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Einleitung
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Die Erfindung betrifft einen Leistungsübertrager und ein Verfahren zur Übertragung elektrischer Leistung von einer Stromquelle, welche auf dem mit dem Wind mitdrehbaren Drehgestell eines Windrades angeordnet ist, zum feststehenden Sockel dieses Windrades. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Leistungsübertrager und ein Verfahren zur verschleißfreien Übertragung elektrischer Leistung.
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Stand der Technik und Nachteile
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Windräder, und insbesondere Kleinwindräder bzw. Kleinwindkraftanlagen weisen gewöhnlich einen feststehenden Sockel auf, der beispielsweise im Boden oder an Hauswänden oder -dächern befestigt ist. Auf diesem Sockel ist ein dem Wind mitdrehbares Drehgestell befestigt, welches im Bereich seiner Spitze die dem Wind ausgesetzte, Strom erzeugende Einheit trägt. Gewöhnlich ist dies ein Generator, der in den meisten Fällen Wechselstrom liefert. Zusätzlich können auch ein Gleichspannung lieferndes Solarmodul oder ein Pufferakkumulator vorhanden sein. Zwischen Drehgestell und Sockel befindet sich ein Drehgelenk, welches im Normalfall einen einzigen, rotatorischen Freiheitsgrad hat. Um die erzeugte elektrische Energie nutzbar zu machen, ist es notwendig, diese vom Drehgestell über das Drehgelenk auf den Sockel zu übertragen, von wo aus die Energie zu einem Verbraucher weitergeleitet, in einem Pufferspeicher gespeichert, oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird.
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Zur Übertragung der Energie werden häufig elektrische Kabel eingesetzt. Dies ist insbesondere im Bereich von Großwindkraftanlagen üblich und beispielsweise in der Druckschrift
WO 2008089760 A1 gezeigt. Damit diese die Drehbewegung des Drehgestells nicht behindern, werden diese im Bereich des Drehgestells flexibel und verlängert ausgeführt. Einerseits besteht dabei die Gefahr, dass die Kabel überdehnen und reißen, wenn einer fortschreitende Rotation des Drehgestells immer in die gleiche Richtung erfolgt. Andererseits behindern dann selbst ausreichend stabile Kabel ein freies Weiterdrehen des Drehgestells. Die dazu notwendige konstruktive Begrenzung der Drehbewegung und/oder Rückführung des Drehgestells in eine Startposition ist mit entsprechendem Aufwand verbunden. Großwindkraftanlagen weisen eigens dazu spezielle Motoren auf, welche der Rückführung des Gondelhauses oder Drehgestells in eine Startposition dienen. Im Bereich von Kleinwindkraftanlagen ist dieser Aufwand jedoch unverhältnismäßig und daher unerwünscht.
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Um eine freie Drehung des Drehgestells zu ermöglichen sind aus dem Stand der Technik Schleif- oder Gleitkontakte bekannt. Diese bestehen aus einem elektrisch leitfähigen ersten Bauelement wie einer Bürste oder einem Stift, welches am Umfang eines zweiten, rotierbar gelagerten Bauelementes entlang gleitet. Durch Bereitstellung mehrerer erster Bauelemente sowie geschickte Anordnung der auf dem zweiten Bauelement angeordneten Ringkontakte können auch mehrere, voneinander unabhängige Phasen bzw. die beiden Polaritäten einer Gleichspannung übertragen werden. Derartige Lösungen sind sowohl im Bereich von Groß- als auch von Kleinwindkraftanlagen anzutreffen und beispielsweise aus der Druckschrift
GB 2167612 A , der
US020080293260A1 und der
EP 1961082 B1 bekannt.
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Nachteilig bei dieser Lösung ist jedoch der mechanische Kontakt zwischen den Gleitpartnern, der mechanischem Verschleiß unterliegt. Im Bereich von Windrädern spielt zwar Abnutzung aufgrund hoher Drehzahlen eine untergeordnete Rolle, aber gerade die niedrigen Drehzahlen führen, insbesondere in Verbindung mit den oft hohen zu übertragenden Leistungen, zu Schäden. Diese rühren daher, dass längere Zeit unbenutzte Bereiche des zweiten Bauelements zur Korrosion neigen. Nach längerer Flaute oder bei einem nach längerer Zeit stattfindenden Wechsel der Windrichtung gleitet das erste Bauteil auf einen mittlerweile korrodierten Bereich und verliert den elektrischen Kontakt. Zwar können sowohl die entsprechenden Bauteile sehr kostengünstig gefertigt werden. Ihr Austausch ist bei den sehr häufig nur schwer zugänglichen Drehgelenken von Windrädern (Höhe, schlechte Zugänglichkeit) jedoch mit hohem personellen Aufwand zu bewerkstelligen und daher unbedingt zu vermeiden. Dies trifft nicht nur im Bereich der Großwindkraftanlagen zu, sondern ist in steigendem Maße auch gerade im Bereich von Kleinwindrädern von Interesse. Ein wesentliches Hindernis für die erfolgreiche Verbreitung derartiger, beispielsweise für Hausbesitzer oder Häuser in entlegenen Regionen gedachter, Anlagen ist in der unzureichenden Wartungsfreiheit derselben zu sehen. Nur bei geringsten Herstellungs- und Wartungskosten sind solche Anlagen von Privatpersonen rentabel zu betreiben.
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Zur Lösung schlägt die Druckschrift
EP 2146403 A1 einen Drehübetrager vor, welcher im Spalt zwischen zwei relativ zueinander drehbaren leitenden Kontaktflächen eine leitende Flüssigkeit aufweist. Zwar berühren sich die Kontaktflächen nicht direkt; der Dichtungsaufwand für die leitende Flüssigkeit einerseits und die zu erwartende Gesundheitsschädlichkeit derselben andererseits lassen diese Lösung für den vorliegenden Fall ungeeignet erscheinen.
