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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.
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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.
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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.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind nachstehend an
Hand des in der Zeichnung dargestellten schematischen Ausführungsbeispiels beschrieben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.