SE410887B - Sett och anordning for overforing av vindkraft fran en torn- eller mastmonterad vindturbin till marknivan - Google Patents

Description

7803956-7 2 vid en anläggning för 2 MW en växellåda med uppväxlingsförhållandet /l.500 varv/min. att erhålla en vikt av storleksordningen 10 ton. Även generatorn får en vikt av väsentligen motsvarande storlek.

Vid de idag projekterade vindkraftverken väljer man nästan uteslutande att placera såväl växellådan som generatorn i toppen av tornet för att kunna ansluta vindturbinens axel direkt tilllväxel- lådan. Maskineriet måste vidare innefatta lagringar, kopplingar och bromsar. Hela det maskinhus som måste anbringas vridbart i toppen av tornetgerhâller därvid vikter överstigande 100 ton. Det är uppenbart, att en placering av all denna skrymmande och tunga utrustning i top- pen av tornet i väsentlig grad fördyrar och försvårar såväl installa- tionen som senare underhâll och reparationer, jämfört med om den kun- de placeras på marknivån. Dessutom ställs mycket höga krav på tornet, vilka medför stora kostnader för detta.

Förklaringen till att man trots ovan nämnda nackdelar avser att placera hela maskineriet på navhöjd för turbinen är att kända lösningar för att överföra turbinens mekaniska effekt till marknivån bedöms medföra så stora kostnader för transmissionen att totalekono- min försämras.

Det finns emfllertid en strävan att söka åstadkomma lösningar på nämnda transmissionsproblem, som möjliggör en markbasering av maskineriet. Ett sådant projekt som bearbetas innebär att turbinens effekt via ett antal universalleder överföres till en drivaxel, som löper ned genom tornet till markplanet. Detta torde emellertid ej representera någon attraktiv lösning vid turbiner med ovan nämnd effekt, till följd av de stora moment som därvid måste överföras på grund av det låga varvtalet.

En annan lösning skulle kunna vara att låta vindturbinens axel driva en hydraulpump, vilken omvandlade turbinens effekt till hydrau- lisk effekt, som fördes ned till en på markplanet belägen hydraulmo- tor avsedd att driva generatorn. För att erhålla en acceptabel verk- ningsgrad för den i tornet anordnade pumpen skulle denna behöva dri- vas vid minst cirka 700 varv/min. Även i detta fall skulle således en växel krävas mellan vindturbinen och pumpen, vilken växel skulle få mycket stora dimensioner, då den skulle motsvara de första stegen, dvs. de steg som mottar det stora momentet från vindturbinen, i den ovan omnämnda växeln. Vikten hos denna växel skulle således ej komma att skilja sig från vikten hos den helt utbyggda växeln i någon av- görande grad. Vidare skulle ett arrangemang av detta slag få en re- lativt låg verkningsgrad.

En väsentlig nackdel med samtliga ovan nämnda anläggningar är 7803956-7 3 att utnyttjandet av en fast uppväxlingsanordning, vilken måste vara dimensionerad för en förutbestämd maximieffekt, ger dålig verknings- grad och utnyttjningsgrad vid lägre vindstyrkor.

Huvudändamâlet med föreliggande uppfinning är att eliminera eller i hög grad reducera ovan nämnda nackdelar vid kända vindturbin- anläggningar genom att åstadkomma ett enkelt och ekonomiskt sätt för överföring av vindkraft från en torn- eller mastmonterad vindturbin till marknivån, där lämplig generator kan vara anordnad.

Detta uppnås enligt uppfinningen genom att den av turbinen av- givna effekten uttages i form av ett relativt stort antal väsentligen lika deleffekter och att dessa överföres till marknivån antingen se- parerade eller kombinerade på lämpligt sätt.

Det föredrages att den avgivnaeffekten uppdelas i ett sådant antal deleffekter, att var och en av dessa representerar mindre än 10% av turbinens märkeffekt. Företrädesvis representeras nämnda deleffek- ter av delflöden av hydraulolja, vilka delflöden eventuellt kan kom- bineras till ett eller flera större flöden under överföringen till marknivån. Där kan sedan om så önskas en âteruppdelning i delflöden ske.

