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Windkraftanlage
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Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit an einem Mast gehaltenem
Horizontalachsen-Rotor.
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Windkraftanlagen mit Horizontalachsen-Rotor zur Erzeugung elektrischer
Energie werden gewöhnlich im Verbund mit dem vorhandenen Stromnetz betrieben. Eine
Leistungsregelung der Windkraftanlage ist erforderlich, damit die erreichbare Nennleistung
nicht überschritten werden kann. Bei großen Anlagen, z. B. mit einem Rotordurchmesser
größer als 6 m, stellt die Leistungsregelung jedoch ein besonderes Problem dar,
weil das Energieangebot aus der Windbewegung außerordentlich ungleichmäßig ist und
außerdem mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit anwächst. Dies bedeutet,
daß z.
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B. bei doppelter Windgeschwindigkeit die achtfache und bei dreifacher
Windgeschwindigkeit bereits die 27-fache Leistung auf das Triebwerk der Windkraftanlage
wirkt.
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Im Nennleistungsbereich und unterhalb desselben ist keine Regelung
erforderlich, da der Generator der Windkraftanlage und damit auch der mit ihm gekoppelte
Rotor durch die Netzfrequenz
im Nenndrehzahlbereich gehalten wird.
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Übersteigt die auftretende Windgeschwindigkeit jedoch Werte (z. B.
8 - 20 m pro Sekunde), aus denen eine Leistung resultiert, die oberhalb der Nennleistung
liegt, ist die Wegregelung der überschüssigen Windleistung erforderlich.
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Bei bekannten Windkraftanlagen werden zur Leistungsregelung beispielsweise
verstellbare Rotorblätter eingesetzt, die ihren Anstellwinkel ändern, sobald die
Nennleistung überschritten wird. Ein solches Regelungssystem arbeitet jedoch recht
ungenau und außerdem verhältnismäßig träge, weil die Wegregelung der überschüssigen
Windleistung entweder erst dann erfolgt, wenn die Nennleistung der Windkraftanlage
bereits überschritten worden ist oder bereits eingesetzt hat, wenn die Nennleistung
noch nicht erreicht ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leistungsregelung
für Windkraftanlagen zu verbessern.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst worden, daß am Mast
ein in Abhängigkeit von einer Windrichtungsnachführung um eine vertikale Achse drehbares
Mastoberteil angeordnet ist, daß ein vom Mastoberteil getragenes, den Rotor aufweisendes
Maschinenhaus um eine vertikale Achse gegenüber dem Mastoberteil drehbar ist und
daß eine das Maschinenhaus gegenüber dem Mastoberteil in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit
aus der Windrichtung drehende Stelleinrichtung vorgesehen ist.
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Das gegenüber dem Mast drehbare Mastoberteil wird von der
an
sich bekannten Windrichtungsnachführung bewegt und somit können am Mastoberteil
befindliche Einrichtungen zur Windrichtung optimal ausgerichtet werden. Das Maschinenhaus
mit dem eigentlichen Rotor ist wiederum gegenüber dem Mastoberteil drehbar. Ist
die Stelleinrichtung am Mastoberteil angeordnet, können ihr zugeordnete Mittel zur
Auffassung der Windgeschwindigkeit somit optimal zur Windrichtung ausgerichtet gehalten
werden, so daß auch die Windgeschwindigkeit bzw. die in der Luftbewegung enthaltene
Windleistung direkt in Steuer- und Regelimpulse der Stelleinrichtung umgesetzt werden
kann, welche das Maschinenhaus mit dem Rotor dann aus der Windrichtung dreht, sobald
die Windgeschwindigkeit bestimmte Größenordnungen übersteigt, die ein Überschreiten
der Nennleistung der Windkraftanlage erwarten lassen.
