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Windkraftanlage nach dem Anemometerprinzip
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Gegenstand der Erfindung ist eine Windkraftanlage nach dem Anemometerprinzip
mit einem Paar von auf eine vorzugsweise vertikale Achse wirkenden Schalenkreuzen,
deren erstes mit einer zur Achse senkrechten Drehebene und deren zweites mit einer
zur Drehebene des ersten Schalenkreuzes derart geneigten Drehebene angeordnet ist,
daß die Umlaufbahnen der Schalenelemente beider Schalenkreuze in einem Punkt eine
gemeinsame Bahntangente aufweisen, sowie einer um die Achse schwenkbaren Windfahne
zur Einstellung der Windkraftanlage in die Windrichtung derart, daß diese gemeinsame
Bahntangente parallel so zur Jeweiligen Windrichtung eingestellt wird, daß Jedes
dem Wind entgegenlaufende Schalenelement des eigenen Schalenkreuzes sich Jeweils
im Windschatten eines Schalenelementes des anderen Schalenkreuzes befindet.
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Eine bekannte Windkraftanlage weist ein aus zwei unter einem stumpfen
Winkel zusammengesetzten Teil stücken bestehendes Rohr auf,dessen eines Teilstück
am oberen
Ende einer vertikalen Kraftabtriebswelle gelagert ist
und dessen oberes Teilstück seinerseits die Lagerung für einen mit der vertikalen
Welle über ein Kreuzgelenk kraftschlüssig verbundenen Wellenstummel beinhaltet.
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Unterhalb des abgewinkelten Rohres ist ein erstes Schalenkreuz an
der vertikalen Welle befestigt, das somit eine horizontale Drehebene aufweist. Oberhalb
des abgewinkelten Rohres ist an dem herausragenden Ende des Wellenstummels ein zweites
Schalenkreuz befestigt, dessen Drehebene somit gegenüber der Drehebene des ersten
Schalenkreuzes geneigt ist, so daß die beiden Drehebenen sich schneiden. Durch geeignete
Neigung der Drehebenen fällt die Schnittgerade mit einem Punkt der Umlaufbahnen
der Schalenelemente beider Schalenkreuze zusammen. Dadurch kann bei entsprechender
Einstellung der Windkraftanlage zur Jeweiligen Windrichtung mittels einer Windfahne
erreicht werden, daß Jedes sich entgegen der Windrichtung bewegende Schalenelement
des einen Schalenkreuzes sich im Windschatten eines Schalenelementes des anderen
Schalenkreuzes befindet. Da die sich in Windrichtung bewegenden Schalenelemente
beider Schalenkreuze naufgefächertn sind und dem Wind ihre gesamte Angriffsfläche
bieten, ist mit dieser Anordnung eine wesentliche Leistungssteigerung gegenüber
herkömmlichen Windkraftanlagen mit einem Schalenkreuz erzielt worden.
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Windkraftanlagen der beschriebenen Bauweise weisen einige Nachteile
auf. Der die Windfahne tragende Holm muß an dem zusammengesetzten Rohr befestigt
sein, d.h. die Befestigungsstelle befindet sich im Raum zwischen den Drehebenen
der beiden Schalenkreuze. Der Holm muß daher aus diesem Raum im Bereich der'aufgefächerten
Schalenelemente herausgeführt werden, was einerseits eine Vergrößerung des vertikalen
Abstandes der Schalenelemente in diesem Bereich bedingt, die aerodynamisch ungünstig
ist und wegen der größeren erforderlichen Neigung eine stärkere
Beanspruchung
des Kreuzgelenkes verursacht. Weiter ist dadurch bedingt, daß der Holm quer zur
Jeweiligen Windrichtung herauszuführen ist, so daß er in seinem weiteren Verlauf
horizontal abgewinkelt und um die Schalenkreuze herumgeführt werden muß. Durch diese
notwendige ungünstige Formgebung des Holmes ergeben sich unerwünschte Drehmomente
sowie die Gefahr von Eigenschwingungen.
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Durch die exzentrische Lagerung des zweiten Schalenkreuzes in bezug
auf die vertikale Achse tritt durch den Winddruck auf das zweite Schalenkreuz ein
Drehmoment um diese Achse auf, das für die Verschwenkung der Windkraftanlage zumindest
in einer Richtung einen erhöhten Kraftbedarf bedingt. Eine Steuerungs- oder Regelungseinrichtung
konnte für Windkraftanlagen der bekannten Ausführungsform nicht angegeben werden,
was, abgesehen von Nachteilen bei Normalbetrieb, wiederholt zur Zerstörung bestehender
Anlagen durch Sturmböen geführt hat.
