DE3844505A1 - Windkraftanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage der im Gattungs­ begriff des Hauptanspruchs angegebenen Art. Bei der Suche nach regenerativen Energieträgern spielen Wasser, Wind und Sonne eine zunehmende Rolle. Die Erfindung will die Stromge­ winnung aus Wind auch in geographisch oder klimatisch hin­ sichtlich gleichmäßiger Windströmungen benachteiligter Regi­ onen rationell gestalten.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Windkraftan­ lage erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Mitteln gelöst. Man erhält auf diese Weise einen Windkonverter mit einem erheblich verbes­ serten Gesamtwirkungsgrad.

Dieses neuartige System zur Windenergienutzung ermöglicht es, z.B. längs von Bahnlinien, Autobahnen und Überlandstra­ ßen, kleine und mittlere Windanlagen mit gutem Jahresar­ beitswirkungsgrad zu errichten, mit denen sowohl schwacher als auch starker Wind in einer Anlage möglichst gut genutzt werden kann.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des Erfindungsgegenstan­ des näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Übersicht der Windkraft­ anlage,

Fig. 2 eine Ansicht eines nach dem Baukastenprinzip zusammengesetzten Flügels,

Fig. 3 eine Ansicht eines einzelnen Flügelsegmentes aus Fig. 2,

Fig. 4 eine Draufsicht auf ein Verbindungselement aus Fig. 2, gesehen in Richtung der Linie IV-IV und

Fig. 5 einen Teilschnitt durch Fig. 4 gemäß Linie V-V.

Zwei Windräder 1 und 2 sind koaxial in und mit einem Genera­ torgehäuse 3 in Windrichtung verschwenkbar auf einer Stüt­ ze 4 gelagert. Die Stütze kann wie üblich gestell- oder turmartig ausgebildet sein. Das eine Windrad 1 befindet sich in Windrichtung vor dem Generatorgehäuse 3, das andere Wind­ rad 2 hinter ihm, so daß sich für einen im Generatorgehäu­ se 3 untergebrachten elektrischen Generator ein Zwillings­ antrieb ergibt.

Die beiden Windräder 1 und 2 drehen sich gegenläufig mit verschiedenen Geschwindigkeiten. Das vordere Windrad 1 ist ein Schnell-Läufer (z.B. ein-, zwei- oder dreiflügelig), das hintere Windrad 2 ein mehrflügeliger Langsam-Läufer.

Das Windrad 2 hat eine Hohlwelle 5, die sich um eine in ihr verschiebbar gelagerte Welle 5 des Windrades 1 dreht. Eine Windfahne 7 sorgt dafür, daß die Drehachse der Anlage im wesentlichen in Windrichtung liegt. Die Länge der Flügel des Schnell-Läufers 1 kann in an sich bekannter Weise in Abhän­ gigkeit von der Drehzahl veränderlich sein, wie durch Pfeile a und b angedeutet ist. Ebenso kann der axiale Abstand der Windräder 1 und 2 in Abhängigkeit von den Betriebserforder­ nissen verändert werden, wie durch Pfeile c und d angedeutet ist.

Die auf den beiden Seiten des Generatorgehäuses 3 ange­ brachten Windräder 1 und 2 drehen sich gegenläufig und unterscheiden sich in der Zahl der Flügel. Damit können unterschiedliche Windgeschwindigkeiten - bei entsprechender Dimensionierung der Flügel bzw. Festlegung der Flügelzahl - optimal genutzt werden. Beim Auftreten eines Windes positio­ niert sich die Anlage mittels der Windfahne 7 so, daß der Wind zuerst auf das Windrad 1 mit der kleinen Flügelzahl trifft.

Bei schwachen Winden dreht sich jedoch das Windrad 2 mit der hohen Flügelzahl zuerst und kann bereits elektrische Energie abgeben. Wird der Wind stärker, dreht sich auch das dem auf­ treffenden Wind näherstehende gegenläufige Windrad 1 mit der kleinen Flügelzahl.

Mit zunehmender Windstärke verbraucht das erste Windrad 1 Anteile der zuströmenden Windenergie und bremst die Gesamt- Windgeschwindigkeit.Damit wird das in der Windströmung A folgende Windrad 2 mit der höheren Flügelzahl immer nur mit der für diesen Typ benötigten geringeren Strömungsgeschwin­ digkeit B beaufschlagt, wie dies durch entsprechende Pfeile angedeutet ist.

Beide Windräder 1 und 2 können mit einer z.B. die Zentrifu­ galkraft nutzenden Einrichtung ausgerüstet werden, die be­ wirkt, daß sich bei zunehmender Drehzahl der Abstand zwischen den Windrädern verringert (Pfeile c und d). Damit wird die Aufteilung der Windströmungen geändert, und das Windrad 2 mit der hohen Flügelzahl hat in einem weiten Wind­ geschwindigkeitsbereich eine relativ konstante Drehzahl.

