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Windelektrische Kraftmaschinenanlage. Anlagen der Ausnutzung der Windkraft
für den Antrieb von elektrischen Generatoren sind bekannt. Desgleichen sind verschiedene
Anwendungen und Vorkehrungen bekannt geworden, die insgesamt den Zweck verfolgen,
selbst die geringste Windleistung aufzufangen und für den Antrieb des Generators
zu verwenden. Als Mittel dazu dient die Akkumulierung der Windkraft im Wege der
Erzeugung eines Druckmediums (Preßluft, Druckwasser), das dann einen den elektrischen
Generator antreibenden Motor in Gang setzt. Alle diese bisher ausgeführten Einrichtungen
arbeiten mit einem sehr geringen Gesamtwirkungsgrad, und die Ursache dafür ist hauptsächlich
darin zu suchen, daß die ganze Windenergie zuerst in Druckenergie übergeführt wird,
die dann einen Motor zum Antrieb des elektrischen Stromerzeugers betätigt, so daß
bei der vielfachen Umwandlung der Energieform unverhältnismäßig viel Kraft verloren
geht. Speziell über die Druckluftakkumüla- ,
Loren ist noch zu bemerken,
da13 das Druckmittel ohne weitere Vorkehrungen aus dem großen, im besten Falle unterteilten
Speicher dem Preßluftmotor zugeführt wurde, so da13 ungemein rasche Druckabnahme
im Kraftspeicher den Betrieb des Preßluftmotors sehr unwirtschaftlich gestaltete.
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Diese Nachteile zu beseitigen ist der Zweck der Erfindung. Um die
großen Verluste der Energieumwandlungen auf das Mindestmaß zu beschränken, ist die
Anordnung so getroffen, daß der elektrische Stromerzeuger in demselben Augenblick,
in dem die Windkraft dazu ausreicht, direkt durch diese angetrieben wird. Die Aufspeicherung
findet nur dann statt, wenn die Windenergie nicht zum direkten Antrieb des Generators
langt, oder aber größer als erforderlich ist, in welch letzterem Falle, wenn dabei
die Windstärke so groß ist, daß sie den Kraftbedarf von Kompressor und Dynamo decken
kann, der Energieüberschuß aufgespeichert wird. Schließlich ist auch dafür Sorge
getragen, daß bei vollgeladenem Energiespeicher einerseits auch nicht ganz ausreichende
Windkraft direkt zum Antrieb des Generators herangezogen, und der fehlende Energiebetrag
dem Speicher entnommen wird, oder andererseits die Dynamo bei Windstille vom Speicher
aus zur Gänze angetrieben werden kann.
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Die Entnahme aus dem Kraftspeicher geht dann so vor sich, daß beim
Erreichen eines bestimmten Druckes die Preßluft nicht mehr direkt aus dem Behälter
in den Preßluftmotor geht, sondern zuvor durch einen von ihr angetriebenen Kompressor
auf den Betriebsdruck des Kompressors verdichtet wird.
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Die Dynamomaschine läuft dabei unter allen Umständen mit ihrer konstanten
Tourenzahl, deren Erhaltung geeignet angeordneten Fliehkraftreglern obliegt.
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Die Maschineneinrichtung nach der Erfindung für Windelektrizitätszentralen
ist in den Zeichnungen in einem Ausführungsbeispiele dargestellt.
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Abb. 1 zeigt die Gesamtanordnung der Einrichtung in senkrechtem Schnitt,
Abb.2 die Maschinengruppe in Draufsicht, wobei die obere Hälfte des Motorkastens
(Übersetzungskasten) mit dem Kompressorzylinder als abgenommen vorausgesetzt wird.
Abb. 3 ist eine schematische Anordnung des Regulators der Turbodynamo mit dem Regulator
des Windmotors.
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Die bauliche Anordnung des Ausführungsbeispieles ist nun die folgende:
Durch den Turm des Windmotors führt in ein Stützlager im Kasten eine senkrechte
Welle 2, von der die Kraft durch konische Zahnräder 3, ¢ auf die wagerechte Welle
5 übertragen wird. Diese Welle 5 trägt den Zentriiugalregulator 6 und das Zahnrad
; , welches die Kraft vom Windmotor auf die parallele Welle 8 (Abb. 2) mittels Zahnrades
9 und einer Freilaufkupplung (Klinkenkupplung) 1o überträgt.
