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Windkraftanlage mit einem Wechselstromgenerator Die Erfindung bezieht
sich auf Windkraftanlagen, die mit einem Wechselstromgenerator ausgerüstet sind
und zur Speisung eines oder mehrerer Stromverbraucher, insbesondere Gleichstromverbraucher,
dienen.
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Es ist bekannt, für die Stromerzeugung in Windkraftanlagen Wechselstrom-
oder Gleichstromgeneratoren zu verwenden, deren Spannung in Abhängigkeit von der
Drehzahl des Generators mit Hilfe von Regelmitteln, wie z. B. Regelwiderständen
oder anderer bekannter Regelvorrichtungen, geregelt wird. Die bisher hierfür verwendeten
Generatoren wiesen Gleichstromkollektoren bei Gleichstrommaschinen oder Schleifringe
bei Wechselstrommaschinen auf. Deshalb ist es bei den bekannten Windkraftanlagen
erforderlich, die auf den Windtürmen stehenden Generatoren von Zeit zu Zeit nachzusehen
und zu überholen, um die Kontaktgabe der Kollektoren bzw. der Schleifringe sicherzustellen.
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Gegenstand der Erfindung ist eine durch Windkraft angetriebene Wechselstromgeneratoranlage,
bei der, abgesehen von gelegentlich betätigten Schaltern und Schaltschützen, bewegliche
Kontakte vermieden sind. Dies wird gemäß dem Hauptgedanken der Erfindung dadurch
erreicht, daß für den Generator ein keine beweglichen Kontakte, wie z. B. Schleifringe,
aufweisender Wechselstromgenerator
verwendet wird. Gemäß der Erfindung
wird weiter die Anordnung so getroffen, daß auch die Ladevorrichtung der zur Speicherung
der elektrischen Energie während windarmer Zeiten dienenden Batterie ebenfalls keine
beweglichen Regelkontakte aufweist.
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Schematische Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt.
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Abb. I zeigt schematisch den grundsätzlichen Aufbau eines elektrischen
Windkraftwerkes gemäß der Erfindung. Der Wechselstromgenerator besteht aus dem Rotor
I und dem beispielsweise zweiteiligen Stator 2. Der z. B. stabförmige Gestalt aufweisende
Rotor I ist aus hochmagnetisierungsfähigem Stahl hergestellt, so daß sich im rotierenden
Teil des Generators I keinerlei Schleifringe oder andere bewegliche Kontakte befinden.
Auf der Rotorachse befindet sich ein Getrieberad 3, welches von dem Windflügel 4
über das Getriebe 5 angetrieben wird. Der Stator 2 des Generators ist mit zwei Wicklungen
6 versehen, in denen durch die vom Rotor I ausgehenden elektrischen Kraftlinien
die Generatorspannung erzeugt wird. Die Anordnung kann auch derart getroffen sein,
daß der ruhende Teil 2 des Generators in dessen Mitte angeordnet ist, während der
rotierende Teil I mit dem Stahlmagneten sich in ringförmiger Anordnung außen befindet.
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Der der Generatorspannung zugeordnete Wechselstrom fließt über die
Leitungen 7 und über eine Drosselspule 8 zu der Primärwicklung 9 des Transformators
T. Der Transformator T speist mit seiner Sekundärwicklung I0 die Batterie II über
eine in Brückenschaltung geschaltete Gleichrichteranordnung 12, die aus Trockengleichrichtern
oder Metalldampfgleichrichtern aufgebaut sein kann. Zur Glättung des welligen Gleichstromes
ist die Glättungsdrossel 13 vorgesehen. Die Batterie 11 dient in dieser Anordnung
lediglich als Pufferbatterie bzw. als Reserveenergiespeicher, wenn die Drehzahl
des Generators 1, 2 zu hoch bzw. zu gering oder Null ist. An die Batterie 11 ist
bezw. sind der bzw. die Verbraucher 14 angeschlossen.