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Ein anderer, möglicher Lösungsansatz für dieses Problem besteht in der Nutzung induktiver Energieübertragung, welche ohne einander berührende Teile auskommt. Derartige Lösungen sind unter dem Begriff „Drehübetrager” oder „Ringübertrager” seit einiger Zeit aus dem Stand der Technik bekannt.
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So wird diese Technik seit längerem im Bereich der Videotechnik benutzt, um auf dem Videoband gespeicherte Informationen über die schnell rotierende Kopftrommel auf die feststehenden elektronischen Komponenten des Geräts zu übertragen. Beispielhaft können hier die Druckschriften
JP 60129904 A ,
JP 11149601 A oder
JP 61104302 A genannt werden. Derartige Konstruktionen sind jedoch für hohe Drehzahlen und geringste Leistungen und Lasten ausgelegt. Zudem befinden sie sich in einer praktisch partikelfreien Umgebung, da sowohl sie als auch das Band sehr empfindlich auf Verschmutzungen reagieren. Eine Wartung ist nicht möglich; bei Defekt müssen die Teile ausgetauscht werden. Durch die hochfrequente Übertragung sind akustische Schwingungen, welche durch das wechselnde Magnetfeld in der Kopftrommel entstehen, kein Problem.
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Andere, dieses Prinzip nutzende Lösungen sind beispielsweise aus den Bereichen der Fahrzeugtechnik bekannt. Zwar zeigt die Druckschrift
DE 4127647 A1 einen Drehübertrager, welcher der Übertragung von Strom und Daten in bidirektionaler Richtung dient, und noch auf Schleifkontakten basiert. Eine Weiterbildung für eine Kopplung zwischen Lenkrad und Lenksäule ist in der Druckschrift
JP 2002272019 A zu finden. Dort wird ein induktiver Drehübetrager eingesetzt. Dieser ist jedoch weder besonderen Witterungseinflüssen ausgesetzt, noch zur Übertragung hoher Leistungen vorgesehen. Auch sind der Druckschrift weder Fragestellungen zu besonderer Robustheit, noch zu Wetterfestigkeit oder der Dämpfung von Schwingungen oder Temperaturausdehnungen zu entnehmen.
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Auch möglicherweise wahrnehmbare Geräusche werden im Stand der Technik als nicht kritisch angesehen, da sie entweder von anderen Geräuschquellen überdeckt werden (Kfz-Bereich), nur vorübergehend auftreten, oder in geräuschunempfindlichen Bereichen auftreten (Kraftwerke, Messtechnik). Den spezifischen Anforderungen im Bereich der Windenergietechnik, insbesondere im Hinblick auf die geringen Fertigungs- und Wartungskosten sowie die Robustheit und Geräuscharmut, werden diese Lösungen jedoch nicht gerecht. Umso mehr gilt dies für weitere Anforderungen wie die Witterungsbeständigkeit und die Unempfindlichkeit gegen Temperaturschwankungen, insbesondere im Hinblick auf die Sprödigkeit des für Weicheisenkerne bevorzugt eingesetzten Materials Ferrit.
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Aufgabe der Erfindung und Lösung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Bereitstellung eines verschleißfreien Leistungsübertragers für elektrische Energie von einer Stromquelle, welche auf dem mit dem Wind mitdrehbaren Drehgestell eines Windrades angeordnet ist, zum feststehenden Sockel dieses Windrades, sowie einem Verfahren dazu. Insbesondere soll die Lösung den besonderen Anforderungen im Hinblick auf Temperaturschwankungen, Windlasten, interne und externe Schwingungen und Witterungsbeständigkeit Rechnung tragen und dabei kostengünstig realisierbar sein.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß kennzeichnendem Teil des Anspruchs und ein Verfahren gemäß kennzeichnendem Teil des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen, den Zeichnungen sowie der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft einen Leistungsübertrager zur verschleißfreien Übertragung elektrischer Leistung von einer Stromquelle, welche auf dem mit dem Wind mitdrehbaren Drehgestell eines Windrades angeordnet ist, zum feststehenden Sockel dieses Windrades. „Verschleißfrei” bedeutet, dass die in Betracht kommenden Bauteile praktisch wartungsfrei sind und insbesondere keinem mechanischen Verschleiß unterliegen. Die elektrische Leistung kann als Gleichstrom oder als Wechselstrom vorliegen. Als Stromquelle kommt insbesondere ein Generator in Betracht, der durch die Repeller des Windrades angetrieben wird. Die Stromquelle kann jedoch auch eine Solarzelle oder ein Pufferakkumulator sein, die bzw. der im Bereich des Drehgestells angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß ist der Leistungsübertrager dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens ein Spulenpaar mit einer feststehenden, sockelseitigen Spule und einer gegenüber dieser rotierbar gelagerten, mitdrehenden, stromquellenseitigen Spule aufweist, wobei beide Spulen berührungsfrei derart zueinander angeordnet sind, dass sie magnetisch gekoppelt sind. Auf diese Weise wird eine induktive Kopplung der beiden Spulen zur beruhrungs- und somit verschleißfreien Energieübertragung bereitgestellt. Um die magnetische Kopplung beider Spulen zu erreichen, ist sicherzustellen, dass die magnetischen Felder der Spulen eine möglichst große Überdeckung aufweisen. Je nach zu übertragender Leistung kann der Fachmann ein entsprechend dimensioniertes Spulenpaar auslegen, welches auch Spitzenleistungen ohne große elektrische oder thermische Verluste aufgrund Erwärmung erlaubt.
