DE19544400A1

DE19544400A1 - Einrichtung zur Einstellung der Blätter von Vertikalachs-Rotoren für den Schwachwindanlauf und für die Überlastabschaltung

Info

Publication number: DE19544400A1
Application number: DE19544400A
Authority: DE
Inventors: Guenther Eggert; Philipp Otto
Original assignee: En Umwelt Beratung E V I
Current assignee: En Umwelt Beratung E V I
Priority date: 1995-11-29
Filing date: 1995-11-29
Publication date: 1997-06-05

Description

Gegenstand der Erfindung

Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zur Steuerung der Blattstellung von Vertikalachs-Rotoren für Windkraftanlagen für den Schwachwindanlauf, die nach dem Prinzip des aerodynamischen Tragflügels arbeiten.

Stand der Technik

Windkraftanlagen mit Vertikalachs-Rotoren, die nach dem Tragflügelprinzip arbeiten, benötigen im allgemeinen eine zusätzliche Einrichtung zum Anlauf aus dem Stand, die eine Mindestumdrehung des Rotors erzeugt, die für den Aufbau einer für den aerodynamischen Blattprofilumströmung notwendig ist. Bekannte Ausführungsformen dieser Bauart sind Vertikalachs-Rotoren nach Darrieus, die mit einem kleineren Widerstandsrotor nach Savonius kombiniert sind. Im Schwachwindbereich, in dem die Blätter des Darrieus-Rotors noch keine Auftriebskräfte liefern, kann der Savonius-Rotor bereits einen Antrieb liefern. Nachteilig ist an dieser Lösung, daß bei höheren Windgeschwindigkeiten, in denen der Darrieus-Rotor den Antrieb übernommen hat, der Savonius-Rotor bremsend wirkt oder durch weitere technische Einrichtungen von der Drehung des Darrieus-Rotors abgekoppelt wird.

Es sind auch Vertikalachs-Rotoren entwickelt worden, bei denen die Blätter um eine ebenfalls vertikale Blattachse drehbar um einen Winkelbereich angeordnet sind und sich damit selbständig auf die Richtung des anströmenden Windes einstellen können in der Weise, daß die mit der Profil-Austrittskante zum Wind weisenden Blätter sich in eine in Bezug auf die Rotorachse radiale Stellung bringen und somit über den Staudruck des Windes einen Antriebsimpuls erhalten, während die mit der Profileintrittskante zum Wind weisenden Blätter eine Stellung des geringsten Widerstandes zur Anströmung einnehmen. Bei Windgeschwindigkeiten im Auslegungsbereich der Windkraftanlage stellen sich dann auch die mit der Austrittskante zum Wind weisenden Blätter in Richtung des Bahnumlaufs ein und der Rotor arbeitet nach dem Tragflügelprinzip. Rotoren dieser Bauart müssen im Unterschied zu Darrieus-Rotoren die Blätter in einer genau achsparallelen Anordnung halten, damit die Funktion der Selbsteinstellung gesichert bleibt. Eine größere wirtschaftliche Bedeutung haben Rotoren nach dieser Bauart nicht erlangen können, da das Selbsteinstellen der Blätter mit einem sogenannten "Klappern" sowie mit Verschleißerscheinungen an den Blattlagerungen verbunden ist.

Weiterhin ist ein Vorschlag bekannt geworden, wonach die Blätter eines Vertikalachs- Rotors entlang ihres Bahnumlaufes nicht mehr eine feste Ausrichtung aufweisen, sondern durch die Ansteuerung der Blätter mittels mechanischer Stelleinrichtungen derart auf die sich aus Windanströmung und Umlaufgeschwindigkeit ergebende resultierende Anströmgeschwindigkeit eingestellt werden, daß jedes Blatt fast an jedem Punkt seines Bahnumlaufes eine positive Antriebskraft liefert. Obwohl mit dieser Steuerung die Defekte behoben werden können, die sich aus der starren Anordnung der Rotorblätter ergeben wie beispielsweise die Ungleichförmigkeit des Nutzdrehmomentes des einzelnen Blattes, ist der Schwachwindanlauf wie auch die Sicherheitsabregelung von Vertikalachs-Rotoren mit der vorgeschlagenen Charakteristik und dem vorgesehenen Arbeitsbereich der Blattsteuerung nicht gelöst.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung stellt sich zum Ziel, bei Vertikalachs-Rotoren mit Einzelblattsteuerung mittels der Einstellung der Blätter im Schwachwindbereich den Anlauf und bei hohen Windgeschwindigkeiten die Sicherheitsabschaltung des Rotors zu gewährleisten.

