DE102005021390A1 - Rotor for wind-energy installations runs the energy of wind power over flat, adjustable blades with a large surface on arms for transferring this power to a braced mast - Google Patents
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Abstract
Description
Bei herkömmlichen Rotoranlagen die über Rotorblätter (in Propellerform) betrieben werden, geht sehr viel Energie verloren, die sich durch den Druck gegen die Blätter verliert bis diese seitlich ausweichen und so erst Arbeit leisten. Das gleiche gilt auch bei vielen anderen Varianten der Windenergiegewinnung, wie zum Beispiel von einem Windkarussell das über verstellbare Flügelprofile angetrieben wird, wobei auch nur der schräge Abtrieb als Leistung zur Verfügung steht. Dadurch erreichen heute moderne Propelleranlagen einen Gesamtwirkungsgrad von nur ca. 35% der überstrichenen Fläche.at usual Rotor systems via rotor blades (in Propellerform), a lot of energy is lost, which loses itself by the pressure against the leaves until these laterally Dodge and work first. The same applies to many other variants of wind energy production, such as from a wind carousel that over adjustable sash profiles is driven, whereby only the oblique output as power to disposal stands. As a result, today modern propeller systems achieve a total efficiency of only about 35% of the swept Area.
Zur Windnachführung muss die ganze Last der Gondel mit ihren Rotorblättern und den Generator bewegt werden, diese Last liegt bei größeren Anlagen zwischen 100 und 300 t. Das erfordert einen sehr starken Drehkranz und hohen Kraftaufwand bei der Nachstellung zur Windrichtung, das gleich trifft auf die Blattverstellung zu, bei der enorme Kräfte durch den langen Hebelarm der Rotorblätter auf die Drehkränze auftreffen und diese verstellt werden müssen.to Yaw the whole load of the nacelle has to be moved with its rotor blades and the generator be, this load is larger equipment between 100 and 300 t. That requires a very strong turntable and high force in the adjustment to the wind direction, the equal applies to the blade adjustment, in the enormous forces through the long lever arm of the rotor blades on the turntables and have to be adjusted.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Rotoranlage zu erstellen die einfach in der Bauweise ist und dadurch wirtschaftlich arbeitet, die oben genannten Nachteile beseitigt und den Gesamtwirkungsgrad der Rotoranlage wesentlich erhöht.Of the Invention has for its object to create a rotor system which is simple in construction and thus economical, eliminates the above-mentioned disadvantages and the overall efficiency the rotor system significantly increased.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gelöst:
- a) die Rotoranlage erhält eine feststehende Mittelsäule die mit ihrem unteren Stumpf bei bodennahem Betrieb in ein Fundament, oder bei einem Turm in die Turmspitze eingebunden ist. Dazu eignet sich besonders der Turm der unter dem Aktenzeichen 10 2005 014 025.4 beim Deutschen Patent- und Markenamt angemeldet ist.
- b) an diese Säule werden zwei Drehkränze angebaut, der erste am oberen Ende der Mittelsäule der zweite ungefähr auf halber Höhe, wobei der untere Drehkranz an seinem drehbaren Oberteil mit einem außenliegenden Zahnkranz ausgestattet ist, der über ein Ritzel den Generator antreibt;
- c) die beiden drehbaren Teile der Drehkränze werden entweder durch ein Rohr, oder durch einen quadratischen Gittermast dessen Innendurchmesser größer ist als der Außendurchmesser der Mittelsäule verbunden, und somit der Gittermast drehbar um die Mittelsäule angeordnet ist;
- d) dieses Rohr oder vorzugsweise der Gittermast erhält am oberen und unteren Ende je vier Arme die im 90° Raster angeschraubt werden. Die Länge der Arme entspricht mindestens der Breite eines Blattes.
- a) the rotor system receives a fixed center column which is integrated with its lower stump at ground level operation in a foundation, or in a tower in the spire. Particularly suitable for this purpose is the tower which is registered under the file number 10 2005 014 025.4 at the German Patent and Trademark Office.
