DE3918184A1 - Wind turbine driving electrical generator - has horizontal arms supporting rotatable plates adjusted to match detected wind direction - Google Patents
Wind turbine driving electrical generator - has horizontal arms supporting rotatable plates adjusted to match detected wind directionInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Windrad für die Umwandlung von Windenergie in mechanische Drehenergie mit einer drehbar gela gerten vertikalen Abtriebswelle, mehreren am oberen Ende der Welle angebrachten horizontalen Armen, an den Armen angeordneten, von dem Wind beaufschlagten Platten und einem Windrichtungsgeber.The invention relates to a wind turbine for the conversion of Wind energy in mechanical turning energy with a rotatable gela vertical output shaft, several at the upper end of the Shaft mounted horizontal arms, arranged on the arms, from the wind-loaded plates and a wind direction sensor.
Es sind vertikale Windräder bekannt, deren horizontale Welle etwa am oberen Ende eines langen Ständers gelagert ist. Dieser Windradtyp hat mehrere Nachteile:Vertical wind turbines are known whose horizontal shaft is stored at the top of a long stand. This Wind turbine type has several disadvantages:
- 1. Da die Welle des Windrades horizontal liegt, muß die Drehenergie über ein Winkelgetriebe auf eine vertikale Welle übertragen werden, wenn der Energieverbraucher, z.B. der Generator, in geringerer Höhe, z.B. am Boden, angeord net werden soll. Ohne eine derart gebrochene Abtriebswelle müßte der Energieverbraucher ebenfalls in der Höhe ange ordnet sein, was eine entsprechend starke Ständerkonstruk tion zur Folge hat.1. Since the shaft of the wind turbine is horizontal, the Rotational energy via a bevel gear to a vertical one Wave are transmitted when the energy consumer, e.g. the generator, at a lower level, e.g. on the ground, arranged should be net. Without such a broken output shaft the energy consumer would also have to be high arranges what a correspondingly strong stand construction tion.
- 2. Die Ständerkonstruktion muß dem Gewicht des Windrades und seines Lagers entsprechend stark ausgebildet sein, und sie muß auch genügend hoch sein (Growian-Rotordurchmesser 100 m).2. The stand construction must be the weight of the wind turbine and his camp be trained accordingly, and they must also be high enough (Growian rotor diameter 100 m).
- 3. Das vertikale Windrad mit seiner Lagerung muß auf die Windrichtung ausgerichtet sein. Bei wechselnden Windrich tungen ist die Nachführung des Windrades aufwendig. Da bei kommerziellen Windanlagen die zu drehenden Massen be trächtlich sind, ergibt sich zwangsläufig eine erhebliche Trägheit und Verzögerung bei der Nachführung, was zu einer Minderung der Ausnutzung der tatsächlich verfügbaren Windenergie führt.3. The vertical wind turbine with its storage must be on the Wind direction. With changing Windrich the tracking of the wind turbine is complex. There in commercial wind turbines, the masses to be rotated are pregnant, there is inevitably a significant one Sluggishness and delay in tracking what to a reduction in the utilization of the actually available Wind energy leads.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Windrad zur Umwandlung von Windenergie in mechanische Drehenergie zu schaffen, das die aufgezeigten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll das Rad bei stark wechselnden Windrichtungen eine maximale Ausnutzung der verfügbaren Windenergie, d.h. eine fast verzögerungsfreie Ein stellung des Windrades auf die jeweilige Windrichtung ermöglichen. Darüber hinaus soll der Aufwand für die Anlage, insbesondere für die Ständerkonstruktion verringert werden, so daß sich insgesamt beträchtliche Einsparungen in der Anlage ergeben.The invention is based on the object of a wind turbine Converting wind energy into mechanical turning energy to create that avoids the disadvantages shown. In particular, that should Maximum utilization of the wheel in strongly changing wind directions the available wind energy, i.e. an almost instantaneous one enable position of the wind turbine to the respective wind direction. In addition, the effort for the plant, especially for the stand construction can be reduced so that overall result in considerable savings in the plant.
