DE3628626A1 - Propellerwindmuehle mit erweitertem einsatzbereich - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Horizontalachs-Pro­ pellerwindmühle, bei der entweder eine Generator-Getriebe­ einheit wie üblich in der Gondel untergebracht ist, oder bei der die Drehbewegung des Rotors (1) über ein Winkel­ getriebe (2) und über eine Welle (3), die im Mastrohr (4) läuft zum Mastfuß übertragen wird.

Durch diese Anordnung ist es möglich, neben Gleich- und Wechselstromgeneratoren (5) auch Flüssigkeitsbremsen, Pumpen, Wärmepumpenverdichter etc. anzutreiben.

Die Hauptschwierigkeit einer solchen variablen Anordnung besteht darin, daß die jeweils angetriebene Arbeitsmaschine nur eine bestimmte Maximalleistung bzw. Höchstdrehzahl vertragen kann, denn die Überschreitung dieser maschinen­ bedingten Kenngrößen führt in aller Regel zur Zerstörung oder doch zumindest zur Verminderung der Lebensdauer. Da die im Wind enthaltene Leistung bei Sturmböen ein mehr­ faches der gewünschten Nennleistung betragen kann, muß eine geeignete Steuervorrichtung dafür sorgen, daß die auf die jeweils verwendete Arbeitsmaschine abgestimmte Nennlei­ stung/Drehzahl auf keinen Fall überschritten wird.

Die Steuervorrichtung soll außerdem bei Ausfall der Ar­ beitsmaschine oder irgendwelcher Getriebekomponenten ein unkontrolliertes Hochtouren des in diesem Fall ungebrems­ ten Rotors verhindern.

Schließlich soll die Vorrichtung so schnell reagieren, daß bei Auftreten von heftigen Böen oder starken Turbulenzen die Belastung der gesamten Struktur in engen Grenzen ge­ halten wird.

Auch ist die Forderung nach einfacher Herstellung zu er­ wähnen - eine notwendige Bedingung für eventuellen Selbst­ bau.

Bei den bisher gebräuchlichen Selbstbau- und industriell gefertigten Kleinanlagen bestand die Überlastsicherung (Sturmsicherung) aus einer sogenannten Seitenfahnensteu­ erung, bei der der gesamte Rotor aus dem Wind gedreht wird durch den Winddruck auf eine seitlich und starr am Turm befestigte Windfahne. Diese Lösung ist zwar sehr einfach zu bauen, hat aber den Nachteil, daß sie gerade bei größeren und schnellaufenden Rotoren wegen der erheblichen Kreisel­ wirkung viel zu träge reagiert und von daher nur bis zu bestimmten Baugrößen und Schnellaufzahlen überhaupt ein­ setzbar ist.

Anlagen mit Seitenfahnensteuerung müssen darüber hinaus sehr stabil und damit materialintensiv gebaut sein und sind selbst dann nur bis zu einem gewissen Grad gegen Böen und Turbulenzen geschützt.

Eine direkte Drehzahlbegrenzung ist nicht gegeben. Die wesentlich elegantere Lösung der Rotorblattverstellung blieb wegen des hohen mechanischen und reglungstechnischen Aufwands bisher nur industriell gefertigten Anlagen ober­ halb einer bestimmten Leistungsklasse vorbehalten.

Erfindungsgemäß wird bei der hier beschriebenen Anlage das Problem der Überlastsicherung durch Blattverstellung gelöst, wobei im einfachsten Fall das Verstellgelenk durch zwei ineinandergesteckte, passgenaue Rohre gebildet wird (Fig. 3). Das äußere Rohr ist dabei starr mit der Rotor­ nabe verbunden und seine Längsachse bildet einen spitzen Winkel mit der Rotorebene (12, 13, 14). Das innere, starr am Flügel befestigte Rohr (16) bildet mit der Flügellängsachse (23) einen Winkel gleicher Größe, so daß in Fahnen-(Sturm-) Stellung die Flügelachsen etwa in der Rotorebene liegen (Fig. 2). In Betriebsstellung sind die Flügel bzw. deren Achsen leicht nach vorn geneigt (Fig. 1 u. 3).

Bei dieser Anordnung bilden sowohl die Luftkanäle als auch die Fliehkräfte ein Verstellmoment, welches versucht, die Flügel in Fahnenstellung zu bringen.

In ihrer normalen Betriebsstellung (Fig. 3) gehalten werden die Flügel durch eine Zugstange (7), die an einem Ende am Flügel kardanisch (22) befestigt ist, und deren anderes Ende justierbar an einem Reiter (8) angebracht ist, der auf der nach vorn verlängerten Rotorwelle (24) ver­ schiebbar angeordnet ist.

