DE2709146A1

DE2709146A1 - Windenergienutzung

Info

Publication number: DE2709146A1
Application number: DE19772709146
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr I Mayer-Schwinning
Original assignee: MAYER SCHWINNING WOLFGANG DR I
Current assignee: MAYER SCHWINNING WOLFGANG DR I
Priority date: 1977-03-03
Filing date: 1977-03-03
Publication date: 1978-09-07
Also published as: DE2709146C2

Description

Windenergienutzung
Beschreibung Titel: Maximale Windenergienutzung Anwendungsgebiet: Die Erfindung betrifft die Windenergienutzung durch regelbare Windkraftwerke mit verstellbaren Turbinenflügeln auf horizontaler Achse und mit über Getriebe angetriebenen Nutzenergieerzeugern sowie anschließender Nutzenergieverteilung.
Zweck: Die technische und wirtschaftliche Nutzung der Windenergie, die auf verschiedene Weise erfolgen kann, wird bekanntlich dadurch behindert, daß dem schwankenden Energieverbrauch zusätzlich ein schwankendes Bruttowindenergieangebot gegenübersteht, das sich außerdem mit der horizontalen Lage des Aufstellungsortes und der Höhe entsprechend den Windgeschwindigkeiten in der jeweiligen planetaren Grenzschicht verändert. Ein weiterer Hinderungsgrund für die Nutzung der Windenergie ist die trotz zeitlicher Starkwindabschnitte im Jahresdurchschnitt relativ geringe Energiedichte der Windenergie. Während Modellrechnungen zeigen, daß im Jahresmittel bis 100 m Höhe ü.G. genügend Nutzenergie zur volkswirtschaftlichen Bedarfsdeckung zur Verfügung steht, ist zur Zeit der Beitrag der Windenergie zur allgemeinen Energieversorgung nicht nennenswert. Zu einer ausreichenden Nutzung der Windenergie ist es daher erforderlich, daß einerseits die wechselnde Windenergie bestmöglichst gesammelt wird, andererseits die gewonene Nutzenergieoptimal und bedarfsgerecht verteilt wird.
Stand der Technik mit Fundstellen: Die älteren Windantriebe (z.B. Windmühlen) waren windgeführt und waren mit festen Getriebeübersetzungen ausgerüstet. Moderne Windkraftantriebe haben zusätzlich aerodynamisch geformte und verwundene Turbinenflügel, die entweder fest mit der Achse verbunden sind (windgeführt) oder drehbar gelagert (drehzahlgeführt) sind.
Bei den windgeführten Windantrieben kann die erwünschte konstante Drehzahl, bei den drehzahlgeführten Windantrieben die optimale - Windenergienutzung - Seite 2 - Beschreibung Windenergiegewinnung nicht gehalten werden. Neben der älteren Literatur zur Windenergiegewinnung (z.B. Betz, van Heys, Meyer, honnef, Kleinhenz, Hütter) dürfte der Stand der Technik etwa in der Systemstudie wiedergegeben werden, die im Auftrage des Bundesministers für Forschung und Technologie angefertigt wurde (Energie für morgen, Teil III, Nutzung der Windenergie", Umschau-Verlag, 1976).
Kritik des Standes der Technik: Die bisher bekannten Windkraftanlagen stellen ein starres aerodyT namisch-mechar.isches oder aerodynamisch-elektrisches System dar, bei dem entweder die Turbinenflügel und ihre Drehzahl für eine festgelegte Windgeschwindigkeit ausgelegt sind und damit für höhere und geringere Windgeschwindigkeiten schlechtere Wirkungsgradeund dadurch nicht die optimal erzielbaren Leistungen ergeben, oder bei dem unter Verzicht auf konstante Drehzahl bei fester Blatteinstellung zwar die optimale Leistung über einen bestimmten Geschwindigkeitsbereich des Windes erhalten bleibt, jedoch die anfallende elektrische und mechanische Nutzleistung wegen der variablen Drehzahl und der veränderlichen Spannung nur beschränkt verwendungsfähig ist. Die bekannten Windenergie-Gewinnungssysteme lassen daher weder eine optimale Windenergiegewinnung noch eine optimierende Lastverteilung noch die Verbindung beider Anforderungen zu.
Aufgabe: Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, sowohl die Windenergie maximal zu nutzen als auch die so gewonnene Nutzenergie optimal zu verteilen, wobei die.Lösung sowohl für Inselbetrieb als auch für Verbundnetzeinspeisung geeignet sein muß und im Baukastensysten zu beliebigen Größen wirtschaftlich ausbaufähig sein soll.
