DE10258358A1

DE10258358A1 - Anordnung zum Antrieb einer Windkraftanlage und Bahnsteuerung

Info

Publication number: DE10258358A1
Application number: DE2002158358
Authority: DE
Inventors: Burkhard Haering; Holger Langlotz
Original assignee: Haring Burkhard
Current assignee: Haring Burkhard
Priority date: 2002-12-12
Filing date: 2002-12-12
Publication date: 2004-06-24

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art und eine Kurvenbahn-Steuerung anzugeben, bei der eine möglichst große Windflügelfläche so gesteuert werden kann, dass sie während ihres Umlaufs um eine zentrale Achse möglichst lange wirksam, d. h. rechtwinklig zur Windrichtung im Wind, verbleibt. DOLLAR A Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, dass mindestens drei Flügel an übereinander angeordneten Schwenkarmen gelagert sind, die starr an einer drehbaren Mittelsäule angeordnet sind, und die Kurvenbahn an einer mit der Mittelsäule fest verbundenen Steuerscheibe angebracht ist. DOLLAR A Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Übertragung der Windkraft auf eine energieerzeugende Maschine, bei der Flügel und eine mittige senkrechte Achse drehbar angeordnet sind und auf einer definierten Bahnsteuerung geführt werden, und eine Bahnsteuerung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Übertragung der Windkraft auf eine energierzeugende Maschine, bei der Flügel um eine mittige senkrechte Achse drehbar angeordnet sind und auf einer definierten Bahnsteuerung geführt werden und eine Bahnsteuerung.
Im Stand der Technik sind Windkraftanlagen mit Steuerung von Flügeln in verschiedenen Ausführungen bekannt.
Nach DE 30 30 425 A1 ist eine Windkraftanlage in Form eines Magnus-Rotors bekannt, der an einer Stahl- oder Stahlbetonkonstruktion pendelnd gelenkig aufgehängt ist und je nach Windgeschwindigkeit durch eine elektronische Steuerung nach Ergebnissen, welche aus einem Windmesser gewonnen werden, gesteuert wird.
Weiterhin ist in DE 36 09 936 C2 eine Windkraftanlage beschrieben, bei der zwei um ihre eigene Achse vertikal drehbare Flügel, die um 180° versetzt angeordnet sind, um eine zentrale Achse beweglich angebracht sind, wobei die Flügel über eine Kurvenbahn mechanisch gesteuert werden. Bei der in der Schrift offenbarten Erfindung erfolgt die Abstützung des Gesamtsystems über eine außenliegende Stahlkonstruktion.
Nachteilig ist bei DE 30 30 425 A1 , dass nur ein Flügel zur Windkraftnutzung eingesetzt wird. Ungünstig ist ferner, dass durch die einseitigen Belastungen in den Tragwerkskonstruktionen Spannungsspitzen auftreten und die Lagerung des Flügels im Kugelgelenk zu hohen Drücken führt und dass die Schmierung in diesem Bereich nur mit großen Schwierigkeiten durchführbar ist.
Bei der in DE 36 099 36 C2 angegebenen Anordnung ist nachteilig, dass die außenliegende Stützkonstruktion den Windstrom an die Flügel behindert und dass die beiden gegenüberliegenden Flügel durch die Steuerung auf Kurvenbahnen in den Bahn-Umkehrpunkten zu dynamischen, einseitigen Belastungsspitzen führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Anordnung der eingangs genannten An und eine Kurvenbahn-Steuerung anzugeben, bei der eine möglichst große Windflügelfläche so gesteuert werden kann, dass sie während ihres Umlaufs um eine zentrale Achse möglichst lange wirksam, d.h. rechtwinklig zur Windrichtung im Wind, verbleiben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Anordnung gelöst, welche die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unter- und Nebenansprüchen angegeben.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung gelingt es, die Windleistungs-Nutzung gegenüber den im Stand der Technik bekannten Anordnungen deutlich zu verbessern. Bei dieser Anordnung werden mehrere, mindestens jedoch drei Windflügel am Umfang um eine Zentralachse angeordnet. Dadurch verbleiben die Windtafeln während eines Umlaufs um die Zentralachse länger rechtwinklig zur Windrichtung und damit länger wirksam. Außerdem wird ein ruhiger Lauf, insbesondere in den Umkehrpunkten der Flügelsteuerung, erreicht. Die Abstützung der Flügel- Tragwerkskonstuktion erfolgt über eine im Gesamtsystem angeordnete Mittelsäule, die einerseits alle auftretenden Kräfte abfangen und für den Wind kein direktes Hindernis darstellt sowie andererseits die eingeleitete Drehbewegung auf ein Übersetzungsgetriebe übertragen kann. Durch die angegebene Gestaltung der Kurvensteuerung für die Flügel ist die Anordnung mehrerer Tafeln am Umfang der Zentralachse möglich. Hierdurch wird für das Gesamtsystem bei kaum vergrößerter Bauweise eine deutliche Leistungserhöhung gegenüber den im Stand der Technik bekannten Anordnungen erreicht. Die auftretenden Kräfte in den Umkehrpunkten der Tafelsteuerung werden durch die erhöhte Anzahl von Tafeln teilweise kompensiert. Dies führt auch zu verringertem mechanischen Verschleiß und somit zu einer längeren Betriebsdauer. Die Umlaufbewegung ist harmonischer als bei bekannten Systemen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass weitere Windkraftflügel in. einer artgleichen Anlage installiert werden können, ohne die mathematischen Verhältnisse der Steuerkurve ändern zu müssen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 die Flügelstellungen in der Kurvenbahn bei einer Anordnung mit drei Flügeln,
2 die Kurvenbahn für die Flügelsteuerung und
3 die Seitenansicht auf eine Windkraftanlage mit der erfindungsgemäßen Flügelanordnung.
1 zeigt die Draufsicht auf eine Ausführung, bei der drei Flügel 1 im System jeweils um 120° versetzt um die Zentralachse angeordnet sind. Die Flügel 1 sind aus mehreren, vorzugsweise aus zwei Flügelteilen zusammengesetzt, welche aus flachen Bauteilen bestehen und eine rechteckige oder quadratische Windangriffsfläche aufweisen.
In 2 ist der Verlauf der erfindungsgemäßen Kurvenbahn dargestellt.
Die Kurven in der Steuerscheibe 8, die die Bahn der Flügelachsen 2 in den Schwenkarmen 3 und 4 beschreiben, verlaufen nach folgenden mathematischen Beziehungen:
Dabei gilt:

