DE739482C - Grosswindkraftwerk - Google Patents

Description

• Großwindkraftwerk Die Hauptschwierigkeiten, die sich der Verwirklichung von Großwindkraftanlagen in den Weg stellen, sind die folgenden: Der Schnelläufigkeitsgrad eines Windrades, das ist das Verhältnis der Flügelspitzengeschwindigkeit R # w zur Windgeschwindig4eit v, hat bei etwa 1Z # co/v = 6 eine natürliche Grenze. Windräder mit großem Radius R haben demzufolge eine sehr kleine Winkelgeschwindigkeit cv, das gleichbedeutend ist mit einer sehr kleinen Drehzahl it. Damit aber wächst für die zu übertragende Leistung das Drehmoment Md stark an, und es ergeben sich unter Umständen sehr dicke Wellen. Ein Herunterleiben des Drehmomentes zur Erde durch Wellen kommt kaum in Betracht, denn dies erfordert entweder zu schwere Wellen oder ein sehr schweres, auf der Mastspitze befindliches üb:ersetzungsgetriebe. Auch wenn man die Kraft- oder Arbeitsmaschinen auf dex Mastspitze unterbringt, lieben die Verhältnisse nicht günstiger.
• Es ist bekannt und auch meistens beachtet worden, daß die Windradlestung mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit zunimmt. Die Windgeschwindigkeit schwankt zwischen o und etwa 5o m/s. Die maximale theoretische Leistung Beines Windrades von 5o m Durchmesser nimmt in diesem Geschwindigkeitsbereich Werte von o bis 89 ooo kW an. . Aus wirtschaftlichen Erwägungen nutzt man nur den Wind zwischen etwa 3 und i 2 m/s aus. Unterhalb 3 m/s wird das Windrad nicht belastet. Über i 2 m/s Wind, der nur noch sehr selten vorkommt, läßt man die den 12 m/s-Betrag überschreitende Energie unausg@enutzt vorbeistreichen. Legt man einen erreichbaren Wirkungsgrad des Windrades von o,8 zugrunde, so schwankt die Leistung an der Windradwelle in dem iIrtschaftlichen Geschwindigkeitsbereich von 3 Abis 12 m/s immer noch zwischen 16 und 982 kW. Diese verschieden große Leistung kann eine normale Kraft-oder Arbeitsmaschine nicht verarbeiten; und auch das bekannte Zu- und Abkuppeln mehrerer vorhandener Maschinen ist kein technisch geeignetes Mittel.
• Den meisten Arbeits- und Kraftmaschinen ist eine bestimmte Nenndrehzahl zugeordnet, bei der sie allein günstig arbeiten. Dem Windrad wird die Drehzahl durch die jeweilig herrschende, sich stark ändernde Windgeschwindigkeit vorgeschrieben, mit der sie sich linear ändert. Diese Schwierigkeit wäre durch ein automatisch und stufenlos regelbares Übersetzungsgetriebe zu beheben; aber ein solches Getriebe für die zeitwejise sehr großen zu übertragenden Leistungen gibt es nicht. Man kann auch dem Windrade eine konstante Drehzahl atifz«ringen, was durch die Anbringung von Stör- oder Bremsflächen an die Flügel, durch verdrehbare Flügel oder durch Veränderung der wirksamen Flügelfläche möglich ist. Diese Maßnahmen aber verschlechtern die aerodynamischen Eigenschaften des Windrades, komplizieren und verteuern die Konstruktion und setzen den Wirkungsgrad und die Lebensdauer des Windrades herab. Für die unmittelbare Erzeugung von Drehstrom aber sind diese Regelungsarten nicht empfindlich genug.
• Schon B e t z weist in seinem 1926 erschienenen Buch ;;Windenergie und ihre Ansnutzung durch Windmühlen« (S.52) auf die bei Windkraftgroßanlagen normaler Bauart auftretenden Getriebeschwierigkeiten hin, ohne eine radikale Abhilfe dieser Schwierigkeiten anzugeben. Desgleichen Honnef in seinem 1932 herausgebrachten Buch :@Windkraftu-erl-:e« (S. 27). Die im Schrifttum bekanntgewordenen Preßluft erzeugendem: Windkraftanlagen haben, soweit sie überhaupt dem stark schwankenden Leistungsanfall Rechnung tragen, ihre Kompressoren am Erdboden zu stehen. Die Zwischengetriebe sind also nicht vermieden worden. Je nach Windstärke sollen diese Kompressoren durch Kupplungen getrennt oder verbunden. «erden. Bei guter Angleichung der Belastung an die jeweilige WindradIelstung wären zahlreiche Kompressoren und Kupplungen vorzusehen. Kupplungen sind aber für intermittierenden Betrieb denkbar ungeeignete Maschinenelen iente.
• Die vorliegende Erfindung veranschaulicht eine Windkraftanlage, mit der diese Schwierigkeiten überwunden werden.
• Die Fig. i und 2 stellen ein Ausführungsbeispiel dar, und zwar zeigen Fig. i .einen Längsschnitt, Fig.2 einen Querschnitt der Windkraftanlage.
• Das Windrad 3 in Fig. i ist ein Schnellläufer mit vier Flügeln. Die Flügel sind in bezug auf Abmessungen, Schränkung und Profilierung den Gesetzen der Aerodynamik :entsprechend geformt. Das Windrad mit der luvseitigen Nabe 6 ist mit Wälzlagern auf der Windradachse 2 gelagert. Die gesamt; Nabenverkleidung bildet einen windschnittigen Körper mit sehr geringem Widerstand im Luftstrom. An der Stirnseite der festen, leeseitigen Nabe ist ein Stern von Preßluftzylindern -. befestigt. An den nach innen gerichteten Zylinderköpfen befinden sich die Ein- und Auslaßventile. Jedem Zylinder zugeordnet ist ein Kolben mit nach außen führender Kolbenstange. Schraubenfedern 14. ziehen die Kolben in ihre äußere Totlage, wobei sie durch die hohle Windradachse und die Ansaugleitung gefilterte Luft 15 in die Zylinder saugen. An den äußeren Enden der Kolbenstangen befinden sich in Wälzlagern laufende Rollen 16. An dem mit dem Windrad umlaufenden Nabenkörper 6 ist eine Kurvenscheibe 5 befestigt, die den Zylinderstern konzentrisch umfaßt. Bei drehendem Windrad wälzen sich die Rollen 16 auf der Kurvenscheibe 5 ab und drängen die Kolben mit einer gewünschten Phasenverschiebung in ihre innere Totlage, wobei die Luft komprimiert und in die Druckleitung 17 gefördert wird. Der in dieser Anordnung neuartige Kompressor vermeidet das Leiten des unverhältnismäßig großen Drehmomentes zur Arbeitsmaschine über Wellen und Zahnräder, die bei großen Anlagen allein schin eine technische Unmöglichkeit darstellen. Er ist drehzahlunabhängig und kann jede beliebige auftretende Windradleistung aufnehmen.
• Die Windradachse 2 ist auf dem Mast i schwenkbar gelagert. Es können natürlich auch mehrere Windräder zu einem Schwenkteil zusammengefaßt und drehbar auf einem Mast gelagert werden. Im leeseitigen Nabenkörper 18 sind die Steuerungsorgane untergebracht. Sie bestehen in der Hauptsache aus einem ersten Fliehkraftregler 7, der vom Windrad angetrieben wird und dessen Drehzahl entsprechend ausschlägt, und einem zweiten Fliehkraftregl-er 8, der durch die hohle Windradachse 2 hindurch von einem vor dem Windrad befindlichen Schalenkreuz g angetrieben wird und der Windgeschwindigkeit entsprechend ausschlägt. Die Muffen beider Regler sind durch einen Schwinghebel to verbunden, an dem die Steuerstange i i angreift, die über einen Winkelhebel den Steuerkolben eines Mehrwegeventils 12 betätigt, der je nach Leistungsanfall des Windrades mehr oder weniger Saugkanäle 13 absperrt und damit die Fördermenge ändert. Der Regler 7 bewirkt mit zunehmender Drehzahl Abbremsung, der Regler 8 Beschleunigung des Windrades. Beide Regler arbeiten einander entgegen und sorgen dafür, daß das Windrad stets mit dem richtigen Schnelläufigkeitsgrad, also mit dem günstigsten Leistungsbeiwert, arbeitet. Legt man die genannten Bedingungen, daß nämlich das Windrad Windgeschwindigkeiten von 3 bis 12 m/s voll ausnutzen soll, zugrunde, so hat die Maximalgeschwindigkeit den vierfachen Wert der Minimalgeschwindigkeit, Die Maximalleistung, die proportional t:# zunimmt, den 4 @ vierundsecliziäfachen Wert der Minimalleistung. Bei Regelung der Belastung durch Veränderung der Fördermenge und gleiche Förderhölle vorausgesetzt bedeutet dies, daß das maximale Hubvolumen das Sechzehnfache des minimalere Hubvolumens beträgt, denn viermal so groß ist das Volumen schon durch die erhöhte, der Windstärke von i 2 m/s entsprechenden Drehzahl. Es wären also mindestens sechzehn Zylinder im Stern anzuordnen, die durch Unterbinden des Ansaughubes von seiten des Mehrwegeventils außer Tätigkeit gesetzt werden können. Mit Hilfe dieser Steuerung paßt sich der Kompressor auta,-matisch der günstigsten Leistungsabgabe des Windrades kontinuierlich an.
• Der der erzeugten Preßluft innewohnende Energieinhalt kann in jeder gewünschten Weise zur Arbeitsleistung herangezogen werden.

