Beschreibung Titel : WINDTURBINE MIT WAAGERECHTER WELLE Stand der Technik : Die Nutzung der Windkraft zur Energiegewinnung wird derzeit wie folgt gelöst : Auf einem, als Beispiel angeführten Stahirohrturm, der von der Erdoberfläche gemessen-je nach Größe der Anlage-zwischen 30 m bis 110 m beträgt, wird auf der oberen Turmfläche die Rotorwelle mit angeflanschtem Generator einerseits und anderseits die Rotornabe zur Aufnahme der Rotorblätter angebracht.

Die Form der Rotorblätter, die Befestigung, winkelverstellbar an einer Nabe ist aus aerodynamischer Betrachtung vergleichbar, mit dem Propeller eines Flugzeugs.

Die aerodynamischen Parameter kommen hier modifiziert auf Windgeschwindigkeiten von 4m/s bis 25m/s zur Anwendung.

Zur Verbesserung der Windkraftnutzung werden bei herkömmlichen Windkraftanlagen bereits Rotordurchmesser bis zu 90 m eingesetzt.

Trotz Blattwinkelverstellung und Einsatz leichter Werkstoffe für die Rotoren, ist die Nennleistung herkömmlicher Anlagen bei einer Windgeschwindigkeit von 4m/s, 70 kW und bei einer Windgeschwindigkeit von 25m/s, ist eine maximale Leistung ca. 2300 kW erreichbar.

Problem : Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Rotor zu entwickeln, der es ermöglicht, die Auftriebskraft von Tragflächenprofile, bei anstehender Luft- Strömung, in Rotationsbewegung umzuwandeln. Das dadurch entstehende Drehmoment wird kraftschlüssig mit einem Generator zur Stromerzeugung verbunden.

Lösung : Dieses Problem wird mit den im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Erreichte Vorteile : Mit der Erfindung wird erreicht, die erzielte Energieausbeute, im Vergleich zu herkömmlichen Windkraftanlagen, um das Mehrfache ansteigt.

Vergleich : Anlage Firma NORTEX Rotor gemäß Schutzanspruch Typ N90/2300 Windgeschwindigkeit Leistung gemäß Veröffentlichung Leistung gemäß Berechnung 4 m/s, 70 kW 474 kW 5 m/s 183 kW 926 kW 6 m/s 340 kW 1600 kW 7 m/s 563 kW 2541 kW 8 m/s 857 kW 3793 kW 9 m/s 1225 kW 5401 kW <BR> <BR> 10 m/s 1607 kW 7409 kW<BR> <BR> 11 m/s 1992 kW 9861 kW 12 m/s 2208 kW 12803 kW 13 m/s 2300 kW 16722 kW 14 m/s 2300 kW 20330 kW 15 m/s 2300 kW 25005 kW 16 m/s 2300 kW 30347 kW 17 m/s 2300 kW 36401 kW <BR> <BR> 18 m/s 2300 kW 43210 kW<BR> <BR> 19 m/s 2300 kW 50819 kW 20 m/s 2300 kW 59273 kW 21 m/s 2300 kW 67991 kW 22 m/s 2300 kW 78167 kW <BR> <BR> 23 m/s 2300 kW 89318 kW<BR> <BR> 24 m/s 2300 kW 101499 kW 25 m/s 2300 kW 114704 kW Beispielberechnung : (Abmessungen und Profildaten veränderbar) Technische Daten : Rotorprofil ausgewählt Gö 409 (nach Aerodynamische Versuchsanstalt Göttingen) symmetrisch Profilbreite : b = 5, 65 m Profillänge : I = 40, 00 m Rotorradius : r = 20, 00 m Rotorfläche : A = 226, 00 m (Flügelfläche für 1 Flügel) Anzahl der Rotorblätter : 8 Stück Anstellwinkel der Rotorblätter : Bei einer Umdrehung von 360 ° erfolgt periodische Blattwinkelverstellung. Obere Totpunkt = 0° ; Auf-u. Abtrieb = 0 Nach 30° Abwärtsbewegung, Winkelverstellung auf-12°.

