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Windkraftmaschine
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Die Erfindung betrifft eine Windkraftmaschine, insbesondere mit einem
Stromgenerator, die einen an einer Abstützung zu montierenden, um die Hochachse
schwenkbaren Arbeitskopf aufweist, der wenigstens mit einem Flügelrotor, ggf. mit
einem Stromgenerator und mit einer elektrische Energie verbrauchenden Bremseinrichtung
zur Bremsung des Flügelrotors versehen ist.
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Bei bekannten Windkraftmaschinen der vorgenannten Art ist die auf
den Flügelrotor wirkende Bremseinrichtung in der Regel als hydraulisch betätigte
Scheibenbremse ausgeführt, bei der der Öldruck für den die Bremsbacken betätigenden
Hydraulikzylinder der Bremse mittels einer Zahnradölpumpe erzeugt wird, die durch
einen netzgespeisten Elektromotor angetrieben wird. Andere Bremssysteme verwenden
anstelle der Zahnradölpumpe druckluftbetätigte oder federkraftbetätigte Einheiten,
um die Bremse mit der erforderlichen Betätigungsenergie zu versorgen, und benötigen
ebenfalls einen Elektromotor, um die entsprechende Energie unmittelbar oder mittelbar
zur Verfügung zu stellen. Derartige Bremseinrichtungen
sind hinsichtlich
der elektrischen Energie netzabhängig und benötigen ferner zu ihrer Betätigung eine
erhebliche Menge an elektrischer Energie. Ferner sind diese bekannten Bremseinrichtungen
bauaufwendig, was entsprechend hohe Herstellungskosten zur Folge hat, und bedürfen
einer regelmäßigen Wartung, um ihre Funktionssicherheit zu gewährleisten.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Windkraftmaschine
der einleitend angeführten Art, die eine insbesondere netzstromunabhängig betreibbare,
wenig elektrische Energie verbrauchende sowie einfach aufgebaute, betriebssichere
und praktisch wartungsfreie Bremseinrichtung aufweist.
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Die Lösung dieser Aufgabe geht von der angegebenen Windkraftmaschine
aus und kennzeichnet sich dadurch, daß die Bremseinrichtung ein über einen rückstellbaren
Hebel auf ihre Bremselemente bremsend einwirkendes Belastungsgewicht und eine mit
dem Hebel zusammenwirkende, mit geringer elektrischer Energie ansteuerbare Auslöseeinrichtung
zum Freigeben der Bewegung des Hebels aus seiner vorbestimmten Ausgangsstellung
in seine die Bremsung des Flügelrotors bewirkende Arbeitsstellung aufweist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Hebel
mittels einer stationären, vertikalen Führung in senk-
rechter Richtung
geführt und die Führung weist ein oberes Umlenkteil für einen am Hebel angreifenden,
ihn zurückstellenden Bowdenzug auf. Die Auslöseeinrichtung umfaßt einen mit dem
genannten Hebel mechanisch zusammenwirkenden Magnetschalter, der an eine Batterie
oder an einen Akkumulator anschließbar ist, und ist über ein Seilzugelement mit
einer am genannten Hebel angreifenden, normal in einer geringfügigen Ubertotpunktstellung
ruhenden Kniehebelanordnung verbunden.
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Die Bremseinrichtung dieser Windkraftmaschine kann unabhängig vom
Netzstrom betrieben werden, da die zur Einleitung des Bremsvorganges benötigte elektrische
Energie äußerst gering ist und von der Batterie oder dem Akkumulator aufgebracht
werden kann. Es genügt z.B. ein elektrischer Steuerimpuls von einer Millisekunde
Dauer bei 24 Volt, um einen elektrischen Auslöser, z.B. in Form eines Magnetschalters,
anzusteuern, der seinerseits die auf der Basis der Schwerkraft arbeitende und im
übrigen vorzugsweise mechanisch aufgebaute Betätigungseinrichtung der Bremse in
Betrieb zu setzen, deren Betriebsenergie in jedem Fall durch das Belastungsgewicht
zur Verfügung gestellt wird. Der Magnetschalter oder ein anderer, wenig elektrische
Energie verbrauchender Auslöser braucht lediglich die Sperrstellung des das Belastungsgewichtes
tragenden Hebels aufzuheben, wozu wenig Kraft erforderlich ist, so daß die weitere
Betätigung allein
durch das der Schwerkraft unterliegende Belastungsgewicht
durchgeführt wird. Die erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung für die den Flügelrotor
stoppende Bremse kann ferner im Aufbau sehr einfach gestaltet werden und ist dadurch
äußerst betriebssicher. Ebenso ist die Betätigungseinrichtung auch praktisch wartungsfrei,
da sie im wesentlichen aus robusten Bauteilen besteht.
