DD256169B5 - Windenergiekonverter - Google Patents

Description

Hierzu 5 Seiten Zeichnungen .,

Die Erfindung betrifft einen Windenergiekonverter ohne ein mechanisches Getriebe zur Umwandlung von Windenergie in

elektrische Energie. , , .

Seit Urzeiten nutzt die Menschheit die Windenergie und hat diese in sogenannten Windmühlen umgesetzt in mechanische Energie urn mechanische Arbeiten verrichten lassen zu können. In diesen Einrichtungen wurde über Windmühlenblätter, die auf einer Welle in einer Nabe gehaltert angeordnet sind und sich in axialer Richtung erstrecken, wobei sich diese Wind mühlenblätter gegen die Windrichtung durch Verstellung in der Nabe anstellen lassen, die Windenergie in eine mechanische Rotationsbewegung umgesetzt, wobei zur Nutzbarmachung dieser mechanischen Energie ein mechanisches Getriebe zur

Drehzahlerhöhung eingesetzt werden musste und wurde. .

Später wurde auf der Basis der Lehre der Physik festgestellt, dass die Drehzahl der Rotorwelle durch die zulässige Umfangs geschwindigkeit der Rotorblätter bestimmt wird, d.h. bei gleichbleibender Umfangsgeschwindigkeit ist mit der Vergrößerung

. des äußeren Durchmessers der Rotorblätter proportional eine Verkleinerung der Drehzahl des Rotors verbunden, um die zulässige Umfangsgeschwindigkeit nicht zu übersteigen. Hierdurch wurde der Einsatz eines Getriebes erforderlich. Diesem konstruktiven Vorbild der Ausnutzung der Windenergie in den sogenannten Windmühlen folgten im Prinzip und unter Beachtung der physikalischen Kenntnisse alle neuzeitlichen Einrichtungen zur Erzeugung von Elektroenergie durch die Windenergie mittels eines Windkonverters, wobei anfänglich der konstruktive Aufbau der Windmühlen beibehalten,wurde, allerdings auf einem höheren technischen Niveau aufgebaut. Die bekannten und zur Energieerzeugung einsetzbaren' Windkonverter sind mit einem Getriebe zwischen Elektrogenerator und aerodynamischen Rotor ausgerüstet. Sie werden allerdings !aerodynamisch nur im mittleren Leistungsbereich des Windes genutzt.

Aus dieser o.g. physikalischen Feststellung heraus ergibt es sich, dass zur Ausnutzung der Windenergie im hohen Leistungs bereich immer ein Getriebe eingesetzt werden musste, was zu großen Getriebeabmessungen und -massen führt und nur im kleinen Leistungsbereich des Konverters sich Getriebemassen ergeben, die kleiner als die der Generatoren sind. Aber schon : im mittlerem Leistungsbereich sind Getriebe aufzuwenden, deren Massen ein Vielfaches der des Generators betragen. Bei diesem mit einem Getriebe ausgerüsteten Windkonverter wirkt es sich deshalb negativ aus, dass die Ausnutzung von Windgeschwindigkeiten unter 5m/s wegen einer Getriebehemmung nicht möglich ist; und bei einer Windgeschwindigkeit über 15m/s eine Anbremsung der Welle des aerodynamischen Rotors erforderlich ist, um zu verhindern, dass die auftretende Um _r fangsgeschwindigkeit der Rotorblätter über das zulässige Maß hinaus ansteigt. Dabei muss die Einrichtung im Extremfall

• sogar stillgelegt werden.

Hierdurch können große Windenergiereserven nicht nutzbringend in einem Windenergiekonverter in eine andere Energieform umgesetzt werden. Diese Anforderung ist bei konventionellen Generatoren zwingend notwendig zu berücksichtigen, weil die