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Nach einer ersten Ausführungsform weist das Spulenpaar mindestens einen ferromagnetischen Kern auf, mittels dessen die Spulen magnetisch gekoppelt sind. Bevorzugt besteht der Kern aus Ferrit, weshalb nachfolgend beispielhaft auch von „Ferritkernen” gesprochen wird. Diese Art der magnetischen Kopplung ist besonders effektiv und benötigt im Verhältnis zu Spulen ohne einen solchen Kern geringere Dimensionen. Zudem ist der magnetische Streufluss gering, und die Bauform ist flexibler, da der Kern eine gezielte Lenkung des magnetischen Flusses ermöglicht. Besonders bevorzugt sind die Spulen koaxial zueinander angeordnet. Andernfalls ist der Kern so auszulegen, dass die magnetischen Flüsse beider Spulen gezielt gelenkt und zur Überdeckung gebracht werden.
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Nach einer zweiten Ausführungsform erfolgt die magnetische Kopplung mittels Luftspulen. Gemäß technischer Definition sind Luftspulen induktive Bauteile ohne weichmagnetischen Kern. Daher weisen sie im Vergleich zu solchen mit entsprechendem Kern geringere Induktivitäten auf. Luftspulen müssen derart aufgebaut und angeordnet sein, dass ihre magnetische Kopplung über einen Spalt ohne magnetischen Kern erfolgt. Der Spalt kann dabei mit Luft, einem anderen Gas, z. B. einem Schutzgas, oder mit einer Flüssigkeit wie insbesondere Transformatorenöl gefüllt sein.
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Wie erwähnt, müssen die magnetischen Felder der Spulen eine möglichst große Überdeckung aufweisen. Dies ist bei runden Spulen dadurch erreichbar, dass die beiden Spulen koaxial zueinander angeordnet sind, so dass die Rotationsachsen der Spulen auf derselben Geraden liegen. Für den Fall, dass die Spulen eine nicht rotationssymmetrische Form haben, gilt dies sinngemäß. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass jedem Spulenfeld eine „Resultierende” zugeordnet wird, und dass die Resultierenden beider Spulenfelder koaxial verlaufen.
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Bevorzugt umfasst ein erfindungsgemäßer Leistungsübertrager ferner einen der stromquellenseitigen Spule vorgeschalteten Wechselrichter oder Frequenzumrichter zur Erzeugung einer Wechselspannung geeigneter Frequenz.
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Damit die elektrische Leistung berührungslos induktiv übertragen werden kann, muss sie in Form einer Wechselspannung vorliegen. Unter bestimmten Voraussetzungen, beispielsweise im Falle eines entsprechenden Generators, ist dies unter Umständen bereits der Fall. Allerdings wechselt diese Frequenz mit der Drehzahl des Generators in einem weiten Bereich, wohingegen das Spulenpaar zur Übertragung elektrischer Leistung für eine bestimmte Frequenz bzw. einen bestimmten, engen Frequenzbereich ausgelegt ist.
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Unter einer „geeigneten Frequenz” ist daher insbesondere eine solche zu verstehen, die eine Übertragung über die Spulen mit möglichst geringen Energieverlusten erlaubt. Nach einer anderen Ausführungsform ist eine geeignete Frequenz bereits an eine solche Frequenz angeglichen, die zur sockelseitigen Weiterverarbeitung erwünscht ist.
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Für den Fall einer als Wechselspannung vorliegenden elektrischen Leistung, ist daher ein entsprechender Frequenzumrichter vorteilhaft. Für den Fall einer Gleichstromquelle ist hingegen ein Wechselrichter vorzusehen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst ein erfindungsgemäßer Leistungsübertrager einen der sockelseitigen Spule nachgeschalteten Gleichrichter zur Gleichrichtung der Wechselspannung. Das bedeutet, dass die zur Übertragung zumindest temporär als Wechselspannung vorliegende elektrische Leistung nach erfolgter Übertragung (ggf. wieder) in Form einer Gleichspannung vorliegt. Dies kann dann vorteilhaft sein, wenn sockelseitig z. B. eine Einspeisung in einen Akkumulator oder einen Gleichspannungsverbraucher gewünscht ist.
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Für den Fall, dass die zu übertragende elektrische Leistung in Form mehrerer Phasen, z. B. als Drehstrom, vorliegt, ist für jede Phase der Stromquelle ein separates Spulenpaar vorgesehen. Dies folgt aus der physikalischen Notwendigkeit, dass ein Spulenpaar jeweils nur eine Phase bestimmter Frequenz gleichzeitig übertragen kann. Für den Fall von Drehstrom sind daher drei Spulenpaare vorzusehen.
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Es sei angemerkt, dass die Übertragung mehrerer Phasen insbesondere dann sinnvoll ist, wenn kein Wechselrichter und Wiedergleichrichter vorhanden sind, beispielsweise aus Gründen der Robustheit oder der Kosten. Diese Bauteile können entfallen, da die Phasen bereits als Wechselspannungen zur Verfügung stehen und so übertragen werden. Ggf. ist jedoch ein stromquellenseitiger Frequenzumrichter sinnvoll. Je nach konkretem Anwendungsfall muss dabei der Spulenkörper sehr groß sein.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist das Spulenpaar derartig ausgelegt, dass mit ihm eine Wechselspannung von 50 oder 60 Hz übertragbar ist. Dies ist insbesondere dann vorn Vorteil, wenn sockelseitig eine Einspeisung der übertragenen elektrischen Leistung in das öffentliche Stromnetz erfolgen soll. In diesem Fall bietet es sich an, bereits stromquellenseitig dafür Sorge zu tragen, dass eine entsprechende Wechselspannung zur Übertragung gelangt, beispielsweise durch Wechsel- bzw. Frequenzumrichten der stromquellenseitigen Spannung. Diese Spannung wird dann übertragen und gelangt ohne weitere Umformung zur Einspeisung.
