"Verfahren zur Windenergienutzung, sowie dazugehörige Vorrichtung"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Windenergienut¬ zung, bei dem ein zylindrischer Rotor um seine Längsachse gedreht und damit um ihn eine Zirkulationsströmung erzeugt wird, so daß um die Oberfläche des Rotors herum ein Strö- mungsfeld entsteht, das sich aus dem anströmenden Wind und der Zirkulationsströmung zusammensetzt. Hierzu ist es nach A. FLETTNER bekannt, senkrecht stehende Rotoren auf einem relativ zum Wind beweglichen Objekt vorzusehen und in Ro¬ tation zu versetzen. Dabei entsteht aufgrund des fagnus- Effektes eine Kraft, die quer, also etwa im Winkel von 90° zur Richtung des anströmenden Windes verläuft und das Objekt entsprechend bewegt. Solche Rotoren sind in den Jahren 1924 bis 1926 für den Antrieb von Schiffen ver¬ wendet worden.

Die Erfindung befaßt sich demgegenüber mit einer anderen Nutzung der Windenergie, nämlich mit deren Umsetzung in elektrische Energie mit Hilfe einer durch den Wind an¬ getriebenen Turbine. Hierzu kennt man unterschiedlichste Konstruktionen von Windturbinen oder Anordnungen nach dem Propellerprinzip, die im Prinzip an zwei Mängeln leiden. Zum einen beträgt die maximale Energieausnutzung des Windes nach dem optimalen Leistungsfaktor von A. BETZ nur ca. 60 % der Windenergie. Hiervon wird noch ein großer Teil durch Wirbelbildung verbraucht, so daß der Wirkungsgrad solcher Anlagen recht gering ist. Aus die¬ sem Grund ergibt sich als zweiter Nachteil, daß derar¬ tige Konstruktionen sehr große Abmessungen haben müssen, um überhaupt zu einer brauchbaren Energieabgabe zu ko - meπ. Dies erfordert entsprechende Kosten und stößt zu¬ nehmend auf Widerstand in der Bevölkerung, da derartig große Windturbinen das Landschaftsbild beeinträchtigen.

Der Erfindung liegt gegenüber dem vorstehend erläuterten Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Ausnutzung der Energie des anströmenden Windes zwecks Erzeugung von mechanischer bzw. elektrischer Energie zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist zunächst, ausgehend von dem eingangs angegebenen Oberbegriff des Anspruches 1 vorgesehen, daß der Rotor so mit einer der Erzeugung elektrischer Energie dienenden Vertikalturbine kombiniert wird, daß sich die Turbinenflügel koaxial zum Rotor in dessen Strömungsfeld befinden und dort den gleichen Dreh¬ sinn wie der Rotor erhalten und daß das Strömungsfeld zum Aufbau eines Unterdruckes der Art genutzt wird,

daß der Unterdruck auf dieser Seite des Rotors den anströmenden Wind beschleunigt. Anstelle der quer zur Windrichtung verlaufenden translatorischen Bewegung des Rotors nach A. FLETTNER (siehe -oben) wird hier ein re- lativ starker Unterdruck auf der Unterdruckseite des et¬ wa hohlzylindrischen Strömungsfeldes ausgenutzt, um eine tangentiale Bewegung hervorzurufen. Es entsteht auf der Seite, wo Rotordrehung und Wind die gleiche Richtung haben, ein starkes Druckgefälle in der Strömungsrichtung. Strömungstechnisch ergibt sich dabei im Prinzip folgendes

Der anströmende Wind wird vom Rotor in Richtung der Zir¬ kulationsströmung abgelenkt. Damit addieren sich zunächst auf dieser Ablenkseite (gleich der Unterdruckseite) des Rotors die Geschwindigkeiten der Zirkulationsströmung v und der Windströmung v . Aufder Unterdruckseite des

Rotors entsteht hieraus als Resultierende die Geschwin¬ digkeitssumme v und es gilt die Gleichung:

Dabei ergibt sich noch eine Erhöhung der Geschwindigkeit v der Windströmung aufgrund der durch die Zylinderwölbung bedingten Wegverlängerung nach der Kontinuitätsgleichung, die auch bei nicht rotierendem Zylinder eintritt.

Auf der Gegenseite (Überdruckseite des Rotors) subtrahie¬ ren sich die Geschwindigkeiten und es gilt dort für die Differenzgeschwindigkeit v, die Gleichung:

C2) v - v V

Hinzu kommt, daß durch die Erhöhung der linearen Strö ^¬ mungsgeschwindigkeit Pin Abfall des statischen Drucks hervorgerufen wird. Das entsprechende hohe Druckgefälle in Strömungsrichtung setzt statische Energie in kine- tische Energie um, entsprechend dem Gesetz von BERNQULLI, die zum Antrieb der Turbinenschaufeln genutzt wird. Die Strömungsgeschwindigkeit entlang der Oberfläche des Rotαrmantels ist um etwa den Faktor 4 größer als die Anströmgeschwindigkeit v des Windes.