Lösungsweg

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die für den jeweiligen Betriebsfall notwendige Ausrichtung der Blätter auf der Grundlage von rechnerisch bestimmten Steuerfunktionen für jedes Blatt vorgenommen wird, wobei die Steuerfunktionen errechnet werden unter Verwendung der gemessenen Werte der Parameter Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Winkelgeschwindigkeit des Rotors und Stellung einer mit dem Rotor umlaufenden Marke in Bezug auf eine raumfeste Marke, die die Zuordnung jedes Blattes zu jedem Zeitpunkt zur Windrichtung ermöglicht.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es zeigt
Bild 1 die Anströmung der Blätter des Rotors entlang der Umlaufbahn mit der aus der Überlagerung von Windgeschwindigkeit und Umlaufgeschwindigkeit resultierenden Geschwindigkeit,
Bild 2 die mechanische Steuerung der Blattstellungen durch eine Steuereinheit im Auslegungsbetriebsfall,
Bild 3 die Stellung der Blätter für den Schwachwindanlauf,
Bild 4 die Stellung der Blätter zur Sicherung gegen Überlast bei hohen Windgeschwindigkeiten,
Bild 5 die mechanisch Steuerung der Blattstellungen durch eine Steuereinheit beim Übergang in beliebige Betriebszustände.

Im Auslegungsbetriebsfall des Rotors nach Bild 1 läßt sich für alle Flügelblätter B₁, B₂, B₃ eine solche Stellung definieren, daß Auftriebskräfte A₁, A₂, A₃ erzeugt werden, die mit dem Rotordrehpunkt Hebel h₁, h₂, h₃ und die entsprechenden positiven Antriebsmomente ergeben.

Für die Einstellung der Blattstellungen nach Bild 2 mit den Winkeln α sind mechanische Einrichtungen, im Beispiel hydraulische Stellzylinder, wirksam, die auf der Grundlage der gemessenen Werte für die Windgeschwindigkeit V, des Windrichtungswinkels δ gegenüber einer raumfesten Marke N, des Drehwinkels ϕ einer mitdrehenden Marke W gegenüber der Marke N und der Winkelgeschwindigkeit ω des Rotors durch die Steuereinheit E berechnet werden.

Für den Schwachwindanlauf nach Bild 3 ermittelt die Steuereinheit E aus den gemessenen Werten den zu erwartenden Antrieb durch den angreifenden Wind. Wenn die Windenergie die von außen dem System zuzuführende Stellenergie für die Blattverstellungen übersteigt, beginnt die Blattverstellung und bringt die Blätter in solche Stellungen entlang der Umlaufbahn, daß die mit der Windrichtung ablaufenden Blätter wie B₁ durch den Staudruckimpuls des Windes angetrieben, die der Windrichtung zulaufenden Blätter in eine Stellung eines minimalen Widerstandes wie B₃ oder eines nutzbaren Auftriebs wie B₂ gebracht werden.

Für den Betriebsfall mit Starkwind nach Bild 4 werden alle Blätter in eine zur Rotorachse radiale Stellung gebracht, wodurch eine Abschaltung der Windkraftanlage erfolgt.

Die technische Realisierung der Blattsteuerung kann nach Bild 5 gleichfalls durch Stellmotoren M_i, die nach jeweils individuellen Steuerprogrammen in Abhängigkeit der Windrichtung ϕ, der Windgeschwindigkeit V, der Bahngeschwindigkeit ω und der Blattposition α auf der Umlaufbahn erfolgen. Die Stellenenergie und die Stellimpulse werden von der Steuereinheit E mit den Leitungen L übertragen.

Claims

1. Einrichtung zur Einstellung der Blätter von Vertikalachs-Rotoren für den Schwachwindanlauf, gekennzeichnet dadurch, daß die Werte für die Geschwindigkeit und Richtung des Windes sowie die Stellung der Blätter des Rotors in Bezug auf ein raumfestes Koordinatensystem gemessen und in einer Steuereinheit rechentechnisch in Stellbefehle für mechanische Stellorgane der Blätter für die Einstellung der Anstellwinkel der Blätter in Bezug auf ein rotorfestes Koordinatensystem überführt werden derart, daß die Stellorgane die auf der vom Wind ablaufenden Seite der Blattumlaufbahn befindlichen Blätter quer zur Windrichtung und die auf der dem Wind zulaufenden Seite der Blattumlaufbahn befindlichen Blätter in Windrichtung bringen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Blätter durch die Stellorgane entlang der Blattumlaufbahn kontinuierlich auf der Grundlage einer von der Steuereinheit ermittelten Steuerfunktion erfolgt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Blätter durch die Steuereinheit so erfolgt, daß die Erhöhung der Drehzahl des Rotors im Anlauf gemessen wird und die aus dieser Erhöhung sich ergebenden veränderten Anströmungen durch die Steuereinheit derart berücksichtigt werden, daß die Stellung der Blätter auf Abschnitten der Umlaufbahn oder der gesamten Umlaufbahn nach dem Tragflügelprinzip zu arbeiten beginnen.

4. Einrichtung zur Einstellung von Vertikalachs-Rotoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit über die Stellorgane die Blätter bei Erreichen der zulässigen höchsten Windgeschwindigkeit in eine zur Rotorachse radiale Stellung bringt und den Rotor damit stillsetzt.