Der Reiter wird durch ein Gelenksystem (9) in normaler Betriebsstellung gehalten. Durch Zugfedern (17), die in zwei Richtungen (18) verschiebbar angeordnet sind, wird das mittlere Gelenk (19) des Systems gegen den Anschlag (20) gedrückt. Durch Variation der Anzahl an Zugfedern, durch Änderung des Hebelarms und der Vorspannung läßt sich die Auslösekraft, bei der der Mechanismus einfedert, sowie ein gewünschter Kraft-Weg-Verlauf einstellen.

Die auf die Flügel ausgeübten Luft- und Fliehkräfte werden also über Zugstange und Reiter auf das Gelenksystem übertragen und bringen dies zum Einfedern, sobald die Auslösekraft überschritten wird. Dabei verdrehen sich die Flügel in Richtung Fahnenstellung.

Die Größe der Auslösekraft kann aus der gewünschten Nennleistung und -drehzahl berechnet oder aber experimen­ tell bestimmt werden. Dank der Variationsmöglichkeit des Gelenksystems läßt sich dessen Kraft-Weg-Verlauf so gut an einen berechneten Verlauf anpassen, daß die Windmühle bei allen Windgeschwindigkeiten zwischen Nenngeschwindig­ keit und Orkanstärke mit etwa konstanter Leistung und Drehzahl betrieben werden kann.

Die Strukturbelastungen nehmen dabei mit wachsender Wind­ geschwindigkeit ab.

Wegen der geringen Masse der beteiligten Bauelemente kann der Mechanismus extrem schnell reagieren.

Die Tatsache, daß die Flügel beim Öffnen einen Weg in Richtung des Windes zurücklegen, führt dazu, daß selbst extrem kurze und harte Böen mit überdurchschnittlichen Windanstiegsgeschwindigkeiten weich abgefangen werden. Eine weitere Verbesserung der Laufruhe und Entlastung der Struktur wird durch Federelemente (21) erreicht, die zwischen Zugstangenbefestigung und Reiter angebracht sind. Sie erlauben den Flügeln kleine, individuelle Ausweich­ bewegungen, wodurch selbst Turbulenzen innerhalb des Rotorfeldes abgefedert werden.

Der Neigungswinkel (14) ist so auf die übrigen Aus­ legungsdaten des Rotors (Masse, Schwerpunktlage, Nenn­ drehzahl) abgestimmt, daß sich im Nennbetrieb die auf das Gelenksystem wirkende Gesamtkraft zu etwa gleichen Teilen aus Fliehkraft und Luftkraft zusammensetzt. Diese Abstimmung hat den Vorteil, daß der Rotor im unbelasteten Zustand (also etwa bei Ausfall der Arbeitsmaschine) nur auf ca. 140% (√2) der Nenndrehzahl hochtouren kann. In diesem Fall wird nämlich die fehlende Luftkraft durch die verdoppelte Fliehkraft ersetzt, so daß die Flügel auch hier in Fahnenstellung gehen.

Da die Zugstangen sinnvollerweise im Bereich der Luft­ kraftresultierenden an den Flügeln befestigt sind, und da die Auslösekraft genau definiert ist, ist die Biege­ momentbelastung der Flügel sehr niedrig und in ihrem Maximalwert ebenfalls definiert. Dadurch ist eine extrem leichte und kostengünstige Bauweise möglich.

Der mit wenig Masse behaftete Rotor stellt sich sehr schnell auf schwankende Windgeschwindigkeiten ein, wo­ durch eine optimale Anströmung des Flügelprofils und somit ein guter dynamischer Wirkungsgrad erreicht wird. Die exakt arbeitende Leistungsbegrenzung ermöglicht eine bis an die Leistungsgrenze gehende und damit optimale Ausnutzung der Arbeitsmaschine (des Generators), womit der Gesamtwirkungsgrad der Analge ebenfalls positiv be­ einflußt wird.

Da der Rotorschub (bisher als Luftkraft bezeichnet), der im wesentlichen die Biegemomentbelastung des Mastes her­ vorruft, ebenfalls durch diese Art von Steuerung be­ grenzt ist, kann eine sehr materialsparende, einfache und leichte Mastkonstruktion (z. B. ein ausreichend di­ mensioniertes Stahlrohr, das nach vier Seiten abgespannt ist) verwendet werden.