Ober fünf Sektoren des Rotoru fangs gemittelt, macht diese Steigerung der ursprünglichen Windgeschwindigkeit v etwa den Faktor 2,6 aus (siehe Gleichung 4).

Ferner kann nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung die Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors über einen Wind¬ messer synchron nach der vorherrschenden Anströmgeschwin¬ digkeit des Windes so gesteuert werden, daß die Geschwin¬ digkeit der Zirkulationsströmung in der Unterdruckzαπe oder -seite des Strömungsfeldes des Rotors auf höheren Werten gehalten wird als die Geschwindigkeit des anströ¬ menden Windes, wobei bevorzugt die Geschwindigkeit der Zirkulationsströmung etwa 2 bis 4 mal so groß ist als die Geschwindigkeit des anströmenden Windes.

Es empfiehlt sich, die Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors so hoch als möglich zu wählen. Die Grenze liegt dort, wo nach den jeweiligen konstruktiven Gegebenheiten die Luftschicht des Strömungsfeldes beginnt, sich von der Rotoroberfläche abzulösen. Mit einem Geschwindig-

ke ^' itsverhältnis gemäß den obengenannten bevorzugten Merkmalen des Anspruches 2 lassen sich bereits brauch¬ bare Ergebnisse erzielen. Wenn zusätzliche Maßnahmen gegen das vorgenannte Ablösen der Luftschicht vom Rotαr- mantel getroffen werden, läßt sich das Verhältnis v /v _Q weiter erhöhen .

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durch¬ führung des Verfahrens, die möglichst kompakt und zu¬ gleich aber effektiv sein soll.

Hierzu sieht die Erfindung zunächst vor, daß ein Rotor und eine mit Flügeln versehene Vertikalturbine zueinan¬ der konzentrisch in einem Träger, einer Trägerplatte oder dergleichen drehbar gelagert sind, wobei ein Antrieb zur Drehung des Rotors und ein Abtrieb der Energie der Turbine vorgesehen sind und daß bevorzugt die Flügel der Vertikalturbine an ihrer in der Unterdruckzone oder -seite des Strömungsfeldes des Rotors dem anströmenden Wind zugewandten Seite einen höheren Widerstandsbeiwert besitzen als auf ihrer anderen Seite, die in der Über- druckzone oder -seite des Strömungsfeldes dem anströmen¬ den Wind zugewandt ist.

Eine solche Anordnung erfüllt die vorgenannten Forderun¬ gen. Dies verringert nicht nur die Herstellungskosten, sondern hat den weiteren Vorteil, daß derartige Vor- richtungen aufgrund ihrer Kompaktheit nach ihrem Auf¬ stellen im Freien dort wenig Platz beanspruchen, also nicht stören und auch optisch das Landschaftsbild kaum beeinträchtigen. Durch das bevorzugte Merkmal, daß die beiden Seiten der Turbinenflügel unterschiedliche

Widerstandsbeiwerte und zwar in der entsprechenden Rela¬ tion zum anströmenden Wind auf der Uπterdruckseite bzw. der Überdruckseite des Rotors haben, wird der Wirkungs¬ grad der Anlage weiter gesteigert. Eine derartige Ausge- staltung der Turbinenflügel ist zwar an sich bekannt, je¬ doch nicht im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung.

Weiter sieht die Erfindung vor, daß der Rotor und die Vertikalturbine gegen eine Translationsbewegung quer zum anströmenden Wind fixiert sind. Dies kann mittels des zuvor genannten Trägers, der Trägerplatte oder derglei¬ chen geschehen.

Die Turbinenflügel können Halbrohre, gegebenen alls schräggestellte Halbrohre (zwecks Erzielung eines Auf¬ triebes) oder DARRIEUS-Flügel sein. Unter einem DARRIEUS- Flügel versteht man einen Flügel mit dem Querschnitts¬ profil eines Flugzeugflügels, der ebenfalls je nach An- strömrichtung des Windes unterschiedliche Widerstandsbei¬ werte im obengenannten Sinne hat.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgeschlagen, daß die Breite der Turbinenflügel der nutzbaren Dicke des Strömungsfeldεs angepaßt ist, die etwa gleich dem halben Radius r/2 des Rotors ist. Damit ist der Bereich des hohlzylindrischen Strömungs eldes optimal genutzt, in dem die Erfindung in erster Linie wirksam ist. Eine Er- Streckung der Turbinenflügel über diesen Bereich in

Radialrichtung nach außen erbringt bei gleichbleibendem Radius des Rotors keine nennenswerte Erhöhung der Energie¬ ausbeutung.

