DD268741A1

DD268741A1 - Windenergiekonverter fuer energieversorgungssystem

Info

Publication number: DD268741A1
Application number: DD87310071A
Authority: DD
Inventors: Gerd Otto
Original assignee: Gerd Otto
Priority date: 1987-12-08
Filing date: 1987-12-08
Publication date: 1989-06-07

Abstract

Der Windenergiekonverter fuer Energieversorgungssysteme dient vorzugsweise der Konvertierung der Windenergie in speicherbare chemische Energie ueber die Interimsenergie - Elektrizitaet -. Mit der Erfindung ist die Substitution der oekologisch belastenden fossilen und be- und entsorgungsgefaehrlichen nuklearen Energietraeger beabsichtigt. Es ist Ziel der Erfindung, den Realisierungsaufwand fuer Windenergiekonverter weitgreifend zu vereinfachen, weil fuer die Windenergienutzung die Elektrizitaet die zweckmaessigste Interimsenergie zur Herstellung und Speicherung von Wasserstoff ist, die hierzu erforderlichen Elektrolyse- und Speicheraggregate hochoekonomische Loesungen voraussetzen, obwohl die Wasserstoff-Synthese ueber fossile oder nukleare Energietraeger wesentlich aufwendiger ist. Es ist Aufgabe der Erfindung, Rotorfluegel und Rotornabe eines Windenergiekonverters mit einem Zentralrad eines zwischen Rotor und Generator angeordneten Getriebes so auszufuehren, dass auf konstruktive Baugruppen verzichtet werden kann und der Windenergiekonverter zu einer Realisierungseinheit fuehrt, die besonderen technischen Aufwand fuer Chassis und Kanzel eruebrigt und dadurch die Energieumsetzung wesentlich vereinfacht. Diese Aufgabe wird dadurch erfuellt, dass die Rotornabe nicht nur die Rotorfluegel traegt, sondern ausserdem mit einem Zentralrad eines Getriebes versehen ist und so die Windkraft ueber die Rotornabe direkt auf die Generatorwelle uebertraegt und das Generatorgehaeuse gleichzeitig Kanzel ist. Fig. 2

Description

Titel

Windenergiekonverter für Energieversorgungssystem Anwendungegebiet

Die Erfindung betrifft einen Windenergiekonverter für Ehergieversorgungssysteme zur Nutzung der Priraärenergie Wind und Bereitstellung von speicherbarer chemischer Energie Ober die Interimsenergie Elektrizität zur Substitution der ökologisch belastenden fossilen Energieträger bzw· der be- und entsorgungsgefährlichen nuklearen Energieträ-IO

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die derzeitig bekannten Windenergiekonverter können die konventionellen Energieversorgungseinrichtungen nur mit erhöhtem Erstellungsaufwand ersetzen. Obwohl die Windsnergieumsstzung nach ca· 5 Oahren einen geringeren Kostenaufwand als die fossile Energiebereitstellung nachweist und die nukleare Energieversorgung höhere Kosten als diese verursacht« sind die relativen Investkosten von Windenergieanlagen weiterhin zu verringern und zwar insbesondere deswegen, weil die Umweltschädigungen der fossilen oder nuklearen Energienutzung weder zu Lasten derselben gerechnet werden, noch zu Gunsten der Windenergienutzung ins Kalkül gebracht wird, obwohl sie relativ umweltbelastungsfrei genutzt werden kann.

Charakteristisch für Windenergieanlagen ist, daß Getriebe verwendet werden, die als gesonderte Baugruppe auf einem Chassis mit den Generatoren montiert sind. Dieser technische Aufwand belastet den statischen Aufwand einschließlich Turm und belastet folgedessen den Investitionsaufwand· Es ist auch vorgeschlagen worden, die Rotornabe mit einem Zahnkranz zu versehen, und die Generatoren dezentral anzuordnen, die erreichbaren Untersetzungen sind begrenzt und insbesondere für Großanlagen nicht befriedigend. Auch die vorgeschlagenen getriebefreien Windenergie-

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korwerter haben noch keine ausreichenden Realisierungen gebunden, insbesondere deswegen, weil mit der Erhöhung der Polzahl auch eine Vergrößerung des elektrischen Aufwandes verbunden ist«

5 Oie Verwendung von kommerziellen Getriebemotoren, als Generatoren betrieben, erübrigt nicht eine besondere Rotornabe, Kupplung und Chassis.

Ziel der Erfindung Ziel der Erfindung ist es, den elektrischen Energieumset-

zer mit dem Windenergieumsetzer über Getriebeteile so zu einer Einheit zusammenzufügen, daß besonderer technischer Aufwand, wie Chassis, Kupplungen etc. und die gesonderte Gestaltung und Aueführung der Kanzel entfallen. Diese Zielstellung wird gegenüber dem bekannten technischen Stand von Windenergiekonvertern dadurch erzielt, daß auf einer Achse ohne Kupplung der Windenergieumsetzer mit dem Generator vereinigt wird, indem das Gehäuse des Generators die Kanzel bildet und in der auf seiner Achse rotierenden Rotornabe das Getriebe und die Rotorflügel Aufnahme finden.

