DE3613871A1

DE3613871A1 - Verfahren zum betreiben einer anlage zur nutzung von windenergie

Info

Publication number: DE3613871A1
Application number: DE19863613871
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl Phys Dr Danninger
Original assignee: Sep Gesellschaft fur Technische Studien Entwicklung Planung MbH
Current assignee: Sep Gesellschaft fur Technische Studien Entwicklung Planung MbH
Priority date: 1986-04-24
Filing date: 1986-04-24
Publication date: 1987-10-29
Anticipated expiration: 2006-04-25
Also published as: DE3613871C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage zur Nutzung von Windenergie für Dampf- oder Gasverdichtung, mit einem Rotor, der mit einem Synchrongenerator gekoppelt ist.

Die Nutzung der Energie des Windes gewinnt, da die Natur diese Energieform kostenlos und praktisch unbegrenzt zur Verfügung stellt und die bisherigen fossilen Brennstoffe in absehbarer Zeit zu Neige gehen, immer mehr an Bedeutung. Doch treten hierbei gewisse nachteilige Umstände auf, die einerseits im schwankenden Angebot dieser Energie liegen, sei es, daß Windflaute vorherrscht oder daß orkanartige Stürme aus technischen Gründen einen Betrieb der Anlage nicht zulassen, und die andererseits darin zu suchen sind, daß sich die zumeist erzeugte elektrische Energie in technischer und wirtschaftlicher Hinsicht nur mit großem Aufwand speichern läßt. Als sogenannte Windkonverter werden in der Hauptsache Rotoren verwendet, die nur in ihrem Auslegungsbereich, der relativ eng ist, mit gutem Wirkungsgrad arbeiten. Ein weiteres Problem besteht in der Tatsache, daß die Windleistung proportional zur 3. Potenz der Windgeschwindigkeit steigt, die Begrenzung der vom Rotor aufgenommenen Windleistung auf die installierte Leistung schwierig ist. Schließlich erhöhen hohe Windgeschwindigkeiten sowie Orkanböen diese Probleme in der Begrenzung der Leistung. Um trotz des in weiten Grenzen schwankenden Windenergieangebotes ein breites Leistungsband mit relativ guten Wirkungsgrad nutzen und die erforderliche Leistungsbegrenzung durchführen zu können, sind neben den um ihre Hauptachse in den Wind drehenden Rotorköpfen vielfach Rotoren mit verstellbaren Blättern in Anwendung: vgl. z. B. DE-OS 29 22 972. Die technische Ausführung solcher um ihre Längsachse schwenkenden Blätter und die Regelung ihres Verstellwinkels in Abhängigkeit von der jeweiligen Windgeschwindigkeit sind jedoch aufwendig und teuer. Dagegen weisen die technisch einfacheren und daher billigeren Rotoren mit unverstellbaren Blättern den Mangel auf, daß sie nur in einem engen Leistungsbereich mit gutem Wirkungsgrad arbeiten können, was jedoch bei den naturgemäß gegebenen schwankenden Windverhältnissen nicht oft der Fall ist.

Es ist auch bekannt, die Drehzahl eines Windrotors durch direkte Kupplung mit einem Synchrongenerator in gewissen Bereichen durch Netzrückkopplung konstant zu halten. Dies setzt jedoch ein starkes Stromverbundnetz voraus, das zum Beispiel bei Inselbetrieb nicht vorhanden ist. Bei diesen Anlagen erfolgt eine Leistungsbegrenzung infolge des aerodynamischen Stall-Effektes, was bei steigender Windgeschwindigkeit zum Abreißen der Strömung am Rotorblatt und damit zur Leistungsbegrenzung führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die bei den bekannten Verfahren und Anlagen auftretenden Nachteile zu vermeiden und ein neues Verfahren sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, insbesondere die dem Windkonverter nachgeschaltete energieverbrauchende Anlage so auszubilden und zu betreiben, daß trotz Verwendung eines technisch einfachen Rotors mit unverstellbaren Blättern dieser über den gesamten, von den schwankenden Windverhältnissen bestimmten Betriebsbereich derart regelbar ist, daß er praktisch stets mit gutem Wirkungsgrad arbeitet und in seiner Leistung begrenzt ist.

Diese Aufgabe ist bei einer Anlage der eingangs beschriebenen Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Drehzahl des Rotors durch Zu- oder Abschalten von Lastkreisen der Anlage zwecks Aufnahme von Teilleistungen oder der Gesamtleistung der in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit momentan abgegebenen Leistung geregelt wird.

Hierbei kann erfindungsgemäß durch Zu- oder Abschalten von Lastkreisen der Anzahl die Drehzahl des Rotors konstant gehalten werden oder aber durch Zu- und Abschalten von Lastkreisen der Anlage die Drehzahl des Rotors so geregelt werden, daß die Generatorleistung konstant gehalten wird.

