DE4403400C2

DE4403400C2 - Windgesteuerte Regelvorrichtung für ein Windrad

Info

Publication number: DE4403400C2
Application number: DE4403400A
Authority: DE
Inventors: Stefan Fritsch; Conrad Meier
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-02-04
Filing date: 1994-02-04
Publication date: 1997-01-16
Anticipated expiration: 2014-02-05
Also published as: DE4403400A1

Description

Die Erfindung betrifft eine windgesteuerte Regelvorrichtung für ein Windrad, das einen am vorderen Ende eines zweiarmigen Hebels um die Hebellängsachse drehbar angeordneten Rotor und eine am hinteren Ende des zweiarmigen Hebels gleichfalls um die Hebellängsachse schwenkbar angeordnete Windfahne aufweist, wobei der zweiarmige Hebel auf einem Turm um eine vertikale Achse schwenkbar gelagert ist.

Ein derartiges Windrad ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 28 10 239 bekannt. Bei diesem Windrad dient die am hinteren Ende des Hebels schwenkbar angeordnete Windfahne ausschließlich dazu, die Windmühle in den Wind zu drehen. Die schwenkbare Windfahne soll bei plötzlichen Windänderungen das Drehen der Windmühle in den Wind erleichtern und ein gedämpftes Anspruchverhalten bewirken.

Bei diesem bekannten Windrad ist eine weitere Regelvorrichtung vorgesehen, die bei Sturm, also bei Überschreiten einer vorgegebenen Windgeschwindigkeit, den Rotor bzw. die Rotoren aus dem Wind klappt.

Aus der deutschen Patentschrift 175 088 ist eine Windfahne bekannt, die schwenkbar auf einem innen hohlen Hebelarm angeordnet ist. In dem Hebelarm ist eine Stange drehbar gelagert, die an ihrem einen Ende mit der Windfahne und an ihrem anderen Ende mit einem Fliehkraftregler verbunden ist, der bei Überschreiten einer bestimmten Drehzahl die Windfahne zur Sturmsicherung dreht.

Bei dieser Anordnung nach der deutschen Patentschrift 175 088 erfolgt somit die Sturmsicherung in Abhängigkeit von der Drehzahl des Rotors, indem bei Überschreiten einer vorgegebenen Drehzahl über den Fliehkraftregler und die Stange die Windfahne 10 entsprechend gedreht wird.

Bei einer Windkraftmaschine nach der deutschen Patentschrift 32 31 496 sitzt die Windfahne an einem Hebelarm, der drehbar im Rotorkopf angeordnet ist. Am Rotor ist ein Windblatt schwenkbar angeordnet, das über einen Lenkerzug mit dem Hebelarm der Windfahne verbunden ist.

Auch bei dieser Windkraftmaschine nach der deutschen Patentschrift 32 31 496 sind zwei mechanisch miteinander verbundene Stellelemente vorgesehen, so daß bei Überschreiten einer vorgegebenen Windgeschwindigkeit diese mechanisch miteinander verbundenen Stellelemente zur Sturmsicherung geschwenkt werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Windrad der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß mit einfachen Mitteln sowohl eine Ausrichtung des Windrades als auch eine Sturmsicherung erzielt wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Windfahne an ihrem oberen Rand frei schwenkbar am Hebelarm angeordnet ist.

Im Gegensatz zu dem bekannten Stand der Technik, bei dem eine Windfahne mechanisch über ein weiteres Stellglied zur Sturmsicherung geschwenkt werden kann, wirkt die nach der vorgeschlagenen Lösung frei schwenkbar angeordnete Windfahne unmittelbar bei überschreiten einer vorgegebenen Windgeschwindigkeit als Sturmsicherung, ohne daß dazu weitere mechanisch mit der Windfahne gekoppelte Stellelemente notwendig wären. Die erfindungsgemäße Windfahne schwenkt bei überschreiten einer vorgegebenen Windgeschwindigkeit aus ihrer vertikalen Stellung und dreht somit das Windrad zur Sturmsicherung aus dem Wind.