OMH

Weiter kann nach der Erfindung vorgesehen sein, daß im Strömungsfeld Flügel der Vertikalturbine in zwei oder mehreren Bahnen von unterschiedlichen Bahnradien kreisen. Dies stellt eine weitere Variante der Erfindung dar, die sich vor allen Dingen bei dem Einsatz von Rotoren mit größeren Radien empfiehlt. Hierbei können auf der einen Bahn Flügel einer bestimmten Querschπittsform und auf der anderen Bahn Flügel einer anderen Querschnittsfarm umlaufen.

Es wurde vorstehend bereits erwähnt, daß die angestrebte Erhöhung der Drehzahl des Rotors seine Grenze dort fin¬ det, wo die Luftschicht des Strömungsfeldes beginnt, sich von der zylindrischen Rotoroberfläche abzulösen. Um diese Grenze weiter nach oben (im Sinne einer Erhöhung der Um- laufgeschwindigkeit des Rotors und damit der Geschwindig¬ keit der Zirkulatioπsströmung) zu verschieben, kann gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung vorgesehen sein, daß Maßnahmen vorgesehen sind, die die UmlaufStrömung an der Rotαroberflache zum längeren Haften bringen. Beispiels- weise ist ein Doppelmantel vorgesehen, dessen zylindrischer Innenmantel von der zylindrischen Oberfläche des Rotors ge¬ bildet wird. Durch Abstandshalter ist damit konzentrisch und im Abstand ein/Außenmantel verbunden, der stark durch¬ löchert oder netzartig ausgebildet ist.

Auch ist es nach der Erfindung möglich, daß die zylin¬ drische Oberfläche des Rotors durch in der Umfangsrich- rung verlaufende Scheibenringe oder Querwölbungen ver¬ größert ist.

OMPI

- a -

Schließlich kann man gemäß der Erfindung auch so vor¬ gehen, daß die zylindrische Oberfläche des Rotors und/oder die Innenfläche des Mantels und/oder die Scheibenringe bzw. Querwölbungen aufgerauhte Ober- flächen besitzen.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind der nachstehenden Beschreibung und der zugehörigen Zeich¬ nung von erfindungsgemäßen Ausführungsmöglichkeitεn zu entnehmen. In der Zeichnung zeigt:

Figur 1 das Strömungsprinzip nach der Erfindung in der Draufsicht,

Figur 2 eine grafische Darstellung des Verlaufs der Stärke verschiedener Zirkulationsströmungen in radialer Erstreckung und Figur 2a die erzielbare Leistung der Luftströmung in Abhängigkeit von v ,

Figur 3 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in der Seitenansicht,

Figur 4 einen Querschnitt gemäß der Linie IV-IV in Fig. 3,

Figur 5 eine weitere Variante der Erfindung in der Drauf- sieht,

Figur 6 in einer Teildarstellung eine weitere Variante der Erfindung,

Figur 7 eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit der Er¬ findung im Längsschnitt,

Figur 8 eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit der Er¬ findung in der Draufsicht,

Figur 9 und 10 zwei Ausführungsmöglichkeiten von Rotoren nach der Erfindung im Längsschnitt, jedoch aus Gründen der zeichnerischen Vereinfachung ohne Darstellung der Turbinen.

Die Zeichnungen sind durchweg prinzipiell und schematisch zu verstehen. Das Prinzip der Erfindung ergibt sich aus Fig. 1, wobei gleichzeitig auch auf Fig. 3 verwiesen wird Ein zylindrischer Rotor 1, der in der Praxis aus Gewichts¬ gründen ein Hohlzylinder sein wird, wird um seine senk¬ recht stehende Achse 2 von einem nur schematisch ange¬ deuteten Antrieb 3, 4 in der Drehrichtung 5 angetrieben. Damit ergibt sich an der zylindrischen Oberfläche 6 des Rotors 1 eine Umfangsgeschwindigkeit v und zwar in der Drehrichtung gemäß Pfeil 5. Die Windströmung ist durch in Fig. 1 von links nach rechts laufende Linien darge¬ stellt, wobei eine Verringerung des Abstandes zwischen diesen Windstromlinien aussagt, daß dort sich die Wind- geschwindigkeit erhöht. Die Windrichtung ist durch Pfeile angegeben. Der Wind hat anströmend die Geschwindigkeit v . In dem den Rotor 1 umgebenden etwa hohlzylindrischen Strö¬ mungsfeld (auch Leistungs∑one genannt) mit der Oicke r/2, wobei r der Radius des Rotors ist, entsteht durch die Ro- tordrehung im Drehsinn eine Zirkulationsgeschwindigkeit v der dortigen Luftschicht. Es gilt obengenannte Glei¬ chung (1) .