Als technisch besonders vorteilhaft haben sich nach einem weiteren Merkmal der Erfindung als Lastkreise erfindungsgemäß energieverzehrende Einrichtungen einer Anlage mit Dampfverdichtung erwiesen, durch die im wesentlichen die Produktmenge erhöht wird.

Eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens umfaßt einen windgetriebenen Rotor mit unverstellbaren Blättern, der mit einem Synchrongenerator starr gekoppelt ist, und ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß dem Leistungsausgang des Synchrongenerators zur Regelung der Drehzahl des Rotors in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit schaltbare Lastwiderstände nachgeschaltet sind, die mindestens teilweise im Sumpf eines Verdampfers angeordnet sind, dem ein Verdichter zur Kompression des im Verdampfer erzeugten Dampfes zugeordnet ist, dessen Leistungsaufnahme durch Änderung des Dampfdruckes im Verdampfer durch Zu- oder Abschalten der Lastwiderstände geregelt ist.

Als besonders vorteilhaft hat sich die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer Meerwasserentsalzungsanlage herausgestellt.

Hierbei wird erfindungsgemäß so verfahren, daß bei steigenden Windgeschwindigkeiten nach Erreichen der Einschaltgeschwindigkeit, bei der die Rotoreinschaltdrehzahl gefahren wird, über einen Regler der elektrische Antrieb einer Vakuumpumpe einer Entgasungseinrichtung aufgeschaltet wird, daß bei weiter steigender Windgeschwindigkeit und damit steigender Rotorleistung bei Überschreiten des Leistungswertes P _min die Antriebe eines Kreiselverdichters im Verdichterkreislauf einer Verdampfer-Kondensatoreinheit, vorzugsweise über eine Sanftanlauf-Elektronik, einer Berieselungspumpe und der Rekuperatorpumpen vom Regler aufgeschaltet werden, daß bei weiter steigender Windgeschwindigkeit die jeweilige Rotorleistung selbstregelnd durch die Antriebe des Kreiselverdichters, der Vakuumpumpe, der Berieselungspumpe und der Rekuperatorpumpen durch Erhöhung der Rotordrehzahl und damit über den Synchrongenerator der Antriebsdrehzahl aufgenommen wird, und daß - nachdem der Rotor seine Soll-Drehzahl bzw. seine Soll-Leistung erreicht hat, bei weiter steigender Windgeschwindigkeit zur Regelung der Rotordrehzahl im Auslegungsbereich der Anlage eine elektrische Heizung im Verdampfersumpf - je nach momentan schwankender Windgeschwindigkeit mehr oder weniger - zugeschaltet wird, und daß bei abflauenden Windverhältnissen die vorgenannten, einzelnen energieverbrauchenden Einrichtungn in umgekehrter Reihenfolge wieder abgeschaltet werden.

Eine Meerwasserentsalzungsanlage zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

- eine Verdampfer-Kondensatoreinheit weist einen Verdampfersumpf, angefüllt mit einem Meerwasserkonzentrat, eine Berieselungseinrichtung und eine Pumpe zur Speisung der Berieselungseinrichtung aus dem Verdampfersumpf auf,
- ein mit Strom eines windkraftgetriebenen Synchrongenerators betriebener Kreiselverdichter ist zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator angeordnet,
- eine mit dem Strom des windkraftgetriebenen Synchrongenerators betriebene Elektroheizung ist in dem Verdampfersumpf angeordnet,
- mindestens zwei einerseits über eine Förderpumpe mit kaltem Meerwasser beschickten Rekuperatoren, nämlich einem Destillat- Rekuperator, der mit Destillat aus dem Kondensator über eine Pumpe (Rekuperatorpumpe) beschickt wird, und mit einem Konzentrat-Rekuperator, der mit Meerwasserkonzentrat aus dem Verdampfersumpf über eine Pumpe (Rekuperatorpumpe) beaufschlagt wird, und
- ferner einem Entgasungsbehälter mit beigeschalteter Wasserstrahl- Vakuumpumpe, der einerseits mit erwärmtem Meerwasser aus den beiden Rekuperatoren und andererseits mit heißem Frischdampf beaufschlagt wird, während die erzeugte und von schädlicher Leckluft sowie unerwünschten Inertgasanteilen aus dem Meerwasser gereinigte Meerwasser-Destillatmischung dem Verdampfer zugeführt wird.

