DE3527951A1

DE3527951A1 - Windkraftanlage mit verdichter und druckluftspeicherung

Info

Publication number: DE3527951A1
Application number: DE19853527951
Authority: DE
Inventors: Walter Mueller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-08-03
Filing date: 1985-08-03
Publication date: 1987-02-12

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Windkraftanlage mit Ver dichter und Druckluftspeicherung, bei der die Druckluft zum Betreiben eines Turbinenaggregates zur Stromerzeugung oder an derer Maschinen dienen kann.

An den Enden des Rotors sind ND-Axialverdichter mit den Öffnun gen zur Anströmung angeordnet, die von Propellern über Über setzungsgetriebe angetrieben werden. Die anströmende Luft wird verdichtet und durch Krümmer, die Rotorrohre, den Turmbogen über das Turmventil in den Turm gedrückt. Der Turm ist so aus geführt, daß er gleichzeitig als Speicher dient. Unten ist am Turm ein Absperrventil angeordnet, von dem eine Druckluftlei tung zur Turbine, welche einen Generator treibt, führt. Die entspannte und abgekühlte Luft kann zur Kühlung von Räumen oder eines Kondensators zur Süßwassergewinnung aus feuchter Luft genutzt werden. Weitere Bsonderheiten gehen aus den Unteran sprüchen hervor.

Ein elektrisches Windgeneratorsystem mit Druckluft ist bekannt und wird in der Offenlegungsschrift (DE 32 43 860 A 1) erläutert. Hierbei wird vom Windrotor über eine Welle, wie sie bei her kömmlichen Windkraftanlagen verwendet wird, ein Luftkompressor zur Erzeugung von Druckluft angetrieben. Die Druckluft wird in einem speziellen Speicher gespeichert, von dem sie über eine Leitung zu einem Luftmotor strömt und einen Generator treibt. Die Restenergie der Abluft wird noch über eine nachgeschaltete Vorrichtung zur Unterstützung des Luftmotors genutzt. Bei allen Windkraftanlagen, insbesondere bei großen, ist die Rotorwelle und deren Lagerung extremen dynamischen Kräften ausgesetzt. Aus der Fachliteratur geht hervor, daß bei früheren Versuchsanlagen nach einer gewissen Laufzeit die Rotorwelle sogar abgebrochen ist. Bei neuesten Konstruktionen wird der Rotor mittels eines Pendelrahmens auf der Rotorwelle befestigt, welcher die Biegewechselspannung vermindert. Trotz neuester Erkenntnisse auf diesem Gebiet, mußte der Betrieb einer vom Bundesforschungsministerium geförderten 3 MW-Großwindanlage schon in der Probelaufzeit wegen Störung an der Rotorlagerung eingestellt werden.

Das in der Offenlegungsschrift beschriebene Windgeneratorsystem hat einen hohen technischen Aufwand, was Kosten und Störanfäl ligkeit steigert. Wird die Luft hoch komprimiert, so erwärmt sie sich stark und gibt Wärme an die Umgebung ab. Dadurch ent stehen hohe Energieverluste, wodurch der Wirkungsgrad der Anla ge fällt.

Die Erfindung hat sich daher zur Aufgabe gemacht, eine Wind kraftanlage mit Verdichtern und Druckluftspeicherung zu schaf fen, bei der an den Rotorenden propellergetriebene ND-Axial verdichter angebracht sind, welche die Druckluft in den Rohr turm, der gleichzeitig als Speicher dient, drücken. Bei solch einer Ausführung entfällt die Rotorwelle. Dies wird durch eine Windkraftanlage erreicht, wie sie in den Ansprüchen gekenn zeichnet ist.

