DE3629872A1 - Windkraftanlage zur erzeugung elektrischer energie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage gemäß den Ober­ begriffen von Anspruch 1 oder 2.

Windkraftanlagen zur Einspeisung elektrischer Energie in das elektrische Versorgungsnetz sind allgemein bekannt. Bei diesen Anlagen ist im allgemeinen ein von Windkraft angetriebener Propeller über Wellen, Kupplungen und Getrieben mit der Rotor­ welle eines Generators mechanisch verbunden. Hierbei handelt es sich um teure und schwere Ausführungen mit einem verhält­ nismässig schlechten Wirkungsgrad, bei denen Vibrations- und Schwingungsprobleme auftreten. Außerdem können diese Anlagen nur mit einer dynamischen Flügelverstelleinrichtung schwer ange­ fahren werden und benötigen zudem komplizierte Bremsen.

In den Propeller integrierte Generatoren für Windanlagen wurden für gegenläufige Propeller von Honef bereits 1938 vorgeschla­ gen. Die Nachteile dieser Anlagen liegen in den großen rotieren­ den Massen und dem Problem der Stromübertragung für die Genera­ toren über Schleifringe.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftanlage der eingangs genannten Art hinsichtlich ihres Wirkungsgrades und ihrer Störsicherheit zu verbessern, wobei die Regelung des Energieflusses ohne Propellersteigungsverstellung in der Weise ermöglicht werden soll, daß die Drehzahl zur Windgeschwin­ digkeit und prinzipiell zur Größe des Propellers optimal ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merk­ male der Ansprüche 1 oder 2 gelöst.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 3 bis 24 beschrieben.

Von Vorteil sind insbesondere die Verbesserung des aerodynami­ schen Wirkungsgrades, eine Verringerung des Gewichtes der Anlage sowie der Herstellungskosten, verbesserte Vibrations- und Schwin­ gungseigenschaften der Anlage und die Möglichkeit, die Anlage leicht und sicher elektrisch zu bremsen.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigen

Fig. 1 eine Horizontal-Achsen-Anlage in Seitenansicht,

Fig. 2 bis Fig. 4 Einzelheiten von Ringgeneratoren in ver­ größerter Darstellung, und

Fig. 5 den Propellerteil mit Ringgenerator einer Vertikal- Achsen-Anlage.

In Fig. 1 ist auf einem auf dem Erdboden stehenden Turm 1 ein Gestell 2 über einen Turmdrehkranz 3 drehbeweglich befestigt. Das Gestell 2 weist eine nahezu horizontale feststehende Welle 4 auf, die mit dem Propellerlager 5 des Propellers zusammen­ wirkt. An den mit 6 bezeichneten Flügeln des Propellers ist der Rotor 7 eines Ringgenerators befestigt, dessen Stator 8 mit dem Gestell 2 in mechanisch fester Verbindung steht und somit mit diesem eine konstruktive Einheit bildet. Die an dem Stator 8 befestigten elektrischen Leitungen 9 zur Über­ tragung der erzeugten elektrischen Energie können über eine zeichnerisch nicht dargestellte Schleifringanordnung geführt sein, die an der Lagerstelle zwischen Turmdrehkranz 3 und Turm 1 angeordnet ist.

Der Rotor 7 des Ringgenerators kann entweder aus hochenergeti­ schen Permanentmagneten mit Rückschlußeisen bestehen, oder als Ring aus amagnetischem Material, in den hochmagnetische Permanentmagnete ohne magnetischen Rückschluß mit einem Pol­ bedeckungsfaktor kleiner 80% eingelassen sind, hergestellt sein. Im ersten Fall weist der Stator 8 allgemein bekannte Statorwick­ lungen auf und kann einteilig hergestellt sein. Im zweiten Fall kann er - wie Fig. 4 zeigt - aus zwei, als Innen- und als Aus­ senstator 10 bzw. 11 ausgebildeten Statorteilen bestehen, die dann den Rotor 7 umfassen und mit dem Turm eine konstruktive Einheit bilden.

