-
Windkraftanlage Bereits seit mehreren Jahrzehnten sind mechanischeWindkraftanlagen,
vielfach als Windmotoren bezeichnet, bekannt. Diese Anlagen finden sich hauptsächlich
in der Landwirtschaft, wo sie zum Antrieb von Ent- und Bewässerungswerken sowie
von einfachen Maschinen verwendet werden. Der Nachteil dieser Windmotoren besteht
vor allem in der sehr erheblich schwankenden Drehzahl, die den .dauernden Windgeschwindigkeitsschwankungen
folgt. Damit ändert sich auch die jeweils vom Windmotor abgegebeneLeistumg. Weiterhin
können diese mechanischen Windkraftanlagen ;den Wind üblicherweise erst bei Windgeschwindigkeiten
über 5 m/s ausnutzen, wodurch in den meisten europäischen Gebieten mit Ausnahme
der Küstengebiete über die Hälfte der herrschenden Winde ausfallen. Es besteht bei
diesen Windmotoren keine Speichermöglichkeit, so daß man bei solchen Anlagen gezwungen
ist, sich möglichst genau den herrschenden Windverhältnissen anzupassen, was jedoch
selbst bei dauernder Wartung nur in beschränktem Umfang möglich ist. Insbesondere
aus diesen Gründen scheiden mechanische Windkraftanlagen in den Fällen als Antriebsmaschinen
aus, in denen eine bestimmte Drehzahlkonstanz verlangt wird, wie dies bei üblichen
Arbeitsmaschinen regelmäßig der Fall ist.
-
Um gerade diesem letztgenannten Umstand Rechnung zu tragen, sind elektrische
Windkraftanlagen, die sogenannten Windkraftwerke, entwickelt worden. Bei diesen
Anlagen ist das Windrad mit einem Gleichstromgenerator gekuppelt, der
die
mechanische Energie in elektrische Energie umformt und einer Akkumulatorenbatterie
zuführt, an die die Verbraucher angeschlossen sind. Durch diese Anordnung besteht
die Möglichkeit, Arbeitsmaschinen mit etwa konstanter Spannung und dementsprechend
auch konstanter Drehzahl anzutreiben. Jedoch ist auch hier eine.Ausnutzung der kleinen
Windgeschwindigkeiten nicht möglich, da der Generator im allgemeinen die zum Laden
der Batterie erforderliche Klemmenspannung erst bei q. bis 5 m/s Windgeschwindigkeit
erreicht. Bei einer solchen Betriebsweise fängt die Batterie alle Leistungsspitzen
auf und: wird daher sehr stärk beansprucht, wodurch ihre Lebensdauer erheblich herabgemindert
wird. Da die Batterie aus wirtschaftlichen. Gründen nur klein ausgeführt werden
kann, wind sie bei den großen, meist stoßweise auftretenden Windgeschwindigkeiten
bald voll aufgeladen sein, so daß dann die Winde nicht mehr ausnutzbar sind. Die
Verluste sind bei einer solchen Betriebsweise sehr erheblich. Bei Berücksichtigung
der mechanischen und elektrischen Verluste in Ge-
triebe, Generator und Batterie
kommt man auf einen Gesamtwirkungsgrad der ausgenutzten Windenergie von wenig über
50%: Eine weitere Schwierigkeit auch der neuzeitlichen Windkraftwerke liegt in der
erforderlichen Regeleinrichtung, die unabhängig von der Windgeschwindigkeit und
von der Belasitung im allgemeinen leine konstante Drehzahl einhalten soll und die
durch ihren. meist sehr komplizierten Aufbau eine erhebliche Störanfälligkeit bedingt.
-
Es sind auch schon Windkraftanlagen bekannt, bei denen gleichzeitig
eine mechanische Pumpe und ein elektrischer Generator von einem Windrad angetrieben
werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Windkraftanlage, die
gleichzeitig mechanische und elektrische Energieverbraucher antreibt, eine besonders
einfache Drehzahlregelung zu schaffen. Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß als elektrischer Verbraucher eine für Generator- und Motorbetrieb eingerichtete.