An den Enden der Holme des Rotors sind ND-Axialverdichter mit den Öffnungen zur Anströmung angebracht. Durch die hohe Umfangs geschwindigkeit wird durch einen Propeller mit hoher Drehzahl der Axialverdichter angetrieben, wobei noch der Staudruck aus genutzt wird. Die verdichtete Luft strömt durch die Holme, den Turmbogen über ein Ventil in den Turm, der aus einen Stahlrohr besteht und gleichzeitig als Speicher dient. Der Rotor ist auf dem Ende des Turmbogens abgedichtet gelagert. Es brauchen kei nerlei Drehmomente übertragen werden. Der Turmbogen mit der Windfahne ist wieder auf der Turmspitze abgedichtet gelagert. Ein Zurückströmen der Luft bei nachlassenden Wind wird zum einen durch Rückschlagventile in den Enden der Rotorrohre und zum anderen durch ein Ventil in der Turmspitze verhindert. Um Ener gieverluste durch Abkühlung der komprimierten Luft zu vermeiden, sind Rotorrohre, Turmbogen und Turm innen mit einer Wärmeiso lierung versehen. Der Turm ist mittels eines gelagerten Gestel les befestigt und somit für Wartungszwecke kippbar.

Stromgenerator und Turbine stehen abseits des Turmes und sind durch eine Druckluftleitung mit Absperrventil mit dem unteren Turmende verbunden. Die entspannte und somit abgekühlte Luft wird zum Kühlen von Räumen oder eines Kondensators zur Süßwas sergewinnung aus feuchter Luft verwendet.

Vorteile dieser Anlage sind, daß eine zentrale Turbinenein heit von mehreren Windkraftanlagen pneumatisch betrieben werden kann. Die Turbine kann ununterbrochen laufen, wenn eine Anlage ausfällt oder für Wartungszwecke angehalten wird. Die Druckluft kann auch direkt zum Betreiben von Geräten, Pumpen und Maschinen, die pneumatische Antriebe haben, ge nutzt werden.

Ein Übersetzungsgetriebe vor dem Generator ist nicht erfor derlich. Die Konstanthaltung der Drehzahl der Turbine ist einfach. Die Drehzahl des Rotors kann je nach Windstärke beliebig variieren, da der Luftdruck im Turmspeicher ausge glichen wird. Bei einer Verdichtung bis zu 2 bar können die Leit- und Laufräder eines zweistufigen Axialverdichters aus geeignetem Kunststoff in Spritzformen hergestellt werden. Die Anlage eignet sich besonders für den Bau von Rotoren mit großen Durchmesser, da dadurch hohe Umfangsgeschwindig keiten schon bei schwachen Winden erreicht werden.

Im folgenden wird lediglich ein Ausführungsweg der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht der Windkraftanlage mit Teilschnitt,

Fig. 2 eine Vorderansicht nach Fig. 1 und

Fig. 3 eine Anordnung des Axialverdichters im Schnitt.

Wie in Fig. 1 darbestellt, sind an den Enden der Rotorrohre 6 des Rotors Axialverdichter 1, die von Propellern 4 angetrie ben werden, angebracht. Die Rotorrohre 6, auch Holme genannt, sind aus Al-Rohren. Sie münden bogenförmig in den Turmbogen 8 und werden von der Rotorlagerung 7 gehalten. Wegen der leich ten Bauweise des Rotors sind die Rotorrohre 6 mit Flügelsegeln 13 versehen, die bei starken Windböen nachgeben. Die Flügel abspannung 14 erhöht die Stabilität des Rotors. Der Rotor ist mittels Rotorlagerung 7 auf dem Schenkel des Turmbogens 8 abge dichtet gelagert. Der Turmbogen 8 mit der Windfahne 26 ist mit der Bogenlagerung 9 auf der Turmspitze ebenfalls abgedichtet gelagert. Der Turm 10 ist ein Rohr, welches unten von einem Ge stell mit einer Gestellagerung 18 gehalten wird und zusätzlich mit einer Abspannung 17 abgespannt ist. Die gesamte Anlage kann dadurch für Wartungszwecke gekippt werden. Am unteren Ende des Turmes 10 ist ein Absperrventil 19 angebracht, von dem eine Druckluftleitung 20 zur Turbine 21 mit dem Generator 25 führt. In Fig. 2 sind die kurzen Stabilisierungsrohre 15 mit der Ra dialabspannung 16 der Rotorrohre 6 dargestellt. Auch die Anor dnung der ND-Axialverdichter 1 geht gut hervor.

Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß der Axialverdichter 1 mit der Ansaugöffnung zur Anströmung angeordnet ist. Der Axialverdich ter 1 wird vom Propeller 4 über das Übersetzungsgetriebe 3 und die Welle 2 angetrieben. Bei ausreichender Drehzahl des Propel lers 4 ist ein Übersetzungsgetriebe nicht erforderlich.

Der Axialverdichter 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel zwei stufig ausgeführt. Lauf- und Leiträder können aus geeignetem Kunststoff hergestellt werden. Das Gehäuse des Axialverdich ters 1 geht in einen Krümmer 5 über, dessen erweiterter Schen kel die Lagerung 29 mit der Dichtung 28 aufnimmt und am Ende des Rotorrohres 6 befestigt ist. Durch die drehbare Lagerung kann der Axialverdichter 1 immer in die schwankende Anström richtung pendeln. Das Ende des Rotorrohres 6 ist mit einem Rückschlagventil 27 versehen. Auch in der Turmspitze ist ein Turmventil 11 angeordnet. Die Ventile sollen ein Zurückströ men der Luft bei schwankenden Winden vermeiden. Das Rotorrohr 6, der Turmbogen 8 und der Turm 10 sind von innen mit einer Wärmeisolierung 12 versehen. Dadurch sollen Energieverluste durch Abkühlung der komprimierten Luft verringert werden. Nachstehend soll die Funktionsweise erläutert werden. Durch die Rotation des Rotors mit großem Durchmesser wird schon bei schwachen Winden eine hohe Umfangsgeschwindigkeit er reicht. Der Propeller 4 treibt mit hoher Drehzahl über das Übersetzungsgetriebe 3 und die Welle 2 den Axialverdichter 1 an. Unter Ausnutzung des Staudruckes wird die Luft angesaugt und durch den Krümmer 5 über das Rückschlagventil 27 in das Rotorrohr 6 mit ca bis zu 2 bar gedrückt. Sie strömt zum Zentrum des Rotors, wo sie durch den Turmbogen 8 über ein Turmventil 11 in den Turm 10 gelangt und dort gespeichert wird. Unten am Turm 10 strömt die Druckluft durch das Absperr ventil 19, die Druckluftleitung 20 zur Turbine 21, die einen Generator 25 treibt. Die entspannte und abgekühlte Luft wird in diesem Ausführungsbeispiel mit einer Abluftleitung 22 zu einem Kondensator 23 geleitet, wobei Süßwasser 24 aus feuchter Meeresluft durch Kondensation gewonnen wird. Die Abluft kann auch zum Kühlen von Räumen verwendet werden.

Claims

1. Windkraftanlage mit Verdichter und Druckluftspeicherung, bei der die Druckluft ein Turbinenaggregat zur Stromerzeugung an treibt, dadurch gekennzeichnet, daß an den Enden der Rotor rohre (6) des Rotors Axialverdichter (1) mit Übersetzungsge trieben (3) und Propellern (4) angeordnet sind, die die anströ mende Luft verdichten, durch die Krümmer (5), die Rotorrohre (6), den Turmbogen (8) über das Turmventil (11) in den Turm (10) drücken, von dem sie unten durch ein Absperrventil (19) über eine Druckleitung (20) einer Turbine (21) mit einem Generator (25) zugeleitet wird.

2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die entspannte und kalte Luft über eine Abluftleitung (22) einem Kondensator (23) zur Erzeugung von Süßwasser (24) aus feuchter Meeresluft oder einem Kühlraum zugeführt wird.

3. Windkraftanlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmer (5) der Axialverdichter (1) um die Achse der Rotorrohre (6) mittels der Lagerungen (29) drehbar gelagert und mit Dichtungen (28) versehen sind.

4. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorrohre (6) an den Enden mit Rück schlagventilen (27) versehen sind.

5. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Turm (10) gleichzeitig als Druckluft speicher ausgeführt ist und oben ein Ventil (11) aufweist.

6. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorrohre (6), der Turmbogen (8) und der Turm (10) von innen mit einer Wärmeisolierung (12) ver sehen sind.