DE858530C - Regel- und Sicherheitseinrichtung fuer Windkraftanlagen - Google Patents

Regel- und Sicherheitseinrichtung fuer Windkraftanlagen

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DE858530C
DE858530C DEN1385D DEN0001385D DE858530C DE 858530 C DE858530 C DE 858530C DE N1385 D DEN1385 D DE N1385D DE N0001385 D DEN0001385 D DE N0001385D DE 858530 C DE858530 C DE 858530C
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DE
Germany
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wind
rose
hollow shaft
bevel gears
vane
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Expired
Application number
DEN1385D
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English (en)
Inventor
Dimitry Dipl-Ing Stein
Richard Triller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NORDWIND GmbH
Original Assignee
NORDWIND GmbH
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03DWIND MOTORS
    • F03D7/00Controlling wind motors 
    • F03D7/02Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/0204Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor for orientation in relation to wind direction
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/72Wind turbines with rotation axis in wind direction

Description

  • Regel- und Sicherheitseinrichtung für Windkraftanlagen Die vorliegende Erfindung betrifft eine Regel-und Sicherheitseinrichtung für Windkraftanlagen, bei denen gleichzeitig Windfahne und Windrose vorhanden 'sind. Zweck der Erfindung ist das richtige Einstellen des Flügelrades in die jeweilige Windrichtung und das rechtzeitige Abdrehen aus der Windrichtung bei Sturm. Die Verwendung von Windfahnen zur Einstellung in die Windrichtung ist bekannt, führt jedoch bei größeren Anlagen mit etwa über 6 bis 8 m Flügelraddurchmesser zu überaus großen Abmessungen für die Fahne bei im Hinblick auf die Sturmsicherheit notwendiger sehr stabiler und dementsprechend. teurer Konstruktion. Außerdem treten bei böigen Winden Stöße auf, die leicht zum Lösen von Verbindungsteilen führen. Man hat deshalb schon vorgeschlagen, Windkraftanlagen mit seitlichen Windrosen zu versehen, die über einen Zahnkranz den schwenkbaren Kopfteil mit dem Flügelrad bewegen. Eine solche Einstellungsweise arbeitet stetiger als eine Windfahne und fordert naturgemäß einen wesentlich geringeren Materialaufwand. Allerdings hat sie den großen Nachteil, daß die Windrose sich erst bei verhältnismäßig starker Änderung der Windrichtung in Bewegung setzt, weil die Windrose erst genügend vom Wind beaufschlagt werden muß, um anlaufen zu können. Infolgedessen wird diese Einstellungsweise auf Windrichtungssprünge bis zu 30'° kaum ansprechen, was insbesondere bei schwachen Winden erhebliche Leistungsverluste bedingt.
  • Man hat auch schon versucht, gleichzeitig eine Windfahne und eine Windrose anzubringen, ohne indessen die geschilderten Schwierigkeiten überwinden zu können. Vor allem aber haftet allen diesen bekannten Einrichtungen der Nachteil an, daß sie zwar zur Einstellung des Flügelrades in die jeweilige Windrichtung Verwendung finden können, d-aß sie jedoch nicht in der Lage sind, gleichzeitig auch als Sicherheitseinrichtung zu dienen, die bei Sturm das. Flügelrad rechtzeitig aus der Windrichtung abdreht. Hier setzt die Erfindung ein, die es ermöglicht, mit einem verhältnismäßig einfachen Mechanismus beide Aufgaben gleichzeitig zu erfüllen:. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß neben einer Vordrehwindrose zusätzlich eine Abdrehwindrose vorgesehen ist, die beide mit einem Windrad und einer Windfahne über Zwischengetriebe derart zusammenarbeiten, daß die Windfahne bereits bei kleinen. Änderungen der Windrichtung die Stellung der Vordrehwindrose genügend verändert, um letztere vom Wind .beaufschlagt in Tätigkeit zu setzen, während die Abdrehwindrose bei Überschreitung einer vorher bestimmten. Höchstgeschwindigkeit die Stellung der Windfahne auch bei gleichbleibender Windrichtung ändert und damit ebenfalls die Tätigkeit der Vordrehwindrose auslöst. Es empfiehlt sich dabei, die Bewegung der Fahnendrehachse mittels einer Zahnradübersetzung od. dgl. auf eine senkrechte Hohlwelle zu übertragen, auf welcher die Vordrehwindrose fest angebracht ist. Bei Wahl eines Übersetzungsverhältnisses von i : 2 genügt dann z. B. bereits eine Änderung der Windrichtung um nur 15°, damit die Bewegung der Windfahne die Vordrehwindrose gleich um 3ö° dreht, so daß der Wind nunmehr die Vordrehwindrose unter einem Winkel v01145' trifft.