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Das Anordnen dieser Freilaufkupplung ermöglicht der Welle 8, welche
den Motor der Turbine 12 trägt und auch mit der Dynamo direkt gekuppelt ist, daß
sie sich mit konstanter Geschwindigkeit drehen kann, unabhängig von den sich ändernden
Umdrehungen der Windmotorwelle. Auf diese Weise kann die Preßluftturbine die ungleichmäßige,
durch die ungleiche Windstärke bedingte Kraftleistung der Windmotorwelle stets ausgleichen.
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Auf der Welle der Turbodynamo ist der zweite Zentrifugalregulator
13, welcher mit dem Regulator 6 verbunden ist, derart angeordnet, daß folgende Bedingungen
erfüllt werden: 1. Ist die Welle 5 des Regulators bim Ruhestande, so kann auch der
Regulator 13 die Turbinendüsen offen halten, solange die Umdrehungen der Turbodynamo
das Höchstmal:') nicht erreichen.
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Das Schließen der Turbinendüsen kann der Regulator 13 bewirken,
ohne daß er die Gewichte des Regulators 6 auseinanderziehen müßte, doch muß er dabei
nebst der Kraft seiner eigenen Feder b auch jene der Feder BI überwinden.
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Die Düsen zu schließen beginnt er also erst beim Erreichen der maximalen
Umdrehungen. 2. Der Regulator 5 kann die Düsen unabhängig von den Umdrehungen der
Turbodynamowelle 8 öffnen, ohne daß dazu ein vorheriges Sinken der Umdrehungen der
Turbodynamo nötig wäre.
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Zu diesem Zwecke ist der Regulator 1 durch das Hebelgestänge 1.4,
15, 16 (Abb.3) mit einem Ausrückhebel 17 des Regulators G so verbunden, daß der
Hebel 16 in gewissen Grenzen sich frei auf der Achse 17a des Ausrückhebels 17 drehen
kann.
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Der freie Drehwinkel des Hebels 16 entspricht dem Drehwinkel des Hebels
17 des Regulators 6 aus einer Lage, wo die Turbinendüsen ganz geöffnet sind, in
eine Lage, wo sie ganz geschlossen sind.
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Beim Auseinanderziehen der Gewichte de Regulators 6, durch Wirkung
der Zentrifugalkraft bei erhöhten Umdrehungen der 'Welle 5, tritt das Schließen
der Ventile in der Düsenkammer der Turbine ein.
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Beim Zusammenziehen der Gewichte des Regulators 6 tritt das öffnen
der Turbinendüsen ein, da durch das Verbinden beider Regulatoren folgendes erzielt
wird: Gegen die Kräfte beider Regulatorfcdern b und B1 wirkt nun 1'1o13 die Zentrifugalkraft
der Gewichte des Regulators 13 in vollem
Maße (das den normalen
Umdrehungen der Turbine entspricht), während die Zentrifugalkraft der Gewichte des
Regulators gesunken ist; daraus folgt, daß auch die Gewichte des Regulators 13 in
zusammengezogener Lage gehalten werden, und die Düsen der Turbine dementsprechend
offen bleiben.
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Bei Windstille, wenn die Kraftleistung des Windmotors gleich Null
ist, ist die Leistung der Turbine gleich dem Kraftbedarf der höchstbelasteten Dynamomaschine.
In diesem Falle, da beim Regulator 6 keine Zentrifugalkraft wirkt, stehen die Federn
b, Bi beider Regulatoren im Übergewichte, so daß alle Düsen der Turbine geöffnet
werden.
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Bei Windstille liegt die Aufgabe des Regulators 13 darin, daß er bei
entstehender momentaner Entlastung der Dynamomaschine (z. B. durch Ausschalten der
an das Netz angeschlossener Maschinen) durch Schließen der Düsen das Steigern der
Umdrehungen über Maximum verhindert.
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Die gefährliche Erhöhung der Umdrehungen verhindert die erhöhte Zentrifugalkraft
des Regulators 13, so daß Widerstände der Regulatorfedern b, B1 überwunden und die
Düsen geschlossen werden.
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Der Regulator 13 kann zwar selbständig die Düsen öffnen, denn die
Bewegung seiner Gewichte in diesem Sinne ist durch die Anordnung der Hebel 16 mit
17 ermöglicht, da der Zahn Z einen Spielraum im Einschnitte des Hebels 17 besitzt.
Das Zusammenziehen der Gewichte des Regulators 13 beim öffnen der Düsen wird auf
den Regulator 6 nicht übertragen, dagegen muß aber beim Schließen der Düsen durch
den Regulator 13 dieser auch den Widerstand der Feder B1 überwinden.