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Damit die Batterie 11 trotz der stark wechselnden Spannung und Frequenz
ständig vollgeladen bleibt und die im Windgenerator erzeugte Energie möglichst unmittelbar
dem Verbraucher 14 zugeführt wird, wird eine selbsttätige Spannungsregelung, vorzugsweise
auf der Wechselstromseite, vorgesehen. Diese erfolgt hier mittels Regelung der Gleichstromvormagnetisierung
der Drosselspule 8, auf deren Kern neben der Wechselstromwicklung noch die Gleichstromwicklung
15 angeordnet ist. Diese Wicklung 15 wird in Abhängigkeit von der Spannung der Batterie
11 über einen Kohledruckregler gespeist. Der Kohledruckregler besteht aus der Spannungswächterspule
17 (Feldspule) mit dem beweglichen Anker 21, der mechanischen Betätigungsvorrichtung
18 und der Kohleplattensäule 19, die durch Federn 16 und 20 einen vorbestimmten
Druck erhält. Die Feder 16 wirkt als Druckfeder und die über die Betätigungsvorrichtung
18 unter der Einwirkung des Ankers 21 stehende Feder 20 als Zugfeder. Bei absinkender
Spannung an der Feldspule 17 z. B. wird der Federzug größer, die Feder 20 zieht
den Anker 21 hoch und drückt die Kohlesäule 19 zusammen. Hierdurch wird der elektrische
Widerstand der Kohlesäule 19 geringer und demzufolge der Stromfluß in der Vormagnetisierungswicklung
15 der Drossel 8 größer. Somit wird auch die Drosselwiderstandswirkung verringert,
so daß die Ladespannung der Batterie 11 steigt. Bei zu hoher Spannung an der Spannungswächterspule
17 wird dagegen der Anker 21 stärker in die Spule 17 hineingezogen, und es dehnt
sich demzufolge die Kohlesäule 19 aus. Das heißt der Widerstand der Kohlesäule 19
wächst, wodurch die Drosselwiderstandswirkung der Spule 8 vergrößert wird, was ein
Fallen der Ladespannung zur Folge hat.
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Die Speiseleitungen 22 für die Spannungswächterspule 17 sind in dem
dargestellten Ausführungsbeispiel unmittelbar an die Batteriespannung 11 gelegt.
Die Spannungsregelung erfolgt dann entsprechend der allmählichen Veränderung der
Spannung der Batterie 11 in gleicher Weise allmählich. Eine schnellere Wirksamkeit
der Ansprechmöglichkeit für die Feldspule 17 des Spannungswächters erzielt man,
wenn man die Leitungen 22 an die bei 33 angedeuteten Stromzuführungen zum Transformator
T anschließt. Eine weitere Möglichkeit zur Spannungsregelung besteht darin. daß
in dem vom Gleichrichter kommenden und zur Batterie führenden Stromkreis eine Stromspule
vorgesehen wird, die den vom Windkraftgenerator kommenden Strom konstant hält. Die
Spule 17 muß in diesem Fall als Stromspule ausgebildet werden.
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Die vorstehend beschriebenen Regeleinrichtungen müssen so groß bemessen
sein, daß sie den natürlichen Schwankungen der Windstärke gewachsen sind. Das heißt,
wenn man eine Mindestwindstärke von 3 m/Sek. als unterste Grenze für die Drehung
der Windflügel 4 und eine durchschnittliche Höchstgeschwindigkeit von 7,5 bis 8
m/Sek. annimmt, so muß die Regelvorrichtung, bestehend aus der Kohlesäule 19 und
der Drosselspule 8, 15, so bemessen sein, daß bei einer Windgeschwindigkeit von
3 m/Sek. die der Batterie 11 zugeführte Spannung in gleicher Höhe eingestellt werden
kann wie bei der durchschnittlichen Höchstgeschwindigkeit von 8 m/Sek. Wenn damit
zu rechnen ist, daß noch größere Windstärken auftreten, dann können in bekannter
Weise am Windflügel unmittelbar mechanische Regelmittel vorgesehen werden, die ein
übermäßiges Anwachsen der Generatordrehzahl verhindern.
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Bei länger anhaltenden starken Windstärken kann der Fall eintreten,
daß die Batterie i i vollgeladen wird und die Verbraucher 1q. die iah Generator
1, 2 erzeugte Energie nicht voll beanspruchen. Um diesem Fall Rechnung tragen zu
können, ist es zweckmäßig, einen weiteren an die Batterie i i angeschlossenen Spannungswächter
2q. vorzusehen, der bei Erreichung der Sättigung der Batterie den Wechselstromgenerator
1; 2 selbsttätig mit
weiteren Stromverbrauchern belastet, welche
die überschüssige Windkraft beispielsweise durch Antreiben von Wasserhaltungsmaschinen
zur Speisung von elektrischen Heizanlagen u. dgl. mehr ebenfalls aufspeichern.