  • Zweckmäßig wird bei Tätigkeit der Vordrehwindrose über ein Zwischengetriebe eine senkrechte Welle mit einem Ritzel angetrieben, das mit einem am Turmgerüst angebrachten Zahnkranz kämmt und dabei den schwenkbaren Turmkopf dreht, d. h. die Tätigkeit der Vordrehwindrose dreht den Turmkopf mit dem Flügelrad in die jeweilige Windrichtung ein. Bei Tätigwerden der zusätzlichen Abdrehwindrose, die durch Feder, Gewicht od. dgl. bis zum Erreichen einer vorher bestimmten Windgeschwindigkeit festgehalten wird, treibt vorteilhaft ein weiteres Zwischengetriebe eine Außenhohlwelle an, in der sich die die Vordreliwindrose tragende Hohlwelle befindet; dadurch ändert sich die Stellung der vorzugsweise mit der Außenhohlwelle verbundenen Tragkonstruktion für die Windfahne, die Windfahne schlägt also aus, als ob die Windrichtung sich geändert hätte. Die Folge davon ist, daß sie über ihre Drehachse auf die die Vordrehwindrose tragende Hohlwelle einwirkt und damit ebenfalls die Vordrehwindrose in Tätigkeit setzt, so daß der Turmkopf mit dem Flügelrad dieses Mal aus der Windrichtung herausgedreht wird.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind nachstehend an Hand des in der Zeichnung dargestellten schematischen Ausführungsbeispiels beschrieben.
  • Windrad A, Windfahne B, Vordrehwindrose C und Abdrehwindrose D arbeiten über Zwischen-Betriebe derart miteinander, daß bereits bei kleinen Änderungen der Windrichtung die Windfahne B die Stellung der Vordrehwindrose C zum Wind genügend verändert, um die Vordrehwindrose C vom Wind beaufschlagt in Tätigkeit zu setzen, die infolgedessen das Windrad A in die neue Windrichtung einstellt. Die Abdrehwindrose D tritt in Tätigkeit, wenn eine vorher bestimmte Höchstgeschwindigkeit des Windes überschritten wird; sie verstellt über die Windfahne B ebenfalls die Stellung der Vordrehwindrose C wie bei Änderung der Windrichtung, so daß in diesem Fall das Windrad A aus dem Wind herausgedreht wird.
  • Die Flügelträgerwelle i des Windrades A ist in üblicher Weise in einem schwenkbaren Kopfteil e des festen Turmgerüstes 3 gelagert und arbeitet über Kegelräder d, 5 auf eine senkrechte Welle 6 zum Antrieb der angeschlossenen Energieverbraucher. Im Kopfteile sind an der dem Flügelträger i entgegengesetzten Seite zwei Träger, z. B. U-Eisen 7, 8, befestigt. In den Trägern 7, 8 ist mittels der Drucklager 9, 1o eine Außenhohlwelle i i gelagert, in welcher sich eine innere Hohlwelle 12 befindet, die durch Lager 13, 14 gegen die Außenhohlwelle i i abgestützt ist. Die innere Hohlwelle 12 trägt unten ein Zahnrad 15, während oben auf ihr die Vordrehwindrose C angeordnet ist.
  • An der Außenhohlwelle i i sind Tragarme 16, 17 angebracht, die z. B. als Bandeisen angeschweißt sein können, welche in Lagern 18, i9 die Drehachse 2o der Windfahne B tragen. Die Drehachse 20 ist unten mit einem Zahnrad 21 versehen, welches mit dem Zahnrad 15 im Eingriff steht. Auf diese Weise wird die Bewegung der Fahne B über das Zahnradpaar 21, 15 auf die innere Hohlwelle 12 und damit auf die Vordrehwindrose C übertragen; letztere wird durch die Fahnenbewegung gedreht, und zwar wird der Fahnenausschlag durch geeignete Wahl der Zahnradübersetzung 21, 15 z. B. im Verhältnis i : 2 verstärkt.
  • Wenn die Vordrehwindrose C sich in Betrieb setzt, übertragen Kegelräder 22, 23 die Bewegung auf die in der inneren Hohlwelle 1,2 angeordnete eigentliche Innenwelle 24 und die Kegelräder 25, 26 sowie über die waagerechte Welle 27 und weitere Kegelräder 28, 29 auf die senkrechte Welle 3o, an deren Ende ein Ritzel 31 sitzt, das mit dem Zahnkranz 32 am Turmgerüst 3 kämmt und den TurmkOpf 2 in Drehung versetzt.