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Nach einer anderen Ausführungsform umfasst der erfindungsgemäße Leistungsübertrager einen aus der Kombination von Wechsel- bzw. Frequenzumrichter und Gleichrichter gebildeten Spannungswandler. Der Spannungswandler dient dazu, die von der Stromquelle gelieferte Spannung auf einen Wert zu bringen, welcher von sockelseitigen nachgeschalteten Komponenten benötigt wird. So werden beispielsweise oft nur Spannungen bestimmter Höhe in der öffentliche Stromnetz eingespeist.
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Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst der erfindungsgemäße Leistungsübertrager ferner eine Vorrichtung zum simultanen Übertragen von Daten über den Leistungsübertrager. Mit anderen Worten dient der Leistungsübertrager nicht nur der Übertragung elektrischer Leistung, sondern auch der Übertragung von Information. Diese Informationsübertragung findet besonders bevorzugt bidirektional statt. Bevorzugt erfolgt diese Informationsübertragung unter Zuhilfenahme des bevorzugt vorhandenen Wechselrichters, der die Information mittels Frequenz- und/oder Amplitudenmodulation der Frequenz der zu übertragenden elektrischen Leistung überlagert. Die Dekodierung erfolgt beispielsweise mittels Verwendung einer dazu bereitgestellten sockelseitigen und/oder stromquellenseitigen Frequenzweiche.
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Je nach konkretem Anwendungsfall können diese Komponenten einzeln oder gemeinsam vorhanden sein. Durch Bereitstellung einer Vorrichtung zum simultanen Übertragen von Daten kann unter anderem auf eine Funk nutzende Lösung verzichtet werden. Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst der erfindungsgemäße Leistungsübertrager ferner eine Vorrichtung zur mechanischen Entkopplung zur Vermeidung von Schwingungsübertragungen und thermischen Spannungen zwischen Leistungsübertrager und seiner Umgebung. Die für mechanische Schwingungsübertragungen relevante „Umgebung” sind neben dem Gehäuse des Leistungsübertragers insbesondere das Drehgestell und der Sockel. Gemeint ist hierbei die Übertragung mechanischer Schwingungen.
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Diese können einerseits durch die Leistungsübertragerfrequenzen sowie deren Oberwellen entstehen. Übertragen sie sich auf den Sockel, können sie von dort beispielsweise auf ein Hausdach, auf welchem der Sockel befestigt ist, und welches zudem als Resonanzkörper wirken kann, weitergeleitet werden, wo sie zu unangenehmen Geräuschen führen.
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Andererseits können mechanische Schwingungen jedoch auch durch Vibrationen insbesondere des Drehgestells, beispielsweise aufgrund der Repellerbewegungen oder Windböen, entstehen, welche den Übertrager, und hier insbesondere die mechanisch empfindlichen Ferritkerne, schädigen können, sofern sie nicht gedämpft werden. Da das für die bevorzugt vorhandenen Weicheisenkerne verwendete Material Ferrit sehr spröde ist, kann es bei entsprechendem externen Schwingungen, die beispielsweise durch den Generator, durch Windböen usw. verursacht werden, bei fester Montage sehr leicht zerbrechen.
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Um solche, aus Sicht des Leistungsübertragers, von außen nach innen sowie von innen nach außen wirkenden Schwingungsübertragungen zu vermeiden, kann diese Schwingungen dämpfendes Material derart eingesetzt werden, dass es die Spulen und ggf. Weicheisenkerne des Übertragers von den sie umgebenden Komponenten entkoppelt. Bevorzugt kann solches Material beispielsweise in den Berührbereich zwischen den dem Luftspalt entgegengesetzten Grenzflächen der Spulen bzw. ihrem Weicheisenkern und den entsprechenden Gehäuseteilen angeordnet sein. Sofern die sockelseitige Spule direkt auf dem Sockel angeordnet ist, kann auch hier ein entsprechendes Material vorgesehen sein. Es ist nach einer weiteren Ausführungsform auch denkbar, die Spulen mit den Weicheisenkernen jeweils vollständig mit der Dämpfungsmaterial zu umgeben. Auf diese Weise wird der Kern des Leistungsübertragers besonders nachhaltig gegen äußere Einflüsse geschützt, und gleichzeitig wird eine wirkungsvolle Vermeidung der Übertragung der Leistungsübertragerschwingungen in die Umwelt vermieden.
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Als geeignete Materialien kommen insbesondere Gummi oder Silikon in Betracht. Das Dämpfungsmaterial kann als Einsatzelement bereitgestellt oder als formbare Masse in den entsprechenden Spalt eingebracht werden. Dazu können auch Bohrungen im Gehäuse vorhanden sein, durch welche das Material nach Zusammenlegen der Teile eingespritzt wird. Bevorzugt dient das Dämpfungsmaterial dann gleichzeitig dem mechanischem Zusammenhalt (Kleben) von Gehäuse und Ferritkernen.
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Das Dämpfungsmaterial entkoppelt den Bereich des Leistungsübertragers, insbesondere seiner Spulen und ggf. vorhandenen Weicheisenkerne, mechanisch vom Bereich des Drehgestells und des Sockels. Gleichzeitig erfolgt auch eine Dämpfung etwaiger äußerer, auf den Leistungsübertrager wirkender Schwingungen. Da sich das Drehgelenk im Bereich des Leistungsübertragers befindet bzw. konstruktiver Teil desselben ist, ist auch die Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung dem Leistungsübertrager zuzurechnen. Bevorzugt ist es daher, wenn alle Komponenten in ein gemeinsames Gehäuse integriert sind, welches besonders bevorzugt wetterfest ausgestaltet ist.
