DE3543460A1

DE3543460A1 - Rotorkopf fuer windenergiekonverter

Info

Publication number: DE3543460A1
Application number: DE19853543460
Authority: DE
Inventors: Michael 2843 Dinklage Bohlmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-12-09
Filing date: 1985-12-09
Publication date: 1986-08-28

Description

Rotorkopf für indenergiekonverter
Die Erfindung betriftt einen Rotorkopf für indenergiekonverter nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Infolge der Unstetigkeit des natürlichen Windes und des mit der 3.Potenz der Windgeschwindigkeit wachsenden Energieinhaltes des Windes sind bei jedem Windenergiekonverter Maßnahmen zu ergreifen, die den Rotor vor übergroßer Leistungsaufnahme schützen, Da der Wirkungsgrad eines Rotors von seiner Schnallläufigkeit, d.h. von dem Verhältnis der Blattspitzenumlaufgeschwindigkeit und der Geschwindigkeit des auf die Ro -torkreisfläche zuströmenden Windes abhängt, ist eine Regelung der Drehzahl d2s Rotors geeignet, die Leistungsaufnahme des Rotors zu begrenzen.
Bei den mit Abstand am häufigsten realisierten Windenergiekonvertern handlt es sich um freifahrendE Rotoren mit horizontaler Achse. Bei kleinen indenergiekonvertern mit wenigen Metern Rotordurchmesser kann eine Leistungsregelung dadurch erfolgen, da3 die Rotorachse aus der Windrichtung geschwenkt wird, insbesondere dann, wenn infolge der bei kleinen Abmessungen des Windenergiekonverters möglichen Überdimensionierung der Bauteile und liner gegen kurzzeitige Oberlastung unempfindlichen angetriebenen Maschine eine feinfühlige Leistungsregelung unnötig ist. Dieses Prinzip wird häufig bei sogenannten Windpumpen ausgeführt0 Bei größeren Rotordurchmessern etwa ab 5 m wird die Rotordrehzahl auf drei unterschiedlichen Wegen begrenzt.
1. Durch Kopplung der Arbeitsmaschine( im allgemeinen elektr.
Generator) an ein Netz fester Frequenz, bzw. durch Anschalten zusätzlicher Verbraucher wird die Rotordrehzahl soweit begrenzt, daß es durch Verringerung der Schnellläufigkeit zu einer Vergrößerung des Anstellwinkels des Rotorblattes gegen den cffVtiu anströmenden Wind kommt. Dadurch wird die Luftströmung vom Inneren des Rotorblattes beginnend mehr und mehr vom Blatt abgelöst.Der Strömungsabriß am Rotorblatt verhindert durch Fehlers d;s Auftriebes weitere Leistungsaufnahme des Rotorblattes.(sog."passives Stalling"). Diese Art der Regelung ist die zahlenmäßig am weitesten verbreitete. Fast alle in grösserer Stückzahl hergestellten holländischen,dänischen und amerikanischen Windenergiekonverter arbeiten in ungestörtem Betrieb nach diesem Prinzip.
Es gilt als sicher und hat sich in großen Stückzahlen bewährt0 Andererseits erfordert es für den Fall der Abkopplung vom Netz zusätzliche Sicherheitseinrichtungen. Diese bestehen teilweise in fest an den um die Längsachse drehbaren Rotorblätter angebrachten Fliehgewichten, welche bei unkontrolliert hoher Drehzahlüberschreitung die Rotorblätter in Fahnenposition schwenken. Außerdem läßt sich diese Art der Regelung nicht ohne weiteres im sogenannten Inselbetrieb, d.h. ohne führendes Netz, anwenden.
2. An den Rotorblättern werden, meist durch Fliehkraft ausgelöste Luftwirbelbremsen angebracht, etwa in Form von Störklappen oder dadurch, daß äuGere Teile des Rotorblattes quer zur Umlaufrichtung gestellt werden. Auch durch diese Luftwirbelbremsen wird die Drehzahl des Rotors begrenzt und der Rest der Rotorblätter vor weiterer Leistungsaufnahme geschützt.
Auch diese Art der Regelung gilt als sicher und hat sich in wesentlichen Stückzahlen bewährt. Nachteile sind, daß die Wartung der augen am Rotorblatt angebrachten Einrichtungen schwierig sein kann und daß die Herstellung der Rotorblätter, die ohnehin einen wesentlichen Teil der Kosten für einen Windenergiekonverter ausmachen, weiter verteuert wird.Außerdem stellt das Synchronisieren der Bremseinrichtungen ein Problem dar, weshalb üblicherweise ganz darauf vErzichtet wird. Dies wiedesum hat zur Folge, daß die Rotorblätter ungleichmäßig belastet werden, was zu statischer und dynamischer Unwucht führen kann.
3. Durch eine aktive Vorrichtung, die MeßgliedersRegelglied und Stellglied erfordert, werden die Rotorblätter jeweils soweit in Fahnenposition, d.h. mit der Profilhinterkante vom Wind weg, gestellt, daß die Leistungsaufnahme durch Drehzahlregelung begrenzt wird. Diese Art der Regelung hat die Vorzüge, daß sie feinfühlig regeln kann und daß sie den Windenergiekonverter nur geringen Windkräften aussetzt. Dafür sind aber sehr aufwendige und störanfällige Bauteile erforderlich. Diese Nachteile sind bei mittleren Rotordurchmessern bis hin zu ttwa 20 m so wesentlich, daß nur sehr wenige Windenergiekonverter dieser Größenordnung von ihr Gebrauch machen. Diese wenigen Windenergiekonverter sind dementsprechend durch ihren hohen Preis nur bedingt konkurenzfähig (z.B. das holländische Fabrikat '£indvang und die deutsche Aeroman).