Der Rotor 1 ist zum besseren Verständnis der nachstehen¬ den Darlegungen in acht Sektoren a bis h eingeteilt, von denen die Sektoren a, b, c, d und e im wesentlichen die

OMPI ^IP ° rs

Unterdruckseite und die Sektoren f, g und h im wesentli¬ chen die Überdruckseite darstellen, wobei die Sektoren a und e Übergangsbereiche bilden.

Unter Berücksichtigung der obengenannten Gleichung (3) ergeben sich für die einzelnen Sektoren etwa folgende Geschwindigkeiten:

Tabelle 1

Sektor a vz + 2 vo

Sektor b vs = vz + 3 vo

Sektor c vs = vz + 3 vo

Sektor d v = ^v z ^{+ 3 v} o

Sektor e v = ^v z ^{+ 2 v} o

im Durchschnitt

Der Wert 2,6 gilt bei laminarer Anströmung .des Windes. Da nun in der erdnahen Luftschicht Turbulenzen immer auf¬ treten, reduziert sich der Mittelwert von vo etwa auf

2,5 v . Damit ändert sich die Gleichung CD wie folgt:

Strömungsfeld CLeistungszone) .

Auf der Gegenseite, nämlich der Überdruckseite, bleibt dagegen die Gleichung C2) für die Sektoren f, g und teil¬ weise auch h bestehen.

Es versteht sich, daß die Werte der Tabelle 1 sich dann ändern, wenn das Verhältnis v /v anders wird als für die Gleichung (3) vorausgesetzt. Das Regulativ hierfür ist die Geschwindigkeit v der Zirkulationsströmung. Sie hängt zunächst linear von der Umfangsgeschwindigkeit v des Rotors 1 an seinem Zylindermantel ab und ferner von der Oberflächenrauhigkeit des Zylindermantels und möglichen Oberflächenvergrößerung des Zylindermantels. Hierauf wird später noch näher eingegangen werden.

Vorstehend wurde bereits gesagt, daß die Dicke des Strö¬ mungsfeldes und damit der im Sinne der Erfindung nutzba¬ ren Zirkulationsströmuπg maximal gleich r/2 ist (r = Rotor¬ radius). Hieraus ergibt sich, daß mit einer Vergrößerung des Rotorradius sich eine entsprechende Vergrößerung des effektiv nutzbaren Strömungsfeldes ergibt, wodurch die Profilfläche der in Fig. 1 schematisch angedeuteten Tur¬ binenflügel 7 (bei gleichbleibender Rotorlänge) entspre¬ chend vergrößert werden kann.

Der Verlauf der obengenannten Geschwindigkeit v der Zir- kulationsströmung ist in Fig. 2 bei ein ^* em Modell eines

Rotors mit dem Radius r von 0,25 m und einer Umfangsgeschwin¬ digkeit des Rotors v = 8 m/sec in radialer Erstreckung aufgetragen, wobei die Abszisse beim Radius r mit 25 cm beginnt. Der effektiv nutzbare Dickenbereich des Strömungs- feldes ist durch den Pfeil 8 angedeutet. Es gilt in diesem Beispiel die Gleichung:

(5) v = 0,6 = 4,8 m/sec

Auf die Fig. 2 wird weiter unten noch näher eingegangen.

Der Rotor 1 ist koaxial zu einer Turbine angeordnet (siehe Fig. 3), die ebenfalls nur schematisch dargestellt ist und aus den Turbinenflügeln 7, deren strichpunktiert einge¬ zeichneten Verbindungsteilen 9 (Fig. 4) zu einer zentralen Achse 10 und dem Abtrieb 11 dieser Turbine zu einem elek¬ trischen Generator 12 besteht (siehe auch Fig. 3). Rotor 1 und Turbine laufen mit unterschiedlichen Geschwindigkei¬ ten, jedoch im gleichen Drehsinn, um. Es ist ersichtlich, daß die jeweils auf der Unterdruckseite befindlichen Tur- binenflügel aufgrund der dort erhöhten Windgeschwindig¬ keit mit einer größeren Windenergie beaufschlagt werden als die Flügel, die sich auf der Überdruckseite befinden. Bei gleicher Profilfläche wird gegenüber horizontal lau¬ fenden normalen Windrädern oder Propellerrädern etwa das 10-fache an Windenergieausbeute erzielt. Detailangaben werden am Schluß der Beschreibung gegeben. Wie erwähnt, handelt es sich hier um eine Vertikalturbine. Vertikal ist dabei auf die Lage der Turbinenachse zur Horizontalen be¬ zogen.

