DE3120997A1

DE3120997A1 - Windkraftanlage

Info

Publication number: DE3120997A1
Application number: DE19813120997
Authority: DE
Inventors: Willibald Prof. Dipl.-Ing. Dr. 8010 Graz Riedler; Gerold Dipl.-Ing. Riegler
Original assignee: GRAZ FORSCHUNGSZENTRUM
Current assignee: GRAZ FORSCHUNGSZENTRUM
Priority date: 1980-06-17
Filing date: 1981-05-26
Publication date: 1982-05-27
Also published as: AT372764B; ATA319580A

Description

Windkraftanlage
Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem an der Erdoberfläche verankerten Auftriebskörper, an ihm befestigten Windrädern und einem im Inneren des Auftriebskörpers vorgesehenen, von den Windrädern angetriebenen Generator.
Eine Windkraftanlage dieser Art zur Ausnützung von Höhenwinden ist aus der DE-OS 25 24 360 bekannt. Diese bekannte Anlage weist ein Paar koaxial angeordneter gegenläufiger Windräder auf, deren im Inneren des Auftriebskörpers gelagerte Drehwellen als Generator ausgebildet sind. Bedingt durch die Gegenläufigkeit der Windräder läßt sich eine hohe Relativdrehzahl erreichen.
Diese bekannte Konstruktion hat den Nachteil, daß nur ein Paar koaxialer Windräder verwendet werden kann. Um größere, wirtschaftlich interessante Energiemengen liefern zu können, müßten die AuPendurchmesser der Windräder sehr gro gewählt werden, wodurch sich Stabilisierungs-, Festigkeits- und Gewichtsprobleme ergeben würden. Die Anordnung von zwei Windräderpaaren hintereinander ist sowohl aus strömungstechnischen Gründen (das zweite Windradpaar befindet sich in einem Turbulenzgebiet des ersten) als auch aus energetischen Gründen nicht sinnvoll, da die in der Windströmung enthaltene kinetische Energie bereits im ersten Windradpaar abgearbeitet wird und sich das zweite Windradpaar in dessen "Windschatten" befindet.
Es ist weiters bekannt (FR-PS 2 381 921), ein Windrad über ein mechanisches Getriebe mit dem Generator zu verbinden.
Das mechanische Getriebe ist meist notwendig, um die geringen Drehzahlen des Windrades auf höhere Drehzahlen am Generator zu übersetzen. Das Windrad ist gemäe der FR-PS 2 381 921 entweder koaxial am Auftriebskörper oder unterhalb desselben an einem Ausleger des Auftriebskörpers angeordnet. Diese Konstruktion hat den Nachteil, ein großes Gewicht aufzuweisen, welches durch das mechanische Getriebe bedingt ist. Wenn das Windrad mit Getrieb2 und Generator an einem Ausleger aunerhalb des Auftriebskörpers gelagert ist, so ergeben sich Stabilitätsprobleme, sowie große Trägheitskräfte bei Windrichtungsänderungen und Windböen. Außerdem entstehen wegen der das große Gewicht von Windrad, Getriebe und Generator aufnehmenden Ausleger an dem Auftriebskörper hohe mechanische Beanspruchungen, welche ein großes Konstruktionsgewicht bewirken.
Die Erfindung bezweckt die Vermeidung dieser Nachteile und Schwierigkeiten und stellt sich die Aufgabe, eine Windkraftanlage der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei der eine Anordnung von einer Mehrzahl von Windrädern mit großen Durchmessern bei minimalem Konstruktionsaufwand, d.h. bei möglichst geringem Konstruktionsgewicht, möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Mehrzahl von Windrädern an am Auftriebskörper abstehenden Auslegern drehbar gelagert sind und den Auftriebskörper peripher umgeben, wobei jedes Windrad unmittelbar mit einer hydraulischen Pumpe verbunden ist, die einen mit dem Generator direkt verbundenen Hydromotor im Inneren des Auftriebskörpers betreibt.
Die periphere Anordnung der Windräder um den Auftriebskörper ermöglicht eine sehr große von den Windrädern überstrichene Rotorfläche. Durch Umwandlung des von den einzelnen Windrädern erzeugten Drehmomentes mittels hydraulischer Pumpen in Druckenergie, welche Druckenergie über Druckleitungen einem oder mehreren Hydromotoren zugeführte wird, welche direkt einen Stromgenerator betreiben, ist es möglich, einen großen Axialabstand der Windräder vom Auftriebskörper einzuhalten, ohne daß große mechanische Beanspruchungen an den Auslegern entstehen. Dadurch wird eine wesentliche Reduktion der Beanspruchung des Auftriebskörpers erreicht, sodae das Konstruktionsgewicht der Gesamtanlage gering gehalten werden kann. Die Größe des Auftriebskörpers und damit der Strömungswiderstand der Anlage können somit sehr gering gehalten werden. Die Hydromotoren erlauben es, auf mechanische Getriebe zu verzichten. Hydraulikpumpe und -motor, die einen hohen Technologiestand aufweisen, ermöglichen das Arbeiten der Windkraftanlage mit hohem Wirkungsgrad und hoher Betriebssicherheit.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist allen hydraulischen Pumpen ein einziger, den Pumpen gemeinsamer Hydromotor zugeordnet, wodurch sich eine abermalige beträchtliche Gewichtseinsparung ergibt.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß ein einziger Hydromotor größerer Leistung einen besseren Gesamtwirkungsgrad aufweist, als eine Mehrzahl kleiner Hydromotoren.
