DE2709146C2 - Use of wind energy - Google Patents

Use of wind energy

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Description

Die Erfindung betrifft die Windenergienutzung durch regelbare Windkraftwerke mit verstellbaren Turbinenflügeln auf horizontaler Achse und mit über GetriebeThe invention relates to the use of wind energy by controllable wind power plants with adjustable turbine blades on the horizontal axis and with over gear

ίο angetriebenen Nutzenergieerzeugern (z. B. Stromerzeugern) sowie anschließender Nutzenergieverteilung. Die technische und wirtschaftliche Nutzung der Windenergie, die auf verschiedene Weise erfolgen kann, wird bekanntlich dadurch behindert, daß dem schwankenden Energieverbrauch zusätzlich ein schwankendes Bruttowindenergieangebot gegenübersteht, das sich außerdem mit der Höhenlage des Aufstellungsortes über N.N., seiner jeweiligen Windlage und der Achsenhöhe des Windkraftwerkes über Grund entsprechend den Windgeschwindigkeiten in der jeweiligen planetarischen Grenzschicht verändert. Ein weiterer Hinderungsgrund für die Nutzung der Windenergie ist die trotz zeitlicher Starkwindabschnitte im Jahresdurchschnitt relativ geringe Energiedichte. Trotzdem zeigen Modcllrechnungen auf Grund von Messungen des Deutschen Wetterdienstes, daß im Jahresmittel schon bis etwa 110 m Höhe genügend Nutzenergie für eine ausreichende volkswirtschaftliche Bedarfsdeckung zur Verfugung steht.ίο driven useful energy producers (e.g. electricity generators) as well as subsequent useful energy distribution. The technical and economic use of the Wind energy, which can be done in various ways, is known to be hindered by the fact that the fluctuating Energy consumption is also offset by a fluctuating gross wind energy supply, which also with the altitude of the installation site above sea level, its respective wind position and the Axis height of the wind power plant above ground according to the wind speeds in the respective planetary boundary layer changed. Another obstacle to the use of wind energy is the relatively low annual average energy density despite periods of strong winds. Show anyway Model calculations based on measurements by the German Weather Service, that in the annual mean already Up to a height of around 110 m, there is enough useful energy to cover sufficient economic needs Available.

Über die leistungsmechanische Auslegung von Windkraftwerken gibt es unterschiedliche Auffassungen. Um zu einer möglichst großen Ausnutzung der Bruttowindenergie zu kommen, ist es erforderlich, daß einerseits die wechselnde Windenergie bestmöglichThere are different views on the performance mechanical design of wind power plants. In order to achieve the greatest possible utilization of the gross wind energy, it is necessary that on the one hand the changing wind energy in the best possible way

}.s gesammelt wird, andererseits die gewonnene Nutzenergie ohne Verluste optimal und bedarfsgerecht verteilt wird. Die Erfindung verfolgt daher den Zweck, eine größtmögliche Sammlung der Windenergie durch bestmögliche Gestaltung des Windenergiesammlers und die damit verbundene und erforderliche optimale Abnahme der Nutzenergie zu erreichen.} .s is collected, on the other hand the recovered useful energy is distributed optimally and as required without losses. The invention therefore has the purpose of providing a largest possible collection of wind energy through the best possible design of the wind energy collector and to achieve the associated and required optimal consumption of useful energy.