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Da die Stelleinrichtung das Mastoberteil und das Maschinenhaus mit
dem Rotor miteinander verkuppelt, steht die Rotorachse im normalen Betriebszustand,
wenn das Triebwerk innerhalb seines vorbestimmten Leistungsbereiches läuft, optimal
zur Windrichtung und wird, wie bei Windkraftanlagen üblich, von der Windrichtungsnachführung
direkt nachgeführt; d. h.
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Mastoberteil und Maschinenhaus drehen sich dabei in Abhängigkeit von
der Windrichtungsnachführung zusammen und gleichsinnig. Steigt die Windgeschwindigkeit
jedoch soweit an, daß eine Überschreitung der Nennleistung zu erwarten ist, dreht
die Stelleinrichtung das Maschinenhaus bzw. den Rotor
aus der Windrichtung,
so daß eine Entlastung des Rotors von der Windbeaufschlagung erreicht wird, und
zwar mit Vorteil bevor, z. B. eine Bö, überhaupt zu einer merklichen Beschleunigung
der Rotorumdrehungen führt, weil der Rotor durch seine verhältnismäßig großen rotierenden
Massen träger auf Änderungen der Windgeschwindigkeit reagiert als für die Beeinflussung
der Stelleinrichtung einsetzbare Mittel zur Wahrnehmung der Windgeschwindigkeit.
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Die erfindungsgemäße Windkraftanlage besitzt somit eine feinfühlige,
optimal arbeitende Leistungsregelung.
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Nach einer bevorzugten Weiterbildung zeichnet sich die Windkraftanlage
dadurch aus, daß die Stelleinrichtung einen am Mastoberteil angeordneten Nebenrotor
und wenigstens ein am Maschinenhaus angreifendes, in Abhängigkeit von der vom Nebenrotor
abgegebenen Leistung arbeitendes Stellelement aufweist.
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Der Nebenrotor kann z. B. ein konstruktiv einfaches kleines Windrad
sein, das ebenfalls um eine Horizontalachse dreht, die parallel zur horizontalen
Achse des Rotors ausgerichtet ist, so daß das Windrad von der Windrichtungsnachführung
optimal in Windrichtung gehalten wird. Die vom Windrad erzeugte Leistung kann direkt
in Stellkraft des Stellelementes umgesetzt werden mit dem Vorteil, daß die vom Windrad
abgegebene Leistung dabei direkt proportional dem Weg ist, um den das Maschinenhaus
bzw. der Hauptrotor aus der Windrichtung gegenüber dem Mastoberteil vom Stellelement
gedreht wird.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung zeichnet sich die Windkraftanlage
dadurch aus, daß der Nebenrotor mit einer Druckölpumpe gekoppelt ist, und daß das
Stellelement ein an einen Druckmittelkreislauf der Druckölpumpe angeschlossener
Arbeitszylinder ist, der sich am Mastoberteil abstützt und an dem gegenüber dem
Mastoberteil drehbaren Maschinenhaus angreift. Bei steigender Windgeschwindigkeit
nimmt auch die vom Windrad an die Druckölpumpe abgegebene Leistung zu. Der Druck
im Druckmittelkreislauf steigt entsprechend an, so daß der Kolben des Arbeitszylinders
ausfährt und dadurch das Maschinenhaus bzw. den Hauptrotor aus der Windrichtung
gegenüber dem Mastoberteil, welches den Nebenrotor trägt, verdreht.
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Selbstverständlich kann die vom Nebenrotor, beispielsweise dem Windrad,
erzeugte Leistung auch über elektrische, pneumatische oder mechanische Mittel auf
ein Stellelement der Stelleinrichtung übertragen werden.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung ist bei der erfindungsgemäßen
Windkraftanlage vorgesehen, daß der Druckmittelkreislauf ein einstellbares Drosselventil
aufweist.