Die niedrige Eigenfrequenz einer solchen Mastkonstruktion ermöglicht es, den Rotor überkritisch zu betreiben, was sich positiv auf Laufruhe und Schwingungsverhalten auswirkt.

Bei größeren Anlagen sind alle Gelenke wälzgelagert, um eine ausreichende Dauerfestigkeit zu gewährleisten.

Mit dem hier beschriebenen Rotorkonzept kann der Einsatz­ bereich von Windenergiekonvertern in mehrfacher Hinsicht erweitert werden, denn

• - durch extreme Leichtbauweise können die Herstellkosten pro qm Rotorkreisfläche gesenkt werden. Windenergie­ konverter mit niedriger spezifischer Leistung können daher auch in windschwächeren Regionen noch wirtschaft­ lich arbeiten,
• - aufgrund der präzise arbeitenden Leistungsbegrenzung können Windrad und Generator optimal auf die am Auf­ stellungsort vorhandenen Windverhältnisse abgestimmt werden, ohne daß bei Stürmen eine Überlastung des Generators zu befürchten ist,
• - die Leistungs- und Drehzahlbegrenzung ermöglicht darüber hinaus den direkten Antrieb von sehr empfindlichen Maschinen, z. B. Wärmepumpenverdichter. Dadurch wird der Bau von kleinen dezentralen, umweltfreundlichen Heizsystemen möglich,
• - die Drehzahlbegrenzung gibt dem Konverter ein hohes Maß an inhärenter Sicherheit, so daß vor allem bei kleineren Anlagen auf zusätzliche Überwachungssysteme verzichtet werden kann. (Kostensenkung!)

Claims (8)

1. Horizontalachs-Lufläuver mit schnellreagierender Blatt­ verstellung, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel in der Propellernabe drehbar gelagert sind, wobei die Verstellachse (12) in der Draufsicht (Fig. 4) mit der Flügellängsachse (23), in der Seiten­ ansicht (Fig. 3) mit der Rotorebene (13) einen spitzen Winkel (14, Neigungswinkel) bildet.

2. Horizontalachs-Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Neigungswinkels (14) so mit der Flügelmasse, der Massenverteilung und der Rotordrehzahl abgestimmt ist, daß im Nennbetrieb eine Verstellkraft aufgebaut wird, die sich zu etwa gleichen Teilen aus Luft- und Fliehkräften zusammensetzt. Die Verstellkraft ist so gerichtet, daß sie die Flügel in Fahnenstellung (Sturm­ stellung) bringen soll.

3. Horizontal-Winkelkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel durch eine kardanisch befestigte Zugstange (7) in ihrer normalen Betriebsstellung gehalten werden (Fig. 3).

4. Horizontalachs-Windkraftanlage nach Anspruch 1 u. 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Befestigungspunkt der Zugstangen an den Flügeln etwa auf dem Radius der resultierenden Luftkraft liegt, wodurch sich eine starke Biegemomententlastung der Flügel bei gleichzeitig minimalen aerodynamischen Verlusten ergibt.

5. Horizontalachs-Windkraftanlage nach Anspruch 1u. 3, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Ende der Zugstange elastisch an einem Reiter (8) befestigt ist, der auf der nach vorn ver­ längerten Rotorachse (24) verschiebbar angeordnet ist und der durch ein Hebel-Feder-System (9) gehalten wird (Fig. 3).

6. Horizontalachs-Windkraftanlage nach Anspruch 1, 3 u. 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugfedern (17) des Hebel-Feder-Systems (9) in zwei Richtungen (18) verschiebbar sind, wodurch sich sowohl Hebelarm als auch Vorspannung der Federn einstellen lassen. Dadurch ist es möglich, den Kraft-Weg-Verlauf des Systems so einzustellen, daß der Rotor eine genau festgelegte Maximalleistung (Nennleistung) und Höchst­ drehzahl unter keinen Umständen (also auch bei extremen Stürmen) überschreitet (Fig. 3).

7. Horizontalachs-Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel aus einem Hartschaumkern (z. B. Styropor) bestehen, in den ein Versteifungsholm sowie Nasen- und Endleisten eingelassen sind. Zum Schutz gegen Umwelteinwirkungen sind die Flügel wasserdicht mit einer schlagzähen und alterungsbeständigen Kunststoffhaut überzogen.

8. Horizontalachs-Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kardangelenk (22) zur Befestigung der Zugstangen an den Flügeln aus einem einfachen Gelenk besteht, dessen Drehachse parallel zur Flügelverstellachse (12) ver­ läuft.