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Es ist in Fachkreisen bekannt, daß Windkraftanlagen nicht durch besonders
robuste Konstruktion, sondern nur durch zuverlässig arbeitende Steuerungs- und Regelungseinrichtungen
geschützt werden können.
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Für die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine Windkraftanlage
anzugeben, die keinen der im Stand der Technik anzutreffenden Mängel aufweist und
sie löst diese Aufgabe dadurch, daß das Schalenkreuzpaar auf einer ungeteilten geraden
gemeinsamen Achse angeordnet ist, daß das zweite Schalenkreuz mittels einer kardanischen
Aufhängung achsmittig und ohne durch die Aufhängung festgelegte Neigung auf der
Achse gelagert ist, daß die Windfahne außerhalb des durch die Drehebenen der beiden
Schalenkreuze begrenzten Raumes angelenkt ist, daß zur Festlegung der erforderlichen
Betriebsneigung für die Drehebene des zweiten Schalenkreuzes mindestens drei Fixpunkte
in Form von mit der Windfahne verbundenen, auf einer in der Ebene des zweiten Schalenkreuzes
angeord-
neten ringförmigen Laufbahn abrollenden Druckrollen vorgesehen
sind, daß mindestens zwei Druckrollen paarweise gegenläufig parallel zur Achsrichtung
verschiebbar angeordnet sind und deren Verschiebung durch eine Einrichtung mit wählbarer
Ubertragungsfunktion, vorzugsweise mechanischer Art, aus der Stellung oder Lage
einer an der Windfahne schwenkbar oder verschiebbar angeordneten Staufläche abgeleitet
ist.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung liegt darin, daß die Anbringung
der Windfahne auf einfache Weise ohne räumliche Einschränkungen erfolgen kann und
deren Tragholm in horizontaler Richtung nacht abgewinkelt werden muß. Dadurch wird
das Auftreten störender Komponenten im Einstellmoment vermieden. Die Neigung der
Ebenen kann durch Wegfallen der durch die Anordnung des Windfahnenholms bedingten
Erfordernisse so klein gehalten werden, wie es das Funktionsprinzip erlaubt, was
die aerodynamischen Verhältnisse verbessert und die Belastung für die kardanische
Aufhängung verringert. Durch die freie kardanische Aufhängung des zweiten Schalenkreuzes
sowie durch die geänderten geometrischen Verhältnisse kann eine Steuerung mit ihren
bekannten wesentlichen Vorteilen eingeführt werden. Durch die achsmittige Lagerung
des zweiten Schalenkreuzes tritt kein durch Winddruck verursachtes, die Verschwenkung
der Windkraftanlage beeinflussendes Drehmoment auf. Dadurch kann die Steuerung mit
geringen Kräften arbeiten. Bei der Verstellung tritt nur die bei der Verschwenkung
des Schalenkreuzes um eine Durchmesserachse wirksame Massenträgheit auf.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Windkraftanlage
liegt darin, daß die Druckrollen Je mit einem parallel zur Achsrichtung wirkenden
und auf einem raumfesten Widerlager angeordneten Verstellantrieb versehen sind,
daß Windfahne und Staufläche räumlich
entfernt von der Windkraftanlage
angeordnet sind und deren unmittelbare Einwirkung auf das zweite Schalenkreuz durch
Einwirkung auf mit den Verstellantrieben durch Steuerleitungen verbundene, die Beaufschlagung
der Verstellantriebe steuernde Organe ersetzt ist.
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Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt prinzipiell darin, daß ein
Eingriff in die Steuerung von außen Jederzeit auch während des Betriebs möglich
ist und bedarfsweise von einer Stelle aus für mehrere Anlagen vorgenommen werden
kann, sofern ein zentrales, aus Windfahne und Staufläche bestehendes oder deren
Funktionen simulierendes Steuergerät vorgesehen wird. Solche Steuergeräte sind auf
unterschiedlichste Weise aus der Praxis der Regelungstechnik realisierbar. Die Windkraftanlagen
können durch die räumliche Abtrennung von Windfahne und Staufläche kompakter ausgeführt
werden. Ein weiterer Vorteil insbesondere für die Betriebssicherheit der Steuerung
liegt darin, daß die Verstellantriebe raumfest angeordnet sind und ohne die Verwendung
von Schleifringen - bei elektrischer - bzw. Wellendichtungen - bei hydraulischer
oder pneumatischer Betätigung - funktionieren.
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Anhand der Zeichnungen soll nun das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen
Windkraftanlage näher erläutert werden.