Elektromaschine dient, die bei Überschreiten der Solldrehzahl ,des Windrades als
Generator auf einem Speicher arbeitet und bei Unterschreiten der Solldrehzahl als
aus dem Speicher gespeister Motor die mechanischen Energieverbraucher antreibt.
Weitere vorteilhafte Merkmale der erfindungsgemäßen Betriebsweise ergeben sich aus
der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das an Hand der zugehörigen
Zeichnung erläutert ist.
-
Wird. angenQmmen, daß die im Wind enthaltene Leistung im Zeitpunkt
der Betrachtung gerade der Nennleistung der angeschlossenen mechanischen Maschinen
zuzüglich der Reibungsverluste entspricht und daß,die Hauptwelle mit der Nenndrehzahl
umläuft, so wird die Gleichstrommaschine 6 einfach leer mitlaufen. Steigt dieWindgegchwin#digkeit
über den bisherigen Wert an, so wird sich der Leitungsüberschuß bei konstanter mechanischer
Belastung in einer Drehzahlerhöhung auswirken. Damit steigt aber die Spannung der
Gleichstromma-sschine über die Batteriespannung, so daß diese Leistung aufnehmen
und Strom in die Batterie 15 schicken wird (Generatorbetrieb). Die Drehzahl der
Anlage erhöht- sich hierbei nur wenig, da mit zunehmender Spannung der Widerstand
der Batterie sinkt, so daß, eine geringere Spannungs- (Drehzahl-) Erhöhung genügt,
um die überschüssige Leistung aufzunehmen. Sinkt nunc die Windgeschwindigkeit unter
Iden Nennwert, so fällt auch die Drehzahl und damit die Spannung der Gleichstrommaschine.
Es fließt also ein umgekehrter Strom von der Batterie 15 zur Gleichstrommaschine,
die nunmehr als Motor arbeitet und die fehlende Windenergie aus der Batterie usw.
entnimmt. Irgendwelche Regeleinrichtungen sind nicht notwendig, da sich für jedenZustand
ein Gleichgewicht einstellt. Die Drehzahlschwankungen der Verbundwindkraftanlage
richten sich demnach nach der Kennlinie der elektrischen Maschine.
-
Bei einer üblichen Gleichstromnebenschlußmaschine ändert sich beispielsweise
die Drehzahl von Leerlauf auf Vollast um io%. Die bei maximalen Windstößen auftretenden
Drehzahlschwankungen von Windstille (Motor vollbelastet) bis Grenzwindstärke, bei
der die Regeleinrichtung anspricht (Generator vollbelastet), betragen also dann
± io%. Praktisch treten plötzliche Windgeschwin:digkeitsänderungen von o bis 8 m/s
bei mittleren Windstärken kauen auf, vielmehr pulsiert der Wind etwa, bei einer
mittleren Geschwindigkeit von q. Ibis 5 m/s zwischen 3 und 6 m/s. Bei derartigen
Änderungen schwiankt die Drehzahl der Verbundanlage um ± z bis 3 0/0. Darüber hinaus
kann die Drehzahländerung durch entsprechende Auslegung der elektrischen Maschine
nach den zu erfüllenden Bedingungen beeinflußt werden. Damit wird eine Drehzahlkonstanz
erreicht, die auch den Anforderungen an einen gleichmäßigen Antrieb, wie sie heute
bei. modernen Arbeitsmaschinen gestellt werden, genügt.
-
Neben dem grundlegenden Vorteil einer mit beliebiger Genauigkeit eingehaltenen
Drehzahl ermöglicht die Verbundwindkraftanlage einen gleichmäßigen, Betrieb bei
schwankenden Windverhältnissen und insbesondere eine Ausnutzung der kleinen Windgeschwindigkeiten,
die sonst durchgelassen werden müssen. Die abgegebene mechanische Leistung setzt
sich bei geringen Winden aus der Windleistung, die allein zum Antrieb der angeschlossenen
mechanischen Maschinen nicht ausreichen würde, und aus der Batterieleistung zusammen.