Die Anordnung des Hydromotors an der Schwerachse des Auftriebskörpers ermöglicht nicht nur einen sicheren Schutz vor Umwelteinflüssen (Verschmutzung, Vereisung), sondern ergibt auch eine grobe Stabilität der Anlage.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind alle hydraulischen Pumpen an einem gemeinsamen Ausgleichsbehälter angeschlossen und ist der Ausgleichsbehälter über ein regelbares Drosselventil mit dem Hydromotor verbunden.
Vorzugsweise sind die hydraulischen Pumpen als Radialkolbenpumpen ausgebildet. Diese Pumpenart zeichnet sich durch lange Lebensdauer und günstiges Leistungsgewicht aus. Für die geringen Antriebsdrehzahlen durch die Windräder ist sie bei gutem Wirkungsgrad geeignet.
Als Hydromotor wird vorteilhaft ein Axialkolbenmotor verwendet, welcher höhere Abtriebsdrehzahlen erlaubt.
Vorzugsweise ist die Abtriebsdrehzahl des Hydromotors höher, vorzugsweise 10 bis 20mal höher, als die Antriebsdrehzahl der hydraulischen Pumpen.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert, wobei Fig. 1 eine Schrägansicht der Windkraftanlage, Fig. 2 einen Schnitt durch diese Anlage längs der Längs- bzw. Schwerachse des Auftriebskörpers und Fig. 3 ein Fließschema der hydraulischen Einrichtung zeigen.
Mit 1 ist ein zentraler, rotationssymmetrischer, stromlinienförmig ausgebildeter Auftriebskörper bezeichnet, an welchem sechs sich in radialer Richtung nach außen erstreckende stromlinienförmige Ausleger 2 vorgesehen sind, an deren äußeren Enden Windräder 3, die als Zweiblattrotoren ausgebildet sind, drehbar gelagert sind. Direkt an der Drehwelle 4 jedes dieser Windräder 3 ist jeweils eine hydraulische Pumpe 5, die als Radialkolbenpumpe ausgebildet ist, vorgesehen. Diese Pumpen 5 sind mit einem Mantel 6 stromlinienförmig verkleidet.
Der gesamte Auftriebskörper 1, der sich 3000 bis 10000 m über der Erdoberfläche befindet, wird mittels eines Seiles 7 an der Erdoberfläche verankert. Das Seil 7 ist an seinem Ende mittels dreier Seilabschnitte 8 mit dem Auftriebskörper an drei Punkten 9, 10, 11 verbunden, sodaß der Auftriebskörper in einer bestimmten Lage im Raum gehalten wird. Die Aufhängevorrichtungen 12, 13 der Aufhängepunkte 9, 10 sind verstellbar ausgeführt, um den Anstellwinkel des Auftriebskörpers zur Anströmrichtung 14 verändern zu können. Die Verstellung des Anstellwinkels dient zur Anpassung des dynamischen Auftriebes an Anströmbedingungen bei veränderten Windsituationen. Zur Stabilisierung des Auftriebskörpers sind an dessen hinterem Ende verstellbare Tragflächen 15, 16 angebracht.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind die hydraulischen Pumpen 5 der Windräder 3 über Druckleitungen 17 mit einem allen Pumpen 5 gemeinsamen Ausgleichsbehälter 18 verbunden. Von diesem Ausgleichsbehälter 18 gelangt das Druckmittel (Drücköl) über ein regelbares Drosselventil 19, welches eine gleichmäßige Beaufschlagung des nachfolgenden Hydromotors 20 und damit eine gleichmärige Motordrehzahl gewährleistet, zum Hydromotor 20, welcher die Druckenergie in ein mechanisches Drehmoment rückwandelt. Der als Axialkolbenmotor ausgebildete Hydromotor 20 ist direkt an einem Generator 21 angeschlossen, durch welchen die mechanische in elektrische Energie umgewandelt wird. Die elektrische Energie wird mittels nicht näher dargestellter Kabel zu einer ebenfalls nicht dargestellten Bodenstation geleitet.
Das aus dem Hydromotor abströmende Druckmittel wird über einen Verteilerbehälter 22 durch Rückführleitungen 23 zu den hydraulischen Pumpen 5 rückgeleitet. Der Ausgleichsbehälter 18, der Hydromotor 20 und der Generator 21 sind an der Symmetrie- bzw. Schwerachse 24 des Auftriebskörpers angeordnet. Wegen der geringen Saughöhe und der dadurch bedingten Kavitationsgefahr für die Radialkolbenpumpen ist sowohl im Verteilerbehälter 22 als auch in den Rückführleitungen 23 ein Uberdruck vorgesehen.
Die Verwendung eines einzigen Generators bringt für die Windkraftanlage den Vorteil eines besseren Gesamtwirkungsgrades, da ein einziger Generator größerer Leistung einen besseren Wirkungsgrad aufweist als eine Mehrzahl kleinerer Generatoren.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel, sondern sie kann in verschiedener Weise modifiziert werden. So ist es z.B. möglich, die Anzahl der Windräder zu variieren; es ist jedoch von Vorteil, wenn eine gerade Anzahl von Windrädern am Auftriebskörper vorgesehen ist. Wirtschaftlich besonders günstige Ausführungsformen weisen vier oder mehr als vier Windräder auf.
Leerseite