Wie Fig. 2 zeigt, ist an dem mit dem Turm 1 zusammenwirkenden Turmdrehkranz 3 die feststehende Welle 4 direkt befestigt. Der Stator 8 ist über Gelenkarme, Streben oder Leitbleche 12 mit der feststehenden Welle 4 und damit mit dem Turmdrehkranz 3 bzw. dem Turm 1 mechanisch verbunden. Die elektrische Leitung 9 ist dann über Bohrungen in den Gelenkarmen 12, der Welle 4 und des Turmdrehkranzes 3 vom Stator 8 zu einem zeichnerisch nicht dargestellten Verbraucher geführt. Auf der feststehenden Welle 4 sind beidseitig zu den Gelenkarmen 12 des Stators 8 mittels Kugellager Gelenkarme 13 gelagert, an deren äußeren Enden ein Befestigungsring 14 zur Aufnahme des Rotorringes 7 befestigt ist. Die Gelenkarme 13 können als Flügelabschnitte ausgebildet sein. Der Befestigungsring 14 kann als stromlinien­ förmige Düse ausgebildet sein, so daß sowohl der Stator 8 als auch der Rotor 7 stromlinienförmig verkleidet sind.

Fig. 3 zeigt den Ausschnitt einer Anlage, bei der im Gegen­ satz zu der in Fig. 2 dargestellten Anlage die Gelenkarme 13 für den Rotor 7 in einer Ebene liegen. Diese Gelenkarme 13 sind praktisch den Propellerflügeln 6 gegenüberliegend ange­ ordnet, so daß der Stator 8 und der Rotor 7 des Ringgenerators außerhalb der Drehebene der Propellerflügel 6 liegen. Auch hier ist es möglich, den Befestigungsring 14 stromlinienförmig auszubilden.

Für die einzelnen Bauelemente des aus Fig. 4 ersichtlichen Ausführungsbeispieles sind die bereits in den Fig. 1 bis 3 verwendeten Bezugszeichen gewählt worden, soweit dies möglich ist. Wesentlicher Unterschied zu den bisher beschriebenen An­ lagen ist der in einem Innen- und einem Außenstator 10 bzw. 11 aufgeteilte Stator 8. Die beiden Statorteile 10 und 11 umfassen den Rotor 7 und sind mit dem Turm 1 der Windkraftanlage direkt mechanisch verbunden. Auch hier ist die stromlinienförmige Ver­ kleidung der den Ringgenerator bildenden Bauteile deutlich ersichtlich.

Die mehrflügelige Vertikal-Achsen-Anlage aus Fig. 5 weist einen Stator 8 auf, der über Gelenkarme 15 mit einer am Turm 1 befestigten und als vertikale Achse des Propellers dienenden Welle 16 mechanisch fest verbunden ist. Der Stator wird von einem Ringelement 17 umgeben, das den Rotorring 8 aufnimmt und das über Gelenkarme, Streben oder Leitbleche 18 an einem mit der Welle 16 zusammenwirkenden Drehlager 19 befestigt ist. Es ist zweckmässig, die mit dem Ringelement 17 befestigten Gelenkarme, Streben oder Leitbleche 18 parallel und beidseitig zu den am Stator 8 befestigten Gelenkarmen 15 anzuordnen. An dem Ringele­ ment 17 sind außerdem jeweils ein Ende eines Flügels 20 des Propellers mechanisch befestigt, wobei die anderen Enden der Flügel 20 zusammengeführt sind und als Lagerstelle dienen. Diese Lagerung kann mittels eines Wellenschaftes 21 erfolgen, der an der als vertikale Drehachse dienenden Welle 16 befestigt ist. Dieser Schaft kann von einer Hohlwelle 22 umgeben sein, die am oberen Ende der Flügel 20 des Propellers und am Drehlager 19 befestigt ist.