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Um ein Anschlagen der bewegten Teile des Leistungsübertragers wie insbesondere seiner Spulen und ggf. Weicheisenkerne zu vermeiden, muss der Luftspalt zwischen den Spulen soweit vergrößert werden, dass auch bei größtmöglichen Schwingungen kein mechanischer Kontakt der Spulen auftritt. Daher führt der Einbau einer Vorrichtung zur mechanischen Entkopplung zunächst zu etwas nachteiligeren Übertragungswerten. Um dies auszugleichen, und aufgrund der zumeist größeren Fertigungstoleranzen bei der Verwendung elastischer Materialien, sollte der überlappende Bereich der Spulen entsprechend größer gewählt werden.
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Neben der Vermeidung der Übertragung von mechanischen Schwingungen zwischen Leistungsübertrager und Umgebung bietet die Verwendung einer Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung ferner den wichtigen Vorteil der Bereitstellung von Dehnungsfugen zum Auffangen von thermischen Spannungen, also mechanischen Spannungen, die sich durch Temperaturunterschiede zwischen den vom Strom durchflossenen und sich daher erwärmenden Teile und der insbesondere im Winter sehr kalten Gehäuseteile bilden. Da das spröde Material Ferrit auch sehr empfindlich auf Temperaturschwankungen bzw. der daraus resultierenden verschiedenen Materialausdehnungen reagiert, ist es besonders vorteilhaft, wenn unterschiedliche Temperaturen zwischen dem Inneren des Leistungsübertragers und seiner Umgebung nicht zu mechanischen Spannungen führen.
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Ferner ist bevorzugt, dass der Leistungsübertrager eine Vorrichtung zur thermischen Kopplung der sich erwärmenden Teile des Leistungsübertragers mit der seiner Umgebung aufweist. Das bedeutet, dass beispielsweise eine Erwärmung der Spulen und Weicheisenkerne effektiv nach außen abgeleitet, die sich erwärmenden Teile also gekühlt werden. Dies beugt sowohl übermäßigen Ausdehnungen (und somit Spannungen) durch hohe Temperaturen, als auch Überhitzungen, insbesondere der elektrischen Komponenten, des Leistungsübertragers vor.
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Zwar können hierzu jegliche aus dem Stand der Technik bekannten Kühlvorrichtungen verwendet werden, wie Kühlrippen, Kühlflüssigkeiten und dergleichen. Besonders bevorzugt sind jedoch spezielle, thermisch leitfähige Materialien, die in den Zwischenraum von Spulen- bzw. Weicheisenkernaußenseite und innerer Gehäusewandung eingebracht werden.
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Besonders bevorzugt werden dabei solche Materialien verwendet, welche beide Anforderungen, also Schwingungsdämpfung bzw. mechanische Entkopplung und thermische Kopplung zugleich erfüllen. Derartige, z. B. auf Silikon basierende Materialien enthalten beispielsweise hoch thermisch leitfähige Keramiken und werden in der Elektronikindustrie als „gap-filler” bezeichnet.
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Sowohl bidirektional wirkende mechanische Schwingungen, als auch durch Temperaturschwankungen verursachte mechanische Spannungen, sowie die durch thermische Entkopplung auftretenden Probleme können demnach durch die Verwendung einer Vorrichtung, die gleichzeitig der mechanischen Entkopplung und der thermischen Kopplung dient, effektiv aufgefangen und unschädlich gemacht werden.
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Die Erfindung betrifft ferner auch ein Verfahren zur verschleißfreien Leistungsübertragung elektrischer Leistung von einer Stromquelle, welche auf dem mit dem Wind mitdrehbaren Drehgestell eines Windrades angeordnet ist, zum feststehenden Sockel dieses Windrades. Zur Erläuterung der einzelnen Begriffe sei auf die oben gemachten Ausführungen verwiesen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst:
- – Bereitstellen der elektrischen Leistung durch die Stromquelle;
- – Einspeisen der elektrischen Leistung in den mitdrehbaren Eingang eines Leistungsübertragers;
- – kontaktloses Übertragen der elektrischen Leistung vom mitdrehbaren Eingang zum feststehenden Ausgang des Leistungsübertragers;
- – Bereitstellen der elektrischen Leistung am feststehenden Ausgang des Leistungsübertragers.
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Dabei ist das Verfahren zunächst nicht auf die im Rahmen der oben beschriebenen Vorrichtungsbestandteile beschränkt, sondern kann auch mit anderer Technik realisiert werden. Durch die kontaktlose Übertragung der elektrischen Leistung, die von der Stromquelle bereitgestellt wird, ist ein praktisch wartungsfreier Betrieb einer entsprechenden Anlage möglich.
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Es ist jedoch bevorzugt, dass das kontaktlose Übertragen der elektrischen Leistung von einer mitdrehbaren, stromquellenseitigen Spule auf eine feststehende, sockelseitige Spule erfolgt, wobei beide Spulen berührungsfrei derart zueinander angeordnet werden, dass sie miteinander magnetisch gekoppelt sind, und wobei die Spulen ferner gegeneinander rotierbar gelagert werden. Je zu übertragender Phase ist dabei ein Spulenpaar notwendig. Zu diesen wie auch den nachfolgenden Ausführungsformen wird wiederum auf die oben gemachten Ausführungen zur erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen.
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Nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform erfolgt die magnetische Kopplung durch einen ferromagnetischen Kern.