Fig. 3 zeigt einen Windmesser 13, mit dessen Hilfe - über elektrische Schaltkreise - der Rotαrantrieb derart gesteu¬ ert wird, daß die Umdrehungsgeschwindigkeit v des Rotors 1 synchron entsprechend der vorherrschenden Anströmgeschwin¬ digkeit v des Windes derartige Werte erreicht, daß die Zirkulationsgeschwindigkeit v größer ist als v . Und zwar soll die Geschwindigkeit der Zirkulationsströmung im Strö¬ mungsfeld um den rotierenden Rotor (siehe Bereich r/2 in Fig. 1) so hoch ausfallen, daß sie mindestens 2 bis 4 mal größer ist als die Geschwindigkeit v des anströmenden Windes. Nur dann ergibt sich ein entsprechend hohes v ge¬ mäß Gleichung (4) .

Fig. 3 und auch die später zu erläuternde Fig. 7 zeigen, daß der Rotor und die Turbine mit ihren Achsen 2, 10 i gegen eine Verschiebung quer zu der Achsrichtung fixiert, jedoch drehbar in einem Träger, oder einer Trägerplatte 13' oder dergleichen gelagert sind. Fig. 3 und 4 zeigen Turbinenflügel 7' in Form von DARRIEUS-Flügeln (siehe auch die Draufsicht gemäß Fig. 4). Die Richtung des an¬ strömenden Windes ist mit 14 beziffert. Die Variante ge¬ mäß Fig. 5 zeigt Turbinenflügel 7" in Form von Halbrohren, also Rohren, die der Länge nach durchgeschnitten sind. Auch hier ist die Richtung des anströmenden Windes mit 14 angedeutet. Die Flügel 7' bzw. 7" der jeweiligen Tur¬ bine besitzen gemäß dieser bevorzugten Ausführungsfarm der Erfindung an ihrer im Unterdruckbereich des Strömungs- feldes des Rotors dem anströmenden Wind 14 zugewandten Seite einen höheren Widerstandsbeiwert als auf ihrer an¬ deren Seite, die dem anströmenden Wind im Überdruckbe¬ reich des Strömungsfeldes zugewandt ist.

Die Halbrohre 7" können gemäß der Teildarstellung der Fig. 6 zum anströmenden Wind 14 so schräg gestellt sein, daß die Turbiπenflügel einen Auftrieb erhalten.

Eine starke Oberflächenrauhigkeit hat eine turbulente Grenzschicht zur Folge, wodurch im Gegensatz zur lamina¬ ren Grenzschicht eine Ablösung der Strömung bei sonst zu niedrigen Reynoldzahlen weitgehend vermieden wird. Dies kann durch entsprechende Aufrauhungen der zylindrischen Oberfläche (Mantel) des Rotors geschehen. Eine besonders bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsform ist in Fig. 8 dargestellt. Es ist ein zylindrischer Doppelmantel vor- gesehen. Der Innenmantel wird von der Oberfläche des

Rotors 1 gebildet, während der Außenmantel mit 15 be¬ ziffert ist. Beide Mäntel sind durch Abstandshalter 16, die kreisringförmig sein können, zueinander konzentrisch gehalten. Der Außenmantel 15 ist mit Öffnungen 17 ver- sehen oder netzartig ausgebildet. Seine Innenwand ist ebenso aufgerauht wie die Oberfläche des Rotors 1. Da¬ mit kann sich die Grenzschicht in der zylindrischen Kammer 18 zwischen den beiden Mänteln nicht so leicht ablösen. Daher wird die Luft in diesem Raum der Zirku- lationsströmung von den rotierenden Teilen 1, 15 entspre¬ chend mitgerissen, so daß ein Durchdrehen der Teile 1, 15 gegenüber der umgebenden Luftschicht, d.h. ein Ablösen der Luftschicht, erst bei wesentlich höheren Umlaufge¬ schwindigkeiten der Rotoroberfläche (Rotormantelfläche) eintritt. Bei Windstille betrug für eine Versuchsausfüh- rung eines rotierenden Rotors mit r = 0,25 m und einer Höhe h von 0,5 m und einer Umfangsgeschwindigkeit = 8m/ sec im Abstand von 1 cm vom Mantel des Rotors die ^' Flächen- stromleistung im ebenen Querschnitt durch die Zirkulations- zαne (2 " x R = V) :

2 a) bei glatter Oberfläche des Rotors = 4,57 m /sec

2 b) bei rauher Oberfläche des Rotors = 6,69 m /sec c) mit 5 cm hohen Scheibenringen im

Abstand von 5 cm, Oberflächen mit

2 Gardinenstoff aufgerauht = 8,49 m /sec d) Zylindermantel 15 in 5 cm Abstand vom Rotor, alle Innenwände aufge-

2 rauht, Mantel 15 stark durchlöchert = 10,61 m /sec

Dem entsprechen die Kurven a), b), c) und d) in Fig. 2. Die Ausgestaltung des Rotors gemäß Fall c) zeigen die

Fig. 9, 10, wobei in Umfangsrichtung des Rotors 1 ver¬ laufend entweder Scheibenringe 19 oder aus dem Material des Rotors herausgearbeitete Querwölbungen 20 vorgesehen sind, die die Oberfläche des Rotors vergrößern. Auch die- se sind bevorzugt aufgerauht (siehe Ziff. 19', 20'). Analog sehen auch die übrigen Aufrauhungen aus. Bei all dem ist darauf zu achten, daß möglichst wenig Wirbel¬ bildung im Strömungsfeld, insbesondere angrenzend an die Rotor antelfl che eintritt.