Vorteilhaft ist die Windfahne etwa rechteckig ausgebildet. Vorzugsweise ist der Auftriebsbeiwert der Windfahne bei Anströmung in Fahnenebene größer Null und größer als der Widerstandsbeiwert. Vorzugsweise ist die Windfahne etwas gewölbt ausgebildet. Vorteilhaft ist die Windfahne auf beiden Seitenflächen unterschiedlich rauh ausgebildet.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1a das Windrad in Arbeitsstellung in perspektivischer Ansicht,

Fig. 1b das Windrad in Sturmstellung in perspektivischer Ansicht,

Fig. 2a das Windrad in Arbeitsstellung in Seitenansicht,

Fig. 2b das Windrad ohne Windfahne als Leeläufer,

Fig. 3 die Darstellung des Regelkreises des Windrades im Blockschaltbild mit Erläuterung der verwendeten Größen,

Fig. 3a die Formel zur Berechnung der Fahnenfläche der Windfahne,

Fig. 3b die Formeln zur Berechnung der Fahnendicke,

Fig. 4a Auftriebs- und Widerstandsbeiwert der Windfahne als Diagramm-Darstellung in Abhängigkeit von der Windrichtung,

Fig. 4b Diagramm zur Eindeutigkeit der Ablesewerte,

Fig. 5a Berechnung des Momentengleichgewichtes um die vertikale Drehachse,

Fig. 5b Fahnenfläche in Abhängigkeit von der Windrichtung als Diagramm-Darstellung,

Fig. 6a und Fig. 6b Formeln zum Berechnen des Fahnenwinkels,

Fig. 6c Darstellung des Fahnenwinkels in Abhängigkeit von der Windrichtung im Diagramm,

Fig. 7a, 7b und 7c Iterative Berechnung der Windradausrichtung mit Hilfe von Diagrammen,

Fig. 8 Ergebnisse der iterativen Berechnung in Tabellenform,

Fig. 9 Tabelle der verwendeten physikalischen Größen,

Fig. 10 beispielhafte Ergebnisse für Fahnendicke und Fahnenfläche.

Nach den Fig. 1a und 1b ist auf einem Turm 6 ein zweiarmiger Hebel 3 um eine vertikale Drehachse 4 drehbar gelagert.

Der zweiarmige Hebel 3 trägt an seinem vorderen Ende einen um die Längsachse des Hebels drehbaren Rotor 5, der beispielsweise mit einem nicht dargestellten Generator zur Energieerzeugung verbunden sein kann. Damit ein Drehen des Rotors 5 entgegen der vorgesehenen Arbeitsrichtung verhindert ist, ist vorteilhaft ein nicht dargestellter Freilauf in Arbeitsrichtung vorgesehen, der das Drehen in die entgegengesetzte Richtung verhindert.

Wie die Fig. 1a und 1b weiter zeigen, ist am hinteren Ende des Hebels 3 eine quadratische Windfahne 1 gleichfalls um die Hebellängsachse schwenkbar angeordnet, wobei ein Anschlag 2 den Schwenkwinkel der Windfahne 1 aus der vertikalen Stellung nach Fig. 1a auf ca. 88° beschränkt, wie dies die Fig. 1b zeigt.

Durch den Abstand der Rotorebene l_S (Fig. 2a) von der Drehachse 4 des Turmes 6 besitzt der Rotor 5 mit horizontaler Drehachse das Bestreben, sich als Leeläufer auszurichten. Die stabile Stellung des Rotors 5 ohne Windfahne 1 ist demnach hinter dem Turm 6, wie dies die Fig. 2b zeigt.

Durch die Windfahne 1 wird jedoch in bekannter Weise das Windrad in Arbeitsstellung nach Fig. 1a gedreht, wobei im Normalbetrieb das Fahnendrehmoment M_F dem Schubdrehmoment M_S infolge der Rotorschubkraft überwiegt.

Das Schubdrehmoment M_S ist abhängig von der Windgeschwindigkeit und der Windrichtung, während das Fahnendrehmoment M_F abhängig von der Windgeschwindigkeit, der Windrichtung und der wirksamen Fahnenfläche ist.

