DE2907895A1

DE2907895A1 - Energie-umwandler fuer ungleich anfallende fluidische energieformen

Info

Publication number: DE2907895A1
Application number: DE19792907895
Authority: DE
Inventors: Hans Hofmann; Werner Spittler
Original assignee: Voith Getriebe KG
Current assignee: Voith Getriebe KG
Priority date: 1979-03-01
Filing date: 1979-03-01
Publication date: 1980-09-04

Description

Kennwort: "WEC-Heizer"
Enerqle-Umwandler für ungleich anfallende fluidische Enerpieformen Die Erfindung betrifft einen Energie-Umwandler für stetige fluidische Fnergieformen, insbesondere bei einer Windturbine, mit cincr durch das Fluid angetriebenen Rotorwelle. Unter einem Flu; seien sowohl qasförmige wie flüssige Mittel verstanden.
Die aus derartigen Energie-Umwandlern gewonnene Energie ist von vielen Faktoren abhängig, wie z. B. der Stärke der anfallenden Energie, deren Richtung, deren Häufigkeit und z. B. bei Wind von Böden. Im Inselbetrieb ist die Speicherung derartiger Energien problematisch und kann sinnvoll und wirtschaftlich nur für wenige Zwecke verwendet werden. Dabei ist es häufig erwünscht, die Energie in Wärme umzuwandeln, die z. B. für die Meerwasserentsalzung, aber auch für andere Zwecke, z. B. als Zusatzenergie für den Wonnergiebedarf (Warmwasser oder dergleichen) verwendet werden kann.
Allgemein bekannt ist es, mittels der Rotorwelle von fluidisch angetriebenen Energie-Umwandlern, wie z. B, von Turbinen schlechthin, einen Generator anzutreiben und die Wärme mittels der hierdurch gewonnenen Elektrizität in konventioneller Weise zu erzeugen, etwa durch Heizspiralen, Induktion oder dergleichen. Bei ungleich anfallender Energie, wie z. B. Windenergie, ergeben sich jedoch dabei beträchtliche Nachteile, insbesondere ist der Wirkungsgrad wegen der zweifachen Umwandlung relativ niedrig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Energie-Umwandler der eingangs genannten Gattung auch bei sehr ungleich anfallender Energie wirtschaftlich und betriebssicher zu gestalten, insbesondere bei der Verwendung im Inselbetrieb und für solche Zwecke, bei welcher die anfallende fluidische Energie in Wärme umgewandelt werden soll.
Sie löst das Problem dadurch, daß die Rotorwelle mit einer in einer Druckmittelleitung, z. B. für Ö1, liegenden Pumpe, vorzugsweise einer Verdrängerpumpe, gekoppelt ist, die Druckmittelleitung durch einen Wärmetauscher führt und in dem Wärmetauscher ein Drosselorgan zum Entspannen des durch die Verdrängerpumpe gespannten Druckmittels angeordnet ist. Vorzugsweise bildet dabei die Druckmittelleitung von der Verdrängerpumpe zum Wärme tauscher und wieder zurück zur Verdrängerpumpe einen geschlossenen Kreislauf.
Eine solche Verdrängerpumpe kann am Kopf eines relativ hohen Mastes angeordnet und unmittelbar mit der Rotorwelle gekoppelt werden.
Eine solche hohe Anordnung des Rotors ist hinsichtlich einer gleichmäßigen Windausbeute und eines ruhigeren Laufes vorteilhaft. Im Drehkranzbereich der dem Rotor aufnehmenden Gondel werden die Drucköl- und die Rücklauf leitung zweckmäßigerweise über eine koaxiale Doppelstopfbüchse auf feste Mastrohrleitungen geführt, so daß die Gondel in beiden Richtungen um 360° beliebig oft schwenken kann. Der Wärmetauscher kann an beliebiger Stelle am Fuß des Mastes oder auch in weiterem Abstand davon angeordnet werden, wobei es sich jedoch im Hinblick auf möglichst geringe Rohrleitungsverluste empfiehlt, die Wärmetauscherstation unmittelbar am Mastfuß anzuordnen.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der Energie-Umwandler eine Vorrichtung zum Steuern der Entspannung des Druckmittels auf einen im wesentlichen konstanten Volumenstrom auf, wobei hierzu zweckmäßigerweise ein 3-Wege-Stromregelventil dient. fiierdurch ist es möglich, die Pumpen- bzw. Rotordrehzahl in kleinen Grenzen konstant zu halten und die Anlage gegen Durchgeben zu sichern.
Gemäß einer bevorzugten Ausbildung dieser Regelvorrichtung führt der auf konstanten Volumen strom geregelte Auslaß des 3-Wege-Stromregelventils zu einer verstellbaren Drossel, welche zum Entspannen des Druckmittels dient, und es ist der Auslaß für den dem Pumpenvolumenstrom proportionalen Reststrom über eine Konstantdrossel mit dem Druckölrücklauf verbunden, wobei der sich vor der Konstantdrossel einstellende Steuerdruck zum Steuern der verstellbaren Drossel dient. Dieser Ausbildung liegt das Gesetz zugrunde, daß der Volumenstrom proportional der Drehzahl ist. Da die Leistung P = Druck p mal Volumenstrom V ist, ist, auch wenn der Volumenstrom 0 proportional der Drehzahl n ist, die Leistung P proportional dem Druck p.