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Mit zunehmender Kraftleistung des Windmotors steigt auch die Zentrifugalkraft
der Gewichte des Regulators 6. Die Zuführung von Preßlüft zur Turbine und dadurch
ihre Leistung wird im Verhältnis zur steigenden Kraftleistung des Windmotors verringert,
so daß die Umdrehungen der Dynamomaschine immer gleich bleiben.
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In Verlängerung der Achse der Antriebswelle 5 ist die Kurbelwelle
18 des Stufenkompressors i9 mit Schiebersteuerung gelagert, der mit der Welle 5
mittels lösbarer Reibungskupplung 2o verbunden werden kann.
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Beim Kompressor bedeutet A die Saugkammer der ersten Stufe, B die
Saugkammer der zweiten Stufe, C die Druckkammer der ersten Stufe, D die Druckkammer
der zweiten Stufe.
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Damit der Kompressor bei der Entnahme der in dem später beschriebenen
Druckluftakkumulator aufgespeicherten Energie auch. als Motorkompressor arbeiten
könne, ist die Druckkammer C der ersten Stufe mit einem, mit dem Verschluß 21 ausgestatteten
Auspuff versehen, und in die Saugkammer B der zweiten Stufe führt von A eine Abzweigung
mit dem Verschluß 22.
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Beide Verschlüsse a i und 22 sind durch die Hebelvorrichtung 23, 24,
25 mit dem Arme 26,1
des Hebels 26 verbunden, welcher durch Wirkung der Feder
27 die Kupplung 2o eingekuppelt hält, so daß beide Verschlüsse nur beim Lösen der
Kupplung geöffnet werden.
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Die beschriebene Maschineneinrichtung ist über dem Luftreservoir 28
montiert. Mit dem Reservoir ist ein Regulierzylinder 29 verbunden, in dem sich ein
durch den Zug starker Federn belasteter Kolben 3o bewegt.
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Die Druckleitung 31 führt vom Kompressor in den Stutzen 32, so daß
die Preßluft durch das Venti133, wenn dieses geöffnet ist, in das Reservoir 28 strömen
kann, oder aber es strömt die Preßluft über das Rückschlagventil 34 unter den Kolben
3o des Regulierzylinders 29 und von da durch die Rohrleitung 35, welche einen Anlaßhahn
36 besitzt, zu den Düsen der Preßluftturbine 12. Die Saugleitung 37 des Kompressors
ist an den Stutzen 38 des Reservoirs angeschlossen, so daß beim öffnen des Ventils
39 die Druckluft aus dem Reservoir in die Saugkammer A und B des Kompressors hineinströmt
und dieser als Motorkompressor arbeitet; wenn er dagegen nur als Kompressor arbeitet,
so wird die Luft aus der Atmosphäre durch das selbsttätige Ventil 4o angesaugt.
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Der Spielraum zwischen der Anstoßstange 41 und Spindeln der Ventile
39 und 33 ist so gewählt, daß ein öffnen des Ventils 33 erst dann stattfindet, wenn
das Ventil 39 ganz geschlossen ist, und umgekehrt das Ventil 39,
fängt
an sich zu öffnen erst nach völligem Schließen des Ventils 33.
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Diese Ventile werden betätigt mittels des Hebelzuges 42, 43, 44 durch
die Anstoßnocke 45, die auf der Kolbenstange 3oa befestigt ist.
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Da der Regulierkolben 3o auch das Auskuppeln der Reibungskupplung
2o bewirkt, ist die Anstoßnocke 45 so angeordnet, daß beim Heben des Regulierkolbens
3o das Ventil 33 schon ganz offen ist, bevor das Lösen der Kompressorkupplung eintritt.
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Damit der Regulierkolben 3o beim Aufsteigen die Kompressorkupplung
2o auskuppeln kann, wenn im Reservoir der Betriebsdruck für die Turbine erreicht
wird, ist auf der Kolbenstange 3oa eine Spiralfeder 46 aufgesetzt, welche sich mit
dem oberen Ende auf das verschiebbare Futter 47 stützt. Unten stützt sich die Feder
46 auf die Hülse 48, welche auf der Kolbenstange zwischen der Mutter 49 und dem
Stellringe 5o verschiebbar ist.
