Einsatz von Feder zur Speicherung der kinetischen
Energie und
zur Regelung der Drehzahl als Ersatz vom Getriebe
Stand der Technik
Bei den traditionellen Windkraftanlagen wird die kinetische Energie des Windes direkt in die elektrische Energie umgewandelt. Mittels der Kraftwirkungen von Bewegungsenergie der Windströmung auf die Rotorenblätter wird die Rotationsachse der Windturbine in die Drehbewegung versetzt. Die Rotationsachse gibt die Rotationsenergie an einen Generator weiter, welcher dort in elektrischen Strom umgewandelt wird. Der Nachteil von dieser Technologie besteht darin, dass die Windenergie nicht zwischengespeichert wird und beim Windstill kein elektrischer Strom erzeugt werden kann. Es existieren Bemühungen, um die Windstillzeit zu überbrücken, z.B. durch den Einsatz vom Schwungrad, durch die Batteriespeicherung oder den Backup-Dieselgenerator.
Es gibt auch Intention mittels Windturbine statt elektrischen Strom die Druckluft zu erzeugen und zu speichern, um mit dieser Druckluft wieder elektrischen Strom zu erzeugen. Alle dieser Lösungen haben aber auch Nachteile wie zum Beispiel erhöhter Platzbedarf (z.B. beim Einsatz vom Schwungrad), Umweltverschmutzung (z.B. beim Einsatz von Dieselgeneratoren und Akkubatterie) und Energieverlost (z.B. Wärme-Entwicklung bei Verdichtung der Luft).
Patentbeschreibung
Diese Erfindung betrifft eine neue Art von Windkraftanlage, bei der eine beliebige Anzahl von Federsätzen eingesetzt werden kann um die kinetische Energie der Windkraft in die potenzielle Energie umzuwandern und zu speichern. Die gespeicherte Energie kann dann unabhängig von aktuellen Windaktivitäten wieder kontrolliert und gleichmässig freigesetzt werden.
Unterschiedlich zu anderen Windkraftanlagen mit Federspeicherung, bei den die Federsätze entweder einzeln oder paarweise eingesetzt werden können, besitzt diese Art von Windkraftanlage jeweils an der Auflade- und Entladeseite eine durchgehende Aufladekontrollwelle (4) und eine durchgehende Entladekontrollwelle (5), an den Ritzel (6, 7, 8, 26, 27, 28) angebracht sind, um die Verbindung der Kraftübertragung von der Aufladewelle (35) zu einzelnem Federsatz (9, 10, 11) und von einzelnem Federsatz (9, 10, 11) zu der Entladewelle (36) zu kontrollieren, sodass beliebige Anzahl von Federsätzen angebracht werden kann. Somit kann diese Art von Windkraftanlage je nach örtlichen Wetterstatistikdaten, z.B. durchschnittliche Dauer der Windstillzeit, mit unterschiedlicher Anzahl von Federsätzen bestückt werden, um die Windstillzeit zu überbrücken.
Dies erhöht die Wirtschaftlichkeit solcher Anlagen.
Bei dieser Art von Windkraftanlage wird der Generator ausschliesslich von der Entladewelle (36) angetrieben. Die gespeicherte Energie wird auch nicht wieder an den Rotor (1) abgegeben, um diesen bei niedriger Windgeschwindigkeit anzutreiben.
Bei erster Inbetriebnahme werden die Federsätze zuerst aufgeladen. Figure 1 zeigt den Zustand, bei dem der erste Federsatz (9) über das an der Aufladekontrollwelle (4) angebrachte Ritzel (6) aufgeladen wird, während andere Federsätze noch leer sind und der Generator noch nicht angetrieben wird.
Während der Betriebszeit werden die Federsätze beim aktiven Wind wechselnd aufgeladen. Es bleibt immer ein Federsatz, der vorhin aufgeladen ist, im Entladezustand und betreibt den Generator über die Entladewelle (36). Figure 2 zeigt Federsatz 1 (9) im Entladezustand und über das an der Entladekontrollwelle (5) angebrachte Ritzel (26) an die Entladewelle (36) angekoppelt ist während Federsatz 2 (10) im Aufladezustand ist. Figure 3 zeigt Federsatz n (11) im Aufladezustand während Federsatz 1 (9) im Entladezustand.
Während Aufladen eines Federsatzes wird das Blocksystem (15, 16, 17) an der Entladeseite der Federsatzachse aktiv. Dabei wird eine Entladung der gespeicherten Energie verhindert, das Ritzel (26, 27, 28) an der Entladekontrollwelle (5) zur Entladewelle (36) ist auch entkoppelt. An der Aufladeseite des Federsatzes wird das Blocksystem (12, 13, 14) deaktiviert und das Ritzel (6, 7, 8) an der Aufladekontrollwelle (4) zur Aufladewelle (35) angekoppelt. Die Rotationsbewegung des Rotors (1) wird, statt gleich den Generator anzutreiben, über ein Kraftübertragungssystem (3) an die Aufladewelle (35) übertragen, die wiederum über das Ritzel (6, 7, 8) an die Aufladensachsel (12, 13, 14) des Federsatzes übertragen wird. Dadurch wird der Federsatz aufgeladen und die kinetische Energie in potenzielle Energie umgewandelt und gespeichert.