Fig. 8 zeigt, daß, und zwar insbesondere bei Vorliegen eines äußeren Zylindermantels 15 und mit Bildung eines zylindrischen Hohlraumes 18, unterschiedlich gestaltete Turbinenflügel 7' und 7 " vorgesehen sein können, wobei die Flügel 7' auf einem anderen, kleineren Radius um die Achse 10 umlaufen als die Flügel 7". Die Anzahl der Bahnen kann auch größer als zwei sein.

Die Fig. 3 und 7 zeigen oberseitig Endscheiben 21, die auch - so ^f ern erforderlich - unterseitig vorgesehen sein können und verhindern, daß von oben und von unten her Luft in das Strömungsfeld eingesogen wird, was den ange¬ strebten Effekt mindern würde, da hierdurch der gewünsch¬ te Unterdruck teilweise ausgefüllt werden würde.

Als Beispiel für eine Windenergienutzung mit sich drehen¬ dem Rotor und Vertikalturbine werden folgende Werte zu- gründe gelegt:

Radius des Rotors r = 1 m Höhe des Rotors h = 4 m

Es ist eine Doppelmantelanordnung gemäß Fig. 7 vorgese¬ hen, wobei die Abstandshalterungen kreisringförmig aus¬ gebildet sind. Im äußeren Hohlzylindermantel 15 beträgt das Verhältnis der Lαchgröße zu den Stegen zwischen den Löchern 5 : 1. Das Strömungsfeld (Leistungszone) erstreckt sich von der Rαtorwand r = ^* 1 m bis r = 1,50 m und be-

2 sitzt eine Profilfläche von 0,50 m x 4 m = 2,0 m .

Radius der Vertikalturbine r = 1,25 m Höhe der Vertikalturbine h = 4 m

Die Umdrehungsgeschwindigkeit v des Rotors wurde mit dem anströmenden Wind gesteigert, wie die Tabelle 2 zeigt. Als Mittelwert für die Geschwindigkeit der Zir- kulationsströmung im Strömungsfeld ist v = 0,6 v an¬ gesetzt. Damit ergibt sich nach Gleichung (4) v = 0,6 v + 2,5 v . Die Druckminderung im Strömungsfeld gegenüber dem anströmenden Wind wurde nach dem Gesetz von BERN0ULLI berechnet:

(6) p _Q - p _s - f/2 g . (v _s ² - v _o ² )

( 7 ) f = 1 , 225 kp/m ³ , g = 9 , 81 m/sec ² .

f-fEACT σMPi _

Tabelle 2

(Unterdruckseite bzw. Ablenkseite)

Anström. Rotorumdreh.- v. in der Leistungs- p ₀ -p _s Wind geschwindigk. Unterdruckzone in m/sec in vo„ in m/sec v in m/sec bei _s gegen mm 0,6 v _u + 2,5 v _Q WS

2 8 4,8 + 5,0 ^• s 9,8 5,75

4 16 9,6 + 10,0 = 19,6 23,01

7 24 14,4 + 17,5 = 31,9 60,54

10 28 16,8 + 25,0 = 41,8 102,95 12 28 16,8 - ^* - 30,0 = 46,8 127,89

Tabelle 3 (Überdruckseite bzw. Gegenseite)

Anström. Rotorumdrehungs¬ v , in der Leistungszαne Wind geschwindigkeit in m/sec v in m/sec v in m/sec 0,6 vu - vo = vd,

2 8 4,8 - 2 = 2,8

4 16 9,6 - 4 = 5,6

7 24 14,4 - 7 = 7,4

10 28 16,8 - 10 = 6,8 12 28 16,8 - 12 = 4,8

Durch Erhöhen der Rotorumdrehungsgeschwindigkeit v Hes¬ sen sich in den Tabellen 2 und 3 die vs- und vd,-Werte noch

verbessern. Dies hat eine Leistungserhöhung zur Folge, wie es aus Fig. 2a zu entnehmen ist, welche die Leistung der Luftströmung im Strömungs eld (Leistuπgszone) bei einem anströmenden Wind von vo = 4 m/sec zeigt, wobei auf der Abszisse linear die zunehmenden Geschwindigkeiten v der Zirkulatiαnsströmung aufgetragen sind. Als Profil-

2 fläche der Leistungszαne sei 1 m angenommen. Um hierbei etwa störende Schwingungen zu beseitigen, empfiehlt sich zum einen eine Vergrößerung des Rotordurchmessers und dessen Herstellung aus witterungsbeständigem Kunst¬ stoff. Aus dem gleichen Grunde empfiehlt es sich auch, daß die Flügel der Vertikalturbine aus einem leichten Kunststoff bestehen. Beide Kunststoffe sollen witterungs¬ beständig sein. Dies hat nicht nur die gewünschte Ge- ichtsverminderung gegenüber Metallausführungen, sondern auch eine weitere Reduzierung der Herstellungskosten vorteilhafterweise zur Folge. Mit diesem Vorschlag der Erfindung werden auch die Lagεrreibungen des Rotors und der Vertikalturbine reduziert.

