DE102014007931A1 - Small wind turbine - Google Patents

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    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Abstract

In der nahen Zukunft wird umweltfreundlich erzeugte Druckluft in Gebieten ohne Stromnetz, insbesondere in Schwellenländern (NIC) einen Beitrag zur Versorgung mit mechanischer Antriebsenergie leisten können. Für das Verfahren der ”Enhanced Oil Recovery (EOR)” zur Erhöhung der Ausbeute von Ölquellen müssen große Mengen von CO2 verdichtet werden. Bei Klein-Windkraftanlagen wird im unteren Leistungsbereich aus Kostengründen i. a. auf eine mechanische oder hydraulische Anpassung des Rotorblattwinkels (Pitch) an die momentane Windgeschwindigkeit verzichtet. Dies hätte im Fall eines vom Windrad angetriebenen Verdichters zur Folge, dass ersteres meist außerhalb des aerodynamisch optimalen Drehzahl-/Drehmomentbereiches arbeiten bzw. erst bei höheren Windgeschwindigkeiten anlaufen würde. Um ein gasverdichtendes Windrad immer im aerodynamisch optimalen Drehzahlbereich betreiben zu können, muss dessen Belastung der momentan verfügbaren Windgeschwindigkeit angepasst werden. Technologie für den Antrieb von Verdichtern mit Windrädern. In der Erfindung wird anstelle des variablen Pitch ein in der Leistung verstellbarer Verdichter bevorzugt nach dem Taumelscheibenprinzip verwendet. Diese Verdichter-Bauart ist mittels eines taktenden Magnetventils in der Leistung steuerbar, indem die Stellung der Taumelscheibe von der Druckdifferenz zwischen dem Ausgangsdruck und dem Druck im Kurbelgehäuse bestimmt wird. Diese Steuerbarkeit kann für ein Verfahren zur Anpassung des Lastdrehmoments ausgenutzt werden, welches in einem Steuergerät mit Computerprogramm realisiert ist.In the near future, environmentally friendly compressed air will be able to contribute to the supply of mechanical propulsion energy in non-grid areas, especially in emerging markets (NIC). The "Enhanced Oil Recovery (EOR)" method of increasing the yield of oil wells requires compressing large quantities of CO2. For small wind turbines is in the lower power range for cost reasons i. a. to a mechanical or hydraulic adjustment of the rotor blade angle (pitch) to the current wind speed omitted. In the case of a compressor driven by the wind turbine, this would mean that the former would usually operate outside of the aerodynamically optimal speed / torque range or only start at higher wind speeds. In order to operate a gas-compacting wind turbine always in the aerodynamically optimal speed range, its load must be adapted to the currently available wind speed. Technology for driving compressors with wind wheels. In the invention, instead of the variable pitch, a power variable compressor is preferably used according to the swash plate principle. This type of compressor is controllable by means of a clocking solenoid valve in the power by the position of the swash plate is determined by the pressure difference between the output pressure and the pressure in the crankcase. This controllability can be utilized for a method for adjusting the load torque, which is realized in a control unit with a computer program.

Description

In der nahen Zukunft wird umweltfreundlich erzeugte Druckluft (siehe DE 20 2013 101 251 und www.windcompressor.com ) in Gebieten ohne Stromnetz, insbesondere in Schwellenländern (NIC) einen Beitrag zur Versorgung mit mechanischer Antriebsenergie leisten können.In the near future will be environmentally friendly compressed air (see DE 20 2013 101 251 and www.windcompressor.com ) can contribute to the supply of mechanical propulsion energy in areas without electricity supply, especially in emerging markets (NIC).

Für das Verfahren der ”Enhanced Oil Recovery (EOR)” zur Erhöhung der Ausbeute von Ölquellen müssen große Mengen von CO2 verdichtet werden.For the process of "Enhanced Oil Recovery (EOR)" to increase the yield of oil wells, large quantities of CO 2 must be compressed.

Die Momentanleistung einer Windkraftanlage wird außer von der augenblicklichen Windgeschwindigkeit vom aerodynamischen ”Leistungsbeiwert” bestimmt (siehe Wikipedia). Dieser ist konstruktiv bedingt und hängt von der ”Schnelllaufzahl” des Windrades ab (siehe Grafik unter http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Schnelllaufzahl.png&filetimestamp=20130824161306& ). Die Schnelllaufzahl ist mathematisch mit dem Rotorblattwinkel verknüpft. Um den Leistungsbeiwert immer maximal zu halten, bzw. um die bei Drehstromgeneratoren notwendige feste Drehzahl zu erreichen, wird daher bei größeren Windkraftanlagen der Rotorblattwinkel abhängig von der momentanen Windgeschwindigkeit verstellt.The instantaneous power of a wind turbine is determined by the aerodynamic "power coefficient" apart from the instantaneous wind speed (see Wikipedia). This is due to the design and depends on the "high speed number" of the wind turbine (see diagram below http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Schnelllaufzahl.png&filetimestamp=20130824161306& ). The high-speed number is mathematically linked to the rotor blade angle. In order to keep the power coefficient always maximum, or to achieve the necessary for three-phase generators fixed speed, therefore, the rotor blade angle is adjusted depending on the current wind speed in larger wind turbines.