Ist ein Federsatz vollständig aufgeladen, kann die gespeicherte potenzielle Energie unabhängig von momentanen Windaktivitäten wieder kontrolliert freigesetzt werden. Während Entladen eines Federsatzes wird das Blocksystem (12, 13, 14) an der Aufladeseite des Federsatzes aktiviert und das Ritzel (6, 7, 8) an der Aufladekontrollwelle (4) zur Aufladewelle (35) entkoppelt. An der Entladensseite wird das Blocksystem (15, 16, 17) deaktiviert und das Ritzel (26, 27, 28) an der Entladekontrollwelle (5) zur Entladenswelle (36) angekoppelt. Durch Freisetzen der gespeicherten potenziellen Energie wird die Federsatzachsel an der Entladensseite (15, 16, 17) in Rotationsbewegung gesetzt. Über das Ritzel (26, 27, 28) wird die Rotationsbewegung an die Entladenswelle (36) über tragen.
Das Drehzahlkontrollsystem (29) kontrolliert die Drehung der Entladenswelle (36), sodass die im Federsatz gespeicherte Energie kontrolliert und mit konstanter Geschwindigkeit freigesetzt wird. Über das Kraftübertragungssystem zum Generator (30) wird der Generator mit gewünschter und konstanter Drehzahl unabhängig von momentanen Windaktivitäten angetrieben. Dadurch ist ein Einsatz vom Getriebe, das die Drehzahl des Generators abhängig von Windgeschwindigkeit automatisch regelt, oder eine Umwandlung der Stromfrequenz wie bei den traditionellen Windturbinen nicht mehr notwendig.
Somit kann das Windkraftwerk mit solcher Windkraftanlage auch während der Windstillzeit elektrischen Strom erzeugen. Um längere Windstillzeit zu überbrücken, können mehrere Federsätze eingesetzt werden.
Im Falle alle eingesetzten Federsätze aufgeladen sind, kann die Kraftübertragung von der Rotationsachse (2) zu Windkraftübertragungssystem (3) mittels der Koppelungund Bremseinrichtung (33) entkoppelt werden.
Diese Art von Windkraftanlage besteht hauptsächlich aus folgenden Komponenten: o Mindestens ein Rotorenblatt (1) wie bei den traditionellen Windturbinen, das die Windkraft in Rotorenbewegung umwandelt. o Eine Rotationsachse (2) wie bei der traditionellen Windturbine, die die von Rotorenblättern erzeugte Rotationsbewegung (die Windkraft) überträgt. o Eine Kopplung- und Bremseinrichtung (33), die die Verbindung zwischen der Rotationsachse (2) und dem Windkraftübertragungssystem (3) unterbricht, wenn alle Federsätze aufgeladen sind oder während der Wartungsarbeit. o Ein Windkraftübertragungssystem (z.B.
Zahnräder- und Lagersatz) (3), der die Rotorenbewegung der Rotationsachse zu der Aufladewelle (35) überträgt. o Eine Aufladewelle (35), die an einer Seite über das Windkraftübertragungssystem (3) mit der Rotationsachse (2) verbunden ist. o Zu jedem Federsatz (9, 10, 11) wird ein Aufladenskraftübertragungselement (24) (z.B. Zahnrad) an diese Aufladewelle angebracht, um die Rotationsenergie zu dem Federsatz zu übertragen. o Eine durchgehende Aufladekontrollwelle (4), an die beliebige Anzahl von Ritzeln (6, 7, 8) angebracht werden können, sodass beliebige Anzahl von Federsätzen in diesem System eingebracht werden können. o Zu jedem Federsatz (9, 10, 11) wird ein Ritzel (6, 7, 8) an der Aufladekontrollwelle (4) angebracht, um die Kraftübertragung von Aufladewelle (35) zu einzelnem Federsatz (9, 10, 11) zu aktivieren oder zu deaktivieren.