Entscheidend für die Beschleunigung von v auf der Druck¬ unterseite ist das dort im Strömungsverlauf entstehende starke Druckgefälle (Tabelle 2) . Dieses starke Druckge¬ fälle im Strömungsverlauf verhindert außerdem nachteilige Wirbelbildungen.

Bei der nun folgenden Gegenüberstellung der Leistungen von a) einer freilaufenden DARRIEUS-Turbine (also ohne erfindungsgemäße Kombination mit einem schnellum¬ laufenden Rotor) mit b) einer Anordnung nach der Erfindung (also Rotor mit Vertikalturbine)

wurde für a) eine auf F.v. ÖNIG zurückgehende Leistungs ^¬ gleichung zugrunde gelegt. Hiernach ist:

(8) die Leistung p (kW) max =-0,000 24 v. 2

A = Profilfläche der Turbine in m

Für die Anordnung nach der Erfindung errechnet sich die Leistung nach (9) .

Bisher ging der Trend bei allen Windrädern zu hohen Gleit¬ zahlen £ ^" = ca/cw Auftriebs-zu Widerstandsbeiwert. Dies gilt für die Anordnung nach der Erfindung nicht, weil der Wind hier eine Schubleistung ausführt. Für eine hohe Schub¬ leistung zählt dann die Summe von c und c , sie sollte

1,3 erreichen, besser überschreiten (ca+ cw S 1 , 3 ) . Unter diesen Bedingungen entnehmen die Turbinenflügel soviel kinetische Windenergie, daß die Geschwindigkeit in der Leistung °szone von vS auf vS - 1,25 vO zurückgeht. Für die

Berechnung der Turbinenleistung muß demzufolge als Durch¬ schnitt 1/2 (vs + vs - 1,25 vo) = vso ang ^a esetzt werden,

Bezüglich der Schnellaufigkeit Λ-= u/v = Umfangsgeschwin- digkeit der Turbinenflügel : Windgeschwindigkeit im Strö- mungsfeld gilt für die Maximalleistung u/v = 0,3. Die theoretisch höchste Leistung einer Anordnung nach der Er¬ findung mit 12 Flügeln unter den gegebenen Werten der Ta¬ bellen 2 und 3 errechnet sich wie folgt:

(9) P = 9/2 ca + cw) B/2 Cv _β s _n o - u) ^'

B = Beaufschlagungsfläche der Flügel

B = 0,25 m . 4 m . 12 = 12 m ² u = Umdrehungsgeschwindigkeit der Turbinenflügel für u wird 0,3 vso g ^to esetzt für (ca + cw) = 1,3 berechnet

= ?/2 . 1 , 3 . 6 . ( v _{s Q} - 0 , 3 v _{s Q} ) ² . 0 , 3 V _{S Q} v SQ ³ . 9 , 81 = kW vso ergibt im Durchschnitt 0,85 vs„,

Die Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors regelt ein Elek¬ tromotor 3, der (s.o.) über den Schalenkreuz-Windmesser 13 synchron zur Anströmgeschwindigkeit des Windes elek¬ tronisch gesteuert wird. Die Energieabnahme durch die Flügel der Vertikalturbine entspricht der Differenz der kinetischen Energien bei den Geschwindigkeiten v und v - 0,625 im Strömungsfeld. Die abgegebene Energie stammt demzufolge aus der Beschleunigung des Windes auf der Unter¬ druckseite des Strömung ^α sfeldes von vo auf 2,5 vo und damit aus der umgewandelten Druckenergie, die diese Beschleuni- gung verursacht hat. Das Verhältnis v ₂ /v ^>e - ^J -- ~ Windge¬ schwindigkeit hinter der Vertikalturbine) wäre ohne Energie¬ abnahme durch die Turbinenflügel 1/1. Die Energieabnahme bewirkt, daß die Windströmung früher aus der Unterdruck¬ seite des Strömungsfeldes austritt, wodurch sich die Strom- linien erweitern und das Verhältnis v /vo sich 0,5 nähert.

Hierfür ist allerding °s Voraussetzung °, daß ca g °rößer als cw ausfällt, das ist bei DARRIEUS-Flügeln und bei schrägge¬ stellten Halbrohren (siehe Abb. 5) der Fall.