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Um auch dem entgegengesetzt gerichteten Fall Rechnung zu tragen, wenn
also die Windkraft auf bzw. unter einen Wert fällt, bei dem der Generator stillsteht
und die in der Batterie 11 gespeicherte Reserveenergie verbraucht ist, kann ein
dritter an die Batterie 11 angeschlossener Spannungswächter 27 verwendet werden,
der mit seinen Kontakten 28 selbsttätig ein elektrisches Reservenetz, beispielsweise
in Form eines besonderen Stromanschlusses oder einer Reservekraftmaschine in Form
eines Kraftstromgenerators, einschaltet.
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In Abb. 2 ist eine grundsätzlich der Anlage nach Abb. 1 entsprechende
Windkraftanlage dargestellt, bei der die Batterie 11 über einen Quecksilberdampfgleichrichter
12' an den Transformator T angeschlossen ist und die aber noch mit einer Vorrichtung
versehen ist, welche die Generatorspulen 6 in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit
selbsttätig in Reihe oder parallel schaltet. Die Windkraft kann dadurch noch besser
ausgenutzt werden. Der Taktgeber für die Umschaltung der Generatorspulen 6 ist der
an die Batterie II angeschlossene Spannungswächter 30, der bei zu niedriger Batteriespannung
seine Kontakte 31 öffnet. Bei höheren Batteriespannungen bzw. bei höheren Windstärken,
die beispielsweise mit 6 bis 7 m/Sek. angenommen sein mögen, werden die beiden Wicklungen
6 des Generators 1, 2 mit Hilfe des Schaltschützes 29 parallel geschaltet. Der übrige
Stromverlauf erfolgt dann über den Transformator T, den Quecksilberdampfgleichrichter
12' und die Batterie II analog der in Abb. I dargestellten Anlage. Fällt die Windgeschwindigkeit
für längere Zeiten, so fällt auch die Spannung der Batterie II unter einen vorgegebenen
Wert, und es tritt der Spannungswächter 30 in Funktion, d. h. dessen Anker fällt
nach unten, und seine Kontakte 31 öffnen sich, wodurch die Feldspule 32 vom Schaltschütz
29 stromlos wird. Das Schaltschütz 29 öffnet sich und schließt mit seinem Endkontakt
33 den Stromkreis für die Schaltschützspule 34 des Reihenschützers 35, welches die
Spulen 6 des Generators in Reihe schaltet. Die Generatorspulen 6 werden also bei
kleineren Windstärken und niedriger Batteriespannung automatisch parallel geschaltet.
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Der Spannungswächter 30 muß so bemessen sein, daß er nach der Parallelschaltung
nicht sofort wieder eingeschaltet wird, sondern erst nach dem Erreichen einer bestimmten
Höhe der Batteriespannung. Der Wächter 30 wird deshalb zweckmäßig so eingestellt,
daß er z. B. bei einer Batteriezellenspannung von 1,8 Volt die Kontakte 31 ausschaltet
und bei einer Batteriezellenspannung von 2,2 Volt diese Kontakte wieder einschaltet.
Hierdurch wird erreicht, daß die Reihen- oder Parallelschaltung der Generatorspule
6 wohl mittelbar von der Windstärke abhängig ist, daß aber der Spannungswächter
30 doch unmittelbar die Umschaltung von der Reihen- in die Parallelschaltung und
umgekehrt übernimmt.