- b) two turntables are mounted on this pillar, the first at the upper end of the center pillar, the second at about half height, the lower turntable being equipped on its rotatable upper part with an external toothed ring which drives the generator via a pinion;
- c) the two rotatable parts of the turntables are connected either by a pipe, or by a square lattice mast whose inner diameter is greater than the outer diameter of the center column, and thus the lattice mast is rotatably disposed about the center pillar;
- d) this tube or preferably the lattice mast receives at the top and bottom of each four arms which are screwed in 90 ° grid. The length of the arms is at least the width of a leaf.
Ausführung der Blätter:Execution of the leaves:
Für eine Anlage werden vier Blätter benötigt. Die Blätter können in ihrer Form ein Viereck oder ein Quadrat bilden, das senkrecht in der Mitte eine Welle besitzt, die oben und unten als Achsstummel über das Blatt hinausragen, mit diesen werden die Blätter durch Lager an den äußeren Enden der Arme drehbar befestigt.For a plant become four leaves needed. The leaves can in their shape form a square or a square that is vertical in the middle has a shaft, the top and bottom as stub axle over the Protruding leaves, with these leaves are by bearings at the outer ends the arms are rotatably mounted.
Um aus diesem horizontal drehbaren Haspel mit seinen vier angebauten Blättern Arbeitsleistung zu erhalten, müssen die Blätter ständig zum Wind gestellt werden. Dies erfolgt erfindungsgemäß durch folgende Lösung;Around from this horizontally rotatable reel with its four attached Scroll To get work performance the leaves constantly be put to the wind. This is done according to the invention by the following Solution;
sDie Blätter werden über Kegelräder und Wellen die durch die oberen Arme verlaufen so zum Wind gestellt, dass von der Windrichtung aus gesehen bei Rechtslauf des Rotors das linke Blatt immer im 90° Winkel zum Wind steht und somit 100% der anströmenden Windkräfte in Drehbewegung umsetzt. Das vordere Blatt ist mit 45° nach rechts gedreht und weicht nach links aus, das gegenüberliegende hintere Blatt steht mit 45° entgegengesetzt zum vorderen und weicht nach rechts aus.sThe leaves be over bevel gears and waves that pass through the upper arms are so exposed to the wind, that viewed from the wind direction when clockwise of the rotor the left sheet always at 90 ° angle to the wind and thus 100% of the incoming wind forces in rotary motion implements. The front leaf is turned 45 ° to the right and gives way to the left, the opposite rear blade is opposite to 45 ° front and evades to the right.
Das rechte gegen den Wind laufende Blatt steht parallel zum Wind und leistet ganz geringen Widerstand.The right against the wind running sheet is parallel to the wind and makes very little resistance.
Die Verstellung zum Wind erfolgt entweder über eine Windfahne, die über den Blättern an einer vertikalen Welle und einem daran fest verkeiltem Kegelrad angebracht ist, an dem sich die Blätter ausrichten, oder sie erfolgt über einen Stellmotor der über ein Getriebe das die Welle mit dem Kegelrad in den Wind stellt und in der jeweiligen Stellung festhält.The Adjustment to the wind takes place either over a wind vane, which over the Scroll on a vertical shaft and a bevel wheel firmly wedged to it is attached to align the leaves, or it is done via a Actuator of the over a gear that puts the shaft with the bevel gear in the wind and holds in the respective position.
Bei der ersten Variante ist eine Minderung der Kräfte die bei Sturm auftreten und über die Leistung des Generators hinausgehen nicht möglich, deswegen ist die Windfahne nur für kleinere Anlagen geeignet. Dagegen kann der Betrieb mit einem Stellmotor so gesteuert werden, dass bei Erreichung der Generatorleistung der Rotor etwas aus dem Wind genommen wird und so mit geminderter Kraft weiterlaufen kann.at The first variant is a reduction in the forces that occur during storms and over the power of the generator is not possible, so the wind vane is only for smaller plants suitable. In contrast, the operation with a servomotor be controlled so that when the generator power of the Rotor is slightly taken out of the wind and so with diminished power can continue.