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Die Mutter 49 ist so eingestellt, daß sich beim gänzlichen Aufsteigen
des Regulierkolbens 3o die" Hülse 48 im Stutzen 38a mittels
der
Haken 48u, die von dem Hebel ,18h betätigt werden, befestigt. Auf diesem Hebel wirkt
der Stellring 5o beim Sinken des Regulierkolbens erst dann, wenn dieser das Ventil
33 ganz geschlossen hat. Bis zu diesem Augenblicke muß die Feder 46 noch mit voller
Kraft mittels des Futters 47 auf den Hebel 51 drücken,, der durch die Zugstange
52 mit dem Ausrückhebe126 der Reibungs# kupplung verbunden ist.
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Der Ausrückhebe126 ist noch mit seinem zweiten Arme 26- mittels
der Drahtseile 53 mit der Seitenfahne des Windmotors verbunden. Das hat den Zweck,
den Kompressor mit dem Windmotor zu verbinden, wenn bei entsprechender Windstärke
seine Kraftleistung so groß ist, daß außer der Dynamomaschine auch der Kompressor
betrieben werden kann. Die Luft im Reservoir wird dann auf zulässigen Druck komprimiert.
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Dabei muß die Zugkraft der Feder 27 bei der Kupplung und die Druckkraft
der Feder 46 am Regulierkolben so gewählt werden, daß die Summe der Kraftmomente
der Seile 53 und der Feder 27 dem Kraftmomente der Feder 46 gleich ist, wenn zugleich
die Kraftleistung des Windmotors dem Kraftbedarfe der Dynamomaschine gleich ist.
Da die einzelnen Teileinrichtungen durch ihre Funktionen voneinander abhängig sind,
und das Füllen und das Ausleeren des Reservoirs einerseits von der Stärke und Wirkungsdauer
des Windes, andererseits von der Betriebsdauer der Dynamomaschine abhängig ist,
können verschiedene Kombinationen des Eingreifens einzelner Vorrichtungen entstehen.
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Deshalb wird in folgendem die Wirkungsweise der Maschineneinrichtung
beschrieben, die mit dem Antrieb der Dynamomaschine und des Verdichters vom Windmotor
anfängt, dann das Einschalten der Zusatzmaschine beim Nachlassen des Windes und
schließlich die Wirkung der Vorrichtung, welche beim starken Winde von der Seitenfahne,
oder dem Windrade selbst betätigt wird.
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Die rotierende Bewegung vom Windrade wird mittels der senkrechten
Welle 2 und, der konischen Zahnräder 3, 4 auf die wagerechte Welle 5 übertragen,
auf derem Ende eine Hälfte der Reibungskupplung und das Zahnrad 7 sich befindet.
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Im Druckluftspeicher 28 ist der atmosphärische Druck, infolgedessen
der Kolben 30 im Regulierzylinder 29 ist in der tiefsten Lage (auf der Zeichnung
punktiert), in welcher derselbe durch den Zug einer Feder gehalten wird.
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Diese Lage des Kolbens infolge des gleicbzeitigen Sinkens der Anstoßnocke
45 ermöglicht der Zugstange ¢ 1 durch Wirken der Feder auf den Hebel 42 zuerst das
Schließen des Ventils 33 und gleich darauf das Öffnen des Ventils 39.
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Das Sinken des Kolbens im Regulier7ylinder in die tiefste Lage hat
gleichzeitig zur Folge, daß durch Druck des Ringes 5o auf den Hebel 48h der Haken
48u in das Futter 48 hineingezogen wird. Das Futter, welches auf der am Kolben befestigten
Stange frei verschiebbar ist, fällt durch die Hülse 38n ebenfalls in seine tiefste
Lage. Gleichzeitig mit dem Futter 48 ist die Feder 46, die an ihrem oberen Ende
sich durch Futter 47 auf den Hebel 51 stützte, heruntergefahren. Dieser Hebel
ist durch die Zugstange 52 mit dem Ausrückhebe126, der durch den Zug der Feder 27
die Reibungskupplung im Eingriff hält, verbunden.
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Die rotierende Bewegung vom Windrade ist so auf die andere Hälfte
2o der Reibungskupplung und die Welle 18 übertragen, auf derem Kurbelzapfen die
Pleuelstange eines Stufenverdichters mit Schiebersteuerung aufgefangen ist.
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Die Verschlüsse auf der Schieberkammer des Verdichters 23, 21 sind
mittels des HebelzeUges 23, 26- geschlossen gehalten, so daß das Verdichten
der Luft durch den Kolben des Stufenverdichters auf normale Weise fortläuft.