Insbesondere ist es Ziel der Erfindung, einen Konverter bereitzustellen, der geeignet ist, die Windenergie über die Interimsenergie - Elektrizität - in chemische Energie umzusetzen, nämlich Wasserstoff, der bekanntlich ein hervorragender Energieträger gegenwärtig und insbesondere zukünftig sein wird/ Mit der gegenwärtigen C-Wirtschaft und den nuklearen Kraftwerken ist die H-Syηthese aufwendiger als chemische C-Verfehren, diese aber sind aufwendiger als Elektrolyse über die Windenergiekonvertierung, womit erklärbar ist, daß die Η-Wirtschaft nur über C-freie oder aufbereltungsenergiefreie Energiegewinnung möglich wird.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Windenergienutzung über die Interimsenergie-Elektrizität ist dadurch gekennzeichnet, daß die Generate- irehzahl wegen der EVS-Frequenz konstant zu halten ist, die Rotation des Konverters hingegen ist progressiv leistungsabhängig·

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Mit steigender Leistung der Windenergieumsetzer verringert sich deren Drehzahl; daraus folgt im KW-Bereich 10-80 U/min im MW-Bereich 3-20 U/min, günstige Drehzahlumsetzungen liegen folglich im KW-Bereich bei i « 10 bis 70 jnd im MW-Bereich bei i = 70 - 200, diese Obersetzungen sind vorzüglich mit Umlaufgetrieben zu realisieren. Für den MW-Bereich bieten sich die Wellgetriebe an, eine Realisierung ist jedoch noch nicht bekannt geworden« Realisiert wurden jedoch schon Windenergiekonverter mit

Planetengetrieben als gesonderte Baugruppe·

Im Wesen der Erfindung liegt es, den besonderen Getriebeaufwand abzubauen und den mehrmaligen durch gesonderte Getriebe bedingten technischen Energieumsatzaufwand zu vermeiden* Um dieses Ziel zu erreichen, wird die in herkömmliehen Windenergieanlagen ebenfalls als Baugruppe gesondert gefertigte und aufgebaute Rotornabe mit einem Innenzahnkranz versehen und als Zentralrad eines Getriebes in ihr angeordnet. Die so gestaltete Rotornabe wird nun zwischen 2 Lagerstellen auf derselben Achse des Generators und an seinem Gehäuse vereinigt, daß die Windkraftübertragung über die nun verzahnte Rotornabe auf dieselbe Achse des Generators ohne besonderen Chassisaufwand erfolgt. Durch konstruktive Gestaltung der Erfindung wird erreicht, daß die Rotornabe einmal der Aufnahme der Windenergieumsetzorgane, nämlich den Rotorflügeln dient und zum anderen über das in der Rotornabe zentral angeordnete innen verzahnte Zentralrad die Leistung des Windes auf die Generatorachse durch beispielsweise Planetenräder oder Schwingrad bzw. elastischem Rad übertragen wird. Desweiteren wird

3Q die zentrale Welle dieser Anordnung als Hohlwelle ausgeführt, in der eine zentrisch gelagerte Stellstange radial und axial freibeweglich angeordnet ist, die in bekannter Art die Rotorflügel auch während der Rotation der Nabe um maximal 90° axial über eine Stelleinrichtung mittels Stell* antrieb drehzahlabhängig steuern. Diese drehzahlabhängige aerodynamische Steuerung ermöglicht den Verzicht auf eine Bremseinrichtung, weil mittels dieser Stelleinrichtung die Anstellwinkel der Rotorflügel so verändert werden können,

daß eine konstante Leistung an der zentralen Welle des Konverters ansteht·

Insbesondere wird die Erfindung jedoch dadurch realisiert, daß die innerhalb der Rotornabe angeordneten Getriebetei-Ie einerseits in ihr selbst und andererseits der Kanzel zugeordnet sind, so daß wesentliche konstruktive Maßnahmen der Leistungsübertragung, wie besonderer Gehäuseaufwsnd und Kanzelaueführungen oder Kupplungen und Chassis entfallen.

Im Wesen der Erfindung liegt es, insbesondere auch deswegen eine weitgreifende Vereinfachung des Realisierungsaufwandes für Windenergiekonverter zu finden, weil für die Windenergienutzung die Elektrizität die zweckmäßigste Interimsenergie zur Herstellung von Wasserstoff ist· Die hierzu erforderlichen Elektrolyseeinrichtungen und Speicheraggregate jedoch einen zusätzlichen Aufwand darstellen und so die Windenergienutzung belasten« muß auch die Primärkonvertierung des Windes hoch ökonomisch erfolgen, obwohl Wasserstoff über Windenergie zu erzeugen, mehrfach kostengünstiger ist, als hierfür konventionelle Energieträger zu verwenden·

Ausführungsbei&piel Anhand von Zeichnungen wird die Realisierung erläutert·

Fig. 1 Windenergiekonverter mit Planetenrädern Flg. 2 Windenergiekonverter mit Elastrad

