DE3939863A1 - Windkraftanlage mit rotorbremse - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Windkraftanlage mit einem Rotor, der umfangsmäßig voneinander beabstandete, von einer Drehachse radial beabstandete, aufrechte Rotorblätter aufweist, mit einer Umwandlungseinrichtung zur Umwandlung der Rotationsbewegung des Rotors in elektrischen Strom, und mit einer Bremseinrichtung für den Rotor.

Windkraftanlagen zur Erzeugung von Strom aus Windenergie sind häufig mit einer Bremseinrichtung für den Rotor ausgestattet, um den Rotor bei sehr hohen Windgeschwin­ digkeiten, für die der Rotor und die Rotorblätter insbe­ sondere festigkeitsmäßig nicht ausgelegt sind, abbremsen zu können. Hierfür hat man bisher mechanische Brems­ einrichtungen eingesetzt.

Mechanische Bremseinrichtungen haben jedoch den Nach­ teil, daß sie notwendigerweise verschleißbehaftet sind. Dieser Verschleiß tritt vor allem an den Bremsbelägen bzw. Bremsklötzen und den damit beim Bremsen gleitend zusammenwirkenden Bremsteilen auf. Aber auch die Betä­ tigungselemente der Bremseinrichtung sind verschleiß­ gefährdet und nicht ganz störungsunempfindlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wind­ kraftanlage mit einer praktisch verschleißfrei arbei­ tenden und äußerst zuverlässigen Bremseinrichtung ver­ fügbar zu machen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Windkraftanlage er­ findungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Brems­ einrichtung als Wirbelstrombremse ausgebildet ist, die eine stationäre Magnetspulenanordnung zur Erzeugung eines Magnetfelds und mindestens ein Wirbelstromelement aus gut stromleitendem Material, das an dem Rotor be­ festigt ist und sich bei Rotation des Rotors durch das Magnetfeld bewegt, aufweist, und daß eine Schaltein­ richtung vorgesehen ist, die bei Überschreiten einer Drehzahlschwelle des Rotors Strom von der Umwandlungs­ einrichtung der Magnetspulenanordnung zuführt.

Die erfindungsgemäße Windkraftanlage weist somit eine nicht mechanisch, sondern elektrisch-magnetisch arbei­ tende Bremseinrichtung auf, die auf dem Wirbelstrom­ prinzip beruht und deshalb nicht auf die Erzeugung von Bremsreibung und den damit zusammenhängenden Verschleiß angewiesen ist. Es sind keine mechanisch zu betätigenden Bremsteile vorhanden, wodurch diese Quelle möglicher Störungen entfällt. Es wird das Prinzip verwirklicht, einen Teil des durch die Windkraftanlage erzeugten Stroms für das Bremsen einzusetzen. Dies ist energetisch problemlos möglich, weil bei sehr hohen Windgeschwin­ digkeiten das Energieangebot ohnehin größer ist als es von der Windkraftanlage aufgrund ihrer Auslegung be­ wältigt werden kann.

Es ist bevorzugt, das Wirbelstromelement an einem Trag­ ring des Rotors zu befestigen, welcher Tragring auch einen dauermagnetischen Erregerteil der Umwandlungs­ einrichtung trägt. Dieser Tragring hat vorzugsweise einen großen Durchmesser von insbesondere mehr als 12% oder mehr als 20% des Anordnungsdurchmessers der Rotorblätter, so daß sich konstruktiv günstige Ver­ hältnisse für die Wirbelstrombremse ergeben.

Es ist als günstig bevorzugt, wenn das Wirbelstrom­ element eine gekrümmte, im wesentlichen aufrecht ange­ ordnete Platte ist.

Die Effektivität der Wirbelstrombremse läßt sich steigern, wenn für zwei gegenüberliegende Seiten des Wirbelstromelements Magnetspulenanordnungen vorgesehen sind.

Die Windkraftanlage kann günstigerweise mehrere Wirbel­ stromelemente längs des Rotorumfangs und mehrere Magnet­ spulenanordnungen längs des Bewegungswegs der Wirbel­ stromelemente aufweisen. Jede Magnetspulenanordnung kann im unteren Grenzfall nur eine Magnetspule aufweisen, weist jedoch günstigerweise mehrere Magnetspulen in Umfangsrichtung nebeneinander auf.

Die Erfindung und Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand eines zeichnerisch dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert. Die einzige Zeichnungsfigur zeigt eine Windkraftanlage (unter Weglassung eines unteren Teils davon) in Seiten­ ansicht.

Die Windkraftanlage 2 weist einen aufrechten Mast 4 auf, der mit Hilfe von Schrägstützen 6 auf dem Erdboden befestigt ist. In der Nähe der Mastspitze ist ein im wesentlichen waagerechter Tragring 8 mit Speichen dreh­ bar an dem Mast 4 gelagert. Von dem Umfang des Trag­ rings 8 führen Streben 10 nach außen, die die aufrechten Rotorblätter 12 tragen. Abspannseile 14 oder entsprechen­ de Streben führen von dem äußeren Bereich der oberen, beschriebenen Streben 10 nach innen zu einer vertikalen Stütze 16, die mit dem Tragring 8 vereinigt ist.

An dem Tragring 8 ist in relativ geringem Abstand vom Außenumfang ein nach unten ragender, ringförmiger Kragen 18 befestigt. Der Kragen 18 trägt längs seines Innenumfangs Dauermagnete 20 mit abwechselnder Polung.