Bei der ganzen Verstellung wird nur das Kegelrad gedreht an dem sich die Blätter auf die neue Richtung ausrichten. Um den Rotor völlig außer Kraft zu setzen reicht es aus, das Kegelrad um eine viertel Umdrehung aus der Windrichtung zu stellen.at the whole adjustment only the bevel gear is turned on the leaves align in the new direction. To completely override the rotor is enough Turn off the bevel gear one-quarter turn from the wind direction to deliver.
Die Verstellung erfordert nur sehr geringen Kraftaufwand und es müssen auch keine großen Lasten bewegt werden.The adjustment requires very little effort and there is no need for large las be moved.
Eine
zweite vorteilhafte Lösung
der Anlage besteht darin nicht den an der Mittelsäule angebrachten
Generator über
Zahnkranz, Ritzel und ein Getriebe zu betreiben, sondern einen Ringgenerator
auf die Füße und Streben
eines Turms horizontal anzuordnen, wobei der Generator- Stator fest
mit dem Turm verbunden wird und so ausgebildet ist, dass er zusammen
mit den Generator-Rotor gleichzeitig den unteren Drehkranz ersetzt
und sich die Anlage mit ihren Armen auf den Rotorteil des Generators
aufsetzt. Dadurch wird die Anlage sehr tragfähig und das Knickmoment der
Mittelsäule
stark vermindert. Das hat den Vorteil, dass sehr große Blätter verwendet werden
können
was auch zu hoher Leistung führt. Weitere
Einzelheiten werden anhand von Zeichnungen, zum Teil in vereinfachter
Form noch näher
erläutert
und auf die Zeichnungen bezug genommen. Die
- 11
- MittelsäuleCentral column
- 2A2A
- unterer Drehkranzlower slewing ring
- 2B2 B
- oberer Drehkranzupper slewing ring
- 33
- Gittermastlattice boom
- 44
- Rotorarmerotor arms
- 5A5A
- untere Abspannung der Arme (Stahlseile)lower Bracing the arms (steel cables)
- 5B5B
- obere Abspannung der Arme (Stahlseile)upper Bracing the arms (steel cables)
- 66
- Abspannbock auf dem Gittermast mit Lager für dietrestle on the lattice mast with bearings for the
- Verstellwelleadjusting
- 77
- Gesamtblatttotal leaf
- 88th
- Blattwellereed shaft
- 9A9A
- doppeltes U-Profildouble U-profile
- 9B9B
- U-ProfilU-profile
- 9C9C
- U-Profil mit KeilansatzU-profile with wedge approach
- 1010
- Stützen für Seilabspannungen horizontal und vertikalSupports for rope suspensions horizontal and vertical
- 11A11A
- vertikale Wellenabspannungvertical Wellenabspannung
- 11B11B
- horizontale Blattabspannunghorizontal Blattabspannung
- 1212
- Blattfläche (Sandwichelemente mit beidseitiger glatterLeaf surface (sandwich elements with smoother on both sides
- Oberfläche)Surface)
- 1313
- Welle zur Windrichtungsverstellungwave for wind direction adjustment
- 1414
- KegelkopfradKegelkopfrad
- 1515
- Kegelräder (14 + 15 = 1:1)Bevel gears (14 + 15 = 1: 1)
- 1616
- Kegelräder an den oberen AußenarmenBevel gears to the upper outer arms
- 1717
- Kegelräder oben an den Blattwellen (16 + 17 = 1:2)Bevel gears above at the leaf waves (16 + 17 = 1: 2)
- 1818
- Wellen zur Blattverstellungwaves for blade adjustment
- 1919
- Lagercamp
- 2020
- WindrichtungsstellmotorWind direction servomotor
- 2121
- Ritzelpinion
- 2222
- Zahnradgear
- 2323
- WindrichtungsfahneWind direction vane
- 2424
- Ringgeneratorring generator
- 2525
- Abstützung zum GittermastSupport for lattice boom
- 2626
- Generator-StatorGenerator stator
- 2727
- Generator-RotorGenerator rotor
- 2828
- Kugelnroll
- WRWR
- Windrichtungwind direction
- KRKR
- KegelradrichtungKegelradrichtung
- DRDR
- Drehrichtungdirection of rotation
- 2929
- Stahlrohrsteel tube
- 3030
- Wendelnhelices
- 3131
- VertikalarmierungVertikalarmierung
- 3232
- Betonkernconcrete core
- 3333
- Achsstummel der Blattwellestub axle the leaf wave