Daneben gibt es noch Entwürfe von sog."geometrischer Blattverstellung", z.B. von Dipl.Ing.Hans Goslich. Diese Entwürfe zeichnen sich durch ihre Eleganz aus, sind aber offentsichtlich in ihrer mathematischen Beschreibung und in ihrem Betriebsverhalten so problematisch, daß sie bisher in Maßstäben, die ber Modellgröße hinausgehen, noch nicht realisiert wurden.
(Produktbeschreibung der Windenergiekonverter herstellenden getriebe, Windkraftjournal 1/81 5,7, 2/82 5.86) Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für mittlere Liindenergiekonverter eine einfache, und damit kostengünstige und störunanfällige Regelung anzubieten, damit Windenergie auf breiter Basis rentabel wird.
Fliehgewichte nach Art des Watt'schen Pendels erzeugen gegen imine vorgespannte Feder bei Uberschreiten der Grenzdrehzahl des Rotors die Stellkräfte zur Verstellung der Rotorblätter.
Die Rotorblätter werden jedoch nicht in Fahnenposition ,sondern gegensinnig verstellt, d.h. daß die Profilhinterkante gegen den Wind verstellt wird.
Dadurch wird im Inselbetrieb oder bei Trennung des Windenergiekonverter vom führenden Netz der passive Stalleffekt aktiv verstärke.
Die Rotorblätter müssen während des Regelvorganges nicht durch eine Position günstiger, d.h. noch einmal ansteigender Leistungsaufnahme, hindurch, sondern reduzieren unmittelbar den Wirkungsgrad des Rotors.
Für diese Art der Regelung sind im Gegensatz zum Schwenken der Rotorblätter in Fahnenposition nur geringe Verstellwin -kel erforderlich in der Größenordnung von 15 - 20 Grad.
Dadurch können die Fliehgewichte die nicht fest an der Rotorblattachse angebracht, sondern selbst gelagert sind, über einen untersetzenden Hebel ihre Bewegung auf die Rotorblätter übertragen. Die gesamte Anordnung stellt sicher, daß trotz der relativ geringen Drehzahl mittelgroßer Windenergiekonverter-Rotoren bei absolut vertretbaren Massen der Fliehgewichte ausreichende Stellkräfte bereits bei unter lo Drehzahlüberschreitung auftreten.
Die erfindungsgemäße Anordnung der Bauteile des Rotorkopfes erzielt folgende Vorteile: Der Rotorkopf regelt selbstätig die Drehzahl des Rotors. Die RegElung funktioniert auch dann, wenn Störungen im übrigen Aufbau des Windenergiekonvertersauftreten, etwa eine Unterbrechung des Antriebsstranges(Getriebe,Kupplungen, etc.) Die Regelung ist universell im Inselbetrieb oder auch als Überdrehsicherung im Netzparallelbetrieb ohne Änderung verwendbar, Die Regeleinrichtung benötigt nur sehr wenige bewegliche Teile-.*Alle Lagerbewegungen sind Drehbewegungen und damit gegen Festsetzen durch Korrosion oder Vereisung unempfindlich.
Die einzigen Lager, die benötigt werden, sind serienmäßig in perfekter Qualität und zu günstigen Preisen erhältlich. Alle sonstigen Teile lassen sich aus gewöhnlichem Fluß stahl herstellen0Dadurch sind sie preiswert, bei ausreichender Dimensiunierung praktisch ungebrenzt haltbar und mit einfachen, handwerklich üblichen Mitteln zu verarbeiten Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichungen dargestellt und wird imjfolgenden näher beschrieben. Es wird ein 3-Blattrotor dargestellt, wobei aber die wesentlichen Merkmale der Erfindung auch zwanglos auf 2- u. 4-Blattrotoren anwendbar sind0 Es zeigt Zeichnng 1 eine Aufsicht auf den Rotor mit der Anordnung der Rotorblätter und der Fliehgewichte.
Die Drehungen der Rotorblätter werden über eine parallel zur Rotorebene mittig angeordnete, drehbare Scheibe sowie Stangen mit Kugelköpfen synchronisiert. Diese Anordnung ist nicht in den Zeichnungen dargestellt, da sie nicht wesentlich für die Erfindung sind0 Zeichnung 2 zeigt eine Seitenansicht teilweise.
(An den mit X bezeichneten Stellen sind Wälzlager eingebaut) Die Rotorblätter(R) sind über ihren Holm(H) u. Lager, X am Narbenkörper (N) befestigt. Die Fliehgewichte (FG) werden durch die vorgespannten Ferden(F) bis zum Uberschreiten der Grenzdrehzahl zurückgehalten, wobei die oberhalb der Grenzdrehzahl frei werdende Fliehkraft durch das Verhältnis der Längen (L) zueinander verstärkt wird.

Claims

Patentansprüche 1) Rotorkopf für Windenergiekonverter zur Regelung der vom Windenergiekonverter aufgenommenen Energie, dadurch gekennzeichnet, daß Fliehgewichte, dienicht fest am Rotorblatt angebracht sind, über einen Hebel die Rotorblätter so verstellen, daß es zum Strömungsabriß am Rotorblatt kommt.
2) Rotorkopf für Windenergiekonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hebelarme von Fliehgewicht und Rotorblatt ein Stellkraftverstärkendes und Verstellwinkelverringerndes Längenverhältnis haben.