– X₀; Y₀ : Koordinaten des Flügelmittelpunkts.
– X₁; Y₁: Koordinaten der bei Beginn der Betrachtungen (0°) innen liegenden Führungsbahn. Das in die Führungsbahn eingreifende Führungselement 9 liegt nach einer Umdrehung (360°) außen.
– X₂; Y₂ : Koordinaten der bei Beginn der Betrachtungen (0°) außen liegenden Führungsbahn. Das Führungselement 10 liegt nach einer Umdrehung (360°) innen.
– R Radius der Bewegungsbahn der Flügelmittelpunkte.
– r Abstand zwischen Flügelmittelpunkt und Führungspunkt der Flügel.
– α Drehwinkel der Flügelmitte zur Anlagen- Hauptachse 5 im Intervall von 0° bis 360°.
– β Drehwinkel der Flügelfläche zur Windrichtung im Intervall von 0° bis 90°.

Die gesamte Periode, nach der der Ausgangszustand wieder erreicht wird, beträgt 2 × 360°.
3 erläutert eine Ausführungsmöglichkeit der Anordnung. Die Flügel 1 sind mittig auf der vertikal angeordneten Flügelachse 2 drehbar gelagert. Die Flügelachse 2 ist in zwei Schwenkarmen 3 und 4, die paarweise, je einer ober- und einer unterhalb des Flügels 1 angeordneten sind, drehbar gelagert. Die Schwenkarme 3 und 4 sind mit Auslegern versehen, deren Anzahl mit der Anzahl der Windflügel 1 übereinstimmt. Die Schwenkarme 3, 4 sind mit hoher Steifigkeit ausgeführt und mit der drehbaren, in der Mitte der Gesamtanlage befindlichen Mittelsäule 5.1 verbunden. Die Mittelsäule 5.1 ist in einer Stützkonstruktion 6 gelagert, die in der Anlagenmitte vertikal verläuft, die Stützkräfte des Gesamtsystems aufnimmt und auf ein Fundament 7, vorzugsweise aus Stahlbeton, überträgt. In der Anlage ist eine Steuerscheibe 8 zentrisch angeordnet, die mit Kurvenbahnen in Form von Bahnsteuerungsnuten versehen ist. Damit werden die Flügel 1 auf ihrer Umlaufbahn zur Hauptachse 5 in eine zum Wind definierte Stellung gebracht. Die Steuerung wird mittels an den Flügeln 1 angeordneten Führungselementen 9 und 10, welche in Bahnsteuerungsnuten der Steuerscheibe 8 laufen, realisiert. Bei wechselnder Windrichtung kann die Steuerscheibe 8 über einen Stellantrieb 11 so verstellt werden, dass die Flügeln 1 mindestens in einem Viertel der Umdrehung gegenüber der Mittelsäule 5.1 quer zum Wind stehen.
Die über die Schwenkarme 3 und 4 eingeleitete Drehbewegung der Hauptachse 5 wird mittels eines Übersetzungstriebes 12, vorzugsweise eines Zahnradgetriebes, ins Schnelle bis zum Erreichen der Generatordrehzahl übersetzt.
Mit einem Generator 13, beispielhaft einem Asynchrongenerator, wird die mechanische Energie in Elektroenergie umgewandelt. Diese kann bei Netzparallelbetrieb in das öffentliche Netz eingespeist oder beim Inselbetrieb zeitnah verbraucht werden.