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Da die Druckölpumpe automatisch die der jeweiligen Windgeschwindigkeit
entsprechende Regelleistung abgibt, baut sie auch schon vor Erreichen der Nennleistung
der Windkraftanlage einen Druckölstrom auf, der zunächst über das einstellbare Drosselventil
abfließt und somit noch nicht zu einem Ansprechen des Arbeitszylinders führt. Das
Drosselventil kann so
eingestellt werden, daß erst bei überschreiten
der Nennleistung der aufgebaute Leitungsdruck den Kolben des Arbeitszylinders in
Bewegung setzt, womit der Vorgang des "Ausdemwinddrehens" des Rotors beginnt.
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Weiterhin ist mit Vorteil vorgesehen, daß ein Druckspeicher an die
Stangenseite des Arbeitszylinders angeschlossen ist. Der Kolben des Arbeitszylinders
muß somit gegen einen Vorspanndruck des Druckspeichers arbeiten, der zum einen bewirkt,
daß bei zurückgehender Windgeschwindigkeit und somit abfallender Leistung der Windkraftanlage
ein Zurückdrehen der Rotorachse in die optimale Windrichtung erfolgt. Zum anderen
stellt sich zwischen dem in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit erzeugten Leitungsdruck,
der den Kolben ausfährt und dabei den Rotor aus der Windrichtung dreht und dem Vorspanndruck
im Druckspeicher ein Gleichgewichtszustand ein, weil der Kolben auf seiner Stangenseite
Drucköl in den Druckspeicher zurück befördern kann und einen Gegendruck aufbaut,
bis bei Druckausgleich der Kolben in einer Zwischenstellung zum Stehen kommt.
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Bei dieser Zwischenstellung hat der Rotor wieder eine Stellung zur
Windrichtung eingenommen, bei der die Windkraftanlage im Nennleistungsbereich arbeitet.
Bei weiterer Windgeschwindigkeitssteigerung kann der Kolben in eine Endstellung
gelangen, bei welcher eine maximale 90°-Querstellung des Rotors zur Windrichtung
erreicht wird. Die Rotorebene steht dann in Windrichtung, so daß der Rotor vollkommen
von der Wind-
beaufschlagung entlastet ist. Durch an sich bekannte
Gegenstromschutzschalter ist der vom Rotor angetriebene Generator dabei vom Netz
getrennt.
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Die Hydraulikelemente, nämlich die Pumpe, das Drosselventil, der
Arbeitszylinder und der Druckspeicher können so ausgelegt und abgestimmt sein, daß
die beschriebene Endstellung des Rotors je nach Gegebenheiten und Windgeschwindigkeitsgrenzwerten
herbeigeführt werden kann.
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Bei Lastabwurf, Schutzabschaltung des Generators oder Netzabschaltung,
kann der Generator automatisch durch eine mit Netzstrom gelüftete Magnetbremse stillgesetzt
werden. Um eine manuelle Stillsetzung und Wiederinbetriebnahme der Windkraftanlage
jederzeit zu ermöglichen, ist nach einer anderen Weiterbildung vorgesehen, daß die
vom Druckmittelkreislauf zum Arbeitszylinder abgezweigte Druckmittelleitung bis
in den Bereich des Mastfußes, über ein dort angeordnetes Mehrwegeventil und zurück
vom Mastfuß zum Arbeitszylinder geführt ist, und daß an das Mehrwegeventil eine
Pumpe, vorzugsweise Handpumpe, mit einem Druckmittelablaß angeschlossen ist. Mit
der am .1astfuß befindlichen Handölpumpe kann bei einer vorbestimmten Schaltstellung
des Mehrwegeventils vom Mastfuß aus Druck auf den Arbeitszylinder gegeben werden,
so daß der Rotor jederzeit auch manuell aus der Windrichtung gedreht werden kann.