Bei der Vertikal-Achsen-Anlage ist die Stromabnahme noch einfacher als bei der Horizontal-Achsen-Anlage, da das Kabel 9 von dem Stator 8 direkt zu einem zeichnerisch nicht dargestell­ ten Umrichter geführt werden kann. Von Vorteil ist auch, daß die Drehmomentenübertragung problemlos infolge geringerer Bie­ gekräfte erfolgt, da die Flügel 20 des Propellers an der Peri­ pherie des Ringelementes 17 angelenkt sind. Bei drei- oder mehrflügeligen Anlagen kann durch die breite Basis des Ring­ elementes 17 auf eine obere Führung der Propeller 20 ganz verzichtet werden, da die Flügelkombination durch den Rotor freigeführt wird.

Für die in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Anlagen gilt zu­ sammenfassend folgendes:

• 1) Die Ringgeneratoren können von einem Pulswechselrichter an­ gefahren und bei Leistungsabgabe über den Pulswechselrichter rotor-drehzahlabhängig gestellt werden. Der permanent erregte Ringgenerator ist ohne zusätzliche Dämpferwicklung nur durch den gleichzeitig Spannung und Frequenz stellenden Pulswechsel­ richter mit Spannungszwischenkreis stabil zu fahren. Die Speisung in das Netz erfolgt über einen gesteuerten Gleich­ richter. Dabei kann der Generator optimal einen Leistungs­ faktor cos ϕ = 1 aufweisen.
• 2) Der Rotor des Ringgenerators kann eine Querdämpfungseinrich­ tung aufweisen und als Stromrichtermotor oder -generator mit eingeprägtem Zwischenstromkreis gefahren werden. Der Motor- und Generatorbetrieb ist dabei ohne zusätzliche Kom­ ponenten möglich (Querdämpfung kann Kupferblech-Abdeckung sein).
• 3) Auf eine hochdynamische Blattflügelverstellung kann verzich­ tet werden, da eine leistungsabhängige Drehzahlstellung erfolgt und bei Überdrehzahl eine Notbremsung durch Kurz­ schließen des Stators gegebenenfalls über Widerstände sicher möglich ist. Zusätzlich bietet der Rotorring an den Propellerflügeln 6 bzw. 20 infolge seines großen Durch messers eine günstige Reibfläche für eine Klauen- oder Backenbremse als redundanter Bremse.
• 4) Die Verkleidung des Ringgenerators kann bei kleinen Durch­ messern (Generatordurchmesser kleiner als ca. 10% des Propellerdurchmessers) als sogenannte Schnitger-Propeller- Düse ausgeführt sein. Bei größeren Durchmessern (Generator­ durchmesser bis ca. 100% des Propeller-Durchmessers) kann die Verkleidung des Ringgenerators wie bei Mantel­ turbinen oder Wirbeltürmen als Düsenteil ausgeführt sein.
• 5) Zur Vermeidung von Nuten-Oberwellen des Rotors 7 können die Permanentmagnete schräg zur axialen Richtung des Rotorringes angeordnet sein.
• 6) Der Luftspalt zwischen Stator 8 und Rotor 7 des Ringgenera­ tors kann durch eine Labyrinth-Verkleidung gegen Eindringen von Wasser geschützt werden. Aber auch eine wasserdichte Kunststoffverkleidung oder -vergießung ist denkbar.
• 7) Die den Luftspalt zwischen Stator 8 und Rotor 7 des Ring­ generators bildenden Oberflächen können durch Riefen bzw. Erhebungen derart ausgestaltet sein, daß eine ausreichende Kühlungszirkulation der Luft erfolgt. Hierbei begünstigen die große Oberfläche des Rotorringes 7 mit der Eisenbandage und die Gelenkarme eine natürliche Kühlung.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Anlagen sind folgende:

Die über den selbstgeführten Pulsumrichter gespeiste permanent­ erregte Synchronmaschine bedarf keiner Pollagegeber und -rege­ lung, da eine frequenz- und unterlagerte Wirkstromregelung Polrad- bzw. Stromschwingungen verhindert. Die eingeprägte - sinusformangenäherte Spannung ergibt quasi-sinusförmigen Strom und damit geringere Verluste im Generator.