Es ist z. Zt. kein Verfahren bekannt, mittels dessen die Größe des der Windturbine nachgeschalteten Nutzenergiewandlers, z. B. Stromerzeugers, optimal bestimmt werden kann. Die Flächenbelastung der Windturbinen schwankt daher je nach der Auffassung des Konstrukteurs. Betz (1) hat 1924 bereits angegeben, wie groß die theoretisch optimal erzielbare Leistung bei einer vorgegebenen Windgeschwindigkeit ist. Angaben über die Auslegung von Nutzenergiewandlern zur größtmöglichen Sammlung von Nutzenergie aus der Bruttowindenergie bei den wechselnden Windgeschwindigkeiten während eines Jahres fehlen ebenso wie die Auslegung von Anlagen bei zunehmender Höhe über Grund. Die älteren Windantriebe (z. B. Windmühlen) waren windgeführt und mit festen Getriebeübersetzungen ausgerüstet. Bei zunehmendem Wind nahm die Leistung zu, bis die Anlage bei Erreichen der Festigkeitsgrenze abgeschaltet werden mußte. Bei modernen Windkraftantrieben ist die Leistung und damit die Drehzahl des Nutzenergiewandlers meist vorgegeben, und ihre Regelung wird durch aerodynamisch geformte, verwundene und drehbar gelagerte Turbinenflügel bewirkt. Bei windgeführten Windantrieben kann die erwünschte konstante Drehzahl, bei den drehzahlgeführten Windantrieben die optimale Windenergiegewinnung nicht gehalten werden. Schon Betz (1) hat beschrieben, wie der Energieentzug der Bruttowindenergie bei drehzahl-It is Z. At the moment no method is known by means of which the size of the useful energy converter downstream of the wind turbine, z. B. power generator, can be determined optimally. The wing loading of the wind turbines therefore varies depending on the designer's opinion. Betz (1) already stated in 1924 how big the is theoretically optimal achievable power at a given wind speed. Information about the design of useful energy converters for the greatest possible collection of useful energy from the gross wind energy with the changing wind speeds during a year, as is the design of systems with increasing height above ground. The older wind drives (e.g. windmills) were wind-guided and equipped with fixed gear ratios. With increasing wind the power increased until the system had to be switched off when the strength limit was reached. With modern wind power drives the power and thus the speed of the useful energy converter is usually given, and their Regulation is effected by aerodynamically shaped, twisted and rotatably mounted turbine blades. at Wind-guided wind drives can achieve the desired constant speed with the speed-controlled wind drives the optimal wind energy generation cannot be maintained. Betz (1) already described how the energy extraction of the gross wind energy at speed

geführten Anlagen abnimmt. Neben der älteren Literatur zur Nutzenergiegewinnung aus der Bruttowindenergie (außer Betz z. B. van Heys, Meyer, Honnef, Kleinhenz, Hütter) dürfte der Stand der Technik etwa in der Systemstudie wiedergegeben werden, die im Auftrage des Bundesministers für Forschung und Technologie angefertigt wurde (2).managed systems. In addition to the older one Literature on useful energy generation from gross wind energy (except for Betz e.g. van Heys, Meyer, Honnef, Kleinhenz, Hütter) the state of the art should be around of the system study carried out on behalf of the Federal Minister for Research and Technology (2).

Die bisher bekannten Verfahren zur Auslegung von Windkraftanlagen erlauben nicht eine maximale (größtmögliche) Ausnützung der Jahreswindenergie. Das gilt sowohl ninsichtlich der optimalen (bestmöglichen) Leistungsgröße des Nutzenergieumwandlers als auch hinsichtlich der sich verändernden Windenergie über Grund als auch der ständigen Anpassung an die wechselnden Windgeschwindigkeiten. Die bisher bekanntgewordenen Windkraftanlagen stellen ein starres aerodynamisch-mechanisches (meist aerodynamischelektrisches) Energiesystem dar, deren Nutzenergieumwandler (z. B. Stromerzeuger) keine aus der Bruttojahreswindenergie herleitbare physikalisch-technisch-wirt- *j schaftliche Leistungsgröße erhalten hat, deren Nutzenergieumwandler (z. B. Stromerzeuger) nicht der mit der Höhe über Grund zunehmenden Bruttojahreswindenergie angepaßt ist und bei dem entweder die Turbinenflügel und ihre Drehzahl für eine festgelegte Windgeschwindigkeit ausgelegt sind und damit für höhere und geringere Windgeschwindigkeiten schlechtere Wirkungsgrade und dadurch nicht die optimal erzielbaren Leistungen ergeben, oder, bei einem Verzicht auf konstante Drehzahl, bei fester Blatteinstellung zwar die 3« optimale Leistung über einen bestimmten Geschw. Indigkeitsbereich des Windes erhalten bleibt, jedoch die anfallende elektrische und mechanische Nutzleistung wegen der variablen Drehzahl und der veränderlichen Spannung nur beschränkt verwendungsfähig ist. j-,The previously known methods for designing wind turbines do not allow a maximum (greatest possible) Utilization of the annual wind energy. This applies to both the optimal (best possible) Power size of the useful energy converter as well as with regard to the changing wind energy Reason as well as the constant adjustment to the changing wind speeds. The ones that have become known so far Wind turbines represent a rigid aerodynamic-mechanical (mostly aerodynamic-electrical) Energy system whose useful energy converter (e.g. electricity generator) does not come from the gross annual wind energy deducible physical-technical-business * j economic performance has received, their useful energy converter (e.g. power generator) not the gross annual wind energy, which increases with the height above ground is adapted and in which either the turbine blades and their speed for a fixed wind speed are designed and thus poorer efficiencies for higher and lower wind speeds and as a result do not result in the optimal achievable performance, or if you do without Constant speed, with a fixed blade setting, the 3 «optimal performance over a certain speed range of the wind is retained, but the resulting electrical and mechanical useful power because of the variable speed and the variable voltage is of limited use. j-,