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Die Abb. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein
kontaktloser Drehstromgenerator verwendet wird und bei dem weiter die Batterie II
über einen gittergesteuerten Quecksilberdampfgleichrichter unmittelbar an den Generator
angeschlossen ist. Die um 120° gegeneinander versetzten Statorwicklungen 6 des Generators,
dessen sternförmiger Rotor wieder mit I und dessen dreiteiliger Stator wieder mit
2 bezeichnet sind, sind hierbei in Sternschaltung geschaltet. Ihre freien Enden
sind mit den Anoden 43 des Quecksilberdampfgleichrichters 41 verbunden, dessen Gitter
mit 42 und dessen Kathode mit 44 bezeichnet sind. Die Batterie II ist einerseits
über die Glättungsdrossel 13 mit der Kathode 44 des Gleichrichters und andererseits
über die Leitung 40 mit dem Sternpunkt der Generatorspule 6 verbunden. Analog der
in Abb. 1 dargestellten selbsttätigen Regelung mit der gleichstromvormagnetisierten
Drosselspule 8 ist im vorliegenden Fall die Gittersteuerung des Quedksilberdampfgleichrichters
anwendbar. Die Regulierung der Spannung kann beispielsweise durch einen an sich
bekannten Induktionsregler 45 erfolgen, dessen Achse durch die Spannungswächterspule
17 und die im einzelnen nicht dargestellten, bei 46 angedeuteten Antriebsglieder
je nach Höhe der erzeugten Generatorspannung so verstellt wird, daß jeweils immer
nur Stromimpulse in einer solchen Größe von den Anoden 43 zur Kathode 44 und somit
in die Batterie 11 fließen, die der gewünschten Gleichstromnetzspannung angepaßt
sind. Diese Giterregulierung ist hier nur als Beispiel angeführt. Es lassen sich
sämtliche bekannten Gitterreguliereinrichtungen hierfür verwenden. Bei Benutzung
von Gleichstromspannungen im Gitterregelkreis, die der Veränderung der Zündsätze
der in das Gleichrichtergefäß fließenden Ströme dienen, lassen sich vorteilhaft
auch Kohledruckregler verwenden, wie sie an Hand der Anordnung nach Abb. 1 beschrieben
sind. Bei der in Abb. 3 dargestellten Anordnung ist ein besonderer Zwischentransformator
für das Gleichrichtergefäß nicht erforderlich, da die Generatorwicklungen 6 unmittelbar
der Höhe der Spannung der Batterie 11 angepaßt werden können.
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Damit auch gelegentlich eine besondere Aufladung der Batterie 11 durchgeführt
werden kann, beispielsweise nach Überholungsarbeiten der Batterie, kann eine von
Hand einstellbare Reguliervorrichtung vorgesehen werden. Bei dem Ausführungsbeispiel
nach Abb. i besteht diese aus dem Umschalter 47 und dem Regelwiderstand 48. Der
Umschalter gestattet die Abschaltung der Kohlesäule i9 und die Einschaltung einer
regelbaren Gleichspannung über den Regelwiderstand 48, mit dessen Hilfe nunmehr
die erzeugte Gleichspannung willkürlich der Batteriespannung angepaßt werden kann.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb.3 geschieht die Handregulierung der erzeugten
Gleichspannung
durch das bei 49 angedeutete Handrad, mit dessen Hilfe der Phasendreher 45 verstellt
werden kann.
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Die vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnungen für den
Windkraftbetrieb von Wechselstromgeneratoranlagen weisen im Betrieb folgende Vorteile
auf: 1. Der auf dem Windkraftturm unmittelbar neben dem Windflügel sitzende Generator
hat keinerlei elektrische Kontakte, so daß das Besteigen des Turmes praktisch vermieden
ist. Dieses gilt besonders dann, wenn für die Lagerung der Rotorwelle dauerhafte
Lager, z. B. Kugellager, verwendet werden, die eine Schmierung des Generators nach
Möglichkeit vermeiden.
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2. Durch die Ausbildung des Generators als kontaktlose Maschine ist
die Möglichkeit einer vollkommen wetterfesten Kapselung gegeben, so daß elektrische
Schäden trotz starker Beanspruchung durch den Wind und das Wetter nicht auftreten
können.
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3. Es ist eine selbsttätige Betriebsführung und Stromspeisung in das
Verbrauchernetz, ohne daß Handgriffe und Betriebswärter erforderlich sind, gewährleistet.
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4. Die Gesamtanordnung ist frequenzunabhängig und kann trotz der wechselnden
Spannung und Frequenz auf eine konstante Verbrauchergleichspannung eingestellt werden.