Claims

Patentansprüche: Windkraftanlage mit einem an der Erdoberfläche verankerten Auftriebskörper, an ihm befestigten Windrädern und einem im Inneren des Auftriebskörpers vorgesehenen, von den Windrädern angetriebenen Generator, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Windrädern (3) an am Auftriebskürper O) abstehenden Auslegern (2) drehbar gelagert sind und den Auftriebskörper (1) peripher umgeben, wobei jedes Windrad (3) unmittelbar mit einer hydraulischenPurtpe(5)rbunden ist, die einen mit dem Generator (21) direkt verbundenen Hydromotor (20) im Inneren des Auftriebskörpers betreibt.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß allen hydraulischen Pumpen (5) ein einziger, den Pumpen gemeinsamer Hydromotor (20) zugeordnet ist.
3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydromotor (20) im Inneren des Auftriebskörpers (1) an der Symmetrie- bzw. Schwerachse des Auftriebskörpers angeordnet ist.
4. Anlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle hydraulischen Pumpen (5) an einem gemeinsamen Ausgleichsbehälter (18) angeschlossen sind und der Ausgleichsbehälter über ein regelbares Drosselventil (19) mit dem Hydromotor (20) verbunden ist.
5. Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulischen Pumpen (5) als Radialkolbenpumpen ausgebildet sind.
6. Anlage nach den Ansprechen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydromotor (20) als Axialkolbenmotor ausgebildet ist.
7. Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtriebsdrehzahl des Hydromotors (20) höher, vorzugsweise 10 bis 20mal höher, als die Antriebsdrehzahl der hydraulischen Pumpen (5) ist.