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die jährlich anfallende Bruttojahreswindenergie sowohl in der Ebenen als auch in der Höhenerstreckung größtmöglich zu nutzen mit der Möglichkeit, die so gewonnene Nutzenergie stets bestmöglich abzugeben, wobei die Lösung sowohl für den Inselbetrieb als auch für die Verbundnetzeinspeisung geeignet sein muß und im Baukastensystem zu beliebigen Größen technisch und wirtschaftlich ausbaufähig sein soll.The invention is now based on the object of the annually accruing gross annual wind energy both in the levels as well as in the height extension to use as much as possible with the possibility of the so Always deliver the useful energy gained in the best possible way, with the solution both for island operation and Must be suitable for the network feed and technically in a modular system of any size and should be economically expandable.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im 4-, kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.The object is achieved according to the invention by the 4, characterizing part of claim 1 specified Measures resolved.

Zur Optimierung des Systems Windenergieumwandlung werden im Patentanspruch 1 drei Maßnahmen vorgeschlagen: -,0In order to optimize the wind energy conversion system, patent claim 1 includes three measures suggested: -, 0

1. Unter den Jahresdauerlinien des Windes an einem bestimmten Ort ergibt sich ein Maximum des Energieanfalls nur für die Windganglinie der partiellen Bruttowindenergie1. Under the annual duration curves of the wind at a certain location there is a maximum of the energy accumulation only for the wind path line of the partial gross wind energy

eOv = Po(v) ■ dt(v): (eov)max, e O v = Po (v) ■ dt (v): (e ov ) max, rjrj

A b b. 3 Seine zugehörige, spezifische Bruttowindleistung Po opt ist die optimale Bruttoausbauleistung. Sie wird der Optimierung des Nutzenergieerzeugers (z. B. Stromerzeugers) nach Reduktion mit den Wirkungsgra- ω den als spezifische, installierte Nettoausbauleistung p,„s, zugrunde gelegt. Die aus diesem Jahresgang der Windgeschwindigkeiten abgeleitete optimale Ausbauleistung gilt nur für den Ort der Aufstellung oder Anbringung des Windkraftwerkes, also nur für seine mittlere Jahreswindgeschwindigkeit V. A b b. 3 Its associated, specific gross wind output Po opt is the optimal gross expansion output. It is based on the optimization of the useful energy generator (e.g. electricity generator) after reduction with the degree of efficiency ω as the specific, installed net expansion capacity p, " s . The optimal expansion capacity derived from this annual wind speed curve only applies to the place where the wind power plant is set up or attached, i.e. only to its mean annual wind speed V.