Vid en speciellt föredragen utföringsform alstras nämnda del- flöden med hjälp av till- och frånkopplingsbara hydraulpumpar, vilka drivs av var sitt av ett antal små kugghjul, som är fördelade runt periferin hos och drivs av ett stort av vindturbinen drivet kugghjul.

Alternativt kan nämnda kugghjul utbytas mot ett med en kamkurva för- sett hjul, varvid hydraulpumparna utföres med pâverkningsarmar för samverkan med nämnda kamkurva.

I båda fallen erhåller man automatiskt en enkel uppväxling, vilken kan anpassas till önskat varvtal för en markbaserad generator, med utnyttjande av ett förhållandevis klent hjul, då effekten uttages från detta i form av relativt små deleffekter.

En väsentlig fördel med detta arrangemang är, att antalet hy- draulpumpar som för tillfället är inkopplade till det av vindturbinen drivna hjulet kan anpassas i beroende av tillgänglig effekt. Härigenom kan således ett mot bästa verkningsgrad svarande tryck bibehâllas i de alstrade delflödena. Detta innebär således, att vindturbinen vid låga vindstyrkor ej behöver arbeta med en överdimensionerad växel.

En annan väsentlig fördel med det beskrivna arrangemanget är, att turbinens varvtal enkelt kan regleras i beroende av vindhastig- heten för uppnående av bästa aerodynamiska verkningsgrad.

Ovan nämnda egenskaper ger som framgått en mycket flexibel an- läggning, vilken medger ett mycket gott utnyttjande av vindkraften, förutom vid höga även vid relativt låga vindstyrkor, vilket tidigare '7803956-7 kända anläggningar ej medger. övriga särdrag och kännetecken för uppfinningen framgår av patentkraven.

Uppfinningen kommer att beskrivas närmare nedan under hänvis- ning till bifogade schematiska ritningar, på vilka fig. l illustrerar en anläggning för uttagning och överföring av mekanisk effekt enligt uppfinningen; och fig. 2 illustrerar ett alternativt arrangemang för drift av hydraulpumparna.

Anläggningen i fig. 1 innefattar en tvâ-bladig i ett torn mon- terad vindturbin, vars utgångsaxel är direkt förbunden med ett stort kugghjul 2. Omkring periferin hos kugghjulet 2 är ett relativt stort antal mindre kugghjul 3 fördelade, vilka står i kuggingrepp med hju- let 2. Vart och ett av de mindre kugghjulen 3 driver en hydraulpump 4, vardera med en tryckledning 5 och en sugledning 6. Till varje tryckledning 5 är vidare en överströmningsventil 7 ansluten.

I det visade exemplet är samtliga tryckledningar 5 sammanförda i en stamledning 8 och samtliga sugledningar 6 sammanförda i en stam- ledning 9. Stamledningarna löper genom hela tornet till marknivån. Vid marknivån är en generator 10 anordnad, vilken kan vara direkt förbun- den med nätet. Generatorn l0 har en förlängd ingångsaxel ll försedd med ett flertal kugghjul 12. Varje kugghjul 12 står i kuggingrepp med ett flertal kugghjul 13, vilka vart och ett drivs av en hydraulmotor 14. Motorerna 14 är via var sin ingångsledning 15 anslutna till stam- ledningen 8 och via var sin utgångsledning 16 anslutna till stamled- ningen 9. Med 17 och 18 betecknas en elektrisk motor respektive en matarpump för fyllning av systemet och kompensering av förluster.