Durch die Erfindung wird dem naturgemäß stark schwankenden Energieangebot des Windes eine in ihrer Leistungsaufnahme variable energieverbrauchende Anlage mit einem Rotor gegenübergestellt, dessen Drehzahl zur Erlangung eines guten Wirkungsgrades geregelt gehalten wird, wobei die Leistungsaufnahme der Anlage den Rotor so steuert, daß eine Anpassung an das Leistungsangebot des Windes gegeben ist. Optimal ist dieser Grundgedanke verwirklicht durch die Kombination des Windenergiekonverters mit der Dampfverdichtungsanlage, der ein Kreiselverdichter zugeordnet ist, zu einem selbstregelnden System, wobei sich die Leistungsaufnahme der Dampfverdichtungsanlage bzw. des Verdichters automatisch an die Leistungsabgabe des Windenergiekonverters angleicht. Diese Selbstregelung des Systems ermöglicht sich durch die gegebene Rückkoppelung im Verfahrensablauf. Erreicht wird dies im Bereich kleinerer Windgeschwindigkeiten noch vor Erreichen der konstanten Drehzahl bzw. konstanten Leistung des Rotors, indem als Hauptverbraucher der Kreiselverdichter der Verdampfer-Kondensatoreinheit in Betrieb genommen wird, der als Strömungsmaschine eine ähnliche Charakteristik wie der windbetriebene Rotor aufweist. So führt eine Steigerung des Windenergieangebots automatisch zu einer Erhöhung der Drehzahl des Verdichters. Damit erhöht sich der durch den Verdichter geförderte Massenstrom und der Verdichterenddruck. Diese Drucksteigerung hat eine höhere Kondensationstemperatur und über den Wärmetausch in der Verdampfer- Kondensatoreinheit eine höhere Verdampfungstemperatur zur Folge. Dadurch steigt die Dichte des vom Verdichter angesaugten Wasserdampfes, was wiederum zum Anwachsen der Leistungsaufnahme des Verdichters führt, bis schließlich die Leistungsabgabe des Windenergiekonverters wieder gleich der Leistungsaufnahme des Verdichters ist.

Dabei werden im wesentlichen zwei Parameter benutzt, welche die Verdichterleistung erheblich beeinflussen. Zum einen kann durch Erhöhung der Verdichterdrehzahl, wie bereits erläutert, die Verdichterleistung angehoben werden und zum anderen bewirkt eine höhere Verdampfungstemperatur einen höheren Ansaugdruck und damit eine größere Ansaugdichte des Wasserdampfes. Hierdurch wird, selbst bei konstanter Drehzahl, die Verdichterleistung beträchtlich erhöht. Eine Zunahme der Verdichterdrehzahl ist daher stets auch mit einem Anwachsen des Verdichteransaugdruckes und damit der Dampfdichte verbunden. Durch diese zusätzliche Belastung erhöht sich die Drehzahl langsamer als mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit, wie dies bei einem Verdichter mit konstanten Ansaugbedingungen der Fall wäre.

Im Arbeitsbereich mit Windgeschwindigkeiten, die eine über der Solldrehzahl des Rotors liegende Rotordrehzahl bewirken würde, wird eine zusätzliche Belastung des Verdichters durch eine Vergrößerung der Dampfdichte mit Hilfe weiterer Energiezufuhr bzw. der Temperaturerhöhung im Verdampfersystem erreicht. Hierbei wird ein Teil der Rotorleistung bzw. der jeweiligen Steigerung der Rotorleistung bei weiter steigenden Windgeschwindigkeiten dazu benützt, durch das energieverbrauchende Hinzuschalten der Elektroheizung im Verdampfersumpf die Verdampfertemperatur zu steigern. Dadurch erhöht sich die Verdichterleistung durch Vergrößerung des Massestromes trotz gleichbleibender Drehzahl erheblich. Entscheidend für die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dies, daß die Elektroheizung im Verdampfersumpf in erster Linie nicht dazu dient, die mit steigender Windgeschwindigkeit stark steigende Rotorleistung zwecks Regelung der Drehzahl des Rotors energiemäßig lediglich als Verlustleistung abzuführen, sondern daß die Elektroheizung vor allem aus dem Grund in Betrieb genommen wird, um eine entsprechend höhere Belastung des Verdichters zu initiieren. Hierdurch wird die Produktmenge erheblich gesteigert, und somit steht diese Leistung als Nutzleistung zur Verfügung. Im Rahmen der Erfindung ist der Betrieb einer Meerwasserentsalzungsanlage besonders vorteilhft zur Herstellung des Gleichgewichtes zwischen dem stark schwankenden Energieangebot des Windes und dem Leistungsverbrauch einer solchen Anlage.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines als Meerwasserentsalzungsanlage ausgebildeten Ausführungsbeispiels beschrieben und in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine Meerwasserentsalzungsanlage in Schema, die ihre elektrische Energie von einem Synchrongenerator erhält, der von einem durch Windkraft in erfindungsgemäßer Weise betriebenen Rotor angetrieben wird,

Fig. 2 ein Regelschema für die Anlage nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Funktionsdiagramm der Regeleinrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 ein Funktionsdiagramm der Regeleinrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 ein Funktionsdiagramm des Teilregelkreises aus den Fig. 3 und 4, und

Fig. 6 ein Wind-Rotordrehzahldiagramm mit Leistungskurve.