2. Die aus der Jahresdauerlinie eOT des Aufstellungsortes ermittelte optimale, spezifische Bruttoausbauleistung pop, ist also an d esen Ort wegen seiner örtlichen mittleren Jahreswindgeschwindigkeit V gebunden. Windkraftanlagen werden sich aber in absehbarer Zeit in größere Höhen der planetarischen Grenzschicht erstrecken. In dieser nehmen die Windgeschwindigkeiten bekanntlich mit der Höhe über Grund zu und unterliegen dem Einfluß von Bodenrauhigkeiten und meteorologischen Größen in unterschiedlicher Weise. Der weitere Vorschlag im Grundanspruch sieht daher die Bildung von Windenergieabschnitten in der Höhenerstreckung vor, die nach geeigneten Kriterien, z. B. nach dem Kosten-Nutzen-Prinzip, vorgenommen werden. In diesen Windenergieabschnitten werden jeweils die Nutzenergieerzeuger (z. B. Stromerzeuger) nach dem in Punkt 1. angegebenen Verfahren optimiert. Ein Beispiel gibt hierfür A b b. 2. Zu Grunde gelegt ist hier ein mittleres planetarisches Grenzschichtprofil, wobei die Windgeschwindigkeit von H = 10 bis H = 100 m um den Faktor 1,5 und die mittlere Jahreswindenergie um den Faktor 3,34 ansteigen. Ein optimal arbeitendes Windkraftwerk mit einer bestimmten Höhenerstr^ckung muß also nach diesem Vorschlag in einzelnen Windenergieabschnitten durch optimale Auslegung seiner entsprechenden Nutzenergieerzeuger abschnittsweise optimiert werden, wobei Abschnitte von 10—50 m Höhe, vorzugsweise 15—25 m. sowohl nach physikalische-technischen als auch nach Kosten-Nutzen-Gesichtspunkten für geeignet gehalten werden. 2. The optimal, specific gross capacity p o " p determined from the annual duration curve e OT of the installation site, is therefore tied to this location because of its local mean annual wind speed V. In the foreseeable future, however, wind turbines will extend to greater heights of the planetary boundary layer. As is well known, the wind speeds in this area increase with height above ground and are subject to the influence of surface roughness and meteorological parameters in different ways. The further proposal in the basic claim therefore provides for the formation of wind energy sections in the height extension, which according to suitable criteria, e.g. B. according to the cost-benefit principle. In each of these wind energy sections, the useful energy generators (e.g. electricity generators) are optimized according to the procedure specified in point 1. An example is given in A b b. 2. This is based on a mean planetary boundary layer profile, with the wind speed increasing from H = 10 to H = 100 m by a factor of 1.5 and the mean annual wind energy by a factor of 3.34. According to this proposal, an optimally working wind power plant with a certain height must be optimized in individual wind energy sections by optimally designing its corresponding useful energy generator, sections 10-50 m high, preferably 15-25 m considered appropriate from a cost-benefit perspective.

3. Um die Windenergie in dem jeweiligen Windgeschwindigkeitsabschnitt von der Mindestgeschwindigkeit Vmi„ bis zur Regelgeschwindigkeit vrcg optimal zu nutzen, muß der optimale Windturbinenwirkungsgrad in diesem Geschwindigkeitsbereich voll erhalten bleiben (A b b. 3). Der dritte Vorschlag im Grundanspruch sieht daher die Teilung des Getriebes in einen festen und einen veränderlichen Teil vor, wobei der veränderliche Teil der Geschwindigkeitsspanne von vmm bis vn.f angepaßt ist.3. In order to optimally use the wind energy in the respective wind speed section from the minimum speed Vmi " to the control speed v rcg , the optimal wind turbine efficiency must be fully maintained in this speed range (A b b. 3). The third proposal in the basic claim therefore provides for the division of the transmission into a fixed and a variable part, the variable part being the speed range from v mm to v n . f is adapted.