  • Die Abdrehwindrose D tritt bei einer bestimmten mittels Feder, Gewicht od. dgl. einstellbaren Windgeschwindigkeit in Tätigkeit; sie dreht über Kegelräder 33, 34. die senkrechte Welle 35, die in den Trägern 7 und 8 gelagert ist, weiter über die Kegelräder 36,_37 die waagerechte Welle 38, die weiteren Kegelräder 39, 40 und damit die Außenhohlwelle i i, auf der das Kegelrad .1o sitzt, und zusammen mit der an ihr befestigtenTragkonstruktion 16, 17 die Fahne B. Bei Drehung der Fahne B erfolgt Drehung der Vordrehwindrose C und damit des Windrades A, wie vorher beschrieben. Durch Betätigung eines Seilzuges .I1 kann die Drehung der Fahne B auch von Hand vor sich gehen. `'Weht der Wind in Richtung der Flügelwelle i, so wird auch die Fahne B mit der Flügelwelle i eine Linie bilden, während die Vordrehwindrose C völlig aus dem Wind herausgedreht ist und stillsteht. Ändert der Wind die Richtung im Uhrzeigersinn beispielsweise um i5°, so schlägt die Fahne B ebenfalls um 15'°' in Uhrzeigerrichtung aus, wodurch sich bei einer Zahnradfibersetzung 21, 15 im Verhältnis 1 : 2 die Vordrehwindrose C gegen den Uhrzeiger um 3o'°' dreht. Auf diese Weise trifft der Wind die Vordrehwindrose C bereits in einem Winkel von 45°, so daß sie sich trotz der verhältnismäßig kleinen Änderung der Windrichtung in Betrieb setzen und über die Zahnradpaare 22, 23 bis 31:, 32 den Turmkopf 22 mit dem Flügelrad A in die neue Windrichtung einstellen wird, wobei die Windfahne B ihre normale Stellung wieder einnimmt. Der Ausschlag der Fahne B um ihre Drehachse 2o ist durch einen gefederten Anschlag 42 auf etwa 200 nach jeder Seite begrenzt.
  • Ändert der Wind die Richtung entgegen .dem Uhrzeiger, so wird die Vordrehwindrose C sich im Uhrzeigersinn drehen und dem Wind die andere Seite zuwenden, wodurch entgegengesetzte Drehung der Vordrehw indrose C und somit auch des Turmkopfes z auf die beschriebene Weise erfolgt.
  • Bei plötzlichem Umspringen des Windes in die entgegengesetzte Richtung oder wenn nach einer Flaute der Wind aus der entgegengesetzten Richtung wiederkommt, wird durch eine brettartige Vorrichtung 43 od. dgl. die Windfahne B festgesetzt, indem das vom Wind beaufschlagte Brett 43 über ein Gestänge od. dgl. eine geeignete Sperrvorrichtung an der Drehachse 2o auslöst. Die Sperre dauert so lange, bis eine Drehung um mehr als gov` erfolgt ist und das Brett 43 infolgedessen von -der entgegengesetzten Seite beaufschlagt wird; dann wird die Sperre gelöst und die Fahne B wieder freigegeben.
  • Wird der Wind bei aufkommendem Sturm so stark, beispielsweise über io m/s, daß das Drehmoment der Abdrehwindrose D die Kraft einer Feder oder eines Gewichtes überwiegt, so wird sie über die Zahnräderpaare 33, 34 bis 39.4o die Auß°nhohlwelle i i samt Windfahne B und Vordrehwindrose C im Uhrzeigersinn schwenken. Die Fahne B ist jedoch bestrebt, in der Windrichtung zu bleiben, wodurch sich dieVordrehwindrose C im Uhrzeigersinn dreht und durch ihre Übersetzung i : 2 zur Fahne B dem Wind Fläche darbietet. Sie wird sich in Bewegung setzen und den Turmkopf 2 gegen den Uhrzeiger aus dem Wind herausdrehen, wodurch Flügelwelle i unC Turmgerüst 3 entlastet werden. Je stärker der Wind wird, um so mehr wird aus dem Wind gedreht. Bei 'Nachlassen der Windgeschwindigkeit sorgt z. B. eine Rückholfeder oder ein Gewicht dafür, daß Fahne B und Vordrehwindrose C zurückgezogen werden, wodurch der Turmkopf 2 wieder mehr in. den: Wind gestellt wird.
  • Die Sicherheitseinrichtung kann auch von Hand betätigt und zum Stillsetzen der Windkraftanlage benutzt werden, indem mittels Seilzuges 41 von Hand aus die Vordrehwindrose C bis zu 9ö° geschwenkt wird. Flügelrad A, Windfahne B, Vordrehwindrose C und Abdrehwindrose D liegen dann sämtlich in Windrichtung (Sturmstellung).