Die Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Windrad erfindungs gemäß dadurch gelöst, daß jede Platte an ihrem Arm um eine zur Welle des Windrades parallele Achse drehbar ist und die Drehlagen der Platten so gesteuert werden, daß die Windangriffsflächen der Plat ten auf fast dem gesamten Bahnumfang in derselben Drehrichtung wirksam sind und in Windrichtung gesehen auf der einen Seite der Bahn größer als auf der anderen Seite der Bahn sind. Durch diese Plattendrehung wird erreicht, daß auf die Abtriebswelle des Wind rads immer ein Drehmoment in einer Drehrichtung wirkt und dement sprechend die Welle rotiert. Dabei geht auch die Windrichtung in die Plattensteuerung ein derart, daß auch bei einer neuen geänderten Windrichtung das Drehmoment in derselben Richtung bleibt. Da die Abtriebswelle vertikal verläuft, kann sie am Erdboden oder jeden falls in Bodennähe abgefangen werden. Dadurch wird die Ständerkon struktion vereinfacht, und diese kann ohnehin niedriger sein als bei einem vertikalen Windrad.The task is fiction, in the above-mentioned wind turbine solved according to that each plate on its arm by one to the shaft of the wind turbine parallel axis is rotatable and the rotational positions of the Plates are controlled so that the wind attack surfaces of the plat on almost the entire circumference of the web in the same direction of rotation are effective and seen on one side of the wind direction Web are larger than on the other side of the web. Through this Plate rotation is achieved on the output shaft of the wind rads always acts in one direction of rotation and demented speaking the shaft rotates. The wind direction also goes in this direction the disk control in such a way that even with a new one changed The torque stays in the same direction. Since the Output shaft runs vertically, it can be on the ground or anyone if caught near the ground. This will make the stand con structure simplified, and this can be lower than anyway with a vertical wind turbine.
Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Platten um zur Abtriebswelle parallele Achsen drehbar und ihre Drehgeschwindigkeiten bei konstanter Windrichtung halb so groß wie die der Welle. Bei Annahme eines Windrads mit vier Armen und dementsprechend vier windbeaufschlagten Platten drehen sich die Platten um ihre Achsen um 45°, wenn sich die Abtriebswelle um 90° dreht. Steht das Windrad gerade so, daß zwei Arme genau in die bzw. gegen die Windrichtung zeigen und die beiden anderen Arme einen Winkel von 90° zur Windrichtung bilden, wird die Platte auf der einen Seite genau in Windrichtung eingestellt sein, während die gegenüberliegende Platte auf der anderen Seite der Welle senkrecht zur Windrichtung steht. Die beiden Platten auf den in der Windrich tung und entgegen der Windrichtung liegenden Armen haben eine 45°- Lage zur Windrichtung, so daß sich deren Drehmomentanteile summie ren. Entsprechend verbleibt auch bei allen anderen Drehlagen der Arme immer eine in derselben Drehrichtung wirkende Drehmomentsumme, so daß eine dauernde Rotation des Rades gewährleistet ist. Bei dieser Ausführungsform hat das Verhältnis der Drehgeschwindigkeit der Platten zu der Drehgeschwindigkeit der Abtriebswelle einen kon stanten Wert v p /v w = 0,5, wobei diese Geschwindigkeiten im allge meinen stetig sind und sich nur mit der Windgeschwindigkeit ändern. Dieses konstante Geschwindigkeitsverhältnis läßt sich z.B. durch mechanische Kopplung von Wellendrehung und Plattendrehung reali sieren.According to the preferred embodiment of the invention, the plates can be rotated about axes parallel to the output shaft and their rotational speeds with a constant wind direction are half that of the shaft. Assuming a wind turbine with four arms and accordingly four wind-loaded plates, the plates rotate about their axes by 45 ° when the output shaft rotates by 90 °. If the wind wheel is straight so that two arms point exactly in or against the wind direction and the other two arms form an angle of 90 ° to the wind direction, the plate on one side will be set exactly in the wind direction while the opposite plate is on the other side of the wave is perpendicular to the wind direction. The two plates on the arms lying in the wind direction and against the wind direction have a 45 ° position to the wind direction, so that their torque components add up. Accordingly, in all other rotational positions of the arms there is always a torque total acting in the same direction of rotation, so that a permanent rotation of the wheel is guaranteed. In this embodiment, the ratio of the speed of rotation of the plates to the speed of rotation of the output shaft has a constant value v p / v w = 0.5, these speeds being generally constant and changing only with the wind speed. This constant speed ratio can be realized, for example, by mechanical coupling of shaft rotation and plate rotation.
Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Drehlagen der Platten von der Drehlage der Abtriebswelle und vom Windrichtungsgeber gesteuert. Ein wesentlicher Vorteil des erfin dungsgemäßen Windrads besteht darin, daß auch bei veränderlichen und umlaufenden Windrichtungen eine maximale Ausnutzung der Wind energie erreicht wird. Daher ist es wichtig, daß die Windrichtung als Einflußgröße in die Drehlagensteuerung der Platten eingeht, damit die hohe Plattenbeaufschlagung unabhängig von der Windrich tung erhalten bleibt.According to the preferred embodiment of the invention, the Rotational positions of the plates from the rotational position of the output shaft and from Wind direction transmitter controlled. A major advantage of the inventor Invention wind turbine is that even with variable and circumferential wind directions make maximum use of the wind energy is achieved. Therefore it is important that the wind direction as an influencing variable in the rotational position control of the plates, so that the high plate loading is independent of the Windrich tion is retained.
Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Windrads ist die Welle des Winrichtungsgebers koaxial über der Welle des Windrades angeordnet, jede Platte mit einer horizontalen Scheibe fest verbunden und sind alle Scheiben mit der Welle des Windrich tungsgebers durch Kopplungsmittel drehmäßig so verbunden, daß eine Drehung des Windrichtungsgebers in eine Drehung der Scheiben und damit der Platten umgesetzt wird. Durch diese einfache mecha nische Kopplung zwischen Windrichtungsgeber und Drehlage der Plat ten wird eine praktisch momentane Anpassung des Windrads an vari able Windrichtungen erreicht. Es ist daher nicht wie bei vertikalen Windrädern das gesamte Rad einschließlich seiner Lagerung und wei terer Bauteile in die Windrichtung zu drehen, was nur mit beträcht licher Verzögerung möglich und bei schnell wechselnden Windrichtun gen nicht praktikabel ist. Zweckmäßigerweise sind die Kopplungs mittel bei dieser Ausführungsform Perlenbänder und sind ferner auf der Welle des Windrichtungsgebers und auf den Scheiben Umfangs nuten mit den Perlen entsprechenden Ausnehmungen ausgebildet. Die Perlenbänder bestehen aus einem endlosen, unelastischen oder wenig elastischen Kunststoffband, auf das in konstanten Abständen Kunst stoffkugeln fest aufgereiht sind. Dementsprechend sind die Ausneh mungen in den Umfangsnuten der Welle des Windrichtungsgebers und der Scheiben z.B. etwa halbkugelförmig ausgebildet. Der Vorteil dieser Kopplungsmittel besteht darin, daß sie nicht nur geradlinig, z.B. zwischen Scheiben und Welle verlaufen können, sondern mit Hilfe von am Umfang entsprechend ausgeformten Rollen in beliebigen Winkeln geführt werden können. Das erfindungsgemäße Windrad ist jedoch nicht auf diese Art der Kopplungsmittel beschränkt.According to one embodiment of the wind turbine according to the invention the shaft of the wind direction sensor is coaxial over the shaft of the Wind turbine arranged, each plate with a horizontal disc firmly connected and are all disks with the shaft of the Windrich tungsender connected by coupling means so that a rotation of the wind direction sensor into a rotation of the disks and so the plate is implemented. This simple mecha African coupling between wind direction sensor and rotational position of the plat a practically instantaneous adjustment of the wind turbine to vari able wind directions reached. It is therefore not like vertical ones Wind turbines the entire wheel including its storage and white Rotate other components in the wind direction, which is only possible with considerable possible delay and with rapidly changing wind direction gene is not practical. The coupling is expedient medium in this embodiment pearl ribbons and are also on the shaft of the wind direction sensor and on the disks circumference grooves formed with the beads corresponding recesses. The Pearl ribbons consist of an endless, inelastic or little elastic plastic band on which art at constant intervals balls are firmly lined up. The exceptions are accordingly measurements in the circumferential grooves of the shaft of the wind direction indicator and of the disks e.g. formed approximately hemispherical. The advantage This coupling means is that it is not only straightforward, e.g. can run between discs and shaft, but with Help of roles in any given shape Angles can be performed. The wind turbine according to the invention is but not limited to this type of coupling agent.