Unterer Totpunkt = 0° (siehe oberer Totpunkt) Nach 30° Aufwärtsbewegung = +12°.

Auftriebs-und Widerstandsbeiwerte für Profil Gö 409 gemäß Polardiagramm.

Quelle : Otto Günther, Fachbuchverlag Leipzig 1955 Anstellwinkel Auftriebsbeiwert CA Widerstandsbeiwert CW 0° 0 0, 016 +3° 0,02 0,020 - 3° 0,02 0,020 +6° 0,40 0,030 - 6° 0,40 0,030 +9° 0,80 0,040 - 9° 0,80 0,040 +12° 1,00 0,060 - 12° 1,00 0,060 Literaturnachweis : W. D. PICHT, Moderne Flugzeugtechnik, Verlag Technik Berlin 1960 Günther, Segelflugmodelle, Fachbuchverlag Leipzig 1955 HÜTTE, Die Grundlagen der Ingenieurwissenschaften, Springer-Verlag Berlin, 2000 Grundwissen des Ingenieurs, 13. Auflage, Fachbuchverlag Leipzig 2002 im Carl Hanser Verlag Formeln : Auftriebsberechnung der Rotorblätter : FA = 0, 5 v2 CA A [NI (A = b l) [m2] Widerstandskraft der Rotorblätter : FW = 0, 5 v2 Cw A [N] Resultierende Gesamthaltekraft : FH = FA + FW [N] Arbeit : W = FH x 2sx r [Nm] Winkelgeschwindigkeit : # = 2# n [rad/s Leistung : P = W x o [W] Formelzeichen Einheit Bedeutung FA N Haltekraft Fw N Widerstandskraft FH N Resultierend Haltekraft A m2 Rotorfläche V mis Strömungsgeschwindigkeit CA 1 Auftriebsbeiwert Cw 1 Widerstandsbeiwert r m Rotorradius W Nm Arbeit n 1/min Drehzahl # 1/s Winkelgeschwindigkeit kg/m3 Dichte Anzahl der Rotorblätter : 8 Stück Vwind = m/s Auftrieb FA (NI Widerstand FWIN1 Haltekraft FH [N] 4 m/s 17.718, 40 1.063, 10 18.781, 50 5 m/s 27.685, 00 1.661, 10 29.346, 10 6 mis 39.866, 40 2.391, 98 42.258, 38 7 m/s 54.262, 60 3.255, 76 57.518, 36 8 m/s 70.873, 60 4.252, 42 75.126, 02 9 m/s 89.699, 40 5. 381,96 95.081, 36 10 m/s 110.740, 00 6.644, 40 117. 384, 40 11 mis 133. 995, 40 8.039, 72 142.035, 12 12 mis 159.465, 60 9.567, 94 169.033, 54 13 m/s 187.150, 60 11.229, 04 198.379, 64 14 m/s 217.050, 40 13.023, 02 230.073, 42 15 m/s 249.165, 00 14.949, 90 264.114, 90 16mis 283.494, 40 17.009, 66 300.504, 06 17 m/s 320.038, 60 19.202, 32 339.240, 92 18 m/s 358. 797,60 21.527, 86 380.325, 46 19 m/s 399.771, 40 23.986, 28 423.757, 68 20 m/s 442.960, 00 26.577, 60 469. 537, 60 Arbeit W = FH x 2 x 3, 14 x r [Nm] Vwind f m/s W [Nm] 4 m/s 2.358. 956,40 5 m/s 3.685. 870,16 6 m/s 5.307. 652,53 7 mis 7.224. 306,02 8 m/s 9.435. 828,11 9 m/s 11.942. 218,82 10 m/s 14.743. 480,64 11 mis 17.839. 611,07 12 mis 21.230. 612,62 13 mis 24.916. 482,78 14 m/s 28.897. 221,55 15 m/s 33.172. 831,44 16 m/s 37.743. 309,94 17 mis 42.608. 659,55 18 m/s 47.768. 877,78 19 m/s 53. 223.964, 61 20 m/s 58.973. 