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Obwohl die Aufhebung der Sperrstellung des außer Eingriff befindlichen
Hebels mit dem Belastungsgewicht hauptsächlich durch einen akku- oder batteriebetriebenen
Auslöser erfolgen soll, der den Betrieb der Flügelrotorbremse von einem Stromnetz
unabhängig macht, kann jedoch der elektrisch ansteuerbare Auslöser der Bremseinrichtung
auch mit Netzstrom betrieben werden, wenn am Aufstellungsort der Windkraftmaschine
Netzstrom zur Verfügung steht, wie ohne weiteres verständlich ist, so daß eine derartige
Ansteuerung der Bremseinrichtung auch vom Schutz miterfaßt sein soll.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in den anliegenden Zeichnungen
dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine teilweise
geschnittene Seitenansicht auf eine nur zum Teil dargestellte Windkraftmaschine,
Figur
2 die Windkraftmaschine nach Figur 1 in Aufsicht und weggelassener Abdeckung, Figur
3 eine vergrößerte Aufsicht auf die Bremseinrichtung gemäß Figur 2, Figur 4 eine
Seitenansicht auf die Bremseinrichtung gemäß dem Pfeil A in Figur 3.
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Gemäß Figur 1 besteht die Windkraftmaschine hauptsächlich aus einem
allgemein mit 1 bezeichneten Arbeitskopf und aus einer nur teilweise dargestellten,
allgemein die Form eines sogenannten Turmes aufweisenden Abstützung 2, auf welcher
der Arbeitskopf um die üblicherweise als Hochachse bezeichnete Achse 3 frei drehbar
gelagert ist. Der Arbeitskopf 1 umfaßt in bekannter Weise einen mehrflügeligen Rotor
4, ein Getriebe 5, eine Kupplung 6 und einen Stromgenerator 7, wobei die Teile 5,
6 und 7 auf einem gemeinsamen Rahmen 8 angeordnet sind, der mittels einer üblichen
Drehkranzkonstruktion 9 auf dem Oberende der Abstützung 2 um die Hochachse 3 drehbar
abgestützt ist. Im übrigen sind die Teile 5, 6 und 7 durch eine am Rahmen 8 befestigte
Abdeckhaube 10 geschützt.
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Ferner ist an dem Rahmen 8 leeseitig eine Windfahne 11 montiert, die
vorzugsweise eine aerodynamisch geformte Profilierung aufweist und somit besonders
wirksam ist. Diese Windfahne 11 dient in bekannter Weise zur Nachführung des Arbeits-
kopfes
1 und damit des Flügelrotors 4 in die jeweils günstigste Windanströmstellung.
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Des weiteren ist eine nicht zur Erfindung gehörende Azimutbremse 12
vorgesehen, die bezüglich der Verschwenkung des Arbeitskopfes 1 um die Hochachse
3 eine genaue, d.h. spielfreie Feststellung des Kopfes 1 bzw. des Rotors 4 gestattet,
insbesondere wenn die Windstärke bzw. Windgeschwindigkeit einen vorbestimmten Wert
überschreitet.
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Im wesentlichen besteht die vorzugsweise leeseitig angeordnete Azimutbremse
12 aus einer Reibungsbremse 13, vorzugsweise in Form einer an sich bekannten Scheibenbremse,
und aus einer Betätigungseinrichtung 14, die allein aus wenigstens einer auslenkbar
am Rahmen 8 angeordneten Bremswindfahne 15 bestehen kann. Die Anströmfläche 15a
der Bremswindfahne 15 verläuft quer oder im wesentlichen quer zur Rotationsachse
16 des Flügelrotors 4 und wird dadurch optimal vom Wind beaufschlagt.