-
Bei größeren Windgeschwindigkeiten verteilt sich die Windleistung
auf die angeschlossenen mechanischen Maschinen und auf die Akkumulatorenbatterie.
Damit ist also his zu der eingestellten Windgeschwindigkeit, bei der die Regeleinrichtung
der Flügel anspricht und eine weitere Leistungsaufnahme verhindert, -die restlose
Ausnutzung des Windes gewährleistet.
-
Eine solche Anordnung hat, wie aus den bisherigen Ausführungen schon
hervorgeht, weiterhin für die Regeleinrichtung den großen Vorteil, daß
diese
normalerweise erst bei der Grenzwindgeschwindigkeit, z. B. bei 8 m/s, in Tätigkeit
tritt. Die Regelaufgaben, und zwar sowohl die Drehzahl- als auch die Leistungsregelung,
die bei den Anlagen von dem Regler bewältigt werden- müssen, werden also von dem
elektrischen Teil ausgeführt. Dabei erfolgt die Leistungsregelung im Gegensatz zu
.den bestehenden mechanischen und elektrischen Windkraftanlagen, wo in Abhängigkeit
von der Windleistung und der Belastung durch eine Flügelverdrehung oder ähnliche
Maßnahmen eine Leistungsänderung bewirkt wird, verlustlos. Die eigentliche Regeleinrichtung,
die aus, den erwähnten Gründen bei vielen Windkraftanlagen außerordentlich kompliziert
ausgeführt ist, kann daher, wie im vorliegenden Fall, z. B. .durch die einfachen
und stabilen Drehhecks ersetzt werden, die lediglich bei Überschreitung einer bestimmten
Leistung ansprechen.
-
Vorzugsweise kann die Batterie der Verbundanlage in Einheiten: unterteilt
sein, die wahlweise unter sich parallel oder in Reihe geschaltet werden können.
Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, daß schon bei einer niedrigeren Klemmenspannung,
dies bedeutet also schon bei geringeren Windstärken, eine Aufladung der Batterieeinheiten
erfolgen kann. Von dieser Möglichkeit wird man, insbesondere nachts bei geringeren
Windstärken, Gebrauch machen, wenn der mechanische Teil der Verbundanlage abgeschaltet
ist. Außerdem ermöglicht die Herabsetzung der Nenndrehzahl eine Ausnutzung .der
kleinen Windgeschwindigkeiten mit maximalem Leistungsbeiwert.
-
Der Aufban der Verbundanlage mach der Erfindung ist in der Zeichnung
als Ausführungsbeispiel erläutert. Vom Windrad i geht eine stehendeWelle2 zu einem
Kegelradgetriebe 3. Das senkrechte Kegelrad sitzt auf einer Welle q., die auf der
einen Seite an die Mühle 5 geht, wo die mechanischen Maschinen angetrieben werden.
Auf der anderen Seite wird. von der Welle ¢ eine Gleichstrommaschine 6 angetrieben.
Die Gleichstrommaschine, die sowohl als Generator als auch als Motor betrieben wird,
ist in Nebenschluß geschaltet und mit den notwendigen Sicherungsgliedern, Maßgeräten
u. dgl. (Anlasser 7, Nebenschlußreglier 8, Erregerwicklung 9, Trennschalter i o,
Sicherungen i i, Ampere-und Voltmeter 12, 13) ausgerüstet und arbeitet über das
Netz 14 auf eine Akkumulatorenbatterie 15, ,die in zwei Einheiten geteilt ist. Durch
den Umschalter 16 können die Batterieeinheiten entweder in Reihe oder parallel geschaltet
werden, so daß die Gleichstrommaschine mit halber Spannung arbeiten kann. Das Stromnetz
17, welches für den eigenen Bedarf des Besitzers der Anlage gedacht ist, kann wahlweise
mittels des Umschalters 18 an eine der Batteriehälften 15 angeschlossen werden.