Den illustrerade anordningen kan exempelvis vara avsedd för en effekt på 2 MW vid ett turbinvarvtal på 25 varv/min. Diametern hos kugghjulet 2 kan vara cirka 4 m och utväxlingsförhållandet till de mindre kugghjulen 1:60. Detta innebär, att hydraulpumparna 4 drivs vid en hastighet av 1.500 varv/min., vilket ger god verkningsgrad sam- tidigt som nämnda hastighet överensstämmer med det ekonomiska varv- talet för generatorn l0. Om hydraulpumparna 4 och motorerna 14 mot- svarærvarandra, kan man utnyttja ett utväxlingsförhållande på cirka 1:1 mellan kugghjulen 12 och 13. Antalet hydraulpumpar och motorer 4 resp. 14 är i detta exempel 36 stycken, vilket innebär att varja pump/ motorpar endast behöver överföra en effekt av storleksordningen 75 kw. Genom att effekten från kugghjulet 2 således uttages i deleffekter om vardera cirka 75 kw kan detta och kugghjulen 3 utföras relativt klena. Detsamma gäller kugghjulen 12 och 13. I det visade exemplet är sex kugghjul 13 anordnade omkring vart och ett av generatorns 10 kugghjul 12. 7803956-7 Vid anläggningen enligt fig. l har således utrustningen i toppen av tornet kunnat reduceras avsevärt samtidigt som överförings- organen som leder från toppen till marknivân endast utgöres av enkla och billiga hydraulledningar. I stället för att utnyttja stamled- ningarna 8 och 9 kan de individuella ledningarna 5 resp. 6 bibehållas över tornets hela höjd. Bibehållandet eller alternativt återskapandet av delflöden vid marknivân möjliggör en anpassning av de effektöver- förande organen till den tillgängliga effekten, varigenom verknings- graden kan hållas hög inom hela effektområdet. Genom att vidare ge- neratorn 10 kan drivas direkt med önskat varvtal elimineras även kra- vet på en tung och dyrbar växellåda.

En annan mycket stor fördel med den visade anläggningen är dess flexibilitet. Genom att såväl hydraulpumparna 4 som hydraulmo- torerna 14 är in- och urkopplingsbara, kan alltid ett mot den aktuel- la vindstyrkan svarande optimalt antal hydraulorgan vara inkopplade.

Härigenom kan ett för optimal drift av hydraulpumpar och hydraulmoto- rer svarande tryck bibehållas inom ett förutbestämt intervall. Vid den ovan beskrivna anläggningen föredrages att nämnda tryck uppgår till 170 bar + 10%. In- och urkopplingar sker symmetriskt, så att inga nämnvärda resulterande krafter erhålles. Genom utnyttjande av ett re- A lativt stort antal hydraulorgan medför ej bortfall av något eller nâgra av dessa någon allvarlig olägenhet. Någon risk för totalstopp föreligger således ej vid denna typ av fel. Utnyttjandet av hydrau- lisk effektöverföring medför även att en enkel överströmningsventil 7 kan ersätta komplicerade och dyrbara slirkopplingar.

I fig. 2 illustreras ett alternativ till den av kugghjulen 3 drivna hydraulpumpen 4. Enligt nämnda alternativ utföres hydraulpum- pen, som därvid innefattar en cylinder 19 och en däri fram och åter förskjutbar kolv 20, med en påverkningsarm 21, vilken samverkar med en på ett av vindturbinen drivet hjul 22 anordnad kamkurva 23. Med 5 betecknas som tidigare en tryckledning och med 6 en sugledning. En omställningsventil är betecknad med 24. Även generatorn 10 kan dri- vas av en på motsvarande sätt utförd hydraulmotor.

Det ovan och i patentkraven utnyttjade uttrycket till- coh frånkopplingsbara hydraulpumpar och hydraulmotorer är avsett att om- fatta såväl fysisk till- resp. frånkoppling, t.ex. med hjälp av mag- netkopplingar, som enbart en passivisering av pumparna eller moto- rerna genom förbiledning av olja.

Samma verkan som uppnås genom till- och frånkoppling av pumpar och motorer kan erhållas genom utnyttjande av pumpar och motorer med reglerbara deplacement. Dessa typer av hydraulorgan kan givetvis även kombineras. 7803956-'7 6 Den inledningsvis omnämnda möjligheten till reglering avtur- binens varvtal till rådande vindhastighet kan ske genom att variera det totala deplacementet hos hydraulpumparna relativt.deplacementet hos hydraulmotorerna, vilket kan uppnås genom till- och frånkoppling av eller ändring av de enskilda deplacementen hos vissa pumpar och motorer eller genom en kombination av dessa åtgärder.

De använda hydraulpumparna och hydraulmotorerna behöver ej ha samma deplacement och det är möjligt att driva generatorn med en enda stor hydraulmotor.