In einem weiteren, hier nicht dargestellten Beispiel, werden die Flügel auf ihrer Drehung um eine gemeinsame Hauptachse mit Hilfe von je einem Antrieb, vorzugsweise an der Flügelachse, in den und aus dem Wind gedreht. Dabei ist es möglich, die Flügel ebenfalls, wie schon im ersten Beispiel, auf mindestes einem Viertel der Umdrehung quer zum Wind zu belassen und somit möglichst viel Windenergie in Elektroenergie umzuwandeln. Die Windrichtung wird vorzugsweise elektromechanisch über einen Windrichtungsmesser erfasst, über einen Rechner ausgewertet und zur Steuerung des Flügel- Richtungsantriebs verwendet. Das Steuerungs- und Antriebssystem muss eine zeitgleiche Umsetzung der Windrichtungsänderungen realisieren, ohne jedoch auf böige Richtungsänderungen zu reagieren. Der hier notwendige Abgleich wird über die Software realisiert.

1: Flügel
2: Flügelachse
3: oberer Schwenkarm
4: unterer Schwenkarm
5: Hauptachse
5.1: Mittelsäule
6: Stützkonstruktion
7: Fundament
8: Steuerscheibe
9, 10: Führungselement
11: Stellantrieb für Steuerscheibe
12: Übersetzungsgetriebe
13: Generator

Claims

Anordnung zur Übertragung der Windkraft auf eine energieerzeugende Maschine (13), bei der Flügel (1) um eine mittige senkrechte Flügelachse (2) drehbar angeordnet sind und mit Hilfe von Führungselementen (9, 10) auf einer definierten Kurvenbahn geführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Flügel (1) an übereinander angeordneten Schwenkarmen (3, 4) gelagert sind, die starr an einer drehbaren Mittelsäule (5.1) angeordnet sind und die Kurvenbahn an einer mit der Mittelsäule (5.1) fest verbunden Steuerscheibe (8) angebracht ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurvenbahn für jeden Flügel (1) in Bahnsteuerungsnuten eingearbeitet ist, die in gleichmäßigen Winkelteilungen auf der Steuerscheibe (8) angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerscheibe (8) in Abhängigkeit von der Windrichtung mit einen Stellantrieb (11) nachgeführt wird.
Kurvenbahn- Steuerung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügelstellung während eines Umlaufes um die Anlagen-Hauptachse zum Wind mittels je eines Flügelantriebes eingestellt wird.
Kurvenbahn- Steuerung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Flügelantrieb ein Stellmotor verwendet wird.
Bahnsteuerung, insbesondere zur Steuerung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahnsteuerung in einer Kurve nach folgender Beziehung verläuft
wobei der Mittelpunkt des Flügels (1) X₀; Y₀ , der Verlauf der Kreisbahn der Flügelachse (2) in den Schwenkarmen (3, 4) ist und die Koordinaten der bei Beginn der Betrachtungen (0°) innen liegenden Führungsbahn X₁; Y₁ wobei das Führungselement (9) nach einer Umdrehung (360°) außen liegt; Periode 2 × 360°, und die Koordinaten der bei Beginn der Betrachtungen (0°) außen liegenden Führungsbahn X₂; Y₂, wobei das Führungselement 10 nach einer Umdrehung (360°) innen liegt, Periode 2 × 360°, mit dem Radius der Kreisbahn der Flügelmittelpunkte R, dem Abstand zwischen Flügelmittelpunkt und Führungspunkt der Flügel r, dem Drehwinkel der Flügelmitte zur Anlagen-Hauptachse 5 α im Intervall von 0° bis 360° und dem Drehwinkel der Flügelfläche zur Windrichtung β im Intervall von 0° bis 90° ist.