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Die Scheibenbremse 13 besteht aus einem starr am Rahmen 8 befestigten
Bremssattel mit integriertem hydraulischen Bremszylinder bekannter Bauart und aus
einer horizontalen Bremsscheibe 18, die am Oberende der Abstützung 2 starr befestigt
ist. Vorzugsweise ist die Bremsscheibe in die horizontale
Tragplatte
der vorgenannten Drehkranzkonstruktion 9 integriert, indem die Tragplatte entsprechend
weit radial nach außen vorsteht.
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Vorzugsweise ist zwischen der oder den Bremswindfahnen 15 -es können
auch mehrere Bremswindfahnen vorgesehen sein - und der Bremse 13 eine Kraftverstärkungseinrichtung
19 zwischengeschaltet. Diese kann aus einer krafterhöhenden Hebelanordnung 20 und
zusätzlich aus einem Hydraulikzylinder 21 mit Vorratsbehälter 22 bestehen. Der Zylinder
21 ist über eine Hydraulikleitung 23 mit dem Bremszylinder des Bremssattels verbunden.
Die Hebelanordnung 20 wird durch eine Feder 24 in ihrer Ausgangsstellung gehalten.
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Die Azimutbremse funktioniert wie folgt. Wenn die Windgeschwindigkeit
unterhalb eines vorbestimmten Wertes liegt, z.B. kleiner als 6m/s, ist die Bremse
13 außer Eingriff. Bei einer höheren Windgeschwindigkeit werden die Bremswindfahnen
15 ausgelenkt, so daS die Hebelanordnung 20 den Hydraulikzylinder 21 betätigt, der
wiederum den Bremszylinder der Scheibenbremse 13 betätigt, die dann fest mit der
Bremsscheibe 18 in Eingriff steht. Es ist klar, -daß, je stärker die Bremsfahnen
15 vom Wind beaufschlagt werden, desto stärker die Bremse 13 faßt.
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Gemäß den Figuren 2, 3 und 4 ist eine Bremseinrichtung 25 vorgeschlagen,
die den Flügelrotor 4 zum Stillstand abbremst.
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Die Parameter, gemäß denen ein Stillstand des Flügelrotors erfolgen
soll, sind vorzugsweise durch eine nicht zur Erfindung gehörende, elektrische Steuerschaltung
vorgegeben und veranlassen im Bedarfsfall automatisch die vollständige Bremsung
des Rotors 4.
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Die Bremseinrichtung 25 besteht aus der eigentlichen Bremse 26, die
im vorliegenden Fall vorzugsweise eine Scheibenbremse bekannter Bauart ist, und
aus einer Betätigungseinrichtung 27.
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Die Bremsscheibe 28 der Bremse 26 ist vorzugsweise auf der Abtriebseite
des Getriebes 5 vorgesehen und z.B. in die Kupplung 6 integriert.
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Die Betätigungseinrichtung 27 besteht aus einem Hebel 29 und aus einem
daran befestigten Belastungsgewicht 30, wie die Figuren 3 und 4 am besten zeigen.
Während das eine Ende des Hebels 29 an der Bremse 26 angelenkt ist, ist am anderen
Hebelende das Belastungsgewicht 30 z.B. angeschweißt. Ferner ist der Hebel 29 mittels
einer an dem Rahmen 8 starr befestigten Führung 31 in Form zweier vertikaler Winkelprofile
vertikal geführt. Am Oberende der Führung 31 ist ein Umlenkteil 32 vorzugsweise
in Form einer losen Rolle für einen Bowdenzug 33 angebracht, der einerseits am hinteren
Ende des
Hebels 29 angreift und andererseits zu einer (nicht gezeigten)
Bedienungsstelle am Fuß der Abstützung 2 geführt ist, um den Hebel in seine in Figur
4 dargestellte Ausgangsstellung zurückzustellen, wenn er vorher zwecks Durchführung
einer Bremsung abgesenkt worden ist.
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Ferner umfaßt die Betätigungseinrichtung 27 eine Kniehebelanordnung
34 (Figur 4), die einerseits am Hebel 29 und andererseits am Rahmen 8 angelenkt
ist und sich gemäß Figur 4 in einer Übertotpunktstellung befindet, die die Ausgangsstellung
des Hebels 29 sichert. Die Ubertotpunktstellung ist mittels eines verstellbaren
Anschlages 35, z.B. in Form einer Schraube, einstellbar und wird durch Federkraft,
z.B. durch eine zugfeder 36, unterstützt, wodurch gleichzeitig auch die Ausgangsstellung
des Hebels 29 mit dem Belastungsgewicht 30 stabilisiert ist.