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Wie groß die technischen Daten der erfindungsgemäßen Anordnung hinsichtlich
Spannung, Strom und Frequenz im Wechselstromgenerator gewählt werden müssen, ergibt
sich jeweils aus der Größe des Windkraftwerkes. Man wählt jedoch zweckmäßig die
Frequenz des erzeugten Wechselstromes so groß wie möglich, um auch bei schwachen
Windstärken eine Frequenz zu erhalten, die nicht wesentlich unter 50 Hz liegt. Die
erforderlichen Drosselspulen und Transformatoren können verhältnismäßig klein bemessen
werden. Die Bemessung der Umlaufgeschwindigkeit des Generators in Verbindung mit
der des Getriebes 3, 4 ist aus den bekannten Daten hinsichtlich der Größe der Windkraft
und der Generatorleistung zu bestimmen. Zu erwähnen ist noch, daß es vorteilhaft
ist, die Pole der Generatoren gegebenenfalls so auszubilden, daß die erzeugten Wechselstromimpulse
mehr eine rechteckige Form erhalten als eine spitze Wellenform, um im erzeugten
Gleichstrom möglichst geringe Oberwellenspannungen zu erhalten.
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Die erfindungsgemäßen Windkraftanlagen werden in bevorzugter Weise
außer an infolge ihrer geographischen bzw. klimatischen Lage besonders geeigneten
Stellern an Orten aufgestellt, die weder Anschluß an ein Stromverteilungsnetz besitzen,
noch mit einem Kraftstoffregler versehen sind, an denen aber das Bedürfnis vorliegt,
elektrische Apparate, Maschinen u. dgl. in Betrieb zu nehmen bzw. vorhandene Apparate,
Maschinen u. dgl. auf elektrischen Betrieb umzustellen. Beispielsweise sei hier
die Aufstellung der neuen Windkraftanlage in landwirtschaftlich oder industriell
neu zu erschließenden Gebieten genannt. Mit besonderem Vorteil findet der Erfindungsgegenstand
Verwendung in Verbindung mit den Sende- und Empfangseinrichtungen des Unterhaltungsrundfunks
und der kommerziellen Nachrichtentechnik, insbesondere der drahtlosen Rundfunk-
bzw. kommerziellen Nachrichtentechnik. In allen den Fällen, in denen auf diesen
Gebieten bisher Batteriebetrieb mit ortsfremder Ladung der Batterie üblich gewesen
ist, kann durch Anwendung des Erfindungsgegenstandes auf Batteriebetrieb mit ortsfester
Ladung der Batterie übergegangen werden. Die erfindungsgemäße Anordnung kann aber
auch zur Speisung des Netzanschlußgerätes der Empfänger oder gegebenenfalls der
Sender dienen. So ist es beispielsweise möglich, einen Gleichstromnetzanschluß-Radioempfänger
an die Batterie 11 der in den Zeichnungen dargestellten Anordnungen anzuschließen.
Hierfür kommen natürlich Windkraftanlagen kleiner Leistung in Frage.
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In der kommerziellen Nachrichtentechnik, insbesondere der drahtlosen
kommerziellen Nachrichtentechnik, kann der Erfindungsgegenstand auch zur Versorgung
mit elektrischer Energie von sogenannten Zwischenstationen und Relaisstationen herangezogen
werden, in bevorzugter Weise von solchen, die mit kurzen und ultrakurzen, insbesondere
gebündelten Wellen arbeiten. In erster Linie ist hierbei an die Speisung mit elektrischer
Energie von an erhöhten Punkten im Gelände bzw. von auf besonderen Türmen aufgestellten
Relaisstationen von drahtlosen Ein- oder Mehrfachkanalnachrichtenanlagen gedacht,
bei denen als Träger für die zu übermittelnden Nachrichten eng (optisch) gebündelte
ultrakurze Wellen des Dezimeter- und Zentimeterwellenlängengebietes Lichtstrahlen
bzw. infrarote Lichtstrahlen dienen. Mit Vorteil kann hier der Generator der Windkraftanlage
und der diesen antreibende Windflügel auf demselben Turm aufgestellt werden, auf
dem die den Nachrichtenträger empfangenden bzw. aussendenden Richtstrahler (z. B.
Flächenstrahler, die über einen Kopplungsspalt an die Speiseenergieleitung angeschlossen
sind, oder vollwandige Metallreflektoren, die durch einen Dipol angeregt werden)
aufgestellt sind.