  • Die beschriebene Regel- und Sicherheitseinrichtung ermöglicht durch Benutzung ein und desselben Mechanismus gleichzeitig das richtige Einstellen des Flügelrades einer Windkraftanlage in die jeweilige Windrichtung auch bei schwachen Änderungen desselben sowie das selbsttätige Abdrehen des Flügelrades aus der Windrichtung bei aufkommendem Sturm. Gleichzeitig werden die -achteile der bekannten Windfahnenregelung vermieden, indem lediglich eine kleine Hilfsfahne dazu dient, eine Vordrehwindrose soweit zu verstellen, daß sie genügend vom Wind beaufschlagt wird. Eine ständige Wartung der Anlage ist nicht erforderlich, weil bei achterlichem Wind die Verriegelung der Windfahne dafür sorgt, daß schädliches Pendeln nicht eintreten kann. Das Flügelrad wird in diesem Ausnahmefall ohne schädliche Folgen, einfach von der Leeseite des Turmes betrieben bis nach einer Drehung von über 9o° die Verriegelung sich selbständig löst, wobei dann die Fortsetzung des Normalbetriebes erfolgt.

Claims (6)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Regel- und Sicherheitseinrichtung für Windkraftanlagen, bei denen gleichzeitigWindfahne und Windrose vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß neben einer Vordrehwindrose (C) zusätzlich eine Abdrehwindrose (D) vorgesehen ist, die beide mit einem Windrad (A) und einerWindfahne (B) über Zwischengetriebe (21,15; 22,23; 25,26; 28,29; 31,32 bzw. 33, 34; 36,37; 39,40; 21,i5) derart zusammenarbeiten., daß die Windfahne (B) bereits bei kleinen Änderungen der Windrichtung die Stellung der Vordrehwindrose (C) genügend verändert, um letztere vom Wind beaufschlagt in Tätigkeit zu setzen, während die Abdrehwindrose- (D) bei Überschreitung einer vorher bestimmten Höchstgeschwindigkeit die Stellung der Windfahne (B) auch bei gleichbleibender Windrichtung ändert und damit ebenfalls die Tätigkeit der Vordrehwindrose (C) auslöst.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch, i, dadurch gekennzeichnet, daß- die Bewegung der Fahnendrehachse (20) mittels Zahnräder (21, 15) od. dgl. vorzugsweise übersetzt auf eine senkrechte Hohlwelle (12) übertragen wird, auf welcher die Vordrehw indrose (C) fest angebracht ist.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Tätigkeit der Vordrehwindrose (C) über ein Zwischengetriebe, beispielsweise über Kegelräder (22, 23), eine in der Hohlwelle (12) angeordnete Innenwelle (2.1.), weitere Kegelräder (25, 26), eine waagerechte Welle (27) und über weitere Kegelräder (28, 2g), eine senkrechte Welle (30) angetrieben «-erden, auf welcher ein Ritzel (31) vorgesehen ist, das mit einem am festen Turmgerüst (3) angebrachten Zahnkranz (32) kämmt und dabei den schwenkbaren Turmkopf (2) dreht.
  4. 4.. Einrichtung nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Tätigkeit der Abdrehwindrose (D), die durch Feder, Gewicht od. dgl. bis zum Erreichen einer vorher bestimmten Windgeschwindigkeit festgehalten wird, bei Überschreiten dieser Höchstgeschwindigkeit über ein Zwischengetriebe, beispielsweise über Kegelräder (33, 34), eine senkrechte Welle (35), weitere Kegelräder (36, 37), eine waagerechte Welle (38) und über weitere Kegelräder (39, 4o), eine Außenhohlwelle (ii), in welcher sich die die Vordrehwindrose (C) tragende Hohlwelle (i2) befindet, angetrieben wird, wodurch sich die Stellung der vorzugsweise mit der Außenhohlwelle (i i) verbundenen Tragkonstruktion (i6, 17) für die Windfahne (B) ändert, so daß letztere über ihre Drehachse (20) auf die Hohlwelle (I2) einwirkt und damit die Vordrehwindrose (C) in Tätigkeit setzt.
  5. 5. Einrichtung nach Anspruch i bis 4., dadurch gekennzeichnet, daß eine vom Wind beaufschlagte brettartige od. dgl. Fläche (q.3) über ein Gestänge die Windfahne (B) in Bezug auf ihre Drehachse (2o) feststellt und verriegelt, wobei diese Verriegelung nach Drehung von über 9o° bzw. nach Beaufschlagung der Fläche (43) von der entgegengesetzten Seite her wieder gelöst wird.
  6. 6. Einrichtung nach einem der Ansprüche i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der seitliche Ausschlag der Fahne (B) um ihre Drehachse (2o) durch federnde Anschläge (42), z. B. infolge von Puffern, begrenzt ist.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1505299A1 (de) * 2003-08-07 2005-02-09 Fuji Jukogyo Kabushiki Kaisha System zum Ausrichten einer Windturbine
WO2019001671A1 (en) * 2017-06-28 2019-01-03 GADE, Jonas WIND TURBINE

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