Die in Fig. 1 gezeigte Meerwasserentsalzungsanlage umfaßt im wesentlichen folgende Einrichtungen, nämlich eine Verdampfer- Kondensatoreinheit 1 mit einer Berieselungseinrichtung 2 und einem Verdichterkreislauf 3 mit einem Kreiselverdichter 4 zwischen dem Verdampfer 1 a und dem Kondensator 1 b; ferner ist ein Verdampfersumpf 5, angefüllt mit einer Meerwasserkonzentratmischung vorgesehen, in dem eine elektrische Heizung 6 eingebaut ist, wobei in einer zwischen dem Verdampfersumpf 5 und der Berieselungseinrichtung 2 verlaufenden Leitung 7 eine Kreiselpumpe als Berieselungspumpe P 4 vorgesehen ist. Ferner sind mindestens zwei über eine Meerwasserförderpumpe P 1 einerseits mit kaltem Meerwasser beschickte Rekuperatoren 8 und 9 vorgesehen, nämlich ein Destillat-Rekuperator 8, der andererseits mit Destillat aus dem Kondensator 1 b über eine Kreiselpumpe, als Destillat-Rekuperatorpumpe P 2 bezeichnet, versorgt wird, und ein Konzentrat-Rekuperator 9, der andererseits mit einer Meerwasser- Konzentratmischung aus dem Verdampfersumpf 5 über eine Kreiselpumpe als Konzentrat-Rekuperatorpumpe P 3 bezeichnet, beaufschlagt wird.

Einem Entgasungsbehälter 10 ist eine durch eine Pumpe P 5 mit Meerwasser beaufschlagte Wasserstrahl-Vakuumpumpe 11 beigeschaltet. Der Entgasungsbehälter wird einerseits mit erwärmtem Meerwasser wM aus den beiden vorgenannten Rekuperatoren 8 und 9 und andererseits über eine Leitung L 5 mit heißem Frischdampf D aus dem Kondensator 1 b versorgt, um das vorgewärmte Meerwasser zu erhitzen. Die erzeugte und von schädlicher Leckluft L sowie unerwünschten Inertgasanteilen J aus dem erwärmten Meerwasser wM gereinigte Meerwasser-Destillatmischung wird über eine Leitung L 6 an den Verdampfer 1 a weitergeleitet.

Die Dampfverdichtungsanlage arbeitet im Prinzip wie folgt:

Durch die beiden Rekuperatoren 8 und 9, die als Gegenstrom- Plattenwärmetauscher ausgeführt sind, wird das zugeführte kalte Meerwasser kM vorgewärmt, wobei sich das in der Verdampfer- Kondensatoreinheit 1 erzeugte Destillat und das anfallende Konzentrat aus dem Verdampfersumpf 5 abkühlen. Auf diese Weise kann ein Großteil des gesamten Wärmeinhalts der aus der Einheit 1 abfließenden Medien zurückgewonnen werden.

Wie bereits erwähnt, wird das vorgewärmte Meerwasser wM im Entgasungsbehälter 10 durch Frischdampf D erhitzt und in den Verdampfersumpf 5 weitergeleitet. Die Anlage arbeitet mit Temperaturen unter 100°C und im Unterdruckbereich. Die als Strahlpumpe ausgeführte Vakuumpumpe 11 wird durch die Wasserpumpe P 5 mit Meerwasser betrieben und arbeitet als Ejektor. Das Meerwasser- Konzentrat im Verdampfersumpf 5 wird über die Berieselungseinrichtung 2 auf die Rohre des Verdampfers 1 b verteilt. Um die gewünschte Salzkonzentration zu erhalten, wird ein Teil des Konzentrats im Verdampfersumpf 5 über den Konzentrat-Rekuperator 9 ins Meer zurückgepumpt. Der im Verdampfer 1 a entstehende Dampf wird nach Tröpfchenabscheidung in einem Separator 1 c von einem Verdichter 4 angesaugt und durch Verdichtung auf ein höheres Temperaturniveau gebracht. Der verdichtete Dampf kondensiert in der als Rohrbündel-Wärmetauscher aufgebauten Kondensator-Verdampfereinheit. Das erzeugte Destillat wird durch die Pumpe P 2 des Destillat-Rekuperators 8 abgesaugt und steht nach der üblichen Nachbehandlung als Trinkwasser zur Verfügung.

Die bei der Verflüssigung des verdichteten Dampfes im Kondensator 1 b freigesetzte Kondensationswärme wird über die Wärmetauscherflächen in der Verdampfer-Kondensatoreinheit 1 dem Konzentratrieselfilm zugeführt, wodurch neuer Dampf entsteht, der dann den vorbeschriebenen Kreisprozeß durchläuft.

Die Energieversorgung der beschriebenen Anlage erfolgt, wie Fig. 2 zeigt, von einem windkraftbetriebenen Rotor 12. Zur Erzeugung von elektrischer Energie ist ein mit dem Rotor starr gekoppelter Synchrongenerator 13 vorgesehen. Der Synchrongenerator 13 versorgt sämtliche elektrischen Verbraucher mit Energie.

Ein Regler 15 schaltet entsprechend seiner Funktion, die später noch näher erläutert wird, einen Schaltkontakt 26 zum Ein-Ausschalten eines Antriebsmotores 19 für die bereits erwähnte Pumpe P 5, einen Schaltkontakt 25 zum Ein- und Ausschalten eines Antriebsmotors 18 für den bereits genannten Verdichter 4, einen Schaltkontakt 24 zum Ein- und Ausschalten eines Antriebsmotors 17 für die genannte Berieselungspumpe P 4, einen Schaltkontakt 23 zum Ein- und Ausschalten eines Antriebsmotors 16 für die Meerwasserförderpumpe P 1 gemäß Fig. 1 sowie die beiden Pumpen P 2 und P 3 für die Rekuperatoren 8 und 9 und Schaltkontakte 27 a, 27 b, 27 c für die Elektroheizung 6 im Verdampfersumpf 5 und die Schaltkontakte 28 a, 28 b, 28 c für eine luftgekühlte Heizung 22.

Die Elektroheizung 6 im Verdampfersumpf 5 und die luftgekühlte Elektroheizung 22 ist aus vorzugsweise binär kodierten Einzelwiderständen aufgebaut, von denen im Ausführungsbeispiel lediglich beispielhaft jeweils drei Einzelwiderstände 6 a, 6 b, 6 c bzw. 22 a, 22 b, 22 c dargestellt sind. Der kleinste Widerstand 6 a bzw. 22 a hat einen Widerstandswert von w-Ohm. w wird vorzugsweise so gewählt, daß die am Widerstand 6 a bzw. 22 a verbrauchte Leistung bei Nennspannung des Synchrongenerators 1 Prozent der Nennleistung des Generators 13 beträgt. Der Widerstandswert der Widerstände 6 b bzw. 22 b beträgt 2 w Ohm, der Widerstandswert der Widerstände 6 c bzw. 22 c beträgt 4 w Ohm usf. Durch diesen Aufbau kann der Widerstandswert der Elektroheizung 6 bzw. 22 durch den Regler 15, in technisch bekannter Weise, als beliebiges ganzzahliges Vielfaches von w Ohm, im aufgeführten Beispiel mit maximal 7 w Ohm gewählt werden.

Der Regler 15 wird vorzugsweise aus mikroelektronischen Bauteilen aufgebaut und ist über einen Aku mit Strom versorgt.

In den Regler 15 werden über die Temperaturmeßstelle 14 im Verdampfersumpf 5 die Temperatur T 1 des Meerwasserkonzentrats im Verdampfersumpf 5, über die Drehzahlmeßstelle 20 an der Achse 28 des Synchrongenerators 13 die Drehzahlen des Synchrongenerators 13, über die Meßstelle zur Erfassung der elektrischen Leistung 21 am Synchrongenerator 13 die elektrische Leistung P des Synchrongenerators 13 und über die Meßstelle 29 zur Erfassung der Windgeschwindigkeit c die Windgeschwindigkeit eingespeist. Die Meßwerterfassung und die Auswertung gemäß den Fig. 3 bis 5 erfolgen ständig wiederholend in einem vorgegebenen Zeitintervall, vorzugsweise im msec-Bereich.

Im Diagramm nach Fig. 6 ist auf der Abszisse die Windgeschwindigkeit c und auf der Ordinate sind die Drehzahl n und die Leistung P des Rotors 12 aufgetragen, deren Verlauf durch eine Kurve PL charakterisiert ist.

Bei Windgeschwindigkeiten kleiner c _r ist die vom Rotor 12 über den Generator 13 erzeugte Leistung P kleiner als eine angegebene, der Generatorleistung bei Windgeschwindigkeit c _r und Rotordrehzahl n _min entsprechenden Leistung P _r. Da die Bedingung 31 in Fig. 3 bzw. Fig. 4 erfüllt ist, wird der in Fig. 5 dargestellte Teilbetrieb "Heizung 38" angesteuert.

Ist die Drehzahl des Generators 13 größer als n _min plus ein vorgegebener Wert Δ _sn, so ist Bedingung 44 erfüllt, und es erfolgt nach Bedingung 46 ein Vergleich der an der Temperaturmeßstelle 14 im Verdampfungssumpf 5 gemessenen Temperatur mit einer festgelegten Soll-Temperatur T _s.

Ist die Bedingung 46 erfüllt, wird vom Regler 15 entsprechend der Bedingung 47 über die Schaltkontakte 28 a, 28 b und 28 c durch geeignetes Zuschalten der luftgekühlten Heizung 22 eine Erhöhung dieses Heizwiderstandes um w Ohm geschaltet.