Bei einer anderen, großtechnischen Ausführungsform des erfin dungsgemäßen Windrads liefert der Windrichtungsgeber, der von dem Windrad entfernt aufgestellt sein kann, ein elektronisches Steuer signal für einen elektrischen Stellmotor, ist der Stellmotor an eine Steuerwelle innerhalb der Abtriebswelle des Windrads angeschlos sen und ist die Steuerwelle über Winkelgetriebe und Steuerwellen innerhalb der Arme an die Wellen der Platten angeschlossen. Hier bei ist die Abtriebswelle des Windrads als Hohlwelle ausgebildet, welche die an den Windrichtungsgeber angeschlossene Steuerwelle enthält. Auch die Arme sind als Rohre ausgebildet, die jeweils die Steuerwellen enthalten, die einerseits über Zahnrad-Winkelgetriebe an die zentrale Steuerwelle und andererseits über Zahnrad-Winkel getriebe an die Wellen der drehbaren Platten angeschlossen sind. Die Getriebe sind dabei so ausgelegt, daß bei einer Relativdrehung zwischen der Abtriebswelle des Windrads und der zentralen Steuer welle um den Winkel β die Platten um den Winkel β/2 gedreht werden. In another, large-scale technical embodiment of the wind turbine according to the invention, the wind direction transmitter, which can be located away from the wind turbine, provides an electronic control signal for an electric servomotor, the servomotor is connected to a control shaft within the output shaft of the wind turbine and the control shaft is above Angular gear and control shafts within the arms connected to the shafts of the plates. Here at the output shaft of the wind turbine is designed as a hollow shaft, which contains the control shaft connected to the wind direction sensor. The arms are designed as tubes, each containing the control shafts that are connected on the one hand via gear angular gear to the central control shaft and on the other hand via gear angle gear to the shafts of the rotatable plates. The gears are designed so that with a relative rotation between the output shaft of the wind turbine and the central control shaft by the angle β, the plates are rotated by the angle β / 2.
Es ist für den Fachmann verständlich, daß das Windrad nicht nur zwei bis vier, sondern auch mehr als vier Arme tragen kann und daß jeder Arm eine Platte oder eine Doppelplatte tragen kann.It will be understood by those skilled in the art that the wind turbine is not can only carry two to four, but also more than four arms and that each arm can carry a plate or a double plate.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigenThe invention will now be described with reference to the drawing described. Show it
Fig. 1 eine Kleinanlage des erfindungsgemäßen Windrads mit Windrichtungsanzeiger; Figure 1 shows a small system of the wind turbine according to the invention with wind direction indicator.
Fig. 2 eine Draufsicht des Windrads nach der Linie II-II der Fig. 1; und Fig. 2 is a plan view of the wind turbine along the line II-II of Fig. 1; and
Fig. 3 eine Teildarstellung einer technischen Ausführungs form des erfindungsgemäßen Windrads, teilweise im Schnitt. Fig. 3 is a partial representation of a technical embodiment form of the wind turbine according to the invention, partly in section.
Nach den Fig. 1 und 2 sind an einer zentralen Abtriebs welle 7 vier Paare radiale Arme 6 fest angebracht. Zwischen je zwei vertikal übereinander stehenden Armen 6 ist eine vertikale Welle 3 angeordnet, die in den Armen 6 drehbar gelagert ist und über den oberen Arm 6 ein Stück hinausragt. An diesem oberen Ende der Plattenwelle 3 ist eine Scheibe 4 fest angebracht. Die Welle 3 trägt zwischen den Armen 6 eine Platte 7, deren Windangriffsfläche variiert werden kann. Insgesamt trägt die Welle 1 vier derartige Armpaare 6 und dementsprechend vier Platten 7.According to FIGS. 1 and 2 are at a central driven shaft 7, four pairs of radial arms 6 rigidly attached. A vertical shaft 3 is arranged between each two vertically superimposed arms 6 , which is rotatably mounted in the arms 6 and protrudes a bit beyond the upper arm 6 . At this upper end of the plate shaft 3 , a disc 4 is fixedly attached. The shaft 3 carries between the arms 6 a plate 7 , the wind attack surface can be varied. Overall, the shaft 1 carries four such pairs of arms 6 and, accordingly, four plates 7 .