Für den optimalen Anlauf der Windturbinenflügel bis zum Einsetzen der Verstellregelung des stufenlosen Verstellgetriebes und zur Leistungsbegrenzung ist eine an sich bekannte Drehung der Turbinenflügel vorgesehen. Die Drehung der Turbinenflügel im Zusammenwirken mit dem stufenlos verstellbaren Teil des Getriebes bilden eine Regelstrecke, die eine ständig optimale Blatteinstellung erlaubt. Statt der bisher üblichen Unsicherheit bei der Auslegung des Nutzenenergieerzeugers (z. B. Stromerzeugers) wird durch die vorgeschlagenen Mittel der Verwendung der Ganglinienmaxima und ihrer Anwendung in optimierbaren Höhenabschnitten eine optimale Auslegung der Netzenergieerzeuger (z. B. Stromerzeuger) und durch die Anwendung eines geteilten Getriebes mit einem variablen Teil zusätzlich ein optimaler Betrieb ermöglicht.For the optimal start-up of the wind turbine blades until the adjustment control of the infinitely variable Adjustment gear and for power limitation, a rotation of the turbine blades known per se is provided. The rotation of the turbine blades in cooperation with the continuously adjustable part of the gearbox form a controlled system that allows the blade setting to be optimal at all times. Instead of the usual Uncertainty in the design of the useful energy generator (e.g. electricity generator) is caused by the proposed Means of using the hydrograph maxima and their application in height sections that can be optimized an optimal design of the network energy generator (e.g. electricity generator) and through the application a divided transmission with a variable part also enables optimal operation.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile gegenüber dem bekannten Stand der Technik bestehen insbesondere darin, daß der Teil eines Windkraftwerkes, der der Windenergieumwandlung dient, als selbständiger Teil aufgefaßt wird und konsequent optimiert wird. Nach den angegebenen Verfahren kann jedes Windkraftwerk am Ort seiner Aufstellung physikalisch-technisch-wirtschaftlich mit maximaler Energieausbeute betrieben werden. Die Unsicherheiten in der Auslegung der Nutzenergieerzeuger (z. B. Stromerzeuger) sind beseitigt. Weitere Vorteile bestehen in der Erhaltung der optimalen Ausbauleistung auch in der Höhenerstrekkung über Grund nach Maßgabe der in der jeweiligen Höhe vorhandenen mittleren jährlichen Bruttowind-The advantages that can be achieved with the invention over the known prior art exist in particular in the fact that the part of a wind power station, which is used to convert wind energy, as an independent part is understood and consistently optimized. Any wind power plant can use the specified procedure operated physically, technically and economically at the site of its installation with maximum energy yield will. The uncertainties in the design of useful energy producers (e.g. electricity producers) have been eliminated. Further advantages are the preservation of the optimal development performance also in the altitude extension above ground in accordance with the mean annual gross wind

energie. Durch die Bildung von Abschnitten mit mittlerer jährlicher Bruttowindenergie ist die Ausbildung von autonomen, optimierbaren Windkraftwerkseinheiten möglich. Diese Windkraftwerkseinheiten können als Bauteile zu größeren Anlagen zusammengesetzt werden und dadurch den Ausnutzungsgrad der Bruttojahreswindenergie gegenüber bisher bekannten Ausführungen erheblich steigern. Aus der Abb. 3 und der Anwendung dieses Verfahrens auf einzelne Höhenabschnitte am Ort der Aufstellung von Windkraftwerken läßt sich zeigen, daß der spezifische, relative Ausnutzungsgrad der Nettojahreswindenergie (m = epms/emax) von bisher bekannten Konstruktionen und bekannt gewordenen Projekten von etwa 0,2 auf den technisch und wirtschaftlich optimal vertretbaren Wert von 0,6 anwächst. Die mit Hilfe des Maximums der partiellen Jahresdauerlinie (eov = pd(v) ■ dt(v)) ermittelten optimalen Ausbaugrade und ihrer Anwendung auf die verschiedenen Höhenbereiche wird zugleich die Betz'sche Leistungsberechnung für eine momentane Windgeschwindigkeit auf die optimale Leistungsauslegung für das Jahresmittel der Windgeschwindigkeit auch in Bereiche mit unterschiedlichen mittleren Jahreswindgeschwindigkeiten erweitert.energy. By forming sections with average annual gross wind energy, the formation of autonomous, optimizable wind power plant units is possible. These wind power plant units can be assembled as components to form larger systems and thereby considerably increase the degree of utilization of the gross annual wind energy compared to previously known designs. From Fig. 3 and the application of this method to individual height sections at the location of the installation of wind power plants, it can be shown that the specific, relative degree of utilization of the net annual wind energy (m = e p ms / e max ) of previously known constructions and known projects of around 0.2 grows to the technically and economically optimally justifiable value of 0.6. The optimal degree of expansion determined with the help of the maximum of the partial annual duration curve (e ov = pd (v) ■ dt (v)) and its application to the different height ranges also becomes Betz's power calculation for a current wind speed on the optimal power design for the annual mean the wind speed also expanded into areas with different mean annual wind speeds.