Genom att varje kugghjul 3 i fig. l endast uttar en liten del av den totalt tillgängliga effekten, kan det även vara möjligt att på ekonomisk väg överföra vridmomentet hos respektive kugghjul 3 direkt till ett motsvarande kugghjul vid marknivån på mekanisk väg, exempel- vis med hjälp av kedjor, axlar eller stänger. Det är även möjligt att med bibehållande av flera av de väsentliga fördelarna med uppfinningen ersätta hydraulpumparna med elektriska generatorer.

Det är uppenbart att den visade anläggningen även kan modi- fieras i andra avseenden med bibehållande av den centrala uppfinninge- tanken, innebärande att den från vindturbinen totalt tillgängliga effekten skall uttagas i små deleffekter, vilka överföres till mark- planet separerade eller kombinerade på lämpligt sätt.

Claims (15)

1. Patentkrav l. Sätt vid överföring av vindkraft från en torn- eller mastmon- terad vindturbin till marknivån, k ä n n e t e c k n a t av att den av turbinen avgivna effekten uttages i form av ett relativt stort an- tal väsentligen lika deleffekter och att dessa överföres till markni- vån antingen separerade eller kombinerade på lämpligt sätt.

2. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att den av- givna effekten uppdelas i så många deleffekter, att var och en av dessa representerar mindre än l0% av turbinens märkeffekt.

3. Sätt enligt krav l eller 2, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda deleffekter representeras av delflöden av hydraulolja.

4. Sätt enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda delflöden kombineras till ett eller flera större flöden under över- föringen.

5. Sätt enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda större flöden återuppdelas i delflöden vid marknivån.

6. Sätt enligt något av krav 3-5, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda delflöden alstras med hjälp av till- och frånkopplingsbara hydraulpumpar, vilka drivs av var sitt av ett antal små kugghjul, som är fördelade runt periferin hos och drivs av ett stort av vindturbi- nen drivet kugghjul.

7. Sätt enligt något av krav 3-5, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda delflöden alstras med hjälp av till- och frånkopplings- bara hydraulpumpar, vilka vardera har en påverkningsarm som samverkar med en kamkurva på ett stort av vindturbinen drivet hjul.

8. Sätt enligt krav 6 eller 7, k ä n n e t e c k n a t av att minst några av nämnda delflödon alstras med hjälp av hydraulpumpar med reglerbara deplacement.

9. Sätt enligt något av krav 3-7, k ä n n e t e c k n a't av att trycket i de alstrade flödena bibehålles inom ett förutbestämt intervall.

10. lO. Sätt enligt krav l eller 2, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda deleffekter uttages i form av delvridmoment och att dessa överföres separerade till marknivån på mekanisk väg.

11. ll. Anordning för överföring av vindkraft från en torn- eller mastmonterad vindturbin (1) till marknivån i enlighet med sättet i krav l, k ä n n e t e c k n a d av att den innefattar organ (3, 4; 19-2l) för att uttaga av turbinen avgiven effekt i form av ett rela- tivt stort antal väsentligen lika deleffekter och organ (5, 8) för 7803956-'7 8 överföring av dessa till marknivån antingen separerade eller kombi- nerade på lämpligt sätt.

12. Anordning enligt krav ll, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda organ för att uttaga delar av den av turbinen (l) avgivna effekten innefattar till- och frånkopplingabara hydraulpumpar (4), vilka är inrättade att drivas av var sitt av ett antal små kugghjul (3) som är fördelade runt periferin hos och drivs av ett stort av vindturbinen (l) drivet kugghjnl (2).

13. Anordning enligt krav ll, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda organ för att uttaga delar av den av turbinen (l) avgivna energin innefattar till- och frånkopplingsbara hydraulpumpar (19-21), vilka vardera har en pâverkningsarm (21) som samverkar med en kamkurva (23) på ett stort av vindturbinen (1) drivet hjul (22).

14. Anordning enligt krav 12 eller 13, k ä n n e t e c k n a d av att minst nâgra av nämnda hydraulpumpar har reglerbart deplacement.

15. Anordning enligt krav ll, k ä n n e t e c k n a d av organ för uttagande av nämnda deleffekter i form av vridmoment och meka- niska organ för individuell överföring av nämnda moment till mark- nivån. ANFÖRDA PUBLIKATIONER: