CH234202A - Windbetriebene elektrische Kraftanlage mit mehreren, auf einem Turm angeordneten Windrädern. - Google Patents

Description

  Windbetriebene elektrische Kraftanlage mit mehreren, auf einem Turm  angeordneten Windrädern.    Bei windbetriebenen elektrischen Kraft  anlagen mit mehreren, voneinander unabhän  gigen Windrädern besteht bekanntlich eine  entscheidende Schwierigkeit in der Kupplung       dieser    Windräder mit dem Stromerzeuger  bezw. in der Parallelscheltung der den einzel  nen Windrädern zugeordneten Stromerzeuger.  Man hat bereits versucht, diese Schwierigkei  ten dadurch zu überwinden, dass man die ein  zelnen Windräder über entsprechende Ge  triebe auf getrennte     Luftverdichter    arbeiten  liess und die verdichtete Luft unter Zwischen  schaltung eines mehr oder minder grossen  Windkessels einem Druckluftmotor zuführte.

    Anordnungen dieser Art arbeiten jedoch  ziemlich unwirtschaftlich, weil bei der Luft  verdichtung ein wesentlicher Teil der anfal  lenden Energie in Verdichtunigswärme über  führt wird, und weil diese Wärme natürlich  auch dann starken Verlusten unterworfen ist,  wenn man Leitungen     und    Windkessel so gut  wie möglich gegen Wärmeverluste isoliert.    Weiterhin ist es bekannt, einzelne Wind  räder über ein Flüssigkeitsigetriebe mit einem  zugehörigen elektrischen Stromerzeuger zu  verbinden, indem man das Windrad beispiels  weise zum Hinaufpumpen von Wasser in  einen     Hochbehälter    benützt     und    aus diesem  Hochbehälter einen normalen Turbogenerator  betreibt.

   In diesem Falle erfordert jedoch die  Parallelschaltung mehrerer Windkraftmaschi  nen sehr umfangreiche Steuervorrichtungen.  



  Alle diese Nachteile vermeidet die Erfin  dung, die ausserdem leine Reihe von sehr     we-          s:enelichen    weiteren Vorteilen zu erzielen er  möglicht. Nach der     Erfindung    wird mit  jedem der     einzelnen;

          Windräder    ein     Ilydrau-          lisches,    vorzugsweise mit Öl arbeitendes  Pumpwerk gekuppelt, welches     mit    d     @er    Dreh  zahl des antreibenden     Windrades    angetrieben  wird, und es.

       wird,die    von diesen Pumpwerken  geförderte Flüssigkeit im Kreislauf über       einen        Drucksp,eicher        einem        gemeinsamen,    zum  Antrieb des elektrischen Stromerzeugers die-      nenden hydraulischen Motor zugeführt, des  sen Drehzahl durch Steuerung seines Schluck  vermögens auf einen     konstanten    Wert einge  regelt wird. Das ganze, von den einzelnen  Pumpwerken und dem gemeinsamen hydrau  lischen Motor gebildete System wirkt dann  als ein Flüssigkeitsgetriebe mit stetig ver  änderlichem Übersetzungsverhältnis, bei dem  mehrere Pumpwerke in elastischer Kopplung  auf einen gemeinsamen Motor arbeiten.

   Hier  bei wirkt die Regelung des Schluckvermögens  des hydraulischen Motors als eine Steuerung  des Übersetzungsverhältnisses, die also aus  schliesslich am getriebenen Teil (Motor) er  folgt. Für die Durchführung dieser Steue  rung gibt es bei Flüssigkeitsbetrieben be  kanntlich zahlreiche Möglichkeiten.  



  Zu besonders einfachen und mit hohem       Wirkungsgrad    arbeitenden Anordnungen     ge-          langt    man, wenn die einzelnen Pumpwerke  unmittelbar mit den zugehörigen Windrädern  baulich vereinigt werden; man kann zu die  sem Zwecke z. B. die Kolben dieser Pump  werke nach Art eines Sternmotors unmittel  bar in die Windflügel der einzelnen Wind  räder einbauen, oder den Windrädern je eine  auf ihrer feststehenden Achse angebrachte  Taumelscheibenpumpe zuordnen. In beiden  Fällen lassen sieh selbst mit verhältnismässig  langen Zwischenleitungen und grossen der an  gestrebten Drehzehlwandlung entsprechenden  Differenzen zwischen den Umlaufzahlen von  Pumpwerken und Motor ohne weiteres Wir  kungsgrade von 75-80% erzielen.  