Windkraftanlagen zur Drucklufterzeugung sind seit langem bekannt, z. B. RP536663, DE3613871 , DE3628651 , WO2010/054844 , DE 11 2011 102 005 , DE 20 2011 105 711 , DE 10 2011 112 280 usw. Derartige Anlagen haben sich aber bisher aus den folgenden Gründen nicht durchgesetzt:

  • 1. Bisherige Konzepte berücksichtigen mit Ausnahme von DE3613871 nicht die windbedingt schwankende mechanische Antriebsleistung für den Kompressor bzw. dessen belastende Wirkung auf das Windrad.
  • 2. Die Nutzung insbesondere von hochkomprimierter Druckluft als Zwischen-Speichermedium zur zeitverschobenen Umsetzung in elektrische Energie ist aus Aufwandsgründen nicht rentabel, da zusätzlich bei der Expansion des hochkomprimierten Gases noch Wärme zugeführt werden muss, siehe z. B. DE 20 2014 002 179 .
  • 3. Bei direkter lokaler Nutzung industrieüblicher Druckluft bis 10 bar z. B. in Werkstätten oder Fabriken muss zwar explizit keine Wärme zugeführt werden, jedoch ist in den hochindustrialisierten Ländern bei vorhandenem Stromnetz die Drucklufterzeugung mittels elektrisch angetriebenem Kompressor wirtschaftlicher.
  • 4. Auf großen Firmengeländen z. B. in Deutschland sind zwar durchaus Druckluftnetze vorhandenen, jedoch nicht überregional.
  • 5. Ein Transport in Druckbehältern via LKW als Ersatz für ein Druckluftnetz, wie er bei hochkomprimierter Druckluft dem Stand der Technik entspricht, ist bei den genannten industrieüblichen Drücken bis 10 bar wegen der großen erforderlichen Volumina nicht rentabel.
Wind turbines for compressed air generation have long been known, for. Eg RP536663, DE3613871 . DE3628651 . WO2010 / 054844 . DE 11 2011 102 005 . DE 20 2011 105 711 . DE 10 2011 112 280 etc. However, such systems have not been enforced for the following reasons:
  • 1. Consider previous concepts with the exception of DE3613871 not the wind-driven fluctuating mechanical drive power for the compressor or its adverse effect on the wind turbine.
  • 2. The use in particular of highly compressed air as an intermediate storage medium for the time-shifted conversion into electrical energy is not cost-effective for reasons of expense, since in addition to the expansion of the highly compressed gas still heat must be supplied, see, for. B. DE 20 2014 002 179 ,
  • 3. For direct local use of industrial compressed air up to 10 bar z. For example, in workshops or factories, although no heat must be explicitly supplied, but in the highly industrialized countries with existing power grid, the compressed air generation by means of electrically driven compressor is more economical.
  • 4. On large company premises z. B. in Germany are indeed quite compressed air networks available, but not national.
  • 5. A transport in pressure vessels via truck as a substitute for a compressed air network, as it corresponds to highly compressed compressed air prior art, is not profitable at the above industrial pressures up to 10 bar because of the large volumes required.

Unter Klein-Windkraftanlagen werden im folgenden Windräder zwischen 0,1 kW und 200 kW Nennleistung verstanden. Zur genauen begrifflichen Abgrenzung siehe DE 20 2011 105 711 .Under small wind turbines are understood in the following wind turbines between 0.1 kW and 200 kW rated power. For the exact conceptual definition see DE 20 2011 105 711 ,

Bei Klein-Windkraftanlagen wird im unteren Leistungsbereich aus Kostengründen i. a. auf eine mechanische oder hydraulische Anpassung des Rotorblattwinkels (Pitch) an die momentane Windgeschwindigkeit verzichtet. Dies hätte im Fall eines vom Windrad angetriebenen Verdichters zur Folge, dass ersteres meist außerhalb des aerodynamisch optimalen Drehzahl-/Drehmomentbereiches arbeiten bzw. erst bei höheren Windgeschwindigkeiten anlaufen würde.For small wind turbines is in the lower power range for cost reasons i. a. to a mechanical or hydraulic adjustment of the rotor blade angle (pitch) to the current wind speed omitted. In the case of a compressor driven by the wind turbine, this would mean that the former would usually operate outside of the aerodynamically optimal speed / torque range or only start at higher wind speeds.

In der Erfindung wird anstelle des variablen Pitch ein in der Leistung verstellbarer Verdichter (4) bevorzugt nach dem Taumelscheibenprinzip verwendet, wie er u. a. aus der Fahrzeugtechnik bekannt ist, siehe z. B. DE19847159 . Diese Verdichter-Bauart ist insbesondere bei Kältemittelkompressoren mittels eines taktenden Magnetventils in der Leistung steuerbar, indem die Stellung der Taumelscheibe von der Druckdifferenz zwischen dem Ausgangsdruck und dem Druck im Kurbelgehäuse bestimmt wird, siehe DE10331851 . Diese Steuerbarkeit kann z. B. für Verfahren zur Anpassung des Lastdrehmoments ausgenutzt werden, siehe z. B. DE 10 2012 216 559 .In the invention, instead of the variable pitch, a power variable compressor ( 4 ) preferably used according to the swash plate principle, as it is known inter alia from the automotive industry, see, for. B. DE19847159 , This compressor type is controllable in particular in refrigerant compressors by means of a clocking solenoid valve in the power by the position of the swash plate is determined by the pressure difference between the output pressure and the pressure in the crankcase, see DE10331851 , This controllability can z. B. be used for procedures for adjusting the load torque, see, for. B. DE 10 2012 216 559 ,

Um ein gasverdichtendes Windrad (1) immer im aerodynamisch optimalen Drehzahlbereich betreiben zu können, muss dessen Belastung der momentan verfügbaren Windgeschwindigkeit angepasst werden. Dies erfolgt erfindungsgemäß durch ein Steuergerät (12) für den Verdichter (4) mit Mikroprozessor (13) und einem Computerprogramm (14).To a gas-compacting wind turbine ( 1 ) can always operate in the aerodynamically optimal speed range, its load must be adjusted to the currently available wind speed. This is done according to the invention by a control unit ( 12 ) for the compressor ( 4 ) with microprocessor ( 13 ) and a computer program ( 14 ).

Das Computerprogramm (14) arbeitet erfindungsgemäß nach einer Variante des von Photovoltaik-Wechselrichtern bekannten Verfahrens ”Maximum-Peak-Power-Tracker” [MPPT, siehe z. B. Lucien Roten, ”Stromversorgung für einen drahtlosen Sensor”, Diplomarbeit Hes. so, CH-1950 Sitten-2 (www.hevs.ch), 2010 ], indem es die Leistung des Verdichters (4), d. h. die damit verbundene Belastung des Windrads (1) so einstellt, dass letzteres jeweils im aerodynamisch optimalen Betriebspunkt arbeitet.The computer program ( 14 ) operates according to the invention according to a variant of the known method of photovoltaic inverters "maximum peak power tracker" [MPPT, see, for. B. Lucien Roten, "Power Supply for a Wireless Sensor", thesis Hes. so, CH-1950 Sitten-2 (www.hevs.ch), 2010 ] by changing the power of the compressor ( 4 ), ie the associated load on the wind turbine ( 1 ) sets so that the latter each operates in the aerodynamically optimal operating point.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Windradwindmill
22
Welle zur Übertragung mechanischer Energie von 1 nach 4 Shaft for transmission of mechanical energy of 1 to 4
33
Funk-Drehzahlsensor für 2 Wireless speed sensor for 2
44
Elektronisch steuerbarer Kompressor (z. B. mit Taumelscheibentechnik)Electronically controllable compressor (eg with swashplate technology)
55
DruckluftbehälterAir receiver
66
Sensorsignal für den Ausgangsdruck von 4 Sensor signal for the output pressure of 4
77
Sensorsignal für den Fülldruck von 5 Sensor signal for the filling pressure of 5
88th
Druckluft-SpeiseleitungCompressed air supply line
99
Druckluft-EntnahmeleitungCompressed air removal line
1010
Werkstatt/Fabrik/Druckluft-TankstelleWorkshop / factory / compressed air filling station
1111
Steuersignal für 4 Control signal for 4
1212
EV-Steuergerät mit Mikrocomputer für 4 (EV = Energie-Verfügbarkeit)EV control unit with microcomputer for 4 (EV = energy availability)
1313
Mikrocomputer in 12 Microcomputer in 12
1414
Computerprogramm für 13 Computer program for 13
1515
Drehzahl-Signal von 3 Speed signal from 3