yDurchgangszahl schnell laufender Maschinen bei 1,6 bis 1,8 liegt. Zur Überwindung des Mangels, der in der Leistungs beschränkung und in den großen Getriebemassen von Windkonvektoren mit Getrieben besteht, sind Lösungen bekannt geworden, einen bisher auch in den mit einem Getriebe arbeitenden Windgeneratoren eingesetzten Elektrogenerator direkt durch einen aerodynamischen Rotor anzutreiben. Eine solche Lösung ist in der FR 806 292 beschrieben. Dieser getriebelose Windkonverter besteht aus einer fest mit einem drehbar um die Horizontale auf einem Mast angeordneten Schwenkkopf verbundenen Ankerachse mit der Rotorwicklung eines Generators, die sich in einer Horizontalen erstreckt. Drehbar auf dieser Ankerachse ist ein Generatorgehäuse gelagert, in dem die Statorwicklung angeordnet ist. Über einen mit der drehbar angeordneten Statorwicklung verbundenen Kollektor wird die induzierte Spannung abgenommen. Auf dem äußeren Mantel des Gehäuses, das die Statorwi.cklung trägt, sind die Rotorblätter angeordnet, wobei dieses Statorgehäuse als Rotornabe ausgebildet ist und in dieser die Rotorblätter verstellbar sind. Verallgemeinert beinhaltet diese Konstruktion den Versuch, einen Generator mit einem Antrieb über Rotorblätter einzusetzen, indem in Umkehr der gebräuchlichen Form der sonst angetriebene und drehbar angeordnete Rotor festgelegt wurde undder sonst üblicherweise feststehende Stator drehbar ausgeführt wurde. Dieses Konstruktionsprinzip zeigt aus mechanischer Sicht Probleme. Die fliegend gelagerte Ankerachse muss die gesamte Masse des Windkonverters aufnehmen und die Einspannung der Ankerachse im Schwenkkopf muss ein zusätzliches Moment aufnehmen, das sich aus,der Eigenmasse des Statorgehäuses einschließlich der Rotorblätter und der anstehenden Windlast ergibt. Außerdem ist durch die Konstruktion des Generators mit großen, um die Rotorachse sich drehenden Massen der Leistungsgröße des Generators eine Grenze gesetzt. Der Mangel dieses offenbarten getriebelosen Windkonverters führte dazu, dass dieser nur im Bereich kleiner Leistung einsetzbar ist und deshalb die Ausführung von Windenergiekonvertern ohne Getriebe in der Fachwelt verworfen wurde.

Nach der DE-PS 735 585 ist eine Windkraftmaschine mit zwei gleichachsig hintereinander angeordneten gegenläufigen, die beiden ringförmigen Wicklungssysteme eines elektrischen Stromerzeugers an je einem Ringgehäuse tragenden Windrädern bekannt Die gegenläufigen aerodynamischen Rotoren (Windräder) begründen den Nachteil, dass die Verdoppelung der Rotoren bei gleicher Windleistung den aerodynamische Widerstand vergrößert und infolgedessen zu einer Verringerung der Gesamtleistung des Konverters, bei gleichem oder auch ungleichem Rotordurchmesser der gegenläufigen Rotoren, führt. Auch muss der Generator gegenläufige Rotoren (oder Läufer) und Wicklungen aufweisen, die ohne Stator ausgeführt sein müssen und infolgedessen mit aufwendigen Schleifringen oder Kollektoren ausgerüstet werden. Die gleichen Nachteile treten auch bei den Windkonvertern. auf, die gemäß der FR 878 481 gleichachsig gelagerte, gegenläufig rotierende Windräder aufweisen, von denen, das eine Ende der Lagerachse eines der Windräder mit dem inneren Teil eines Stromerzeugers (Rotor) und das entsprechende Ende der Lagerachse des anderen Windrades mit dem äußeren Teil eines Stromerzeugers (Stator) fest verbunden ist. Auch hier führt die Verdoppelung der Rotoren bei gleicher Windleisturig zur Vergrößerung des aerodynamischen Wiederstandes und damit zu einer Verringerung der Gesamtleistung des Konverters, bei gleichem oder auch ungleichem Rotordurchmesser der gegenläufigen Rotoren. Auch muss der Generator gegenläufige Rotoren (oder Läufer) und Wicklungen aufweisen, die ohne Stator ausgeführt sein müssen und den Einsatz aufwendiger Schleifringe oder Kollektoren erfordern. Nach der GB 2 050 525 ist ein Erzeuger von Elektroenergie bekannt, der wahlweise die kinetische Energie des Windes oder die des Wassers nutzt. Auf den Anwendungsfall der Nutzung von Windenergie ähnelt diese in dieser Schrift offenbarte Lösung der nach der FR-PS 806.292 bekannten Lösung. Eine um eine feststehende Rotorwicklung drehbar angeordnete Statorwicklung ist in einem drehbar angeordneten Gehäuse angebracht, das mit Rotorblättern versehen ist. Diese Rotorblätter sind der Strömung von Luft oder wahlweise Wasser ausgesetzt.'wodurch bei einer anstehenden Beaufschlagung durch eine Luftströmung das mit Rotorblättern bestückte Statorgehäuse in Rotation versetzt wird. Diese-Lösung weist den bereits genannten Mangel auf, der der in der FR 806 292 offenbarten Lösung anhaftet, wodurch auch diese Lösung als Anregung für die Entwicklung eines getriebelosen Windenergiekonverters ausfällt. Ziel der Erfindung ist, entgegen derzeitiger Lehrmeinung, die getriebelose Ausführung eines Windenergiekonverters auch im mittleren und großen Leistungsbereich der Windkraftanlage für die Konvertierung des Windes zu realisieren und dabei insbesondere im Höchstlastbereich über 15 m/s Windgeschwindigkeit den Konverter ohne still zu stellen, zu betreiben; Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Windenergiekonverter zur Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie ohne Zwischenschaltung eines mechanischen Getriebes zu schaffen, wobei ringförmige Wicklungssysteme mit relativ kleinen Durchmessern einsetzbar sein sollen und auch bei mit geringer Drehzahl laufendem aerodynamischen Rotor eine ausreichende Relativgeschwindigkeit zwischen dem induzierenden und dem induzierten Wicklungssystem mit Sicherheit erreicht wird. Diese Aufgabe, einen auf einem Mast oder Turm angeordneten getriebelosen Windenergiekonverter, der mit verstellbaren Rotorblättern versehen ist, wobei diese mit dem rotierenden Teil des Elektrogenerators verbunden sind, zu entwickeln, wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale der Erfindung gelöst. Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig.1: einen getriebelosen Windenergiekonverter