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Die Betätigungseinrichtung 27 umfaßt ferner eine Auslöseeinrichtung
3d, die z.B. einen Magnetschalter 39 und ein Zugseil 40 aufweist, das den Magnetschalter
mit der Kniehebelanordnung 34 verbindet. Der vorzugsweise an der Führung 31 befestigte
Magnetschalter 9 ist über eine Stromleitung 41 an die vorerwähnte Steuerschaltung
angeschlossen, die über eine Batterie oder einen Akkumulator (nicht gezeigt) mit
elektrischer Energie versorgt wird. Die Batterie kann z.B.
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eine sogenannte Dryfit-Batterie sein, die mit 24 Volt arbeitet und
für den Betrieb des Magnetschalters 39 einen Stromimpuls von etwa einer Millisekunde
Dauer abgibt.
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Schließlich ist dem Hebel 29 eine Dämpfungseinrichtung 42 zugeordnet,
die unterhalb des Hebels vorgesehen und z.B. aus einer Kolben-Zylinder-Einheit besteht.
Die Kolbenstange 43 dieser Einheit ragt in ihrer Ausgangsstellung aus dem Zylinder
44 heraus und endet eine gewisse Entfernung unterhalb des Hebels 29. Wird das Oberende
der Kolbenstange 43 durch den herabfallenden Hebel 29 berührt, wird die weitere
Abwärtsgeschwindigkeit des Hebels gedämpft bzw. auf ein gewisses Maß herabgesetzt,
so daß dadurch der Zeitpunkt des Bremsbeginnes der auf einem Sockel 45 fest montierten
Bremse hinausgezögert wird, um den Flügelrotor 4 innerhalb einer vorbestimmten Zeit
zum Stillstand zu bringen.
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Die Bremseinrichtung 25 für den Flügelrotor 4 funktioniert wie folgt.
Es sei angenommen, daß ein Defekt im Generator 7 aufgetreten ist, der einen sofortigen
Stillstand des Rotors erfordert.
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Die erwähnte Steuer schaltung leitet infolgedessen einen sehr kurzen
elektrischen Impuls zu dem dementsprechend nur kurzzeitig wirksamen Magnetschalter
39, der daraufhin anzieht und
somit das Zugseil 40 in Richtung
des Pfeiles 46 zieht. Dadurch wird die Kniehebelanordnung 34 augenblicklich gegen
die relativ schwache Feder 36 über ihren Totpunkt so weit vorgezogen, daß nun der
Fall des Belastungsgewichtes 30 die Absenkung des Hebels 29 unter weiterer Einknickung
der Kniehebelanordnung bewirkt. Der Hebel 29 trifft dann auf die Kolbenstange 43
der Dämpfungseinrichtung 42 auf, wodurch seine weitere Absenkbewegung mit geringerer
Geschwindigkeit erfolgt, bis die Bremse 26 an der Bremsscheibe 28 faßt und den Flügelrotor
4 zum Stillstand bringt, und zwar aufgrund des durch den Hebel 29 in Zusammenwirkung
mit dem Belastungsgewicht 30 auf die Bremse 26 ausgeübten Belastungsmomentes.
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Nach Beseitigung des erwähnten Defektes wird am Bowdenzug 33 gezogen,
so daß der Hebel 29 zusammen mit dem Belastungsgewicht 30 aus der Bremsstellung
(Arbeitsstellung) wieder in die Ausgangsstellung zurückgelangt. Die Feder 36 bewirkt
dabei ein Zurückziehen der Kniehebelanordnung 34 über deren Totpunktlage hinaus,
so daß der Hebel 29 wieder in seine Ausgangslage zurückkehrt und darin arretiert
ist.
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Vorstehend ist die Windkraftmaschine in Verbindung mit einem Stromgenerator
7 beschrieben. Es iat jedoch klar, daß die Windkraftmaschine, abgesehen von dem
Flügelrotor 4 und der zu seiner Stillstandsbremsung erforderlichen Bremseinrichtung,
auch andere Aggregate aufweisen kann.
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