Vorzugsweise ist die Druckmittelleitung an einen Druckspeicher angeschlossen. Diesem Druckspeicher kann dann Energie für Sekundärzwecke entnommen werden. Mittels eines solchen Druckspeichers ist es z. B. möglich, die Verdrängerpumpe kurzzeitig als Anwurfmotor für den Rotor zu verwenden. Zur Platzersparnis sind die Druckspeicher in vorteilhafter Weise als Teil des Rotormastes ausgebildet.
In manchen Fällen kann es wirtschaftlich vorteilhaft sein, den Wärmetauscher nur für eine beschränkte Kapazität auszulegen. Ist dann auch ein kontinuierlicher Betrieb der Windturbine gewünscht, d. h. ein Betrieb, ohne daß bei zu großem Energieangebot abgeschaltet und dann wieder eingeschaltet wird, muß ein Teil der anfallenden durch Windenergie erzeugten, aber vom Verbraucher nicht abgenommenen Energie vernichtet werden. Hierzu ist in weiterer Ausbildung der Erfindung wenigstens ein Druckspeicher als Öl kühler ausgebildet und die Druckmittelleitung ist durch den Druckspeicher hindurchgeführt. Der Speicher kann in an sich bekannter Weise mit Kühlrippen versehen sein, welche durch den Wind gekühlt werden.
Die Erfindung ist im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Figur zeigt in Form eines Blockschemas einen Windenergiekonverter.
Am Kopf amines als Klapprohrmast ausgebildeten Mastes 1 ist ein Windturuinenlaufrad 2 mit festen Rotorblättern aus GFK in einem Gehus Jr:elagert, das um eine senkrechte Achse 4 mittels eines rollen oder kugelgelagerten Drehkranzes 5 schwenkbar angeordnet ist. Das Laufrad 2 treibt über ein in dem Gehäuse 3 untergebrachtes Getriebe 6, z. B. ein Planetengetriebe, eine an der Nabe angeflanschte Hochdruckzahnradpumpe 7 an. Die Druckleitung 8 dieser Pumpe 7 führt über eine im Drehkranz 5 vorgesehene Doppelstopfbüchse 9 mit zwei koaxialen Stopfbüchsen zu einem am Mastfuß angeordneten Wärmetauscher 10. Durch ein Stromregelventil 11, z. B. ein 3-Wege-Stromventil, wird ein konstanter Volumenstrom einem verstellbaren Drosselventil 12 zugeführt, in welchem das z. B. auf 250 bar hochgespannte Druckmittel auf einen relativ niedrigen mindestens für den Rücklauf zur Pumpe erforderlichen und Kavitation vermeidenden Druck entspannt. Der Rücklauf des Druckmittels erfolgt über die Rücklaufleitung 13. Zwischen dem Stromregelventil 11 und der Rücklaufleitung 13 ist im Wärmetauscher 10 eine Verbindungsleitung 14 mit einer Konstantdrossel 15 angeordnet. Wie durch die Leitung 16 angedeutet, dient der sich vor der Drossel 15 aufbauende Steuerdruck zum Steuern der verstellbaren Drossel 12. Die in dem Wärmetauscher durch das Entspannen des Drucköls abgegebene Wärme wird der Heizleitung 17 zugeführt.
In dem Mast 1 sind ein Niederdrucktank 18 für maximal etwa 20 bar und ein Hochdrucktank 19 für maximal etwa 60 bar vorgesehen, die beide je als Bestandteil des Mastes ausgebildet sind. Der Hochdrucktank 19 dient zum Anwerfen des Rotors, wobei die Hochdruckpumpe 7 als Anwurfmotor verwendet wird. Von der Hochdruckleitung 8 zweigt eine Leitung 20 ab, die über ein Magnetventil 21 mit den beiden Tanks 18 und 19 verbindbar ist. Zum erstmaligen Füllen der Tanks kann eine Druckflasche verwendet werden oder es kann hierzu eine besondere hier nicht dargestellte elektrisch betriebene Füllpumpe vorgesehen sein. Von dem Magnetventil 21 führt eine weitere Leitung 22 zu der Rücklaufleitung 13. Über diese Leitung 22 wird aus dem Hochdrucktank 19 Drucköl der dann als Anwur£-motor dienenden Hochdruckpumpe 7 zugeführt. Das über die in diesern Falle als Rücklauf dienende Druckleitung 8 zurückgeführte Öl wird über die Leitung 20 und das Magnetventil 21 dem Niederdrucktank 18 zugeführt. Beim Anwurf wird der zum Speicher 10 führende leYitunqste 13 durch ein .Sperrventil 23 gesperrt. Beide Tanks 18 und 19 sind mit Uberdruckventilen 24 und Niveaureglern 25 ausgerüstet. Der Hochdrucktank 19 weist außerdem einen Druckschalter 26 auf, der bei Erreichen des Höchstdruckes die weitere Druckölzufuhr abschaltet. Das Magnetventil 21 wird von einer Batterie 27 gespeist, deren Schsltstrom durch ein Anemometer 28 gesteuert wird.
Der HochdrucktaSs 19 weist Kühlrippen 29 auf. Das Bremsventil 30 dient zur Vernichtung von verbrauchter nicht abgenommener Energie.
Anstatt einer Zahnradpumpe kann auch eine Kolbenpumpen Schraubenpumpe oder dergleichen als Verdichter verwendet werden. Das Heizprinzip ist auch für andere Bauformen von Windenergie-Umwandlern anwendbar, wie z.B. für solche mit einem sogenannten Darrieus-Rotor mit senkrechter Welle.
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Claims