Die Werte für den Vergleich a) mit b) (siehe S.18) sind in der Tabelle 4 zusammengestellt. Dabei sind also die Fälle a (DARRIEUS-Turbine) und b (Rotor-Turbine nach der Erfindung) unterschieden und dargestellt. Die sich im Fall b) nach der Erfindung ergebende Leistung ist der ganz rechts ge¬ legenen Vertikalspalte der Tabelle 4 zu entnehmen. Diese Angaben basieren auf berechneten Durchschnittswerten. Dies g ^ö ilt auch für die Werte ca und cw.

OMPI ^

T a b e l l e 4

Leistung für 2 v/indturbinen mit gleich großem Luftraum a) freilaufende Darrieus- urbine r = l',25 m, h = 4 m b) Rotor-Turbine r = 1,25 ra , h = 4 m

2,5 0,095 0.0 12,3 2,24 10,7 ^: 0,84-0,36-0,09= 0,39

3 0,165 0,065 14,7 3,38 ^• 12,8 1 ,46-0,64-0,16= 0,65

4 0,392 0,154 19,6 9, 17,1 3,45-1,23-0,32= 1,35 C.766 0,300 _24,5 17,94 21,4 6,74-2,08-0,50= 4,16 1 ,323 0,518. 29,4 31 ,00 2 255,,77 11,64 ^* -3,20-0,80= 7,64 2,100 0,823 31,9 39,60 2 277.,55 14,39-3,20-0,90=10,29 o 3,136 1,229 34,4 ,49,66 2 299,,44 17,53-3,20-1,00=13,33

Q 4,465 1,750 39,3 74,06 3 333,,77 26,36-4,40-1,10=20,36

10 6,125 2,400 41 ,8 89,11 3 355.,66 31,00-4,40-1,20=26,40 11 3,152 3,194 44,3 105,70 37,4 36,18-4,40-1,30=31,48 12 10,584 4,147 46,8 125,06 39,3 41,88-4,40-1,40=37,08 n + )

8 _^ - L. L„ = L Leistung der Turbine - Leistung für l n bedeutet O Rotordrehung - Leiotung für Rotorreibung =rTüt2"leiatung

Die Werte der Tabelle 4 zeigen, daß die er indungsgemäße Kombination des Rotors mit Vertikalturbinε bei gleichen Ausmaßen Leistungen erzielt, die 8 bis 10 mal höher liegen als bei den bisherigen Windturbinen. Dieser Erfolg geht allein auf das erzielte Strömungsgefälle durch Un¬ terdruck zurück. Der bisher in der Fachwelt vorherr¬ schende Standpunkt, daß die Leistung von Windrädern allein durch die Windgeschwindigkeit oder zeitlich an-

3 fallende Luftmasse in m /sec bestimmt wird, läßt sich somit nicht mehr aufrecht erhalten. Genau wie beider

Wasserbenutzung entscheiden über die Energieausbeute zwei Faktoren:

3

1. die zeitlich anfallenden Massen in m /sec

2. die Stärke des Strömungsgefälles.

Letzteres wurde nun mit der Erfindung in die Windenergie¬ nutzung eingeplant und eingebaut. Die erläuterte Beschleu¬ nigung des anströmenden Windes auf das 3- bis 4-fache seiner Geschwindigkeit ergibt bereits eine sehr wesent¬ liche Steigerung der Ausbeutung. Im Durchschnitt gilt, daß bei einer Bruttoausbeute vom Betrag 100 davon etwa 20 % für den Antrieb des Rotors 1 aufzuwenden ist, wäh¬ rend 80 % der Energie der Leistungsgewinn Ln ist.

Erwähnt sei noch, daß eine Vertikalturbine mit Rotor ge¬ mäß der Erfindung durch Wirbelstürme aufgrund ihrer Bauart und Kompaktheit kaum gefährdet ist Cein Nach¬ teil, der bei allen Windrädern das Hauptproblem dar¬ stellt). Da die Energieausbeute der niederen Windge¬ schwindigkeiten (2.- 4 m/sec) besonders ergiebig ist,

WIPO

sind Anordnungen nach der Erfindung auch für windschwa¬ che Gebiete, bzw. für Gebiete, die abwechselnd starke und schwache Winde haben, interessant.

Die wirtschaftliche Nutzung der mit der Erfindung gewon¬ nenen Energie liegt in der Stromerzeugung zwar sowohl Drehstrom, Wechselstrom als auch insbesondere Gleichstrom.

Eine Nachrechnung ergibt, daß unter Einschluß der Ge¬ stehungskosten und deren Amortisation auch in wind¬ schwachen Gebieten eine Anordnung nach der Erfindung die kW-Stunde wesentlich billiger liefert als es den üblichen Kraftwerken möglich ist.