Wegen der in einer Bauhöhe über Grund gleichen mittleren Jahreswindgeschwindigkeit und damit auch annähernd gleicher Bruttojahreswindenergie ist die Zusammenfassung der Leistung von Windturbinen in etwa gleicher Bauhöhe über Grund möglich. Im Unteranspruch 2 wird daher vorgeschlagen, die Wellenenergie mehrerer Turbinen mit gleicher oder ähnlicher Bauhöhe über Grund einem Nutzenergieerzeuger (z. B. Stromerzeuger) zuzuleiten. Hierdurch wird die Anzahl z. B. von Generatoren wesentlich verringert, wodurch Investitionskosten und Wartungkosten gespart werden.Because of the same mean annual wind speed at a construction height above ground and therefore also approximately the same gross annual wind energy is the summary of the power of wind turbines in approximately the same height above ground is possible. In dependent claim 2 it is therefore proposed that Wave energy from several turbines with the same or similar height above ground from a useful energy generator (e.g. power generator). This increases the number of z. B. significantly reduced by generators, whereby investment costs and maintenance costs are saved.

Die vorstehend beschriebenen, optimal installierten sowie den örtlichen (auch in der Höhe) mittleren Jahreswindgeschwindigkeiten angepaßten Windenergie-Umwandlungssysteme sind in dieser Konzeption hervorragend geeignet, als Baukastenteile für Anlagen beliebiger Größe verwandt zu werden (Abb.4 und 5, Anspruch 3). Wenn die Nutzenergiegewinnung über Stromerzeuger erfolgt, ist für den Parallelbetrieb lediglich erforderlich, daß zusätzliche Spannungsregler angebracht werden.The optimally installed as well as the local (also in height) middle ones described above Wind energy conversion systems adapted to annual wind speeds are included in this conception ideally suited to be used as modular parts for systems of any size (Fig. 4 and 5, Claim 3). If the useful energy is generated by electricity generators, it is for parallel operation only required that additional voltage regulators be attached.

Für die zweckmäßige Anordnung der Windenergie-Umwandlungseinheiten sind an den Aufstellungstürmen horizontale Schwenkarme vorgesehen, die aus der Richtung senkrecht zur Windrichtung (Arbeitsstellung) in eine Richtung parallel zur Windrichtung geschwenkt werden können (A b b. 4 und 5). Die Schwenkung in Windrichtung ist vorwiegend für Ruhestellung und Montagearbeiten sowie bei Orkan vorgesehen (Anspruch 4).For the appropriate arrangement of the wind energy conversion units horizontal swivel arms are provided on the erection towers, which can be seen from the direction perpendicular to the wind direction (working position) can be swiveled in a direction parallel to the wind direction (A b b. 4 and 5). The panning in Wind direction is mainly intended for rest position and assembly work as well as in the event of a hurricane (claim 4).

Wegen der besseren Beherrschung der dynmischen Kräfte bei Anbringung mehrerer Einheiten an einem Aufstellungsturm ist es zweckmäßig, die Drehrichtung der Windturbinen so vorzusehen, daß sie paarweise gegenläufig gerichtet sind (Anspruch 5).Because of the better control of the dynamic forces when attaching several units to one Installation tower, it is useful to provide the direction of rotation of the wind turbines so that they are in pairs are directed in opposite directions (claim 5).

Zum Ausgleich der Gewichte an den Tragarmen in Windrichtung und zur Verringerung zu großer, stabilisierender Kräfte in Windrichtung sowie zur Vermeidung von Schwingungen durch den Turmschatten können die äußeren Turbinen in Windrichtung, die inneren Turbinen gegen die Windrichtung auf den Tragarmen montiert werden (Anspruch 6).To compensate for the weights on the support arms in the direction of the wind and to reduce excessively large, stabilizing Forces in the direction of the wind and to avoid vibrations through the tower shadow the outer turbines can be placed in the direction of the wind, the inner turbines against the wind direction Support arms are mounted (claim 6).

Die Erfindung sieht eine sich von der sichThe invention sees itself as one of the itself

optimierenden Windenergieumwandlung getrennt optimierende Nutzenergieabnahme vor. Die anfallende Nutzenergie wird vollautomatisch in der Rangfolge des Energiebedarfs durch programmierte Lastzu- und ί -abschaltung auf die einzelnen Abnahmebereiche wie z. B. Netzversorgung, Fahrstrom, Batterieladung, Speicherung, Heizung usw. verteilt. Hierzu kann die Nutzenergieverteilung bei Bedarf mit Umformersätzen und Elementen der Anpassungs- und Leistungselektronik ausgerüstet und mit Mitteln der Steuerungs- und Rechnerelektronik optimal angepaßt und programmiert werden (Anspruch 7).optimizing wind energy conversion separately optimizing consumption of useful energy. The accruing Useful energy is generated fully automatically in the order of priority of the energy requirement through programmed load increases and ί shutdown on the individual acceptance areas such as B. Mains supply, traction current, battery charging, storage, Heating, etc. distributed. For this purpose, the useful energy distribution can be done with converter sets if required and elements of adjustment and power electronics and equipped with means of control and Computer electronics are optimally adapted and programmed (claim 7).