Die Ritzel werden von einer Steuereinheit, die sich in dem Kontroll- und Switchbox (32) befinden kann, gesteuert. Ist ein Federsatz aufzuladen, wird es die Verbindung zwischen dem Aufladenskraftübertragungselement (24) der Aufladewelle (35) und dem Federaufladenskraftübertragungssystem (18, 19, 20) herstellen. Somit wird die Windkraft zu dem Federsatz übertragen, und der Federsatz kann aufgeladen werden. Ist ein Federsatz fertig aufgeladen, wird die Kraftverbindung zwischen Aufladewelle (35) und Federaufladenskraftübertragungssystem (18, 19, 20) wieder unterbrechen. o Mindestens ein bis beliebige Anzahl von Federsätzen (9, 10, 11) zur Umwandlung der kinetischen Energie in die potenzielle Energie und zur Speicherung dieser potenziellen Energie. o Blocksystemen (12, 13, 14, 15, 16, 17), die an beiden Seiten eines Federsatzes angebunden sind.
Die Blocksysteme werden von einer Steuereinheit, das sich in dem Kontroll- und Switchbox (32) befinden kann, gesteuert und dienen dazu, die Drehung der Federsatzachse zu verhindern oder zuzulassen. Wird ein Federsatz aufgeladen (wie bei dem ersten Federsatz (10) in Fig. 1), wird das Blocksystem auf der Aufladensseite (12) deaktiviert, somit die Kraftübertragung von Aufladewelle (35) zu dem aufzuladenden Federsatz nicht blockiert wird.
Während der Aufladenszeit eines Federsatzes soll das Blocksystem auf der Entladeseite (15) aktiviert werden, damit die aufgeladene Energie nicht gleichzeitig wieder entladet wird. o Zu jedem Federsatz (9, 10, 11) sind Federaufladenskraftübertragungssystem (18, 19, 20) und Federentladenskraftübertragungssystem (21, 22, 23), das die Kraft über Ritzel von Aufladewelle (35) zum Federsatz bzw. vom Federsatz zur Entladewelle (36) überträgt. o Zu jedem Federsatz ein Ritzel (26, 27, 28) an der Entladeseite an der durchgehenden Entladekontrollwelle (5) angebracht, um die
Kraftübertragung von Federsatz (9, 10, 11) zu Entladewelle (36) zu aktivieren oder zu deaktivieren. Es wird von einer Steuereinheit, die sich in dem Kontrollund Switchbox (32) befinden kann, gesteuert. Ist ein Federsatz zu entladen, wird das Ritzel die Verbindung zwischen dem Entladenskraftübertragungselement (25) der Entladewelle (36) und dem Federentladenskraftübertragungssystem (21, 22, 23) herstellen. Somit wird die in dem Federsatz gespeicherte Energie entladen und die dadurch entstandene Drehkraft zu dem Generator (31) geleitet. o Eine Entladewelle (36), die den Generator (31) über ein Kraftübertragungssystem (30) oder direkt antreibt. o Jeweils ein Entladenskraftübertragungselement (25) zu jedem Federsatz (9, 10, 11), das an der Entladewelle (36) montiert ist. o Ein Drehzahlkontrollsystem (29), das die Drehzahl der Entladewelle (36) kontrolliert.
Das Drehzahlkontrollsystem kann von einer Steuereinheit in dem Kontroll- und Switchbox (32) gesteuert werden und gewährleistet, dass der Generator unabhängig von Windaktivitäten mit einer konstanten und konfigurierbaren Drehzahl angetrieben wird.
Mit dieser Erfindung kann eine neue Art von Windkraftanlage bei den Windkraftwerken eingesetzt werden, bei denen:
Auch während der Windstillzeit elektrischer Strom erzeugt werden.
Kein Getriebe (Gearbox) benötigt um den Generator mit konstanter Drehzahl anzutreiben.
Kein zusätzlicher Platz benötigt, weil die Federsätze in dem Gundel der Windkraftanlage eingebaut sind. Die Federsätze mit variabler Anzahl je nach örtlicher Windsituation eingesetzt werden können.
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1) Rotorenblätter
2) Rotationsachse
3) Windkraftübertragungssystem zur Übertragung der Rotorendrehung zu Aufladenswelle
4) Aufladekontrollwelle
5) Entladekontrollwelle
6, 7, 8) Ritzel zum Aufladen des Federsatzes
9) Federsatz No. 1
10) Federsatz No. 2
11) Federsatz No. n
12, 13, 14) Federsatzachse mit Blocksystemen an der Aufladensseite vom Federsatz 15, 16, 17) Federsatzachse mit Blocksystemen an der Entladensseite vom Federsatz 18, 19, 20) Federaufladenskraftübertragungssystem 21, 22, 23) Federentladenskraftübertragungssystem
24) Aufladenskraftübertragungselement
25) Entladenskraftübertragungselement
26, 27, 28) Ritzel zum Entladen des Federsatzes
29) Drehzahlkontrollsystem
30) Kraftübertragungssystem zum Betreiben des Generators
31) Generator
32) Kontroll- und Switchbox
33, 34) Kupplung- und Bremseinrichtung
35) Aufladewelle
36) Entladewelle