Kennwort: "WEC-Hei zer" Patentansprüche I./ für für unstetige fluidische Energieformen, insbesondere bei einer Windturbine, mit einer durch das Fluid angetriebenen Rotorwelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorwelle mit einer Pumpe (7), vorzugsweise einer Verdrängerpumpe, gekoppelt ist, von welcher eine Druckmittelleitung (8), z.B. für Ö1, zu einem Wärmetauscher (10) führt, in dem in der Druckmittelleitung ein Drosselorgan (12) zum Entspannen des durch die Verdrängerpumpe (7) gespannten Druckmittels angeordnet ist.
2. Energie-Umwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmittelleitung (8) von der Verdrängerpumpe (7) zum Wärmetauscher (10) und wieder zurück zur Verdrängerpumpe einen geschlossenen Kreislauf (8, 13) bildet.
3. Energie-Umwandler nach Anspruch Voder 2, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (11) zum Steuern der Entspannung des Druckmittels auf einen im wesentlichen konstanten Volumenstrom.
4. Energie-Umwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Vorrichtung zum Steuern eines Druckmittels auf einen konstanten Volumenstrom ein 3-Wege-Stromregelventil (11) dient.
5. Energie-Umwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der auf konstanten Volumenstrom geregelte Auslaß des 3-Wege-tromregelventils zu einer verstellbaren Drossel (12) führt, welche zum Entspannen des Druckmittels diente und daß der Auslaß für den im Pumpenvolumenstrom proportionalen Reststrom über eine konstante Drossel (15) mit dem Druckölrücklauf (13) verbunden ist, wobei der sich vor der konstanten Drossel (15) einstellende Steuerdruck zum Steuern der verstellbaren Drossel (12) dient.
6 Energie-Umwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmittelleitung (8) an wenigstens einen Druckspeicher (18; 19) angeschlossen ist.
7. Energie-Umwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrängerpumpe (7) als Anwurfmotor für den Rotor (2) dient.
8. Energie-Umwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckspeicher (18; 19) einen Teil des Rotormastes bildet.
9. Energie-Umwandler nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Druckspeicher (19) als ölkühler ausgebildet ist und die Druckmittelleitung (8) durch den Druckspeicher hindurchgeführt ist.