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • DE 3628651 [0004] DE 3628651 [0004]
  • WO 2010/054844 [0004] WO 2010/054844 [0004]
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  • DE 202014002179 [0004] DE 202014002179 [0004]
  • DE 19847159 [0007] DE 19847159 [0007]
  • DE 10331851 [0007] DE 10331851 [0007]
  • DE 102012216559 [0007] DE 102012216559 [0007]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • www.windcompressor.com [0001] www.windcompressor.com [0001]
  • http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Schnelllaufzahl.png&filetimestamp=20130824161306& [0003] http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=File:Schnelllaufzahl.png&filetimestamp=20130824161306& [0003]
  • Lucien Roten, ”Stromversorgung für einen drahtlosen Sensor”, Diplomarbeit Hes. so, CH-1950 Sitten-2 (www.hevs.ch), 2010 [0009] Lucien Roten, "Power Supply for a Wireless Sensor", thesis Hes. so, CH-1950 Sitten-2 (www.hevs.ch), 2010 [0009]

Claims (4)

Windkraftanlage zur Gasverdichtung, bestehend aus: – Einem aerodynamischen Teil (1), auch Windrad genannt, mit festem Blattanstellwinkel und 2 bis 4 Rotorblättern oder mit vielen Flügeln (”Amerikanisches Windrad”) oder nach dem Savonius- bzw. dem Darrieus-Prinzip, – Einem elektronisch in der Leistung verstellbaren Verdichter (4), z. B. nach dem Taumelscheibenprinzip, – Einer Achse (2) bzw. einem Getriebe, die bzw. das den aerodynamischen Teil (1) mit dem Verdichter (4) mechanisch verbindet, – Sensoren, die die augenblickliche Drehzahl des Windrades und die Drücke am Ausgang des Verdichters (4) und/oder den Druck im Behälter (5) erfassen, – Einem Steuergerät (12) mit Mikrocomputer (13), das die Leistung des Verdichters (4) elektronisch verstellt, – Einem Computerprogramm (14) für den Mikrocomputer (13) im Steuergerät (12), das die Leistung des Verdichters (4) derart regelt, dass das Windrad (1) durch die Belastung stets im aerodynamisch optimalen Bereich arbeitet.Wind turbine for gas compression, consisting of: - An aerodynamic part ( 1 ), also called wind turbine, with fixed blade pitch and 2 to 4 rotor blades or with many blades ("American wind turbine") or according to the Savonius or the Darrieus principle, - A electronically adjustable in performance compressor ( 4 ), z. B. according to the swash plate principle, - One axle ( 2 ) or a transmission that the aerodynamic part ( 1 ) with the compressor ( 4 mechanically connecting, - sensors, the instantaneous speed of the wind turbine and the pressures at the outlet of the compressor ( 4 ) and / or the pressure in the container ( 5 ), - a control unit ( 12 ) with microcomputer ( 13 ), which determines the performance of the compressor ( 4 ) electronically adjusted, - a computer program ( 14 ) for the microcomputer ( 13 ) in the control unit ( 12 ), which determines the performance of the compressor ( 4 ) such that the wind turbine ( 1 ) always works in the aerodynamically optimal range due to the load. Windkraftanlage nach Anspruch 1, bei der zusätzlich das Computerprogramm (14) nach einer Variante des von Wechselrichtern für Photovoltaik-Anlagen bekannten Verfahrens ”Maximum-Peak-Power-Tracker” (MPPT) arbeitet, das für die Leistungsregelung eines Windrads (1) mit Verdichter (4) weiterentwickelt ist.Wind power plant according to claim 1, in which additionally the computer program ( 14 ) according to a variant of the method known by inverters for photovoltaic systems "Maximum Peak Power Tracker" (MPPT), which is for the power control of a wind turbine ( 1 ) with compressor ( 4 ) is developed further. Windkraftanlage nach den Ansprüchen 1 und 2, wobei zusätzlich das Signal des Drehzahlsensors (3), ähnlich wie von Fahrradtachometern bekannt, drahtlos zum Steuergerät (12) übertragen wird, um eine problemlose Ausrichtung des Windrads (1) nach der Windrichtung zu ermöglichen.Wind turbine according to claims 1 and 2, wherein additionally the signal of the speed sensor ( 3 ), similar to bicycle tachometers, wirelessly to the controller ( 12 ) is transmitted to allow easy alignment of the windmill ( 1 ) to allow for the wind direction. Windkraftanlage nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, wobei zusätzlich die Stromversorgung für das Steuergerät (12) mittels eines vom Windrad (1) angetriebenen kleinen elektrischen Generators sichergestellt wird (in der Figur nicht dargestellt).Wind turbine according to claims 1, 2 and 3, wherein additionally the power supply for the control unit ( 12 ) by means of a wind turbine ( 1 ) is ensured small electric generator (not shown in the figure).
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