  Die Erfindung sei im folgenden an Hand  einiger, in der anliegenden Zeichnung dar  gestellter Ausführungsbeispiele näher erläu  tert. Von diesen zeigt:  Fig. 1 die bauliche Vereinigung eines  Windrades mit einer Kolben-Sternpumpe.  Fig. 2 die Vereinigung zweier Windräder  mit einer doppelseitig wirkenden     Taumel-          en     Fig. 3 den Drehstuhl einer Windkraft  maschine mit aufgebautem hydraulischem  Motor und hiervon     angetriebenem    elektri  schem Stromerzeuger sowie    Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel für einen  hydraulischen Motor mit steuerbarem     Förder-          volumen    nebst den erforderlichen Steuer  organen.  



  Gemäss Fig. 1 bilden die radialen Zapfen  1 und 2, auf denen die Windflügel 3 und 4  des auf der feststehenden Welle 5 mittels  der geteilten Nabe 6, 7 gelagerten Windrades  verstellbar sitzen. Zylinder von Pumpen, de  ren Kolben 8 und 9 über entsprechende Pleuel  stangen mit dem zwischen den Naben 6, 7  befindlichen feststehenden Kurbelzapfen 10  verbunden sind. Die Kolben 8 und 9 arbeiten  also in gleicher Weise wie die Kolben eines  umlaufenden Sternmotors.

   Die zu den zuge  hörigen Zylindern führenden Druck- und  Saugleitungen 11 und 12 sind hierbei in da-s  Innere der Stützkonstruktion verlegt, welche  die Zapfen 1, 2 mit den Naben 6, 7 verbindet;  sie     führen        über    die innerhalb der Naben 6, 7  vorgesehenen Ringräume 13, 14 sowie über  die in diese Ringräume mündenden Radial  bohrungen der Welle 5 zu den feststehenden,  durch diese Welle hindurchgeführten Leitun  gen 15 und 16.  



  Gemäss Fig. 2 ist mit den auf der gemein  samen, feststehenden Achse 17 gelagerten  gegenläufigen Windrädern 18, 19 über  schräge Stirnlager je eine, auf einem Kugel  wulst der Welle 17 gelagerte Taumelscheibe  20 bezw. 21 gekuppelt. An diese beiden um  die feststehende Achse 17 nicht drehbaren  Taumelscheiben sind die achsenparallel arbei  tenden Kolben eines feststehenden, beider  seitig wirkenden Pumpwerkes 22 angelenkt,  dessen (nicht gezeichnete) Saug- und     Druck-          leitun.gdurch     < las Innere der     Aehse    17     tveg-          geführt    sind.  



  Sowohl in     Fig.    1 als auch in     Fig.    2 kann  tau den Druckleitungen (11 in     Fig.    1.) eine  Steuerleitung zu der (nicht gezeichneten)       Flü,--:elvertellvorrichtung    abgezweigt werden,  welche über ein Grenzventil führt, das eine  Verstellung der     Windfliigel    bewirkt, sobald  der     hydraulische    Druck in den     genannten          Druckleitungen    einen     vorgegebenen        'Wert          i:

  bersteigt.        Auf    diesem Wege erspart man  ein,     besondere        Druckpumpe    und     Rege        lvor-    :      richtung für die ölgesteuerte Flügelverstel  lung.  



  Fig. 3 zeigt zwischen den Windrädern 23  den Drehstuhl 24 einer Windkraftmaschine,  der den Öldruckmotor 25 und den hiervon  angetriebenen elektrischen Stromerzeuger 26  trägt. Auf diesem Drehstuhl vereinigen sich  die Saugleitungen 27 und 27a sowie die  Druckleitungen 28 und 28a, welche von den  windradbetriebenen Pumpwerken kommen, in  den Verbindungsstellen 29 und 30, an welche  die Speicherflaschen 31 und 32 angeschlossen  sind.