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Die Fig. 1 bis 3 zeigen in drei Hauptrissen vorerst die erfindungsgemäße
Ausführungsform der Windkraftanlage mit einer unveränderlichen Neigung der Drehebene
des geneigten Schalenkreuzes. Die beiden Schalenkreuze 1 und 2 sind auf der vertikalen
Achse 3 angeordnet. DasSchalenkreuz 1 ist mit einer horizontalen Drehebene auf der
Achse 3 befestigt. Darüber ist mittels der kardanischen Aufhängung 4, die einen
inneren Ring 4a und einen äußeren Ring 4b aufweist, das Schalenkreuz 2 gegenüber
der Horizontalebene an sich frei verschwenkbar angeordnet.
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Oberhalb der kardanischen Aufhängung 4 ist mittels einer Lagerung
5 ein Holm 6 für die Windfahne 7 horizontal schwenkbar angelenkt. Am Holm 6 sind
im Bereich der kardanischen Aufhängung 4 drei nach unten weisende Druckfinger 8
angeordnet, an deren unteren Enden Druckrollen 9 gelagert sind. Diese sind mit einem
in der Drehebene des Schalenkreuzes 2 angeordneten Druckring in Eingriff, als welcher
der äußere Ring 4b der kardanischen Aufhängung 4 ausgebildet sein kann. Durch die
Anordnung der Druckrollen 9 ist die Neigung der Drehebenen des Schalenkreuzes 2
gegenüber der Horizontalebene in gewünschter Weise festzulegen und diese bleibt
auch gegenüber der Jeweiligen Windrichtung in erforderlicher Weise bestehen, da
die Anordnung der Druckrollen 9 mit der Windfahne 7 mitgeschwenkt wird.
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Darüber hinausgehend ist erfindungsgemäß eine Steuerung der Neigung
vorgesehen, deren Funktionsweise in Fig. 4 erläutert wird. Am Holm 6 der Windfahne
7 ist eine senkrecht zur Windrichtung - senkrecht zur Ebene der Windfahne 7 - angeordnete
Staufläche 10 angebracht. Ihre in Abhängigkeit von der herrschenden Windgeschwindigkeit
auftretende Lageänderung wird über ein Gestänge 11 mit zwischengeschalteten mechanischen
Nichtlinearitäten 12, z.B. Kniehebel, Kurvenscheiben o.a. mit oder ohne Totgänge
oder Dämpfungen auf die waagebalkenartig ausgeführte Aufhängung und Parallelführung
13 für zwei Druckrollen 9 übertragen und bewirkt durch deren Verschwenkung eine
parallele,gegengleiche Verschiebung der zugehörigen Druckrollen 9 in einer vertikalen
und senkrecht zur Ebene der Windfahne 7 verlaufenden Ebene. Damit wird die Neigung
der Drehebene des Schalenkreuzes 2 in der gewünschten Abhängigkeit von der Windstärke
erreicht.
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Der Steuerbereich reicht von der optimalen Arbeitsstellung - ein gegen
den Wind laufendes Schalenelement ist abgedeckt - bis zur Stellung des geringsten
Wirkungsgrades,
ein mit dem Wind laufendes Schalenelement ist abgedeckt.
Dadurch ist nicht nur eine optimale Regelbarkeit von Drehzahl und/oder Leistung,
sondern auch ein größtmöglicher Schutz von Zerstörung durch Windböen gegeben.
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Eine weitere, in Fig. 5 gezeigte erfinderische Ausbildung ermöglicht
eine Fernsteuerung der Windkraftanlage. Für diese Ausbildung wird ohne Beeinträchtigung
der Funktion das schwenkbare Schalenkreuz 2 als unteres angeordnet.
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Unterhalb dieses Schalenkreuzes 2 befindet sich eine die Drehachse
3 umgebende, am Fundament der Windkraftanlage verankerte Lagerplatte 14, auf der
mindestens drei parallel zur Achse 3 wirkende Verstellantriebe 15 herkömmlicher
Art mit pneumatisch, hydraulisch, elektromagnetisch oder dergleichen erfolgender
Betätigung befestigt sind. Auf diesen sind die Druckrollen 9 angeordnet, die mit
dem Ring 4b in der Drehebene des Schalenkreuzes 2 in Eingriff stehen. Uber die nötige
Anzahl von Betätigungsleitungen sind die einfach oder doppelt wirkenden Verstellantriebe
mit einem individuellen oder einem für mehrere Windkraftanlagen gemeinsam angeordneten
Steuergerät verbunden. Das Steuergerät kann von einem Windflügel und einer Staufläche
beeinflußbare Stellglieder aufweisen. Es können hier aber auch alle anderen bekannten
Meßwertgeber für Windgeschwindigkeit und Windrichtung vorgesehen werden. Es ist
auch denkbar, unter gänzlichem Verzicht auf solche Meßwertgeber die Windkraftanlage
auf Drehzahl oder Leistung zu regeln.
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2 Patentansprüche 5 Figuren