Ist die Bedingung 46 nicht erfüllt, wird vom Regler 15 entsprechend der Bedingung 39 über die Schaltkontakte 27 a, 27 b und 27 c durch geeignetes Zuschalten der Heizung im Verdampfersumpf 6 eine Erhöhung des Heizwiderstandes im Verdampfersumpf 5 um w Ohm geschaltet.

Ist die Drehzahl des Generators 13 kleiner als n _min minus einem vorgegebenen Wert Δ _n, so ist die Bedingung 45 erfüllt und es erfolgt erneut - wie bereits zuvor beschrieben - eine Temperaturabfrage gemäß der Bedingung 46, welche bei Nichterfüllung über den Regler 15 zu einer Abfrage des momentanen Schaltzustandes der luftgekühlten Heizung 22 nach Bedingung 48 und im Falle einer nicht völlig abgeschalteten luftgekühlten Heizung 22 nach Bedingung 49 zu einer angepaßten Verminderung derselben um w Ohm führt. Ist Bedingung 48 erfüllt, so erfolgt eine Abfrage der Bedingung 40 und bei nicht völlig abgeschalteter Heizung 6 im Verdampfersumpf eine Erniedrigung derselben um w Ohm.

Liegt die Temperatur im Verdampfersumpf 5 oberhalb einer bestimmten Soll-Temperatur T _s und ist der Heizwiderstand 6 im Verdampfungssumpf 5 entsprechend Bedingung 40 nicht 0, so wird dieser nach Bedingung 41 um w Ohm erniedrigt. Ist Bedingung 40 erfüllt, so erfolgt eine Abfrage der Bedingung 48 und bei nicht völlig abgeschalteter luftgekühlter Heizung 22 eine Erniedrigung derselben um w Ohm.

Bei Windgeschwindigkeiten größer als c _r ist die vom Rotor 12 über den Generator 13 erzeugte Leistung P größer als eine vorgegebene, der Generatorleistung bei der Windgeschwindigkeit c _r und Rotordrehzahl n _min entsprechenden Leistung P _r. Hierdurch ist Bedingung 31 in Fig. 3 bzw. Fig. 4 nicht erfüllt, d. h. die vom Rotor 12 über den Generator 13 erzeugte Leistung P reicht aus gemäß Bedingung 32 in Fig. 3 bzw. Fig. 4 über die Pumpe P 5 die Vakuumstrahlpumpe 11 zu betreiben.

Ist die Windgeschwindigkeit noch kleiner als c _min und damit die vom Rotor 12 über den Generator 13 erzeugte Leistung P gemäß Bedingung 33 in Fig. 3 bzw. Fig. 4 kleiner als P _min, so wird der in Fig. 5 dargestellte zuvor beschriebene Teilbetrieb "Heizung 38" angesteuert.

Erreicht die Windgeschwindigkeit den Wert c _min und somit die Leistung den Wert P _min, werden gemäß Bedingung 34 in Fig. 3 bzw. Fig. 4 durch den Regler 15, über den Schaltkontakt 25 über den Asynchronmotor 18 der Verdichter 4, daran anschließend über Schaltkontakt 24 und den Asynchronmotor 17 die Berieselungspumpe P 4 und schließlich über den Schaltkontakt 23 die Asynchronmotore 16 a, 16 b und 16 c zum Antrieb der Pumpen P 1, P 2 und P 3 zugeschaltet.

Die Anlage wird jetzt bei der Drehzahl n _min mit der Leistung P _min getrieben.

Bei weitersteigender Windgeschwindigkeit c erhöht sich entsprechend die Rotordrehzahl n, die vom Rotor 12 über den Generator 13 erzeugte Leistung P, bis bei der Windgeschwindigkeit c _L die Leistung P _L erreicht wird.

Ab der Windgeschwindigkeit c _L erfolgt gemäß der Bedingung 35 in Fig. 3 bzw. der Bedingung 42 in Fig. 4 eine Unterscheidung im Verfahrensablauf.

Der gemäß Fig. 3 dargestellte Verfahrensablauf beinhaltet im Systemkonzept die Regelung nach einer konstanten Solldrehzahl n _max. Hierbei wird gemäß der Bedingung 35 beim Überschreiten von n _max um einen bestimmten Wert Δ n gemäß Bedingung 39 stufenweise die Heizung 6 im Verdampfersumpf 5 durch Erhöhung des Heizwiderstandes im Verdampfersumpf um w Ohm eingesetzt.

Hierdurch steigt die Temperatur T 1 im Verdampfer 1 a und somit die Dampfdichte, wodurch zuerst der Verdichter 4 und über den Generator 13 der Rotor 12 stärker belastet wird, wodurch sich die Drehzahl des Rotors erniedrigt.