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In die Saugkammer A der ersten Stufe strömt die Luft durch die Rohrleitung
37 unter den Sitz des Rückschlagventils 40 und wird aus der Druckkammer D durch
die Rohrleitung 31 unter den Sitz des Ventils 34 und unter den Kolben im Regulierzylinder
eingetrieben. Der Kolben 3o steigt, bis derselbe mit der Anstoßnocke 45 und dein
schon beschriebenen Hebelzeuge das Ventil 33 öffnet. Kurz vor dein Öffnen dieses
Ventils wurde das Ventil 39 geschlossen. Jetzt strömt die Luft in den Druckluftspeicher
28 so lange, bis der der Belastung des Kolbens 30 entsprechende Druck (Betriebsdruck)
erreicht wird.
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Nach dem Erreichen dieses Druckes wird der Kolben in die Höhe gehoben,
bis das Futter 48 in die Hülse 38u heraufgeschoben wird, wo dasselbe sich mittels
des Hakens ,18u festhält. Um die Hülse sich stützende. Feder 46 schaltet mit Hilfe
des Hebelzeuges 26 bis 5 t die Reibungskupplung und dadurch den Verdichter aus.
Die Verschlüsse 21, 22 werden gleichzeitig geöffnet.
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Durch öffnen des Anlaßhahnes 36 ist die Maschineneinrichtung zum Ausgleichen
von Schwankungen der Windkraft, die auf die Dynamowelle übertragen wird, bereit.
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Solange die Kraftleistung des Xj indmotors dem Kraftbedarf für Betrieb
der Dynamomaschine gleich ist, wird die rotierende Bewegung von der Antriebswelle
durch die Zahnräder
7, 9 und die Freilaufkupplung i o auf die Welle
8 übertragen, auf derem Ende sich der Rotor der Druckluftturbine 12 befindet.
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Die Dynamomaschine i i ist durch die Kupplung von der Turbinenwelle
8 angetrieben.
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Der auf dieser Welle aufgesetzte Zentrifugalregulator gestattet nicht
das Strömen der Preßluft durch die Düsen auf die Turbinenschaufeln.
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Sobald die Kraftleistung des Windmotors sinkt, so werden die Regulatorgewichte
infolge der niedrigen Umdrehungen der Welle 5 zusammengezogen, der Hebel 17 greift
ein und dreht den Zapfen 17a, wobei die Zuführung von Preßluft auf die Turbinenschaufeln
geöffnet wird.
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Die Turbine leistet eine Nutzarbeit, durch welche die fehlende Kraftleistung
des Windmotors ersetzt wird.
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Die Preßluft im Regulierzylinder fängt an abzunehmen, der Kolben sinkt,
bis das Verschließen des Ventils 33 und gleich darauf das Öffnen des Ventils 39
eintritt. In diesem Augenblick strömt die Preßluft vom Speicher 28 mittels der Rohrleitung
37 in die Saugkammer A der Niederdruckstufe des Verdichters hinein und gleichzeitig
durch den geöffneten Verschluß 22 in die Saugkammer B der Hochdruckstufe.
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Da bei der Niederdruckstufe der Verschluß 2 1 offen ist, arbeitet
die Preßluft in der Niederdruckstufe in ähnlicher Weise wie bei einem Preßluftmotor.
Der Schieber öffnet und schließt außer in der Niederdruckstufe auch die Zuführung
von Preßluft, welche in die Kammer B der Hochdruckstufe durch den geöffneten Verschluß
22 unter den Kolben der Hochdruckstufe strömt, so daß die Preßluft hier von neuem
komprimiert wird.
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Aus der Hochdruckkammer D wird jetzt die Preßluft durch die Rohrleitung
31 unter den Kolben im Regulierzylinder getrieben, erhöht hier den Druck der Luft,
die von da aus auf die Turbinenschaufeln strömt und hält denselben auf konstanter
Höhe.
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Bleibt jetzt die Kraftleistung des Windmotors auf der Höhe des Kraftverbrauches
der Dynamomaschine, steigt der Kolben im Regulierzylinder, und die Tätigkeit des
Motorverdichters wird infolge des Verschließens von Preßluftzuführung durch das
Ventil 39 eingestellt.
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Wenn sich die Kraftleistung des Windmotors erhöht, so wird der Verdichter
gegen den Widerstand der Ausrückfeder ¢6 in Gang gesetzt, denn zum Zug der Feder
27 der Zug der Drahtseile 53 beitritt. Auf dieselbe wird die Bewegung der Seitenfahne
oder die Bewegung, die durch das Andrehen des Windrades selbst gegen die Hauptfahne
entsteht, bei erhöhter Windgeschwindigkeit übertragen.