In einer anderen Schaltstellung des Mehrwegeventils kann durch langsames Öffnen
des Druckmittelablasses der Leitungsdruck wieder
gesenkt werden,
wodurch vom Druckspeicher Druckmittel zurück auf die Stangenseite des Kolbens des
Arbeitszylinders gedrückt wird, so daß dieser in seine Anfangsstellung zurückfährt
und dabei auch den Rotor wieder in die Windrichtung dreht. Die stillgesetzte Windkraftanlage
kann dadurch auch wieder manuell vom Mastfuß aus in Betrieb gesetzt werden. In dieser
Schaltstellung des Wegeventils kann durch Öffnen des Druckmittelablasses auch das
Druckmittel aus einem Druckmittelbehälter abgelassen werden, welcher der auf dem
Mastoberteil angeordneten Druckölpumpe zugeordnet ist. Über die Handölpumpe kann
auch neues öl wieder nach oben gepumpt werden. Daraus ergibt sich der Vorteil, daß
auch ein Ölwechsel vom Boden aus durchgeführt werden kann, wobei, um das Trockenlaufen
zu vermeiden, das öl in Teilmengen auszutauschen ist.
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Bei einer dritten Schaltstellung des Mehrwegeventils werden die von
der Druckölpumpe zum Arbeitszylinder führenden Druckleitungen wieder miteinander
verbunden, so daß die Automatik zur Leistungsregelung wieder betriebsbereit ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, aus dem sich weitere erfinderische
Merkmale ergeben, ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische
Seitenansicht einer Windkraftanlage Fig. la eine schematische Detailansicht eines
Stellelements und
Fig. 2 ein schematisches Rohrleitungsschaltbild.
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Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Windkraftanlage. Am
freien Ende des auf dem nicht weiter dargestellten Erdboden stehenden Mastes 1 ist
ein Mastoberteil 2 über einen Drehkranz 3 um eine vertikale Achse drehbar gelagert.
Mit 4 ist eine Windrichtungsnachführung bezeichnet, die hier aus einer Windrose
5 besteht, die mit ihrem Getriebe 6 am drehbaren Mastoberteil 2 gelagert ist und
in den feststehenden Zahnkranz 7 des unteren Drehkranzes 3 eingreift. Das Mastoberteil
2 weist eine vorkragende Auslegerplattform 8 auf, die einen hier als Windrad 9 ausgebildeten
Nebenrotor 10 trägt. Der Nebenrotor arbeitet auf die schematisch angedeutete Druckölpumpe
11.
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Das Mastoberteil weist weiterhin einen oberen Drehkranz 12 auf, über
den das hier als Gondel ausgebildete Maschinenhaus 13 mit dem Horizontalachsen-Rotor
14 am Mastoberteil 2 um eine vertikale Achse drehbar gehalten ist. Ein schematisch
angedeuteter Arbeitszylinder 15 stützt sich mit seinem Zylinderauge 16 an der Auslegerplattform
8 ab. Das freie Ende der Kolbenstange des Arbeitszylinders ist bei 17 an das Maschinenhaus
13 angelenkt. Die Druckölpumpe 11 wirkt über nicht weiter dargestellte Leitungen
und Hydraulikelemente auf den Arbeitszylinder 15.
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Fig. la zeigt eine Ansicht des Arbeitszylinders 15, dessen
Kolben
18 über die Kolbenstange 19 gegen den Anlenkpunkt 17 am Maschinenhaus drücken kann
und dabei das Maschinenhaus um die vertikale Achse des oberen Drehkranzes 12 dreht.
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Die Windrose 5 hält das Windrad 9 für die Druckölpumpe 11 immer genau
in Windrichtung. Dadurch ist gewährleistet, daß die Druckölpumpe automatisch die
der jeweiligen Windgeschwindigkeit entsprechende Regelleistung abgibt. In Ruhestellung
des Arbeitszylinders zeigt die Horizontalachse des Rotors 14 und somit die gesamte
Triebwerksachse genau in Richtung der Windrose. Erst bei Bewegung des Kolbens des
Arbeitszylinders wird das Maschinenhaus mit dem Triebwerk durch Verdrehung des oberen
Drehkranzes 12 aus der Windrichtung herausgedreht, bis, in Endstellung des Kolbens,
eine maximale 90°-Querstellung zur Windrichtung erreicht wird. Die Rotorebene steht
dann in Windrichtung, wodurch der Rotor vollkommen von der Windbeaufschlagung entlastet
ist.