Fällt durch eine zu starke Belastung oder durch sinkende Windgeschwindigkeit die Drehzahl des Rotors 12 entsprechend der Bedingung 36 in Fig. 3 um einen bestimmten Wert Δ n unter die Solldrehzahl n _max, so wird durch den Regler 15 eine Abfrage nach Bedingung 40 über den Schaltzustand der "Heizung" im Verdampfungssumpf 6 im Falle eines zugeschalteten Heizwiderstandes dieser entsprechend Bedingung 41 um w Ohm erniedrigt.

Bei dem gemäß Fig. 4 dargestellten Verfahrensablauf erfolgt der Eingriff des Reglers 15 erst beim Erreichen der Auslegungsleistung P _max der Anlage. Zur Begrenzung der Leistung P wird beim Zutreffen von Bedingung 42 bei Überschreiten der maximal zulässigen Leistung P _max um einen Wert Δ P entsprechend Bedingung 39 der Heizwiderstand im Verdampfungssumpf 5 um w Ohm erhöht, wodurch - wie bereits zuvor dargestellt - die Dampfdichte und damit die Belastung des Verdichters 4 sowie des Rotors 12 steigen, wodurch die Drehzahl n des Rotors und damit auch die Leistung P des Rotors absinken.

Unterschreitet die abgegebene Rotorleistung P wegen zu starker Belastung oder sinkender Windgeschwindigkeit entsprechend Bedingung 43 den Maximalwert P _max um einen Betrag Δ P, so wird nach Abfrage des Reglers 15 nach Bedingung 40 der Schaltzustand der Heizung im Verdampfungssumpf 6 überprüft und im Falle eines zugeschalteten Heizwiderstandes dieser entsprechend Bedingung 41 um w Ohm erniedrigt.

Gemeinsam gelten für die in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellten Verfahrensabläufe für Windgeschwindigkeiten c = c _sturm gemäß Bedingung 30 in Fig. 3 bzw. Fig. 4, daß entsprechend Bedingung 37 vom Regler 15 veranlaßt, eine Sturmabschaltung der Anlage auf technische bekannte Weise, wie z. B. durch eine Rotorbremse erfolgt.

Zur Durchführung der vorstehend beschriebenen Regelungsvorgänge ist der eingangs erwähnte, aus mikroelektronischen Bauteilen aufgebaute Regler als Mikroprozessor ausgebildet, der entsprechend dem durch die vorliegenden Meßwerte der Temperaturmeßstelle 14, der Drehzahlmeßstelle 20, der elektrischen Leistungsmeßstelle 21 und der Windgeschwindigkeits-Meßstelle 29 verkörperten Betriebszustand der Anlage sowohl als Abtastregler die einzelnen Verbraucher schaltet als auch als Zweipunktregler, teilweise mit überlagerter Abtastregelung, die Rotordrehzahl regelt sowie bei Sturm die Anlage stillsetzt.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer Anlage zur Nutzung von Windenergie für Dampf- oder Gasverdichtung, mit einem Rotor, der mit einem Synchrongenerator gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Rotors durch Zu- und Abschalten von Lastkreisen der Anlage zwecks Aufnahme von Teilleistungen oder der Gesamtleistung der in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit momentan abgegebenen Leistung geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Zu- oder Abschalten von Lastkreisen der Anlage die Drehzahl des Rotors konstant gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Zu- und Abschalten von Lastkreisen der Anlage die Drehzahl des Rotors so geregelt wird, daß die Generatorleistung konstant gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Lastkreise energieverzehrende Einrichtungen der Anlage mit Dampfverdichtung dienen, durch die im wesentlichen die Produktmenge erhöht wird.

5. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, mit einem windgetriebenen Rotor mit unverstellbaren Blättern, der mit einem Synchrongenerator starr gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem Leistungsausgang des Synchrongenerators zur Regelung der Drehzahl des Rotors in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit schaltbare Lastwiderstände nachgeschaltet sind, die mindestens teilweise im Sumpf eines Verdampfers angeordnet sind, dem ein Verdichter zur Kompression des im Verdampfer erzeugten Dampfes zugeordnet ist, dessen Leistungsaufnahme durch Änderung des Dampfdruckes im Verdampfer durch Zu- oder Abschalten der Lastwiderstände geregelt ist.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch dessen Anwendung bei einer Meerwasserentsalzungsanlage.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei steigenden Windgeschwindigkeiten (c) nach Erreichen der Einschaltgeschwindigkeit (c _r), bei der die Rotoreinschaltdrehzahl (n _min) gefahren wird, über einen Regler der elektrische Antrieb einer Vakuumpumpe (P ₅) einer Entgasungseinrichtung aufgeschaltet wird, daß bei weiter steigender Windgeschwindigkeit (c) und damit steigender Rotorleistung (P) bei Überschreiten des Leistungswertes (P _min) die Antriebe eines Kreiselverdichters (4) im Verdichterkreislauf einer Verdampfer-Kondensatoreinheit vorzugsweise über eine Sanftanlauf-Elektronik, einer Berieselungspumpe (P ₄) und der Rekuperatorpumpen (P ₁, P ₂, P ₃) vom Regler aufgeschaltet werden, daß bei weiter steigender Windgeschwindigkeit die jeweilige Rotorleistung selbstregelnd durch die Antriebe des Kreiselverdichters, der Vakuumpumpe, der Berieselungspumpe und der Rekuperatorpumpen durch Erhöhung der Rotordrehzahl und damit über den Synchrongenerator der Antriebsdrehzahl aufgenommen wird, und daß - nachdem der Rotor seine Soll-Drehzahl (n _max) bzw. seine Soll-Leistung erreicht hat, bei weiter steigender Windgeschwindigkeit zur Regelung der Rotordrehzahl im Auslegungsbereich der Anlage eine elektrische Heizung (6) im Verdampfersumpf - je nach momentan schwankender Windgeschwindigkeit mehr oder weniger - zugeschaltet wird, und daß bei abflauenden Windverhältnissen die vorgenannten, einzelnen energieverbrauchenden Einrichtungen in umgekehrter Reihenfolge wieder abgeschaltet werden.

8. Meerwasserentsalzungsanlage zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet durch folende Merkmale:

- eine Verdampfer-Kondensatoreinheit weist einen Verdampfersumpf, angefüllt mit einem Meerwasserkonzentrat, eine Berieselungseinrichtung und eine Pumpe (P 4) zur Speisung der Berieselungseinrichtung aus dem Verdampfersumpf auf,
- ein mit Strom eines windkraftgetriebenen Synchrongenerators (13) betriebener Kreiselverdichter ist zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator angeordnet,
- eine mit dem Strom des windkraftgetriebenen Synchrongenerators betriebene Elektroheizung ist in dem Verdampfersumpf angeordnet,
- mindestens zwei einerseits über eine Förderpumpe (P 1) mit kaltem Meerwasser beschickten Rekuperatoren, nämlich einem Destillat-Rekuperator, der mit Destillat aus dem Kondensator über eine Pumpe (Rekuperatorpumpe P 2) beschickt wird, und mit einem Konzentrat-Rekuperator, der mit Meerwasserkonzentrat aus dem Verdampfersumpf über eine Pumpe (Rekuperatorpumpe P 3) beaufschlagt wird, und
- ferner einem Entgasungsbehälter mit beigeschalteter Wasserstrahl-Vakuumpumpe (P 5), der einerseits mit erwärmtem Meerwasser aus den beiden Rekuperatoren und andererseits mit heißem Frischdampf beaufschlagt wird, während die erzeugte und von schädlicher Leckluft sowie unerwünschten Inertgasanteilen aus dem Meerwasser gereinigte Meerwasser- Destillatmischung dem Verdampfer zugeführt wird.

9. Meerwasserentsalzungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpen (P ₁, P ₂, P ₃, P ₄) Kreiselpumpen sind.

10. Meerwasserentsalzungsanlage nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anfangsregelung der mit einer Temperaturmeßstelle (14) im Verdampfersumpf (5), mit einer Drehzahlmeßstelle (20) des Synchrongenerators (13) und mit einer Meßstelle (29) zur Erfassung der Windgeschwindigkeit (c) verbundene Regler (15) als Abtastregler geschaltet ist, der bei Windgeschwindigkeiten (c) kleiner als einer vorgegebenen Leistung (P _r) einen Teilbetrieb Heizung (38) ansteuert, der beim Erreichen der Leistung (P _r) die Vakuumpumpe (P 5) zuschaltet, bei weiter steigender Windgeschwindigkeit (c) bis zu einer vorgegebenen Leistung (P _min) den Teilbetrieb Heizung (38) aufrechterhält und bei Erreichen der Leistung (P _min) auf Hauptregelung umschaltet und die Verbraucher (P ₁ bis P ₄; 4; 16 bis 18) nacheinander zuschaltet und zwecks Regelung der Rotordrehzahl auf Zweipunkt-Regelung umschaltet.

11. Meerwasserentsalzungsanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (15) während des Teilbetriebes Heizung (38) als Zweipunkt-Regler mit überlagertem Abtastregler geschaltet ist, derart, daß über die über die Temperaturmeßstelle (14) erfaßte Temperatur im Verdampfersumpf diese durch Schalten der elektrischen Heizung (6) im Verdampfersumpf oder der luftgekühlten Heizung (22) annähernd auf Soll-Temperatur (T _s) gehalten ist.

12. Meerwasserentsalzungsanlage nach den Ansprüchen 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (15) als Mikroprozessor ausgebildet ist.