Fig.2: eine Schnittdarstellung durch den erfindungsgemäß ausgebildeten getriebelosen Windenergiekonverter

Fig.3: Teilansicht eines dreiteiligen Generators mit P/3-Polversatz ,

Fig.4: Teilansicht nach Fig. 1 um 90° gedreht

Fig.5: eine Polanordriung - -

Fig.6: eine Bremseinrichtung · ,

Ein erfindungsgemäß ausgebildeter getriebeloser Windenergiekonverter 1 ist auf einer Mastkonstruktion,2 angeordnet. Dieser besteht aus einem mit Rotorblättern .3, die an Flügelarmen 3.1 befestigt sind, bestückten aerodynamischen Rotor 7,einem Stator 6 und aus einem Windenergiekonverter 1, wobei der Stator 6 mit einer Statorverkleidung 4.1, der aerodynamische Rotor 7 mit einer Rotorverkleidung 4.2 und der Windernergiekonverter 1 mit einem Konvertergehäuse 5 umschlossen sind. Zwischen der Statorverkleidung 4.1 und der Verkleidung 4.2 des aerodynamischen Rotors 7 ist das Konvertergehäüse 5, das den Stator 6 formschlüssig aufnimmt und mit Kühlblechen 5.2 versehen ist, eingebettet. Der Fachwelt ist der Aufbau eines Generators zur Energieumwandlung von mechanischer Leistung in eine elektrische Leistung im Prinzip bekannt. Dieses besteht darin, dass durch ein unter Aufwand einer mechanischen Leistung erzeugtes ro- · tierendesrnagnetisches Feld in den Wicklungen von in einem Stator angeordneten Spulen, die das rotierende magnetische Feld ,umschließen, eine Spannung induziert wird. In dem erfindungsgemäß ausgebildeten Windenergiekonverter 1 wird dieses Prinzip mittels eines Vielpolgenerators mit einer Polzahl, die leistungsabhängig ist, verwirklicht. Innerhalb eines Stators , 6, der mit den für den Generatorbetrieb bekannten Spulen mit den erforderlichen Statorwicklungen 6.1; 6.2; 6.3 versehen ist, ist ein speziell ausgebildeter elektrodynamischer Rotor 7, der die Spulen mit den Rotorwicklungen 7:1; 7.2; 7.3 aufnimmt, drehbar angeordnet. Mit dem elektrodynamischen Rotor 7 sind zur Aufnahme der Flügelblätter 3 Flügelarme 3.1 verbunden. Der Rotor 7 ist mit einer Konverterachse 8 fest verbunden und diese ist über mindestens zwei Lager Ll und L2 im Kpnvertergehäuse 5 fliegend gelagert, wobei die Lager L1 und L2 in einer Lagerhülse 5.1, die mit dem Konvertergehäuse fest verbünden ist; angeordnet sind. Die im Konvertergehäuse 5 mittig angeordnete 5.1 dient der Lagerung der Konverterachse 8, durch die eine zentrale Stellstange 9 zur Beaufschlagung der Flügelarme 3.1 mit einer Stellkraft geführt ist. Auf der Konverterachse 8 ist der elektrodynamische Rotor 7 des Generators angeordnet und die Flügelarme 3Λ sind in dieser Konverterachse 8 um ihre eigene Achse drehbar gelagert angeordnet. Die Bestätigung einer zentralen Stellstange 9 für die Verstellung der Flügelarme 3.1 wird über ein Gewindestangengetriebe bewirkt. Dabei wird die Stellstange 9 axial bewegt, und diese Bewegung wird über Gelenke 9.1 und 9.2 und Stellstangen 9.3 in eine Drehbewegung für die Verstellung der Flügelarme 3.1 umgesetzt. Damit wird der Anstellwinkel der Rotorflügel 3 verändert. Zur Übertragung der Stellkraft ist eine Stellkupplung 10 vorgesehen, die über eine axial verstellbare und radial hemmungslose Verbindungsstelle 10.1 mit der zentralen Stellstange 9 in schlüssiger Verbindung steht. Je nach Drehrichtung des Motors 10.3 wird über die als Gewindestück ausgebildete Stellkupplung ^O und eine Gewindestange 10.2 die zentrale Stellstange 9 hin-oder herbewegt. In Fig. 5 ist in einem Teilschnitt die Konverterachse 8 mit dem Rotor 7 und einem Flügelarm 3.1 dargestellt. In dieser Ausführung sind koaxial zur Konverterachse 8 drei einphasige Rotorwicklungen 7.1; 7.2; 7.3 um P/3 Polabstand gegeneinander versetzt in einem Rotor 7 angeordnet. In Fig. 5 ist die radiale Anordnung der Nuten und Pole zu Fig. 3 um

verdreht dargestellt. Diese Anordnung hat mehrere Vorteile gegenüber bekannter Technik. Die Erregung von den Rotorwicklungen 7.1; 7.2 und 7.3 kann unabhängig voneinander geschaltet und geregelt werden und diese Ausführung gestattet in weiten Grenzen eine Leistungsanpassung. DerDurchmesser des Generators kann bei gleicher Polzahl und Leistung und beispielsweiser dreiphasiger Ausführung durch die Aufreihung der Rotorwicklungen 7.1; 7.2; 7.3 sehr klein gehalten werden. Es können auch 4 und mehr Rotorwicklungen in einem Rotor 7 um einen entsprechenden Polversatz, der der Anzahl der Rotorwicklungen entspricht, versetzt angeordnet werden.

Für das Stillsetzen ist nach Fig. 3 eine Bremseinrichtung 11 vorgesehen. Sie ist im Konvertergehäuse 5 über Führungen 11.5 gehemmt radial eingepasst und besteht aus der Bremsscheibe 11.1 mit Bremsbelag 11.2: permanenten. Magneten 11.3 und Steuerspulen 11.4, wobei letztere im Wirkbereich der Bremsscheibe 11.1 um die Konverterachse 8 verteilt sind. In Fig. 6 ist der Luftspalt b der Generatorteile 6 und 7 konisch ausgeführt. Durch axiale Verschiebung des Rotors gegenüber dem Stator,, wird eine Bremseinrichtung von hoher Wirksamkeit realisiert. Diese Einrichtung gestattet auch eine Leistungsänderung mit Hilfe der Luftspaltänderung b. Wird der Luftspalt gegen 0 verändert, tritt Zwangsbremsung ein. Der Stator 6.1 ist segmentartig ausgeführt bzw. besteht aus mehreren Segmenten. . .

Claims (13)

1. I. Getriebeloser Windenergiekonverter mit einem auf einem Mast oder Turm angeordneten Elektroenergiegenerator und mit verstellbaren Rotorblättern, wobei diese mit dem rotierenden Teil des Elektroenergiegenerators verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektroenergiegenerator als ein Vielpolgenerator mit einer leistungsabhängigen Anzahl von Polen . versehen ausgebildet ist und ein elektrodynamischer Rotor (7) des Vielpolgenerators mit einem aerodynamischen Rotor, der Rotorblätter (3) trägt, auf einer gemeinsamen Konverterachse (8) angeordnet ist. , . ,

   2: Getriebeloser Windenergiekonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vielpolgenerator einen elektrodynamischen Rotor (7) aufweist, der mit einer Anzahl von 6 bis 1000 Polen versehen ist.

   3. Getriebeloser Windenergiekonverter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vielpolgenerator für kleine Leistungen einen elektrodynamischen Rotor (7) mit von 6 bis 30 Polen, für mittlere Leistungen einen mit 30 bis 100 Polen und für größe Leistungen einen mit 100 bis 1000 Polen aufweist.
2. 4. Getriebeloser Windenergiekonverter nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, ' dass in der Konverterachse (8) eine der Übertragung von Verstellmomenten für die Rotorblätter dienende Stellstange (9) vorgesehen ist.
3. 5. Getriebeloser Windenergiekonverter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellstange (9) über ein aus Gelenken (9.1; 9.2) und aus Stellstange (9.3) bestehendes kinema tisches Getriebe mit den die Rotorblättertragenden Flügelarmen (3.1) verbunden ist.
4. 6. Getriebeloser Windenergiekonverter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellstange (9) mit einem dieselbe antreibenden elektrischen Stellmotor (.10.3) verbünden ist.
5. 7. Getriebeloser Windenergiekonverter nach Anspruch T₁dadurch gekennzeichnet, dass dem, Vielpolgenerator des Windenergiekonverters eine die Spannung und Frequenz steuernde Fest körperelektrpnik zugeordnet ist.
6. 8. Getriebeloser Windenergiekonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf die Konverterachse (8) wirkende Bremseinrichtung (11), die mit Permanent-Magneten ausgestattet ist, vorgesehen ist.
7. 9. Getriebeloser Windenergiekonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konverterachse (8) waagerecht gegenüber der senkrecht stehenden Achse der Mastkonstruktion/ Turrrj (2) auf der Turmspitze derselben schwenkbar windrichtungsabhängig angeordnet ist. .
8. 10. Getriebeloser Windenergiekonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der auf der Mastkonstruktion (2) angeordnete Windenergiekonverter, bestehend aus dem elektrodynamischen Rotoir (7) des Vielpolgenerators und dem Rotorblätter (3) tragenden aerodynamischen Rotor, der mit dem elektrodynamischen Rotor (7) eine Baueinheit bildet, mit einer Statorverkleidung (4.1), einer Rotorverkleidung (4.2) und mit einem Konvertergehäuse (5) umschlossen ist. ,

   I1. Getriebeloser Windenergiekonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (6) von dem Konvertergehäuse (5) umschlossen ist, wobei dieses mit dem Stator (6) formschlüssig

   • verbünden ist. .
9. 12. Getriebeloser Windenergiekonverter nach Anspruch (1), 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Konvertergehäuse (5) mit Kühlblechen 5.2 versehen ist.
10. 13. Getriebeloser Windenergiekonverter nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, dass der elektrodynamische Rotor (7) aus einer mit der Konverterachse (8) verbundenen Nabe, aus einem, mindestens eine Erregerwicklung (7.1) tragenden und koaxial zu der Konverterachse (8) angeordneten Radkranz und aus einem, die Nabe und den Radkranz verbindenden scheibenförmigen Teil besteht, wobei die Erregerwicklung (7.1) statorseitig im Radkranz angeordnet ist.
11. 14. Getriebeloser Windenergiekonverter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrodynamische Rotor (7) statorseitig mit mehreren Erregerwicklungen (7.1; 7.2; 7.3) versehen ist, wobei diese in dem statorseitig als ringförmigen Teil ausgebildeten Radkranz des elektrodynamischen Rotors (7) angeordnet sind.
12. 15. Getriebeloser Windenergiekonverter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die statorseitig angeordneten Erregerwicklungen (7.1; 7.2; 7.3) koaxial mit gleichem Achsabstand zur Konverterachse (8) parallel zu einander vorgesehen sind und der Anzahl der Erregerwicklungen (7.1; 7.2; 7.3) korrespondierend eine entsprechende Anzahl von Statorwicklungen (6.1; 6.2; 6.3) vorgesehen sind. : , '..
13. 16. Getriebeloser Windenergiekonverter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe des elektrodynamischen Rotors (7) gegenüber der Konverterachse (8) einen sich axial erstreckenden Flansch aufweist, der einseitig mit dem scheibenförmigen Teil des elektrodyna mischen Rotors (7) verbunden ist und andererseits für die Aufnahmen der Rotorblätterachsen (3.1) ausgebildet ist. , . · .,..-.