Bezeichnungen:Designations:

'' ~v m/s Mittlere Jahreswindgeschwindigkeit'' ~ v m / s mean annual wind speed

νmm/s Mindeslwindgesehwindigkeit zum ν m " m / s minimum wind speed for

Anlauf einer WindenergieanlageStart-up of a wind turbine

vrCg m/s Wegregelungswindgeschwindigkeit v rC g m / s path control wind speed

bei der Leistungsgrenze der Windenergieanlage at the power limit of the wind turbine

p„ kw/m2 Spezifische Bruttowindleistung p " kw / m 2 Specific gross wind output

pop, kw/m2 Optimale, spezifische Bruttoausbauleistung p o " p , kw / m 2 Optimal, specific gross expansion capacity

p,/v) kw/m2 Spezifische Bruttowindleistung für ein Windgeschwindigkeitsintervall p, / v) kw / m 2 Specific gross wind power for a wind speed interval

dt(v) h Zeitabschnitt für ein Windgeschwin dt (v) h Time segment for a wind speed

digkeitsintervallage interval

p,„s, kw/m2 Installierte, spezifische Nettoausbau-p, " s , kw / m 2 Installed, specific net expansion

leistungpower

em kwh/m2 Spezifische Bruttowindenergie füre m kwh / m 2 Specific gross wind energy for

ein Geschwindigkeitsintervalla speed interval

(eOv)max kwh/m2 Maximale, spezifische Bruttowindenergie für ein Geschwindigkeitsintervall (e O v) max kwh / m 2 Maximum, specific gross wind energy for a speed interval

ep ,„si kwh/m2 Spezifische Nettojahreswindenergie bei der installierten spezifischen Leistung ρ e p , "si kwh / m 2 Specific net annual wind energy at the installed specific power ρ

emj, kwh/m2 Maximale, spezifische Nettojahrese m j, kwh / m 2 Maximum, specific net year

windenergiewind energy

m = pwst/popt relativer Ausbaugrad der Windkraftanlage m = pwst / popt relative degree of expansion of the wind turbine

η = e/emJ% relativer Ausnutzungsgrad der Net- η = e / e mJ% relative degree of utilization of the network

towindenergiewind energy

Literaturangaben:Bibliography:

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Wind-Energie und ihre Ausnutzung durch Windmühlen. Aus Naturwissenschaft und Technik, Heft 2 (1926) Göttingen: Vandenhoeck u. RuprechtWind energy and its use by windmills. From science and technology, volume 2 (1926) Göttingen: Vandenhoeck and Ruprecht

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Mitteilingen Nr. 1-6,1953-1960. 5 152.Notification No. 1-6, 1953-1960. 5 152.