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In Fig. 2 ist ein schematisches Rohrleitungsschaltbild dargestellt.
Der als Windrad 9 ausgebildete Nebenrotor 10 treibt die Druckölpumpe 11 an, die
Druckmittel aus einem Speicherbehälter 20 ansaugt und, solange die Nennleistung
der Windkraftanlage nicht überschritten wird, durch die Rücklaufleitung 21 und über
ein einstellbares Drosselventil 22 zurück in den Speicherbehälter 20 fördert. Eine
Steigerung der Windgeschwindigkeit führt somit zu einer erhöhten Druckmittelförderung,
so daß sich, je nach Abstimmung des
Drosselventils 22, bei einer
bestimmten Windgeschwindigkeit nunmehr in der Druckleitung 23 ein Leitungsdruck
aufbaut, der zum Ausfahren der Kolbenstange 19 des Arbeitszylinders 15 führt. Dabei
fördert der Kolben 18 des Arbeitszylinders 15 auf seiner Stangenseite Drucköl in
den Druckspeicher 24, wodurch sich ein Gegendruck aufbaut, bis bei Druckausgleich
der Kolben 18 in einer Zwischenstellung zum Stehen kommt. Bei weiterer Windgeschwindigkeitssteigerung
gelangt der Kolben 18 in eine Endstellung, bei der das Maschinenhaus bzw. der Rotor
14 soweit aus der Windrichtung gedreht ist, daß der Rotor von einer Windbeaufschlagung
vollkommen entlastet ist.
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Das Drosselventil 22 kann so abgestimmt werden, daß erst bei einer
Windgeschwindigkeit, welche zum Überschreiten der Nennleistung führt, der aufgebaute
Leitungsdruck den Kolben 18 des Arbeitszylinders 15 gegen den Vorspanndruck des
Druckspeichers 24 in Bewegung setzt.
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Mit 22' ist ein parallel zum Drosselventil 22 geschaltetes einstellbares
Druckregelventil bezeichnet, welches als Sicherheitsventil dient, z.B. bei funktionellem
Ausfall des Drosselventils 22.
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Über eine nicht weiter dargestellte, an sich bekannte hydraulische
Zweikanaldrehdurchführung 25 ist die Druckleitung 23 vom Mastoberteil aus durch
den Mast 1 bis zum Mastfuß geführt und an ein Mehrwegeventil 26 angeschlossen. In
der dargestellten mittleren Schaltstellung "0" des Mehrwegeventils 26
wird
Druckmittel durch die Druckleitung 23 zum Mehrwegeventil 26 gefördert und von dort
wieder durch den Mast zurück zum Mastoberteil und zum Arbeitszylinder 15.
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Im Mastfußbereich ist an das Mehrwegeventil 26 eine Handpumpe 27
angeschlossen, zu der ein Druckmittelablaß 28 parallel geschaltet ist.
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Mit 29 ist ein zweiter Druckmittelbehälter bezeichnet. In Schaltstellung
"1" kann Druckmittel durch die Druckleitung 23 in den Druckmittelbehälter 20 der
Druckmittelpumpe 11 gefördert werden, oder, beispielsweise zum Zwecke des ölwechsels,
bei geöffnetem Druckmittelablaß 28 abgelassen werden.
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In Schaltstellung "2" des Mehrwegeventils 26 kann über die Handpumpe
27 Druckmittel aus dem zweiten Druckmittelbehälter 29 zum Arbeitszylinder 15 gepumpt
werden, so daß beispielsweise eine manuelle Stillsetzung der Windkraftanlage möglich
ist, indem das Maschinenhaus 13 mit dem Rotor 14 durch den mit der Handpumpe erzeugten
Druck aus dem Wind gedreht wird.
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