922,56 Leistung = P [W] P = Arbeit x Winkelgeschwindigkeit [radls] P = W x Omega b lW] Vwind [m/s] W 1 Nm] CD Omega [rad/s] P [W] 4 m/s 2. 358. 956,40 0,20101 474.173, 83 5 m/s 3. 685. 870,16 0, 25127 926.148, 60 6mis 5.307. 652,53 0, 30152 1.600. 363,39 7 m/s 7.224. 306,02 0,35177 2.541. 294,13 8 m/s 9.435. 828,11 0,40202 3.793. 391,62 9 m/s 11.942. 218,82 0,45228 5.401. 226,73 10 m/s 14.743. 480,64 0,50253 7.409. 041,33 11 mis 17.839. 611,07 0,55278 9.861. 380,21 12 mis 21.230. 612,62 0,60304 12.802. 908,63 13 m/s 24.916. 482,78 0,65329 16.277. 689,04 14 m/s 28.897. 221,55 0, 70355 20.330. 640,22 15 m/s 33.172. 831,44 0,75380 25.005. 680,34 16mis 37.743. 309,94 0,80405 30.347. 508,36 17 m/s 42.608. 659,55 0, 85331 36.401. 003,94 18 m/s 47.768. 877,78 0,90456 43.209. 816,08 19 m/s 53.223. 964,61 0, 95482 50.819. 305,89 20 mis 58.973. 922, 56 1,00507 59.272. 920, 35 Berechnungsbeispiel : Windgeschwindigkeit 4m/s Auftrieb : FA = CA 0,5 # v2 b I [N] [b # l = A] FA = 1, 0 # 1,225/2 x 42 # 5,65 # 320 [kg/m3 # m/s # m2] [N] FA = 17718,4 N Widerstand : FW = CW 0,5 # v2 b I [N] FW = 0, 06 x 1, 225/2 # 42 # 5,65 x 320 [kg/m3 # m/s x m2] [N] FW = 1063. 104 N Haltekraft : FH = FA + Fw IN) FH = 17718,4 + 1063,104 lN] FH = 18781. 504 N Arbeit : W = FH x 2 # r [Nm]W = 18781, 504 N x 125, 6 m [Nm] W = 2358956,902 Nm Leistung : P = W # # [W] P = 2358956, 902 x 0,2001 radis IM P = 472027, 2762 W/1000 P = 472. 027 kW Berechnungsbeispiel : Windgeschwindigkeit : 10 mis Auftrieb : FA = CA 0,5 # v2 b l [N] (b # l = A [m2]) FA = 1,0 x 0,5 x 1, 225/2 x 102 x 5,65 x 320 [kg/m3 x mis x m2] [N] FA = 55370, 0 N Widerstand : Fw= = Cw 0,5 # V2 b l [N] Fw = 0, 06 # 1,225/2 # 102 # 5, 65 x 320 lkg/m3 x m/s # m2] [N] Fw = 6644, 4 N Haltekraft : FH = FA + FW [N] FH = 55370, 0 + 6644,4 lN] FH = 62014. 4 N Arbeit : W = FH # 2# # r [Nm] W = 62014,4 N x 125,6 m lNm W = 7789008, 64 Nm Leistung : P = W # # [W] P = 7789008,64 Nm x 0,50253 radis P = 3914210,512 W / 1000 P = 3914,211 kW Berechnungsbeispiel : Windgeschwindigkeit : 20 m/s Auftrieb : FA = CA 0,5 # v2 b l [N] [b # l = A] (m2) FA = 1, 0 # 1,225/2 # 202 x 5, 65 # 320 [kg/m3 # m/s # m2] [N] FA = 442960 N Widerstand : Fw = Cw 0,5 # v2b l [N] Fw = 0, 06 x 1, 225/2 x 202 # 5,65 # 320 [kg/m3 # m/s # m2] [N] Fw = 26577. 6 N Haltekraft : FH = FA + Fw [N] FH = 442960 N + 26577,6 lN FH = 469537. 6 N Arbeit : W = FH x 2#r [Nm] W = 469537,6 N x 125, 6 m W = 58973922, 56 Nm Leistung : P = W # # [W] P = 58973922, 56 Nm # 1,00507 rad/s [W] P = 59272920, 35 W /: 1000 P = 59272,9204 kW