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Nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform erfolgt die magnetische Kopplung mittels Luftspulen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt ferner vor dem Einspeisen der elektrischen Leistung in die stromquellenseitige Spule ein Wechselrichten oder Frequenzumrichten zur Erzeugung einer Spannung geeigneter Frequenz. Ein Wechselrichten ist immer dann von Vorteil, wenn die Stromquelle eine Gleichspannung bereitstellt, die vor der Übertragung der elektrischen Energie in eine Wechselspannung zu überführen ist. Liegt stromquellenseitig bereits eine Wechselspannung vor, sollte diese in eine zur Übertragung und/oder zur Weiterverarbeitung geeignete Frequenz umgerichtet werden.
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Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform erfolgt ferner nach dem Bereitstellen der elektrischen Leistung an der sockelseitigen Spule ein Gleichrichten der Spannung. Dies ist insbesondere dann wünschenswert, wenn beispielsweise ein Gleichspannungsverbraucher oder ein Akkumulator mit Strom versorgt werden sollen.
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Nach einer anderen Ausführungsform erfolgt abschließend eine Einspeisung der elektrischen Leistung in das öffentliche Stromnetz. Dann ist es insbesondere von Vorteil, wenn die Frequenz bereits vor dem Übertragen auf genaue diese Frequenz umgerichtet und mit dieser synchronisiert worden ist. Ein weiteres Gleich- und erneutes Wechselrichten kann dann entfallen.
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Schließlich erfolgt nach einer weiteren Ausführungsform ferner eine simultane Datenübertragung über den Leistungsübertrager. Hierzu ist besonders bevorzugt eines der ggf. in Mehrzahl vorhandenen Spulenpaare zu verwenden, wobei die Übertragung der Daten wiederum kontaktlos stattfindet. Die Kodierung der Information erfolgt dabei beispielsweise mittels Amplituden und/oder Frequenzmodulation, und kann sockelseitig wieder, beispielsweise mittels einer Frequenzweiche, vom Signal der zunächst auch als Wechselspannung vorliegenden elektrischen Leistung getrennt werden. Die vorliegende Erfindung stellt einen verschleißfreien Leistungsübertrager sowie ein Verfahren zur Übertragung für elektrische Energie von einer Stromquelle, welche auf dem mit dem Wind mitdrehbaren Drehgestell eines Windrades angeordnet ist, zum feststehenden Sockel dieses Windrades, sowie ein Verfahren dazu bereit. Die Vorrichtung und das Verfahren erlauben eine freie Drehung des Drehgestells ohne die Gefahr eines Überdehnens oder gar Reißens elektrischer Kabel. Eine konstruktive Begrenzung der Drehbewegung und/oder Rückführung des Drehgestells in eine Startposition ist nicht notwendig. Aufgrund des fehlenden mechanischen Kontakts unterliegen alle die elektrische Leistung übertragenden Bauelemente keinerlei mechanischem Verschleiß. Ein Verzundern oder Festfrieren ist nicht möglich. Daher ist auch beim Einnehmen einer seit längerer Zeit nicht eingenommenen Position des Drehgestells jederzeit ein einwandfreier elektrischer Kontakt zwischen Drehgestell und Sockel gewährleistet. Die Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist kostengünstig möglich. Die Unterhaltskosten sind aufgrund der Wartungsfreiheit minimal. Durch bevorzugten Einsatz einer Vorrichtung zur mechanischen Entkopplung zur Vermeidung von Schwingungsübertragungen und thermischen Spannungen wird sowohl die Übertragung mechanischer Schwingungen des Leistungsübertragers auf Sockel und Drehgestell vermieden, als auch sichergestellt, dass externe Schwingungen und Temperaturschwankungen die bevorzugt vorhandenen Ferritkerne der Spulen nicht beschädigen können. Durch den besonders bevorzugten Einsatz einer Vorrichtung zur thermischen Kopplung der sich erwärmenden Teile des Leistungsübertragers mit seiner Umgebung wird überschüssige Wärme effektiv aus dem Übertrager abgeführt. Durch Integration dieser beiden Funktionalitäten in ein Bauteil (thermisch leitfähiger Elastomer) wird eine besonders einfache, kostengünstige und robuste Lösung erreicht.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit ferromagnetischem Kern.
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2 zeigt verschiedene Varianten der Anordnung der Spulen eines Spulenpaars.
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3 zeigt eine schematische Zusammenstellung besonders bevorzugter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In der 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit ferromagnetischem Kern (kurz: Ferritkern) gezeigt.
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Gezeigt sind dabei lediglich die wesentlichen Komponenten des Leistungsübertragers 1. Der Leistungsübertrager 1 weist eine stromquellenseitige Spule 2A und eine sockelseitige Spule 2B auf. Die stromquellenseitige Spule 2A ist über einen stromquellenseitigen Ferritkern 3A und eine stromquellenseitige Vorrichtung zur mechanischen Entkopplung 4A (abfallend schraffierter Bereich) mit einem äußeren Gehäuseteil 5A verbunden, an welches beispielsweise ein Generator mit Repeller anbringbar ist (jeweils nicht gezeigt). Die sockelseitige Spule 2B ist über einen sockelseitigen Ferritkern 3B und eine sockelseitige Vorrichtung zur mechanischen Entkopplung 4B (aufsteigend schraffierter Bereich) mit einem inneren Gehäuseteil 5B verbunden, welches auf die Spitze. des Sockels 7 aufgesteckt und mittels einer Fixiereinrichtung 7' gesichert ist. Durch die Anordnung der beiden Vorrichtungen zur mechanischen Entkopplung 4A, 4B ist sichergestellt, dass sich mechanische Schwingungen, die sich durch das ständig wechselnde Magnetfeld der beiden Spulen 2A, 2B ergeben, nicht auf die umliegenden Komponenten wie insbesondere das äußere Gehäuse 5A und somit das Drehgestell, oder das innere Gehäuse 5B und somit den Sockel 7, übertragen. Ferner ist sichergestellt, dass sich äußere Schwingungen z. B. des Drehgestells nicht auf die Spulen und insbesondere Weicheisenkerne des Leistungsübertragers übertragen. Sofern die Komponenten der Vorrichtung 4A, 4B aus thermisch leitfähigem Material bestehen bzw. dieses umfassen, dienen sie alternativ bzw. gleichzeitig als Vorrichtung zur thermischen Kopplung 4A', 4B'. Somit ist für eine gute Wärmeabfuhr von bzw. ein Temperaturausgleich zwischen den sich erwärmenden Teilen des Übertragers und deren Umgebung gesorgt.