Hierzu 5 Blatt ZeichnungenIn addition 5 sheets of drawings

Claims (7)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Windenergienutzung durch regelbare Windkraftwerke mil verstellbaren Turbinenflügeln auf horizontaler Achse und mit über Getriebe angetriebenen Nutzenergieerzeugern (z. B. Stromerzeugern) sowie anschließender Nutzenergieverteilung, dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte Energiesystem Windenergieumwandlung (Windturbine — Nutzenergieerzeuger, z. B. Stromerzeuger) — Nutzenergieabnahme (Energieverteilung — Verbraucher und Speicher) in die Einzelsysteme Windenergieumwandlung und Nutzenergieabnahme getrennt wird und daß im System Windenergieumwandlung der Nutzenergieerzeuger, z. B. als Stromerzeuger, mittels des Energiemaximunis de:· Jahresdauerlinie pd(v) ■ dt(v) leistungsmäßig optimiert wird und daß bei Anlagen größerer Höhe über Grund die Bauhöhe in leistungsmechanisch und festigkeitsmechanisch optimierbare Höhen (z. B. 10—50 m) unterteilt und die Nutzenergieerzeuger, z. B. Stromerzeuger, in den jeweiligen Bauhöhenabschnitten mittels der Energiemaxima der Jahresdauerlinien Po(v) ■ at(v) leistungsmäßig optimal ausgelegt werden und daß der optimale Wirkungsgrad der Windturbine vom Anlaufen bis zur ermittelten optimalen Leistung des Windenergieumwandlungssystems durch Teilung des Getriebes in einen Teil mit konstantem Übersetzungsverhältnis und einen Teil mit variablem Übersetzungsverhältnis erhalten bleibt und daß die so erhaltene optimale Nutzleistung durch einen programmierten Verteiler den Verbrauchern und Speichern in einer bestimmten Rangfolge zugeleitet wird.1. Wind energy use by controllable wind power plants with adjustable turbine blades on a horizontal axis and with gear-driven useful energy generators (e.g. electricity generators) and subsequent useful energy distribution, characterized in that the entire energy system is wind energy conversion (wind turbine - useful energy generator, e.g. electricity generator) - useful energy consumption (Energy distribution - consumer and storage) is separated into the individual systems wind energy conversion and consumption of useful energy and that in the system wind energy conversion of the useful energy generator, z. B. as a power generator, by means of the energy maximunis de: · the annual duration curve pd (v) ■ dt (v) is optimized in terms of performance and that in the case of systems higher above the ground, the construction height is at heights that can be optimized in terms of performance and strength mechanics (e.g. 10-50 m) divided and the useful energy producers, z. B. power generator, in the respective height sections by means of the energy maxima of the annual duration curves Po (v) ■ at (v) are optimally designed in terms of performance and that the optimal efficiency of the wind turbine from start-up to the determined optimal performance of the wind energy conversion system by dividing the gear into one part constant transmission ratio and a part with variable transmission ratio is retained and that the optimal useful power thus obtained is fed through a programmed distributor to the consumers and stores in a certain order of priority. 2. Windenenergienutzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Windturbinen in einem Bauhöhenabschnitt ihre Energie auf einen Nutzenergieerzeuger, z. B. Stromerzeuger, übertragen.2. Wind energy use according to claim 1, characterized in that several wind turbines in a height section their energy to a useful energy generator, z. B. Generators, transfer. 3. Windenergienutzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nach Anspruch 1 beschriebenen Windenergieumwandlungssysterne als Baukastenteile für Windenergieanlagen beliebiger Größe ausgebildet sind (A b b.4).3. Wind energy use according to claim 1, characterized in that that described according to claim 1 Wind energy conversion systems as modular parts for wind turbines of any size are formed (A b b.4). 4. Windenergienutzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Systeme zur Windenergieumwandlung auf durchgehenden, horizontalen Schwenkarmen und/oder je nach Turmhöhe auch übereinander am Aufstellungsturm angebracht sind (Ab b.4 und 5).4. Wind energy use according to claim 1, characterized in that the systems for wind energy conversion on continuous, horizontal swivel arms and / or depending on the tower height are mounted one above the other on the erection tower (from b.4 and 5). 5. Windenergienutzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Systeme zur Windenergieumwandlung paarweise gegenläufig auf den Schwenkarmen angeordnet sind.5. Wind energy use according to claim 1, characterized in that the systems for wind energy conversion are arranged in opposite pairs on the swivel arms. 6. Windenergienutzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Systeme zur Windenergieumwandlung so angeordnet sind, daß die Turbinen der außenlitgenden Einheiten in Richtung des Windes, die Windturbinen der in der Mastnähe liegenden Einheiten entgegen der Windrichtung angebracht sind.6. Wind energy use according to claim 1, characterized in that the systems for wind energy conversion are arranged so that the turbines of the outboard units face the wind, the wind turbines those in the vicinity of the mast lying units against the wind direction are attached. 7. Windenergienutzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die anfallende, optimal erreichbare Nutzenergie aus der Windenergieumwandlung durch programmierte Lastverteilung in der Rangfolge des Energiebedarfs abgenommen und auf die Abnehmer wie z. B. Netzversorgung, Fahrstrom, Batterieladung, Speicherung und Heizung verteilt wird.7. Wind energy use according to claim 1, characterized in that the resulting, optimally achievable Useful energy from the wind energy conversion through programmed load distribution in the order of priority of the energy demand and on the customers such. B. Mains supply, traction current, Battery charge, storage and heating is distributed.
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