Durch Flügelanzahl, Durchmesserverhältnisse und Abstand der Windräder kann unter Beachtung des jährlichen Windganges für den Aufstellungsort die optimale Dimensionierung der Anlage erfolgen.

Besondere Aufmerksamkeit ist der schnellaufenden Seite zu widmen, denn sie soll die vielflügelige Seite zuverlässig vor zu hohen Drehzahlen bei höheren Windstärken schützen. Dazu soll entweder z.B. ein zentrifugal wirkendes Bauteil oder ein Federelement dienen, das den Abstand zwischen den beiden Windrädern bei zunehmender Windgeschwindigkeit ver­ kleinert, wie dies durch die Pfeile c und d angedeutet ist. Es kann auch vorgesehen werden, daß sich die Flügel - zur besseren Windaufteilung z.B. durch zentrifugalwirkende Ge­ wichte oder Federelemente je nach Windbelastung teleskop­ artig verlängern bzw. verkürzen (Pfeile a und b).

Die Verringerung des Abstandes einerseits und die Vergröße­ rung des wirksamen Querschnittes schützen das vielflügelige Windrad 2 zuverlässig und gewährleisten eine relativ gleich­ mäßige Frequenz der Spannung.

Der Generator der Windkonverteranlage besitzt gegenläufige Erregerspulen bzw. Magnete. Die einzelnen Einheiten können konstruktiv sowohl neben als auch übereinander angeordnet sein und sind je nach fertigungstechnischem Aufwand in Ab­ hängigkeit vom Drehzahlverhältnis festzulegen.

Das sich langsam drehende Windrad 2 ist konstruktiv fest mit einer Spule 8 verbunden, die in einer käfigartigen Erweite­ rung 9 der Hohlwelle 5 angeordnet ist. Diese dreht sich um einen Permanentmagneten 10, der mit der Welle 5 des Wind­ rades 1 eine Einheit bildet. Die durch die Drehung über den Permanentmagneten 10 induzierte Wechselspannung (Hilfserre­ gung) wird über Gleichrichterdioden 11 einer zweiten Spule 12, die mechanisch mit der ersten Spule 8 fest verbunden ist, zugeführt.

Diese zweite Spule 12 erzeugt ein magnetisches Feld (Haupt­ erregung), das wiederum durch seine Drehung in einer mit dem Generatorgehäuse 3 fest verbundenen dritten Spule 13 eine elektrische Wechselspannung U ≈ erzeugt, die dem Verbraucher zugeführt wird.

Für Generatoren größerer Leistung ist zusätzlich oder an­ stelle zu dem permanent magnetischen Feld ein elektromagne­ tisches Feld vorgesehen. Entsprechende Elektromagnete (Spu­ le 14) sind über Gleichrichterdioden 15 an eine fünfte Spu­ le 16 angeschlossen, die gleichfalls mit der Welle 6 des schneller drehenden Windrades 1 mechanisch verbunden ist. Radial zu dieser Spule 16 sind am feststehenden Generator­ gehäuse 3 Magnete 17 angebracht.

Bei Drehung des zugeordneten Windrades 1 wird ein Strom in­ duziert (Hilfserregung), der wie schon erwähnt, die Haupt­ erregung speist.

Die am feststehenden Generatorgehäuse 3 angebrachten Magne­ te 17 können auch Elektromagnete 18 sein, die dann von der feststehenden Spule 13, an die die Verbraucher geschaltet sind, gespeist werden.

Bei den Flügeln des Langsamläufers kann eine einheitliche Fertigung nach Baukastenprinzip erfolgen.

Die einzelnen Blätter 19 der Windflügel werden aus gleichen korrosionsbeständigen Flügelsegmenten 20, die konstruktiv nebeneinander bzw. hintereinander angeordnet sind, aufge­ baut. Als verbindene Elemente sind Stangen 2 vorgesehen, die die Zugkräfte aufnehmen. Beispielsweise besteht ein Flügelabschnitt eines Langsamläufers 2 aus drei nebenein­ ander mit vier Zugstangen 2 verbundenen Flügelsegmenten 20. Daran schließt sich nach außen ein Flügelabschnitt aus vier Flügelsegmenten 20 mit fünf Zugstangen 21 an. In Richtung Generatorwelle folgt dagegen ein zweisegmentiger Flügelab­ schnitt mit drei Zugstangen und abschließend (nicht darge­ stellt) ein Flügelsegment mit zwei Zugstangen.