Auf einem Zapfen 9 ist ein Windrichtungsgeber 2 mit seiner Welle 8 drehbar gelagert. Auf der Welle 8 sind überein ander vier Umfangsrillen vorgesehen; auch die vier entsprechend den Umfangsrillen der Welle 8 unterschiedlich hoch angeordneten Scheiben 4 weisen Umfangsrillen auf (nicht dargestellt). Die Welle 8 des Windrichtungsgebers ist durch vier Kopplungsmittel 5, von denen in Fig. 1 nur zwei dargestellt sind, mit den vier Schei ben kinematisch verbunden sind, so daß eine Änderung der Windrich tung über die Kopplungsmittel 5 und die Scheiben 4 eine Änderung der Drehstellung der Platten 7 zur Folge hat. Die Kopplungsmittel 5 sind im vorliegenden Fall endlose Perlenbänder, die um die Welle 8 und jeweils eine Scheibe 4 geführt sind. Die Perlenbänder bestehen aus einem wenig elastischen oder unelastischen Kunststoffband, auf dem in bestimmten konstanten Abständen Kunststoffkugeln fest ange bracht sind. Entsprechend sind in den Rillen der Welle 8 und der Scheiben 4 Ausnehmungen (nicht dargestellt), so daß ein Rutschen des Kopplungsmittels auf der Welle 8 und den Scheiben 4 nicht mög lich ist und jeder Winkeldrehung der Welle 8 eine bestimmte Win keldrehung der Scheiben 4 bzw. der Platten 7 zugeordnet ist. In Fig. 2 ist nur ein Perlenband dargestellt, jedoch sind die drei anderen Kopplungsmittel ebenfalls als Perlenbänder vorgesehen. Selbstverständlich können auch andere Kopplungsmittel Verwendung finden. Um bei der Rotation der Abtriebswelle 1 eine möglichst große Windbeaufschlagung der Platten 7 zu erreichen, beträgt das Durchmesserverhältnis der Welle 8 zu den Scheiben 4 1:2. Dies hat zur Folge, daß bei konstanter Windrichtung 19 die Drehgeschwindigkeit der Platten 7 nur halb so groß wie die Drehgeschwindigkeit der Welle 1 ist. Demzufolge trägt in der in Fig. 2 dargestellten Stellung die obere Platte 7 zum Gesamtdrehmoment der Welle 1 praktisch nichts bei, während die untere Platte 7 vom Wind voll beaufschlagt wird und somit das maximale Drehmoment liefert. Die beiden Platten 7 auf der Luv- und Leeseite des Windes addieren sich in ihrer Drehmomentwirkung. Auch bei sämtlichen anderen Dreh stellungen der Arme 6 bleibt infolge der Drehung der Platten 7 dieses Drehmoment erhalten. Bei einer Winddrehung dreht sich die Welle 8 entsprechend und bewirkt dadurch eine gleichzeitige Neu einstellung der Platten 7 auf die neue Windrichtung.A wind direction sensor 2 with its shaft 8 is rotatably mounted on a pin 9 . On the shaft 8 four other circumferential grooves are provided; the four disks 4 arranged at different heights corresponding to the circumferential grooves of the shaft 8 also have circumferential grooves (not shown). The shaft 8 of the wind direction sensor is kinematically connected by four coupling means 5 , of which only two are shown in FIG. 1, with the four disks ben, so that a change in the wind direction via the coupling means 5 and the disks 4 changes the rotational position the plates 7 has the consequence. In the present case, the coupling means 5 are endless pearl tapes which are guided around the shaft 8 and one disk 4 each. The pearl tapes consist of a little elastic or inelastic plastic tape on which plastic balls are firmly attached at certain constant intervals. Correspondingly, in the grooves of the shaft 8 and the disks 4 recesses (not shown), so that slipping of the coupling agent on the shaft 8 and the disks 4 is not possible and each angular rotation of the shaft 8 a certain win keldreh of the disks 4 and is assigned to the