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Über Lager 6A, 6B ist das äußere Gehäuseteil 5 mit dem koaxial angeordneten, innerhalb des Leistungsübertragers 1 verlaufenden Sockel 7, von welchem lediglich die Spitze dargestellt ist, frei drehbar verbunden. Der innere Ring des unteren Lagers 6B liegt an einem Absatz des Sockels 7 auf. Über das innere Gehäuseteil 5B liegt dieses am inneren Ring des oberen Lagers 6A an, der mittels einer mit einer Schraube gesicherten Scheibe 7'' der Fixiereinrichtung 7' festgespannt und mit dem Sockel 7 verbunden ist. Die äußeren Ringe beider Lager 6A, 6B sind in entsprechende Aussparungen des äußeren Gehäuseteils 5A eingepasst, so dass dieses gegenüber dem Sockel 7 drehbar gelagert ist.
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Wie aus der 1 unmittelbar ersichtlich, berühren sich die beiden Spulen 2A und 2B nicht. Da sie über den jeweiligen Ferritkern 3A, 3B miteinander magnetisch gekoppelt sind, kann eine Übertragung elektrischer Energie erfolgen, ohne dass mechanischer Verschleiß auftritt. Zur Übertragung ist sowohl stromquellen- als auch sockelseitig eine entsprechende, mehradrige elektrische Zuleitung 8A bzw. Ableitung 8B vorhanden.
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Durch die vorliegende Konstruktion wird in vorteilhafter Weise eine hohe Stabilität erreicht, da die beiden Lager wahlweise mit einem verhältnismäßig großen Durchmesser und/oder vertikalem Abstand voneinander eingebaut sein können. Je nach Last kann so eine einfach konstruierte, sehr robuste, leicht zerlegbare und somit kostengünstig wartbare Vorrichtung bereitgestellt werden, welche gleichzeitig ausreichend Raum für eine Integration der Spulen 2A, 2B und der Ferritkerne 3A, 3B bietet. Sind die Spulen 2A, 2B beispielsweise mittels Epoxydharzes vergossen, und werden die Lager 6A, 6B wetterfest gewählt, ergibt sich eine weitere Steigerung der Robustheit und Wartungsfreiheit, welche den Anforderungen insbesondere im Bereich von Windrädern entspricht.
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In der 2 sind verschiedene Varianten der Anordnung der Spulen eines Spulenpaars gezeigt.
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Die 2A stellt schematisch ein Spulenpaar rotationssymmetrischer Spulen 2A, 2B dar, welche auf einer gemeinsamen Rotationsachse (strichpunktierte Linie) koaxial zueinander angeordnet sind. Der schraffierte Bereich stellt die zwei ferromagnetischen Kerne 3A, 3B dar. Zentrisch ist eine Durchgangsbohrung zur Montage einer Drehachse vorhanden. Das Spulenpaar besitzt bei entsprechender Bauhöhe eine hohe axiale Überlappung. Somit eignet sich der Aufbau auch zum Einsatz als Luftspulenübertrager ohne ferromagnetischen Kern. In diesem Fall bestehen die schraffierten Bereiche sowie die (nicht gezeigte) Drehachse aus einem Material, welches keine Wirbelströme verursacht, wie z. B. aus Kunststoff. Bevorzugt sind in diesem Fall Komponenten vorzusehen, welche dafür Sorgen, dass das magnetische Feld den Bereich des Übertragerinneren möglichst nicht verlässt. Hierzu können beispielsweise sogenannte Mu-Metalle, z. B. in Blech- oder Folienform, verwendet werden, die den Innenraum des Übertragers auskleiden oder sich um die Spulen legen.
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Die 2B zeigt eine andere Ausführungsform wesentlicher Komponenten eines erfindungsgemäßen Leistungsübertragers. Dies sind zwei ferromagnetische Kerne 3A, 3B, zwei Spulen 2A, 2B, sowie eine Durchgangsbohrung zur Montage einer mit der Rotationsachse (strichpunktierte Linie) koaxialen Drehachse. In dieser Ausführungsform können für Primärspule (stromquellenseitige Spule 2A) und Sekundärspule (sockelseitige Spule 2B) identische Kerne 3A, 3B verwendet werden, was aus fertigungstechnischen Gründen und unter Kostengesichtspunkten besonders günstig ist. Das Spulenpaar besitzt bei entsprechendem Durchmesser eine hohe radiale Überlappung. Somit eignet sich der Aufbau auch zum Einsatz als Luftspulenübertrager ohne ferromagnetische Kerne. Für diesen Fall stellen die schraffierten Bereiche Trägerkomponenten, beispielsweise ein Gehäuse, dar, welches beispielsweise aus Kunststoff besteht. Analog zur 2A gilt auch hier, dass eine durch die Spulen verlaufende Drehachse (nicht gezeigt) zumindest in diesem Bereich keine Wirbelstrom erzeugenden Materialien aufweisen sollte.