• - Kein Getriebe und Vermeidung von dessen Verlusten, keine Ölkühlung.
• - Hoher Wirkungsgrad des Generators (ca. 96 bis 97%, cos ϕ = 1).
• - Keine Erregerverluste, keine Erregergeräte und Hilfserreger­ maschine.
• - Keine aktive Kühlung, keine Einfach- oder Doppelkühlsysteme.
• - Selbstanlauf oder gewollter aktiver Anlauf.
• - Keine Schleifringe, nur Kabelanschluß.
• - Minimale Gondel, nur Propellerlagerung.
• - Umrichterwirkungsgrad ca 2%.
• - Sichere elektrische Bremsung.
• - Leichtere Realisierung einer redundanten mechanischen Bremse.
• - Verbesserung des aerodynamischen Wirkungsgrades.
• - Drehzahlstellung durch Leistungsregelung.
• - Keine dynamische Flügelverstellung erforderlich.
• - Parallellauf mehrerer Windkraftwerke auf einem Zwischen­ kreis möglich.
• - Geringere Vibrationen der Flügel durch Rotorring.
• - Automatische axiale Zentrierung durch magnetische Kräfte.
• - Längere Lebensdauer und geringere Wartungszeiten, da kaum Verschleißteile.
• - Wicklung des Stators kann bei Propellerstillstand durch wechselweise Speisung in Voraus- und Rückwärtsrichtung durch den Pulswechselrichter gegen Vereisung erwärmt werden.

Claims (24)

1. Windkraftanlage zur Erzeugung elektrischer Energie unter Verwendung eines Generators, der in einen Propeller mit min­ destens zwei Propellerflügeln integriert ist, vorzugsweise Horizontal-Achsen-Anlage, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (7) aus hochenergetischen Permanentmagneten mit Rück­ schlußeisen besteht und als Rotorring an den Propellerflügeln (6) befestigt ist, und daß der Stator (8) mit dem Turm (1) der Windkraftanlage eine konstruktive Einheit bildet.

2. Windkraftanlage zur Erzeugung elektrischer Energie unter Verwendung eines Generators, der in einen Propeller mit min­ destens zwei Propellerflügeln integriert ist, vorzugsweise Horizontal-Achsen-Anlage, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (7) als Ring aus amagnetischem Material besteht, in den hochenergetische Permanent-Magnete ohne magnetischen Rückschluß mit einem Polbedeckungsfaktor kleiner 80% eingelassen sind, daß der Ring (7) an den Propellerflügeln (6) mechanisch befe­ stigt ist, und daß der Stator (8) aus zwei, als Innen- und als Außenstator (10, 11) ausgebildeten Statorteilen besteht, die den Rotor (7) umfassen und mit dem Turm (1) der Windkraft­ anlage eine konstruktive Einheit bilden.

3. Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Rotorring (7) zusammen mit den Propellerflügeln (6) und dem Stator (8) um eine vertikale Achse mittels eines Turmdrehkranzes (3) drehbar an dem Turm (1) der Windkraftanlage befestigt ist.

4. Windkraftanlage nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Schleifringanordnung, die an der Lagerstelle zwischen Turmdreh­ kranz (3) und Turm (1) vorgesehen ist und die von dem Stator (8) kommenden elektrischen Leitungen mit den zum Verbraucher führenden Leitungen (9) elektrisch leitend verbindet.

5. Windkraftanlage nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Stator (8) stromlinienförmig verkleidet ist.

8. Windkraftanlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Rotorring (7) als Flügelabschnitte ausgebil­ dete Gelenkarme (12) aufweist.

7. Windkraftanlage nach Anspruch 1, 2, 3, 5 oder 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Rotorring (7) stromlinienförmig ver­ kleidet ist.

8. Windkraftanlage nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (8) über Gelenkarme, Streben oder Leitbleche (12) mit dem Turm (1) bzw. Turmdrehkranz (3) mecha­ nisch verbunden ist.

9. Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine zwei­ oder mehrflügelige Vertikal-Achsen-Anlage, vorzugsweise vom Darrieustyp, verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (8) über Gelenkarme (15) mit der am Turm (1) befestig­ ten und als vertikale Drehachse des Propellers dienende Welle (16) in mechanisch fester Verbindung steht, daß der Stator von einem Ringelement (17) umgeben ist, das den Rotorring aufnimmt und an dessen Peripherie jeweils ein Ende der Flügel (20) des Propellers mechanisch befestigt sind, und daß das Ringelement (17) über Gelenkarme, Streben oder Gehäusebleche (18) an einem Drehlager (19) befestigt ist, das mit der als vertikale Dreh­ achse dienenden Welle (16) zusammenwirkt.

10. Windkraftanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Ringelement (17) befestigten Gelenkarme, Streben oder Gehäusebleche parallel und beidseitig zu den am Stator (8) befestigten Gelenkarmen (15) angeordnet sind.

11. Windkraftanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen Enden der Flügel (20) des Propellers miteinan­ der mechanisch verbunden und als Lager (23) für einen Wellen­ schaft (21) ausgebildet sind, der an der als vertikale Dreh­ achse dienenden Welle (16) mechanisch befestigt ist.

12. Windkraftanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen Enden der Flügel (20) des Propellers mit einem Ende einer Hohlwelle (22) in mechanisch fester Verbindung ste­ hen, die mit ihrem anderen Ende an dem Drehlager (19) befestigt ist, und daß die Hohlwelle von dem Wellenschaft (21) durchsetzt ist.

13. Windkraftanlage nach Anspruch 1, 2, 3 oder 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der aus Stator (8) und Rotorring (7) gebil­ dete Ringgenerator von einem Pulswechselrichter angefahren und bei Leistungsabgabe über den Pulswechselrichter rotor-dreh­ zahlabhängig gestellt wird.

14. Windkraftanlage nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch ein Bremsen des Ringgenerators durch Kurzschließen des Stators (8).

15. Windkraftanlage nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch die Verwendung von Widerständen.

16. Windkraftanlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verkleidung des aus Stator (8) und Rotor­ ring (7) gebildeten Ringgenerators bei kleinen Durchmessern (z.B. Generatordurchmesser kleiner als ca. 10% des Propellerdurch­ messers) als sogenannte Schnitger-Propeller-Düse ausgeführt ist.

17. Windkraftanlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verkleidung des aus Stator (8) und Rotor­ ring (7) gebildeten Ringgenerators bei größeren Durchmessern (z.B. Generatordurchmesser bis 100% des Propellerdurchmessers) wie bei Mantelturbinen oder Wirbeltürmen als Düsenteil aus­ geführt ist.

18. Windkraftanlage nach Anspruch 1, 2 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Teil des Ringes, der die Permanentmagnete (7) trägt, als Bremsring für eine Backen- oder Klauenbremse zusätz­ lich genutzt wird.

19. Windkraftanlage nach Anspruch 1, 2 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Vermeidung von Nutenoberwellen des Rotors (7) die Permanentmagneten schräge zur axialen Richtung des Rotorringes angeordnet sind.

20. Windkraftanlage nach Anspruch 1, 2, 9, 13, 14 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt zwischen Stator (8) und Rotor (7) des Ringgenerators durch eine Labyrinth-Ver­ kleidung gegen Eindringen von Wasser geschützt ist.

21. Windkraftanlage nach Anspruch 1, 2, 9, 13, 14, 16, 17 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die den Luftspalt zwischen Stator (8) und Rotor (7) des Ringgenerators bildenden Ober­ flächen durch Riefen bzw. Erhebungen derart gestaltet sind, daß eine ausreichende Kühlungszirkulation der Luft für den Gene­ rator erfolgt.

22. Windkraftanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung des Stators (8) bei Propellerstillstand durch wechselweise Speisung in Voraus- und Rückwärtsrichtung durch den Pulswechselrichter gegen Vereisung erwärmt wird.

23. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, 13, 14 oder 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (7) des Ringgenerators eine Querdämpfungseinrichtung aufweist, und daß der Ringgenerator als Stromrichtermotor oder -generator mit eingeprägtem Zwischenstromkreis gefahren wird.

24. Windkraftanlage nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Kupferblech-Abdeckung des Rotors zu seiner Querdämpfung.