plates 7 . In Fig. 2 only one pearl band is shown, however the three other coupling means are also provided as pearl bands. Of course, other coupling agents can also be used. In order to achieve the greatest possible wind loading of the plates 7 during the rotation of the output shaft 1 , the diameter ratio of the shaft 8 to the disks 4 is 1: 2. The result of this is that, with a constant wind direction 19, the speed of rotation of the plates 7 is only half as large as the speed of rotation of the shaft 1 . Accordingly, in the position shown in FIG. 2, the upper plate 7 contributes practically nothing to the total torque of the shaft 1 , while the lower plate 7 is fully loaded by the wind and thus delivers the maximum torque. The two plates 7 on the windward and leeward side of the wind add up in their torque effect. Even in all other rotational positions of the arms 6 , this torque is retained due to the rotation of the plates 7 . With a wind rotation, the shaft 8 rotates accordingly and thereby causes a simultaneous readjustment of the plates 7 to the new wind direction.
Das in den Fig. 1 und 2 modellartig dargestellte Windrad wird großtechnisch in anderer Weise ausgeführt. Fig. 3 zeigt eine mögliche Ausführungsform im Detail, bei der die Abtriebswelle 1 ebenfalls mehrere Arme 6 trägt, von denen jedoch nur einer voll ständig dargestellt ist. Die Abtriebswelle 1 und der Arm 6 sind rohrförmig ausgebildet und dienen zur Aufnahme der Steuerkette von dem Stellmotor 11 zur Plattenwelle 3. Der Windrichtungsgeber 2 steuert zunächst einen Stellmotor 11, der seinerseits die Steuer welle 10 in der Abtriebswelle 1 einstellt. Die Abtriebswelle 1 treibt den Generator 18. In dem Getriebekasten 12 am oberen Ende der Welle 1 ist ein Kegelrädergetriebe untergebracht. Die Steuer welle 10 trägt am oberen Ende das Kegelrad 13, das die Kegelräder 14, von denen in Fig. 3 nur zwei dargestellt sind, im Drehzahl verhältnis 1:2 dreht. Das Kegelrad 14 sitzt an dem einen Ende der Steuerwelle 15, die innerhalb des Arms 6 verläuft und am anderen Ende das Kegelrad 16 trägt. Das Kegelrad 16 treibt ein auf der Plattenwelle 3 sitzendes Kegelrad 17 im Drehzahlverhältnis 4:1, so daß eine Relavivdrehung der Wellen 1 und 10 um den Winkel β eine Drehung der Welle 3 um den Winkel β/2 bewirkt.The wind turbine shown as a model in FIGS. 1 and 2 is carried out on a large industrial scale in a different way. Fig. 3 shows a possible embodiment in detail, in which the output shaft 1 also carries a plurality of arms 6 , of which only one is shown fully constantly. The output shaft 1 and the arm 6 are tubular and serve to receive the control chain from the servomotor 11 to the plate shaft 3 . The wind direction sensor 2 first controls an actuator 11 , which in turn adjusts the control shaft 10 in the output shaft 1 . The output shaft 1 drives the generator 18 . In the gear box 12 at the upper end of the shaft 1 , a bevel gear is housed. The control shaft 10 carries the bevel gear 13 at the upper end, which rotates the bevel gears 14 , of which only two are shown in FIG. 3, in the speed ratio 1: 2. The bevel gear 14 is seated at one end of the control shaft 15 , which extends within the arm 6 and carries the bevel gear 16 at the other end. The bevel gear 16 drives a bevel gear 17 seated on the plate shaft 3 at a speed ratio of 4: 1, so that a relative rotation of the shafts 1 and 10 by the angle β causes the shaft 3 to rotate by the angle β / 2.
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