Es ist davon auszugehen, daß der Auftriebsbeiwert c_a der Windfahne 1 bei Anströmung in Fahnenebene nicht gleich Null ist, da die Windfahne nicht absolut eben ist oder unterschiedliche Rauhheiten auf ihren Seiten hat. Das Diagramm 4a zeigt die Auftriebs- und Widerstandsbeiwerte c_a und c_W der Windfahne 1 in Abhängigkeit von der Windrichtung.

Durch eine ansteigende Windgeschwindigkeit wirkt somit eine größere Auftriebskraft A_F auf die Windfahne, die die Windfahne um den Winkel γ um die Längsachse des Hebels schwenkt. Damit wird die wirksame Fahnenfläche zur Drehung des Rotors in den Wind kleiner.

Erhöht sich die Windgeschwindigkeit weiter, so wird beim überschreiten einer kritischen Windgeschwindigkeit die Windfahne weiter aus der vertikalen Stellung geschwenkt, so daß die wirksame Windfahnenfläche stark verringert wird. Dadurch wird das Fahnendrehmoment M_F zu klein, um das Windrad in den Wind zu drehen. Es überwiegt dann das Rotorschubdrehmoment M_S, so daß sich der Hebel 3 um die vertikale Achse 4 dreht. Durch die einsetzende Drehbewegung wird die Windfahne 1 immer stärker von der Seite angeströmt, so daß ihre wirksame Fläche weiter verkleinert wird. Gleichzeitig verstärkt sich jedoch die Kraftwirkung auf die Fahne infolge des ansteigenden Widerstandsbeiwertes.

Die Drehung um die Achse 4 kommt anschließend dadurch zum Stillstand, daß die Widerstandskraft auf die verbleibende Windfahnenfläche stark genug ansteigt, um bei einer gewissen Schrägstellung das Rotorschubmoment M_S wieder auszugleichen. Durch die Schrägstellung verringert sich die Drehzahl des Rotors 5.

Bei einem weiteren Anstieg der Windgeschwindigkeit schwenkt die Windfahne 1 weiter aus der vertikalen Stellung bis nahe in eine horizontale Stellung, wie es in Fig. 1b dargestellt ist, in der das Fahnendrehmoment M_F den Betrag des Rotorschubmomentes M_S nur noch in einer Stellung von 90° zum Wind erreicht. Der Rotor 5 bleibt auf Grund der seitlichen Anströmung stehen. Der Freilauf verhindert ein Anlaufen des Rotors 5 gegen die vorgesehene Laufrichtung.

Wie die Darstellung des Regelkreises in Fig. 3 im Blockschaltbild zeigt, ist der Vorgang der Windausrichtung und Sturmsicherung selbstregelnd. Die Druckbelastung der Windfahne 1 infolge der aktuellen Windrichtung und Windgeschwindigkeit wird mit Hilfe der sich verändernden wirksamen Fahnenfläche ständig gemessen. Das Ergebnis wird anschließend mit einer vorgegebenen Stellgröße verglichen, die sich im wesentlichen aus der aktuellen Rotorschubkraft ergibt. Die resultierende Kraft aus Rotorschubkraft und Fahnenkraft wirkt auf die Ausrichtung des Windrades zurück. Dies beeinflußt die Größe der wirksamen Fahnenfläche.

Die Besonderheit des beschriebenen Selbstregelungsvorganges besteht darin, daß sich das Vorzeichen der Regelgröße in Abhängigkeit von der aktuellen Windgeschwindigkeit allmählich umkehrt. Unterhalb einer kritischen Windgeschwindigkeit versucht die Regeleinrichtung den Rotor in den Wind hineinzudrehen. Die Windfahne 1 wirkt in bekannter Weise zur Windausrichtung des Windrades.

Wird eine kritische Windgeschwindigkeit überschritten, so schwenkt die Windfahne 1 wie oben beschrieben und in Fig. 1b dargestellt, in eine nahezu horizontale Lage, in der keine Ausrichtung in den Wind mehr möglich ist, so daß das Windrad aus dem Wind dreht. In diesem Arbeitsbereich verhält sich somit die Windfahne 1 wie eine Sturmsicherung.