Beschreibung der Rotoranlage
mit an der Mittelsäule angebautem
Generator (
Die
Mittelsäule
(
Vorzugsweise
wird die Rotoranlage in eine Turmspitze eingebunden, wobei die Mittelsäule (
Die
Mittelsäule
erhält
unmittelbar nach der oberen Einspannung ihren ersten Drehkranz (
Da
die Mittelsäule
(
Die
beiden Unterteile der Drehkränze
(
Der
quadratische Gittermast (
Die
Länge der
Gitterarme (
Die
oberen vier Arme (
In
den äußeren Enden
der unteren Arme (
Der
Generator ist in diesem Falle unterhalb des unteren Drehkranzes
(
Diese
Generatoranordnung ist in
Beschreibung eines Blattes
(
Das
Blatt (
Die
Profile (
Beschreibung der Blattverstellung
(
Die
Blattverstellung erfolgt erfindungsgemäß über die Welle (
Diese
vier Kegelräder
(
Beschreibung der Rotorverstellung
nach
Um
bei hohen Windgeschwindigkeiten oder Sturm den Generator nicht in überhöhte Drehzahlen zu
versetzen, ist es erforderlich den Rotor mit verminderter Kraft
zu betreiben. Das erfolgt über
den gleichen Verstellmotor (
Die
Leistungsminderung wird damit erreicht, dass der Stellmotor das
Kegelrad (
Die
Verstellung wird so gesteuert, dass sich die Kraft des Rotors dem
Kraftanspruch des Generators anpasst und bei hohen Windgeschwindigkeiten der
Rotor immer weiterläuft,
denn eine Ruhestellung bei Sturm führt zu den höchsten Belastungen,
die Blätter,
Rotor und Turm aushalten müssen.
Die Kraftminderung des Rotors ist nur mit dem Stellmotor (
Beschreibung eines zweiten
Ausführungsbeispiels (
Bei
dieser Ausführung
kommt ein Ringgenerator (
Vorteile der beschriebenen RotoranlageAdvantages of the described rotor system
Mit den beschriebenen Lösungen lassen sich Windkraftanlagen erstellen, die bei hoher Windausnutzung und damit hoher Leistung sehr leicht in ihrer Bauart sind, sehr wenig Fliehkraft entwickeln, wenig bewegliche Bauteile haben und dadurch wartungsarm und wenig reparaturanfällig sind, die größten Lasten auf den Turm ruhen und nicht bewegt werden müssen, sehr geräuscharm laufen da kein Windanschlag am Turm erfolgt, keine Gondel benötigen über die hohe Lasten bewegt werden müssen, einfache Blatt- und Rotorverstellung über nur einen Stellmotor, einfache Blattbauweise, keine Hebelkräfte der Blätter die auf Drehkränze einwirken, weil jedes Blatt über die Blattwelle und Arme zweimal gehalten wird, kostengünstig zu erstellen sind und dadurch wirtschaftlich arbeiten und mit anderen Energieträgern standhalten können.With the solutions described Wind turbines can be created in high wind utilization and thus high performance are very light in their design, very develop little centrifugal force, have few moving parts and As a result, low maintenance and little prone to repair, the largest loads rest on the tower and do not need to be moved, very quiet run since there is no wind stop on the tower, no gondola need over the high loads have to be moved, simple blade and rotor adjustment via just one servomotor, simple Leaf construction, no leverage the leaves on turntables act because every leaf over the reed shaft and arms held twice, cost-effective too create and thereby work economically and with others fuels can withstand.
Durch die horizontale Drehung und die Blattanordnung in einer gleichen Höhe machen sich Luftströmungen in unterschiedlichen Höhen kaum bemerkbar und durch den kurzen Verstellweg lässt sich die Anlage sehr schnell auf die Windverhältnisse einstellen.By the horizontal rotation and the blade assembly in a same Make height air currents at different heights barely noticeable and by the short adjustment can be the Set the system very quickly to the wind conditions.
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