15. Flow energy plant according to one or more of claims 1 to 14, characterized in that the rotor blades ( 4 ) are designed in the manner of a thin vertically aligned plate and extend in a curved shape from the outside to the inside, wherein an inner free longitudinal edge ( 5 ) of the rotor surfaces ( 4 ) is arranged at a distance from the axis (A) and the thickness (b) of the rotor blades ( 4 ) increases from the inner longitudinal edge ( 5 ) towards its outer longitudinal edge ( 6 ).

16. Flow energy plant according to claim 15, characterized in that the curvature of the rotor blades ( 4 ) decreases in the direction of the inner longitudinal edge ( 5 ).

17. Flow energy plant according to claim 15 or 16, characterized in that the distance (a) of the inner longitudinal edge ( 5 ) from the axis (A) of the rotor ( 2 ) is approximately half the diameter (D) of the enveloping circle (H).