Für die Festlegung der geometrischen Daten der Windfahne 1 sind folgende Regeln zu beachten:

Der Vorlauf der Rotorebene sollte im Verhältnis zu dem Abstand l_F möglichst klein gewählt werden. Dieses Maß beeinflußt maßgeblich die Drehwilligkeit des Windrades. Bei kleinem Vorlauf kann davon ausgegangen werden, daß die Wirksamkeit der geschätzten Fahnenfläche zu groß ist. Eine Anpassung kann durch Verringerung der Fahnenfläche, Verlagerung der Fahnenaufhängung, Verändern des Fahnengewichtes und des Fahnenschwerpunktes erzielt werden.

Eine Möglichkeit zur Berechnung der konstruktiven Auslegung der Regeleinrichtung ist nach dem Iterationsverfahren nach Fig. 7 möglich.

Zunächst werden geeignete geometrische Abmessungen für die Fahnenfläche, die Fahnendicke, die fahnendichte und das Hebelverhältnis l_S zu l_F festgelegt. Anschließend wird eine beliebige Windgeschwindigkeit V_W aus einer beliebigen Windrichtung ε angenommen.

Mit Hilfe des Diagrammes nach Fig. 6c oder der entsprechenden Formel in Kombination mit den Beiwerten aus dem Diagramm 4a wird der Fahnenschwenkwinkel γ berechnet. Durch die Schräglage der Windfahne 1 verringert sich die für eine Drehbewegung um die vertikale Drehachse maßgebliche Fahnenfläche A_F auf eine wirksame Fläche A_proj. Mit Hilfe des Diagrammes nach Fig. 5b kann die Ausrichtung ω ermittelt werden, die das Windrad mit der berechneten wirksamen Fahnenfläche einnimmt. Anschließend wird der Schwenkwinkel γ der Fahne auf den tatsächlichen Wert korrigiert und werden die Schritte wiederholt, bis sich eine stabile Ausrichtung des Windrades ergibt.

Die Ergebnisse dieses Iterationsverfahrens sind in der Tabelle nach Fig. 8 dargestellt. Der Fahnenschwenkwinkel γ wurde mit Hilfe der analytischen Formel und den Beiwerten berechnet. Beim Ablesen des Schwenkwinkels aus dem Diagramm nach Fig. 6c ergeben sich infolge der näherungsweisen Bestimmung der Beiwerte der Windfahne insbesondere für kleine Winkel ω geringfügige Unterschiede. Das Endergebnis stimmt jedoch mit demjenigen aus der analytischen Berechnung mit ausreichender Genauigkeit überein. Die grau unterlegten Felder der Tabelle nach Fig. 8 für den Schwenkwinkel kennzeichnen eine Drehbewegung der Fahne bis zum Anschlag, durch den eine Drehung der Windfahne 1 auf 88° begrenzt wird.

Das aus der Berechnung 5a entstandene Diagramm 5b entsteht durch das Gleichsetzen der Kraftwirkungen von Rotor 5 und Windfahne 1 bezüglich der vertikalen Drehachse 4. Der Kurvenverlauf kann folgendermaßen interpretiert werden. Würde eine fiktive Windfahne ihre Fläche in Abhängigkeit der Windrichtung gemäß diesem Verlauf ändern, so würde ständig Gleichgewicht zwischen Rotorschubkraft K_S und Fahnenkraft K_F herrschen. Dies bedeutet, daß, solange die wirksame Fahnenfläche A_proj oberhalb des Verlaufs der Kurve liegt, sich das Windrad in den Wind hineindrehen wird.

Grundsätzlich läßt das Diagramm nach 5b zwei mögliche Ausrichtungswinkel ω für eine wirksame Fahnenfläche A_proj zu. Für die iterative Rechnung ist es deshalb sinnvoll, mit einem möglichst kleinen Winkel ω zu beginnen, bei Ansprechen der Sturmsicherung kann der sich ergebende Ausrichtungswinkel nur größer als der angenommene Winkel sein.