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In der 2C ist ein Drehübertrager mit zwei ferromagnetischen Kernen 3A, 3B, zwei Spulen 2A, 2B, und einer im Verhältnis zum Gesamtdurchmesser sehr großen Durchgangsbohrung zur Montage der Lagerkomponenten (nicht dargestellt) für die Drehlagerung des Drehgestells und der Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung (jeweils nicht dargestellt) gezeigt. Aufgrund der durch die Elemente der Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung erhöhten Toleranzen wird ein größerer Luftspalt benötigt. Die Nachteile des größeren Luftspaltes werden in dieser Ausführungsform durch die verlängerte axiale Überlappung am Luftspalt kompensiert.
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In der 3 ist eine schematische Zusammenstellung besonders bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Leistungsübertragers gezeigt. Die linke Bildhälfte ist dem Drehgestell, die rechte dem Sockel zugeordnet. Dazwischen liegt der Leistungsübertragerkern 1', welcher definitionsgemäß das Spulenpaar, ggf. vorhandene Weicheisenkerne sowie das Drehgelenk umfasst (jeweils nicht separat dargestellt). Alle übrigen Komponenten sind aus. Gründen der Übersichtlichkeit nicht detailliert dargestellt, sondern lediglich durch Blöcke angedeutet. Gleichspannungsleitungen werden mittels durchgezogener Linien, Wechselspannungsleitungen mittels punktierter Linien symbolisiert. Es ist klar, dass je nach Anzahl der Phasen eine darauf abgestimmte Anzahl von Wechselspannungsleitungen vorzusehen ist. Es ist klar, dass auch die anderen Komponenten der 3A bis 3F konstruktiv in das Gehäuse eines Leistungsübertragers 1 integriert sein können.
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Die 3A zeigt eine Ausführungsform mit minimalen Komponenten. Der Generator 9 erzeugt eine Wechselspannung, welche unmittelbar in den Leistungsübertragerkern 1' eingespeist und dort über das Drehgelenk auf den Sockel übertragen. Die Wechselspannung kann dann bevorzugt direkt weiterverwendet werden, beispielsweise durch Einspeisung in das öffentliche Stromnetz, sofern die Generatorfrequenz dieser entspricht.
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Die Variante der 3B weist zusätzlich einen sockelseitigen Gleichrichter 13 auf. Dieser ist dann nötig, wenn ein Gleichstrom benötigt wird, beispielsweise zur Ladung eines Akkumulators oder zur Einspeisung in einen Gleichstromverbraucher.
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Im Gegensatz dazu weist die Ausführungsform der 3C einen Frequenzumrichter 11 auf. Dieser ist immer dann sinnvoll, wenn die Generatorfrequenz zunächst auf einen bestimmten und konstanten Wert gebracht werden muss, um möglichst verlustfrei übertragen werden zu können, und/oder um sie an das Einspeisenetz anzugleichen. Da die Generatorfrequenz gewöhnlich von der je nach Windstärke variierenden Drehzahl des Repellers abhängt, ist diese Ausführungsform bevorzugt.
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Besonders bevorzugt wird die Generatorfrequenz auf einen konstanten Wert von 50 bzw. 60 Hz gebracht und so übertragen. Auf diese Weise kann die übertragene Spannung direkt in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden.
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Die Ausführungsform der 3D kombiniert die Ausführungsformen der beiden vorherigen Figuren. Die vom Generator 9 erzeugte Wechselspannung wird zunächst frequenzumgerichtet, dann mittels des Leistungsübertragerkerns 1' übertragen, und schließlich gleichgerichtet.
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In der 3E ist der Fall dargstellt, dass die Stromquelle 10 Gleichspannung bereitstellt, der beispielsweise aus einer Solarzelle oder einem Pufferakkumulator stammen kann. Zur Übertragung muss die Gleichspannung mittels eines Wechselrichters 12 in eine übertragbare Wechselspannung überführt werden. Anschließend kann sie in Form dieser Wechselspannung weiterverwendet werden.
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Besonders bevorzugt erfolgt das Wechselrichten auf einen konstanten Wert von 50 bzw. 60 Hz. Auf diese Weise kann die übertragene Spannung direkt in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden.
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Wie in der 3F dargestellt, kann die gemäß der 4E übertragene Spannung vor der Einspeisung aber auch zuvor wieder mittels eines Gleichrichters 13 gleichgerichtet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leistungsübertrager
- 1'
- Leistungsübertragerkern
- 2A
- stromquellenseitige Spule
- 2B
- sockelseitige Spule
- 3A
- stromquellenseitiger Ferritkern
- 3B
- sockelseitiger Ferritkern
- 4A
- stromquellenseitige Vorrichtung zur mechanischen Entkopplung
- 4B
- sockelseitige Vorrichtung zur mechanischen Entkopplung
- 4A'
- stromquellenseitige Vorrichtung zur thermischen Kopplung
- 4B'
- sockelseitige Vorrichtung zur thermischen Kopplung
- 5A
- äußeres Gehäuseteil
- 5B
- inneres Gehäuseteil
- 6A, 6B
- Lager
- 7
- Sockel
- 7'
- Fixiereinrichtung
- 7''
- Scheibe
- 8A
- Zuleitung
- 8B
- Ableitung
- 9
- Generator
- 10
- Stromquelle
- 11
- Frequenzumrichter
- 12
- Wechselrichter
- 13
- Gleichrichter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2008089760 A1 [0003]
- GB 2167612 A [0004]
- US 020080293260 A1 [0004]
- EP 1961082 B1 [0004]
- EP 2146403 A1 [0006]
- JP 60129904 A [0008]
- JP 11149601 A [0008]
- JP 61104302 A [0008]
- DE 4127647 A1 [0009]
- JP 2002272019 A [0009]