Etwas unterhalb des Tragrings 8 ist an dem Mast 4 ein weiterer horizontaler Tragring 22 stationär befestigt, der längs seines Außenumfangs einen geblechten Stator 24 trägt. Der Stator 24 weist Spulen 25 oder Wicklungen auf. Zwischen dem Außenumfang des Stators 24 und dem Innenumfang der Dauermagnet­ anordnung 20 befindet sich ein vertikalzylindrischer Luftspalt 26. Bei Rotation des Tragrings 8 relativ zu dem weiteren Tragring 22 wird somit in den Spulen bzw. Wicklungen des Stators 24 eine elektrische Spannung induziert.

An dem Kragen 18 sind umfangsmäßig verteilt mehrere in Draufsicht gekrümmte, aufrechte Platten 28 aus Kupfer oder Aluminium nach unten ragend befestigt. Längs des Umfangs des Kragens 18 gibt es mehrere Magnetspulen­ anordnungen 30, und zwar jeweils in Form eines Anord­ nungspaars, welches einen radial äußeren Teil und einen radial inneren Teil aufweist. Dazwischen befindet sich ein in Draufsicht kreisförmig gekrümmter Schlitz 32, durch den die plattenförmigen Wirbelstromelemente 28 sich in Umfangsrichtung hindurchbewegen können. Die Magnetspulenanordnungen 30 sind jeweils mittels Haltern 34 an der Unterseite des weiteren Tragrings 22 befestigt.

Durch die schematisch eingezeichneten Magnetspulen 36 wird ein sich radial erstreckendes Magnetfeld quer über den Schlitz 32 erzeugt. In Umfangsrichtung jeder Magnet­ spulenanordnung sind mehrere Magnetspulen 36 nebenein­ ander angeordnet.

Wenn sich ein Wirbelstromelement 28 in Umfangsrichtung entlang des magnetfelddurchsetzten Schlitzes 32 bewegt, werden im Material des Wirbelstromelements 28 Wirbel­ ströme induziert, so daß ein Wirbelstrombremseffekt auf den Tragring 8 ausgeübt wird. Dementsprechend werden die Wirbelstromelemente 28 aufgeheizt. Die Wirbelstrom­ elemente 28 werden jedoch aufgrund ihrer Rotationsbe­ wegung insbesondere auf demjenigen Teil ihres jewei­ ligen Rotationswegs, wo keine Magnetspulenanordnung 30 ist, wirksam durch die Umgebungsluft gekühlt.

An dem weiteren Tragring 22 ist eine elektrische bzw. elektronische Schalteinrichtung 38 befestigt. In dieser wird, beispielsweise anhand der in dem Stator 24 in­ duzierten Spannung oder der Spannungsfrequenz, festge­ stellt, ob die Drehzahl des Tragrings 8 eine bestimmte Drehzahlschwelle übersteigt oder nicht. Bei Übersteigen einer bestimmten Drehzahlschwelle wird durch die Schalteinrichtung 38 ein Teil des im Stator 24 erzeugten Stroms den Magnetspulen 30 der Wirbelstrombremsein­ richtung zugeleitet. Es erfolgt eine derartige Regelung, daß sich der Rotor 40 der Windkraftanlage 2 - ent­ sprechend großes Windangebot vorausgesetzt - mit einer Drehzahl nahe der genannten Drehzahlschwelle dreht. Die Drehzahlschwelle liegt um einen geeigneten Sicher­ heitsabstand unterhalb derjenigen Maximaldrehzahl, für die der Rotor 40 ausgelegt ist.

Es versteht sich, daß die Schalteinrichtung 28 nicht unbedingt selbsttätig arbeiten muß, sondern daß es sich auch um eine von Hand zu betätigende Schaltein­ richtung handeln kann.

Claims (4)

1. Windkraftanlage (2) mit einem Rotor (40), der umfangsmäßig voneinander beabstandete, von einer Dreh­ achse (42) radial beabstandete, aufrechte Rotorblätter (12) aufweist, mit einer Umwandlungseinrichtung (20, 24) zur Umwandlung der Rotationsbewegung des Rotors (40) in elektrischen Strom, und mit einer Bremseinrichtung (28, 30) für den Rotor (40), dadurch gekennzeichnet, daß die Brems­ einrichtung (28, 30) als Wirbelstrombremse ausgebildet ist, die eine stationäre Magnetspulenanordnung (30) zur Erzeugung eines Magnetfelds und mindestens ein Wirbelstromelement (28) aus gut stromleitendem Material, das an dem Rotor (40) befestigt ist und sich bei Rotation des Rotors (40) durch das Magnetfeld bewegt, aufweist, und daß eine Schalteinrichtung (38) vorgesehen ist, die bei Überschreiten einer Drehzahlschwelle des Rotors (40) Strom von der Umwandlungseinrichtung (20, 24) der Magnetspulenanordnung (30) zuführt.

2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Wirbelstromelement (28) an einem Tragring (8) des Rotors (40) befestigt ist, welcher Tragring (8) auch einen dauermagnetischen Erregerteil (20) der Umwandlungseinrichtung (20, 24) trägt.

3. Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wirbelstromelement (28) eine gekrümmte, im wesentlichen aufrecht angeordnete Platte ist.

4. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für zwei gegenüberliegende Seiten des Wirbelstromelements (28) Magnetspulenan­ ordnungen (30) vorgesehen sind.