   Diese Speicherflaschen können bei     ge-          eigneter    Regelung der     Förderleistung    des  Motors 25 sehr klein gehalten werden, sie  werden jedoch gross genug     gewählt,    um die  Steuerträgheit der für den Motor 25 vorgese  henen Drehzahlregelung     auszugleichen,    so  dass der Stromerzeuger 26 auch beim Eintritt  von rasch verlaufenden     Drehzahländerungen     der Windräder (Böen) mit     konstanter    Dreh  zahl läuft.  



  Gemäss Fig. 4 sind die vom Wechsel  stromerzeuger 26 gespeisten Netzschienen 33  mit einem Frequenzrelais 34 verbunden, wel  ches über den Steuermotor 35 eine regelbare  Zusatzlast - etwa in Form der einen Wärme  speicher beheizenden Heizwicklung 26 - mit  steigender Frequenz zuschaltet und mit sin  kender Frequenz abschaltet. Ist der Wechsel  stromerzeuger mit einem Spannungsregler  üblicher Art ausgerüstet, so werden auf     die-          sem    Wege offenbar Drehzahl und Spannung  dieses Wechselstromerzeugers durch Anpas  sung seiner Belastung an die Netzbelastung  so lange konstant gehalten, als der Motor 25  die zur Deckung der Netzbelastung ausrei  chende Antriebsenergie für den Wechsel  stromerzeuger 26 zu liefern vermag.  



  Um einen entsprechenden Antrieb für den  Motor 25 sicherzustellen, so lange die Summe  der von den Windrädern gelieferten Leistung  hierfür ausreicht, und um gleichzeitig dafür  Scrge zu tragen, dass die gesamte überschüs  sige, von den Windrädern     gelieferte    Energie  in die Heizwicklung 36 geliefert wird, muss  die Förderleistung des Motors 25 so geregelt  werden,     dass    der in der Druckleitung 30 ent-    stehende Überdruck trotz konstanter Dreh  zahl des Motors 25 und trotz der mit der  Windgeschwindigkeit anwachsenden Dreh  zahl der     windbetriebenen    Pumpwerke stets  in     einem    konstanten, der jeweils erzielbaren  Windradhöchstleistung entsprechenden Ver  hältnis zur Windgeschwindigkeit bleibt.  



  Zu diesem Zwecke ist der     Motor    25 etwa  nach Art eines Thoma-Getriebes mit einer  Knickwelle ausgerüstet, deren beide Teile  durch ein Kardan 37 miteinander verbunden  sind. Der Knickwinkel zwischen der Dreh  achse des Mitläufers 38, an den die Kolben  stangen des Zylinderblockes 39 in bekannter  Weise angelenkt sind, und der gemeinsamen  Drehachse des Wechselstromerzeugers 26 und  des genannten Zylinderblockes 39 ist mittels  des ölgetriebenen Steuerzylinders 40 regelbar.  Dieser ist über ein Steuerorgan 41 mit der  Druckleitung 30 verbunden.  



  Je grösser man den erwähnten Knickwin  kel wählt, desto, höher ist offenbar das  Schluckvermögendes Motors bezw. das Flüs  sigkeitsvolumen, welches der Motor 25 bei  jeder Umdrehung aus der Druckleitung der  Pumpwerke in deren Saugleitung zurück  führt, so dass man bei passender Bemessung  unabhängig von der jeweiligen Drehzahl der  Pumpwerke deren gesamtes Fördervolumen  über den mit konstanter, durch die Belastung  des Stromerzeugers 26 erzwungener Drehzahl  laufenden Motor 25 führen kann.  



  Das Steuerorgan 41 hat die Aufgabe, den  genannten Knickwinkel diesen Verhältnissen  selbsttätig anzupassen. Zu diesem Zwecke  steht     sein        Steuerkolben        einerseits    unter     dem     Druck der Förderleitung 30 und dein Zuge  einer Feder 42, anderseits unter dem Druck  der im Steuerzylinder 40 enthaltenen, unter  der Last der an den Mitläufer 38 angelenkten       Pumpenkolben        befindlichen    Flüssigkeit.

   Die  Feder 42 wird     durch,den        Fliehkraftregler    43  in     Abhängigkeit        von    der Drehzahl eines       W'Rndmessers    44, d. h. also in Abhängigkeit  von der     Windgeschwindigkeit    gespannt.  



  Steigt die     Winügeschwindägkeit,    so:     wird     der dem     Druck        Ader        Leitung    3,0     .entgegenwir-          ken:d,e    Zug der Feder 42     vergrössert,    und es      wird also zunächst eine gewisse Drucksteige  rung in der Druckleitung 30 eintreten, bevor  der Kolben des Organes 41 den Übertritt von  Flüssigkeit aus der Druckleitung 30 in den  Steuerzylinder 40 freigibt. Erst dann tritt  eine Verstellung der     Förderleistung    des Mo  tors ein.

   Mit dieser Verstellung wird einer  seits eine Steigerung des Druckes im Steuer  zylinder 40, anderseits ein Druckabfall in der  Förderleitung 30 hervorgerufen, so dass sielt  das Organ 41 safort wieder schliesst. Sinkt  dagegen die Windgeschwindigkeit, so sinkt  der Druck in der Förderleitung 30, und der  Steuerkolben des Organes 41 wird unter dem  Druck der im Steuerzylinder 40 eingeschlos  senen Flüssigkeitsmenge angehoben. Da der  Druck im Steuerzylinder 40 dann den abgesun  kenen Druck übersteigt, der bei 30 herrscht,  fliesset nunmehr ein Teil der im Steuer  zylinder 40 enthaltenen Flüssigkeit durch  die Bohrung B und die Umgehungsleitung U  nach 30 zurück, so dass sich der Kolben dieses  Steuerzylinders anhebt und der Knickwinkel  des Kardans 37 sich verkleinert.

   Durch die  Entspannung der Windmesserfeder 42 tritt  hierbei gleichzeitig eine Verminderung der  Druckdifferenz zwischen Druckleitung 30  und unterem Teil des Steuerorganes 41 ein,  da das Organ 41 gewissermassen als ein von  der Windgeschwindigkeit gesteuertes Druck  minderventil wirkt. Man erhält also unter  Vermeidung eines durch die mit wachsender  Drehzahl der Windräder gesteigerte Förder  leistung der Pumpwerke     bewirkten    gefähr  lichen Druckanstieges trotz konstanter Dreh  zahl des Motors eine der Windgeschwindig  keit angepasste Motorenleistung, für deren  vollständige Umwandlung in elektrische  Energie das Frequenzrelais 34 sorgt. Diese  Wirkung dürfte sieh ohne die angegebenen  Hilfsmittel kaum oder wenigstens nur auf  ungleich komplizierterem Wege erreichen  lassen.

   Ein weiterer Vorteil der erfindungs  gemässen Anordnung besteht darin, dass sie  auf besonders einfaeheni Wege die Einsteue  rung von Windkraftmaschinen in den Wind  ermöglicht, soweit diese Windkraftmaschinen  nach Art von Fig. 3 mit mindestens zwei,    symmetrisch zur Einsteuerungsachse ange  ordneten Windrädern ausgerüstet sind. In  diesem Falle kann man nämlich die übliche  Windfahne ersparen und braucht nur eine  kleine Steuerwindfahne vorzusehen, welche  zwei Drosselventile betätigt, die in den  Druckleitungen zwischen den beiden, von die  sen symmetrisch zur Einschwenkachse liegen  den Windrädern angetriebenen Pumpwerken  und dem gemeinsamen hydraulischen Motor  liegen. Wird eines dieser beiden Drosselven  tile betätigt, so bewirkt dies offenbar eine  zusätzliche Belastung des betr.

   Pumpwerkes  und seines     antreibenden    Windrades, so dass  dann ein     gesteigerter        Windschub    auf dieses  seitlich der Einschwenkachse liegende Wind  rad ausgeübt wird und der Drehstuhl sich  unter der einseitigen Steigerung des Wind  schubes in den Wind einschwenkt.  



  Dieser Teil der Anordnung ist in Fig. 3a  Schematisch dargestellt. Vor der Verbindungs  stelle 30 liegen in den Druckleitungen 28 und  28a die beiden gefederten Drosselschieber 45  und 45a. welche von der kleinen Steuerwind  fahne 46 mittels der Schiefscheibe 44 betätigt  werden. Dreht sich die Windfahne 46 aus der  normalen Mittelstellung, bei der beide Dros  selschieber 45, 45a voll geöffnet sind, in die  gezeichnete Schrägstellung, so wird die Lei  tung 28 durch den Schieber 45 gedrosselt und  infolgedessen das rechte Windrad 23 vorüber  gehend einer höheren Belastung unterworfen.  ,o dass der Drebstuhl 24 sich der Steuerwind  Ahne 46     nachdreht    und     hierdurch    selbsttätig  wieder vorschriftsmässig in den Wind ein  schwenkt.

   Auf dem gleichen Wege kann na  türlich auch durch einen Windmesser 48 das  Herausschwenken der Windräder aus dem  Winde bei Überschreitung einer vorgegebe  nen     Windgeschwindigkeit    (Sturm) herbeige  führt werden. Zu diesem Zweck     braucht    der  betreffende Windmesser 48 nur auf ein mit   .der     \Vindfaline    46     verbundenes    Tachometer  zu     wirken,

      welches die     Scliiefscheibe    44 bei       'rbersehreituiig    einer     bestimmten        Windmes-          sLr-Drehza.hl    gegen die Windfahne 46 um       einen        'NViiikel        dreht,        der        bei        Sturm        den        Wert        -          ,#on    90  erreicht.

   Dementsprechend dreht sieh      dann der Drehstuhl 24, so dass die gemein  same Ebene der beiden Windräder 23 in eine  entsprechende Winkelstellung zur Windfahne  gelangt und damit allmählich aus dem Wind  gedreht wird.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH: Windbetriebene elektrische Kraftanlage mit mehreren, auf einem Turm angeordneten Windrädern, dadurch gekennzeichnet, dass mit jedem der einzelnen Windräder ein hy draulisches Pumpwerk gekuppelt ist, das mit der Drehzahl des antreibenden Windrades an getrieben wird, und dass die von diesen Pump werken geförderte Flüssigkeit im Kreislauf über einen, rasch verlaufende Drehzahl schwankungen elastisch ausgleichenden Druck speicher (32) einem zum Antriebe des elek trischen Stromerzeugers dienenden gemein samen hydraulisohen Motor (41) zufliesst, des sen Drehzahl durch Steuerung seines Schluck vermögens auf einen konstanten Wert ein geregelt wird, derart, dass diePumpwerke und der hydraulische Motor ein Flüssigkeitsge triebe bilden,

   dessen Übersetzungsverhältnis ausschliesslich durch Steuerung des Motors stufenlos geregelt wird. UNTERANSPRÜCHE: 1. Windbetriebene elektrische Kraftanlage nach Patentanspruch, dadurch gekennzeich net, dass die umlaufenden Teile der einzelnen Pumpwerke unmittelbar mit den zugehörigen Windrädern baulich vereinigt sind. 2. Windbetriebene elektrische Kraftanlage nach Patentanspruch, mit die Entlastung des Windrades bei Sturm bewirkender hydrau lischer Flügelverstellung, dadurch gekenn zeichnet, dass die Windflügel der Windräder bei Überschreitung eines vorgegebenen, inner halb des von dem betreffenden Windrad an getriebenen Pumpwerkes herrschenden hy draulischen Überdruckes selbsttätig verstellt werden. 3.

   Windbetriebene elektrische Kraftanlage nach Patentanspruch, mit mindestens einem Paar von symmetrisch zur Einschwenkachse angeordneten Windrädern, gekennzeichnet durch zwei Drosselschieber (45, 45a), welche in den Druckleitungen (28, 28a) zwischen den von diesen Windrädern angetriebenen Pump werken und der gemeinsamen Zuleitung (30) zum hydraulischen Motor liegen, und welche zur Einsteuerung des Drehstuhles (34) in eine vorgegebene Stellung zur Windrichtung dienen. 4.

   Windbetriebene elektrische Kraftanlage nach Unteranspruch 3, dadurch gekennzeich net dass die Betätigung der Drosselschieber (45, 45a) durch eine Steuerwindfahne (46) überein Steuerglied (44)erfolgt, dessen Win kellage zur Steuerwindfahne (46) bei Über schreitung einer vorgegebenen Windge schwindigkeit selbsttätig :so. ,geänaert wird, daZ ein Herausischwenken,der Wändräder aus dem Winde erfolgt.