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Großwindkraftwerk mit an der Spitze eines Mastes um eine horizontale Achse umlaufendem Windrad zur unmittelbaren Erzeugung von Druckluft, gekennzeichnet durch die Verwendung einer an sich bekannten Sternzylindermaschine mit Steuerung der Kolbenbewegung durch eine die Zylinder (4) konzentrisch umfassende Kurvenscheibe (5), wobei die Kurvenscheibe an dem mit dem Windrad umlaufenden Nabenkörper (6) befestigt ist.
2. 2. Großwindkraftwerk nach Anspruch i mit selbsttätiger Regelung unter Zuhilfenahme zweier Fliehkraftregler und eines deren Muffen verbindenden eHebelgestän ges, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Fliehkraftregler (7) vom Windrad und der andere (8) von einem Schalenkreuz. (9) angetrieben wird und daß an einem die Muffen der Regler verbindenden Sch-,vinghebel (i o) eine Steuerstange (i i ) angreift, durch welche in Abhängigkeit von dem jeweiligen Leistungsanfall über ein Mehrivegeventil (12) die Saugkanäle (13) der Zylinder entsprechend absperrbar sind. Zur Abgrenzung des Anmeldungsgegenstandes vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren in Betracht gezogen worden: deutsche Patentschrift Nr. 357 583, 379 292, 399218, 417088, 536663, 6o1 536, 621849, 629414, 632319; schweizerische Patentschrift . . Nr. 186 634; französische 488213, 683949, 688774, 715o89; britische Patentschrift ..... - 133 789; amerikanische - ..... - 903374, 947 480, 1 015 416, 1 812 137, 2 112 633, 2.176 857, 2 136- 986.