Am Ende der Rechnung läßt sich der gegenüberliegende Wert für ω durch ein Nachprüfen des Fahnenwinkels γ und damit der erforderlichen Fahnenfläche A_proj ausschließen, wie dies in Fig. 4b dargestellt ist.

Die Windfahne 1 kann auch wie folgt bestimmt werden:
Zunächst werden die notwendigen Betriebsparameter ω_sturm und V_sturm festgelegt. Anschließend wird die geometrische Fahnenfläche aus dem Momentengleichgewicht nach Fig. 5a bestimmt, wobei grundsätzlich M_F größer M_S sein muß, damit die Windfahne 1 als Windausrichtung wirken kann. Werden Werte nach Fig. 3a eingesetzt, ergibt sich die Fahnenfläche A_F, wie dies in Fig. 10 dargestellt ist. Die erforderliche Fahnendicke t_F ergibt sich gemäß der Berechnung nach Fig. 3b. Mit den vorgegebenen Werten ergibt sich die in Fig. 10 dargestellte Fahnendicke.

Insbesondere die Fahnendicke t_F ist für das Verhalten der Windfahne verantwortlich. Die Berechnung der Fahnenfläche A_F legt lediglich fest, daß die Windfahne 1 in ihrer vertikalen Ruhestellung ein größeres Drehmoment um die Turmachse bewirkt als der Rotor. Die Fahnendicke t_F (Fahnengewicht) ist die ausschlaggebende Größe dafür, daß der Wind in der Lage ist, die Windfahne 1 in der erwünschten Weise anzuheben, so daß die Windfahne 1 als Sturmsicherung dienen kann und das Windrad aus dem Wind dreht.

Soll die Windfahne 1 als reine Sturmsicherung arbeiten, so müssen die geometrischen Daten so gewählt werden, daß das Windrad noch bei relativ großen Windgeschwindigkeiten in den Wind hineindreht.

Nach Fig. 5b trifft dies bei gleichbleibender Rotor- und Fahnenfläche für ein Hebelverhältnis von l_S/l_F von ungefähr 1/3,5 zu. Diese Anordnung richtet sich bei einer Windgeschwindigkeit von 9 m/s noch nach dem Wind aus und dreht bei 10 m/s in eine Stellung von ω ungefähr 84°.

Bei einem Hebelverhältnis von l_S/l_F ungefähr 1 : 2 und einer Fahnenfläche von A_F = 0,125 m² (wie im obigen Rechenbeispiel) spricht die Sturmsicherung schon bei relativ niedrigen Windgeschwindigkeiten an. Dies hat zur Folge, daß das Windrad bereits weit unterhalb der Sturmgeschwindigkeit eine stabile Position mit ω größer 37° einnimmt. Diese Schrägstellung zur Windrichtung reduziert wiederum die Rotordrehzahl und damit die Drehzahl des Generator. Die Regeleinrichtung wirkt dann gleichzeitig als Drehzahlregelung (Leistungsregelung).

Claims

1. Windgesteuerte Regelvorrichtung für ein Windrad, das einen am vorderen Ende eines zweiarmigen Hebels um die Hebellängsachse drehbar angeordneten Rotor und eine am hinteren Ende des zweiarmigen Hebels gleichfalls um die Hebellängsachse schwenkbar angeordnete Windfahne aufweist, wobei der zweiarmige Hebel auf einem Turm um eine vertikale Achse schwenkbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Windfahne (1) an ihrem oberen Rand frei schwenkbar am Hebelarm (3) angeordnet ist.

2. Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Windfahne (1) etwa rechteckig ausgebildet ist.

3. Regelvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftriebsbeiwert c_a der Windfahne (1) bei Anströmung in Fahnenebene größer Null und größer als der Widerstandsbeiwert c_w ist.

4. Regelvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Windfahne (1) gewölbt ausgebildet ist.

5. Regelvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Windfahne (1) auf ihren Seitenflächen unterschiedlich rauf ausgebildet ist.

6. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkwinkel der Windfahne (1) auf ca. 88° aus der vertikalen Stellung beschränkt ist.