Das einzelne Flügelsegment 20 hat ein flaches Rechteckprofil mit Hohlkehlen 22 an den schmalen Längsseiten, die zur Auf­ nahme der Zugstangen 21 dienen. Die schmalen Querseiten sind durch aerodynamische Formkörper 23 mit erforderlichen Befesti­ gungsmöglichkeiten 24 für die Zugstangen 21 konstruktiv ver­ bunden. Mittels der Formkörper 23 kann den mehrsegmentigen Flügelabschnitten ein aerodynamisch günstiges Profil gegeben werden.

Die erwähnte Querbewegung der Welle 6 in Richtung der Pfeile c und d zur Verminderung des Abstandes zwischen den Wind­ rädern 1 und 2 wird vorteilhaft durch Federn begrenzt, die insbesondere bei plötzlichen Böen zur Dämpfung beitragen. Im übrigen läßt sich durch Eindrücken des Windrades 1 mit Ver­ schiebung der Welle 6 eine Veränderung des Magnetfeldes im Inneren des Generatorgehäuses 3 erzielen.

Das Prinzip der gegenläufigen Drehungen von Erregungssystemen in Generatoren kann grundsätzlich auch bei anderen Antrieben angewandt werden. Gerade bei langsam laufenden Aggregaten läßt sich damit ein verbesserter Nutzungsgrad erzielen. Neben der Anwendung als Generator kann diese Konstruktion auch als einfach zu regelnder motorischer Antrieb dienen.

Claims (12)

1. Windkraftanlage bestehend aus einer Windkraftmaschine mit einer im wesentlichen in Windrichtung angeordneten Dreh­ achse und einem in gleicher Drehachse angeordneten elek­ trischen Generator, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein erstes Windrad (1) in Windrich­ tung vor einem Generatorgehäuse (3) und ein zweites Wind­ rad (2) in Windrichtung hinter ihm vorgesehen sind, wobei beide Windräder als gegenläufiger Zwillingsantrieb den Generator mit gegenläufig drehenden Erregerspulen antrei­ ben.

2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das erste Windrad (1) ein z. B. ein-, zwei- oder dreiflügeliger Schnell-Läufer, das zweite Windrad (2) ein mehrflügeliger Langsamläufer ist, wobei die Welle des letzteren (2) eine Hohlwelle (5) ist, die sich gegenläufig um die in sie hineinragende Welle (6) des Schnell-Läufers (1) dreht.

3. Windkraftanlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (6) des Schnell-Läufers (1) in der Hohlwelle (5) des Langsamläu­ fers (2) in Richtung der Drehachse verschiebbar (Pfeile c, d) angeordnet ist.

4. Windkraftanlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügellänge des Schnell-Läufers (1) veränderbar ist (Pfeile a, b).

5. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Genera­ tor aus mehreren Spulensystemen besteht, deren drehende Einheiten (8, 10, 12, 14, 16) gegenläufig angetrieben sind.

6. Windkraftanlage nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß innerhalb einer käfigartig ausgebildeten Erweiterung (9) der Hohlwelle (5) eine erste Spule (8) befestigt ist, die sich um einen auf der schnell laufenden Welle (6) angebrachten Permanent- oder/ und Elektromagneten (10, 14) dreht, daß außen auf der Hohlwelle eine zweite Spule (12) befestigt ist, die mit einer mit dem Generatorgehäuse (3) fest verbundenen drit­ ten Spule (13) eine elektrische Spannung erzeugt, und daß die durch Drehung über dem Magneten (10, 14) indu­ zierte Wechselspannung der zweiten Spule (12) über Dio­ dengleichrichter (11) zugeleitet wird.

7. Windkraftanlage nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Spule (16) auf der schnell laufenden Welle (6) befestigt ist, die mit einem mit dem Generatorgehäuse (3) fest verbundenen Permanent- oder/und Elektromagneten (17, 18) Wechselspan­ nung induziert.

8. Windkraftanlage nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der schnellaufenden Welle angebrachten Elektromagnete (14) über Gleichrichterdioden (15) an die weitere Spule (16) ange­ schlossen sind.

9. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Blätter der Windflügel (19) nach dem Baukastenprinzip gestaltet sind.

10. Windkraftanlage nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die einzelnen Blätter (19) aus sich von innen nach außen verbreiternden Flügelabschnitten bestehen, die aus gleichen Flügelsegmenten (20) zusammenge­ setzt sind.

11. Windkraftanlage nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Verbindungselemente zwischen den Flügelabschnitten aerodynamisch gestaltete Formkörper (23) vorgesehen sind, die Befestigungsmöglich­ keiten (24) für Zugstangen (21) aufweisen, welche in Hohl­ kehlen (22) der Flügelsegmente (20) angeordnet sind.

12. Windkraftanlage nach Anspruch 9 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügelsegmente (20) in den verschiedenen Flügelabschnitten versetzt zueinander an­ geordnet sind.