In Fig. 1 ist dargestellt, daß auf dem Turm 1 die Kanzel 2 um die vertikale Achse drehbar aufgesetzt ist und ohne besonderen Kanzelaufwand die Generatorteile 6*1 bis 6.rv oeinhaltet, indem das Generatorgehäuse selbst die Kanzel bildet« Die zentrale Welle 7 des Konverters rotiert in den Lagern 9.1 und 9.2 und ist außerdem tragende Welle der Rotornabe mit ihren Lagern 8.1 und 8.2 in selbiger Achslage. Die Kanzelfront 4 dient der Verringerung des Luftwiderstandes und der Aufnahme des Stellantriebes 18, der über die

Stellstange 17 und einer Stelleinrichtung 16 mit den Flügel-

armen, die in die Rotornabe 3 axial drehbar eingelassen sind, in beweglicher Verbindung steht· Der Zahnkranz IO des Zentralrades ist Bestandteil der Rotornabe 3 und so konzentrisch angeordnet, daß über Planetenritzel 11 und Zentralritzel 12 die Windkraft auf die gemeinsame zentrale Welle 7 übertragen wird. In dieser Ausführung sind die Planetenritzelwellen 13 in das Generatorgehäuse eingesetzt, das Teil der Kanzel 2 ist und auch das Nabenlager 8.2 trägt* Durch die erfindungsgemäße Realisierung ist die Außenwand der Kanzel gleichzeitig Generatorgehäuse, weshalb die Kühlrippen 19 mit der Rotornabe und dem Front- und Heckteil 5 eine stromlienige Einheit bilden, ohne besonderen zusätzlichen Verkleidungsaufwand bekannter Windenergiekonverter.

In Fig· 2 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, das insbesondere im MW-Bereich Anwendung finden kann· In dieser Ausführung wird ein innerhalb der Rotornabe 3 befindliches Zentralradgetriebe verwendet, das in einer Getriebestufe Obersetzungen von i = 70 bis i = 300 realisiert· Grundelemente dieser Ausführung sind Teile von Wellgetrieben aber auch Starradgetriebe mit einer Zähnezahldifferenz von 1 bis 3 Zähnen·

Anhand der Fig· 2 wird ein Windenergiekonverter erklärt, der äußerlich der Ausführung nach Fig* 1 gleicht« Auch hinsichtlieh der Rotornabe 3 kann das Zentralrad 20 dem Zentralrad 10 gleichen. Auch sind die Getriebeteile einerseits mit der Kanzel 2, andererseits mit der Rotornabe 3 verbunden und die Kraftübertragung wird in an sich bekannter Art für Wellgetriebe vorgenommen, in dem ein sogenanntes elastisches Rad 21 mit dem Zentralrad 20 in Eingriff steht und über die Lagerung 23 der Wellgenerator 22 die Windleietung direkt auf die Welle 7 überträgt, die in den Generatorteilen 6.1 6.η in elektrische Energie umgesetzt wird· Gegenüber dem bekannten Stand der Technik wird kein besonderes Getriebegehäuse verwendet, sondern das Zentralred 20 in der Rotornabe 3 des Windenergiekonverters fest eingefügt und in derselben Nabe auch die Flügel 15 des Konverters axial beweglich arretiert.

Durch diese erfinderische Lösung werden die bislang gesonderten Baugruppen - Rotornabe - Getriebe - Generator zu einer konstruktiven Einheit verschmolzen, die den Aufwand für ein Chassis und Verkleidung zusätzlich erübrigt· Darüberhinaus ergeben sich wesentliche Einspaijngen an materiellem Aufwand, die sich aus der vereinfachten Leistungsübertragung ergeben, weil jede Baugruppe in sich den hierfür notwendigen Aufwand zu wiederholen hat·

Claims

Patentanspruch

1. Windenergiekonverter für Energieversorgungssystem mit Kanzelrotor, gekennzeichnet dadurch, daß das Generatorgehäuse die Kanzel (2) bildet und die Generatorteile (6*1 - 6·η) beinhaltet und auf ihrer ungeteilten zentralen Welle (7) zwischen den Lagern (8.1 und 9*1) die Rotornabe (3), die Rotorflügel (15) mit dem Zentralrad (10 oder 20) eines Getriebes vereint, und desweiteren auf der Welle (7) alle elektrischen Roterteile angeordnet sind und zu ihr konzentrisch Lager (9.1 und 8.2), die Rotornabe mit der Kanzel um ihre gemeinsame Achse beweglich zueinander verbindet und die Rotorflügel (15) über eine zentrale Stellstange 17 mit dem Stellantrieb (18) in Verbindung stehen«

2. Windenergiekonverter nach Anspruch I₁ gekennzeichnet dadurch, daß Getriebeteile einerseits mit der Kanzel (2) und andererseits mit der Rotornabe (3) und den Flügeln (15) in Verbindung stehen, deren gemeinsame Energieumsetzachse die Welle (7) ist.

3« Windenergiekonverter nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Generatorgehäuse die Kanzel (2) ist und seine Achse auch die Achse der Rotornabe (3) ist, die in sich das Getriebe mit dem Flügelrotor eines Windenergiekonverter vereint.

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