Lösung: Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das starre und nicht optimierbare aerodynamisch-mechanische oder aerodynamisch-elektrische Windenergienutzungssystem (Windturbine-Nutzenergieabgabe) konsequent in die beiden Systeme Windenergiegewinnung ('ir.dturbine-llu'zenergieerzeugung) und Nutzenergieabgabe (utzenergie2bn2hme-Ener6ieverteilung) aufgeteilt wird und jedes system für sich optimierbar ausgestaltet wird, wobei das Winenergiege- - Windenergienutzung - Seite 3 - beschreibung winnungs-System durch die Windgeschwindigkeit und das Nutzer.ergieabgabe-System durch die Last anforderungen geregelt werden (Abb. 1).
Windkraftanlagen werden in absehbarer Zeit nur in der planetarischen Grenzschicht betrieben werden können. In dieser nehmen die Windgeschwindigkeiten mit der Höhe über Grund und dem Einfluß von Bodenrauhigkeit und met eoro logischen Größen in unterschiedlicher Weise zu. Nach Messungen und Modelirechnungen kann man ein mittleres Grenzschichtprofil bilden (Abb.2). In diesem steigt die mittlere Jahreswindgeschwindigkeit von der meteorologischen Meßhöhe H = 10 m bis zur Höhe von H = 100 m von 1 auf 1,5 und die mittlere Jahreswindenergie von 1 auf 3,34. Ein optimierbares Windkraftwerk kann daher nur in Teilabschnitten optimal arbeiten. Auf Grund verschiedener Überlegungen werden Teilabschnitte von 10 - 30 m, vorzugsweise von 15 - 25 m, für optimierbar gehalten. Gleichzeitig können Windturbinen mit diesem Durchmesser auch weiteren Anforderungen der optimalen Auslegung, u.a. den Festigkeitsanforderungen, angepaßt werden. (Anspruch 2).
Die Jahresdauerlinien des Windes ergeben für die Windganglinie eov = p(v)*dt(v) ein Maximum (Abb.3), dessen zugehörige Leistung als als optimale Ausbauleistung der Optimierung der Systemeinheiten zu Grunde gelegt wird. Diese optimale Ausbauleistung ergibt sich unmittelbar aus dem Jahresmittel der Windgeschwindigkeiten am Ort der Aufstellung oder Anbringung des Windenergiegewinnungs-Systems. Die optimale Installation der Ausbauleistung ist also von der Bildung optimierbarer Windenergieabschnitte und der Ermittlung der mittleren Jahreswindgeschwindigkeit in diesen Abschnitten abhängig (Anspruch 3).
Um die Wind energie in dem Windgeschwindigkeitsabschnitt von der Mindestwindgeschwindigkeit vmin bis zur Regelgeschwindigkeit vreg optimal zu nutzen, soll der optimale Turbinenwirkungsgrad in diesem Geschwindigkeitsbereich voll erhalten bleiben.(Abb.3). Dies wird erreicht durch die Teilung des Getriebes in einen festen und in einen veränderlichen Teil, der der Geschwindigkei tssp snne von vmin bis vreg angepaßt ist (Anspruch 4).
Windenergienutzung - Seite 4 - Beschreibung Für den optimalen Anlauf der Turbinenflügel bis zum Einsetzen der Verstellregelung des stufenlosen Verstellgetriebes bei der indgeschwindigkeit vmin und zur Leistungsbegrenzung bei der Windgeschwindigkeit vreg ist eine entsprechende Verdrehung der Turbinenflügel vorgesehen. Die Verdrehung der Turbinenflügel und die Verstellung des stufenlosen Verstellgetriebes erz tun kontinuierlich und bilden eine Regelstrecke (Anspruch 5).
Da die Windenergiegewinnung von der Nutzenergieabgabe völlig getrennt wird, genügen für die Nutzenergieerzeugung in der Form des elektrischen Stroms einfache Generatoren, die nur hinsichtlich ihres Gewichtes und ihrer Kühlung optimiert zu werden brauchen und nur bei Parallelbetrieb mit Spannungsregler ausgerüstet werden müssen (Anspruch 6).
Die Regelung des Systems zur optimalen Windenergiegewinnung erfolgt im windabhängigen Leistungsbereich über den variablen Teil des Getriebes als stufenloses Vers+ellgetriebe. Zusammen mit der Flügelverstellung kann das System durch entsprechende Geber, z.B.
durch Drehzahl- und Lastgeber, vollautonom und optimal geregelt werden, so daß im Leistungsbereich des Generators in Verbindung mit der Ausgestaltung nach den Ansprüchen 2 - 5 eine ständige Leistungsoptimierung des Systems im Sinne bestmöglicher Windenergiegewinnung erfolgt (Anspruch 7).
Erzielbare Vorteile: Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile gegenüber dem bekannten Stand der Technik bestehen insbesondere darin, daß die windenergetisch nicht optimierbaren Windkraftwerke durch Trennung in die Systeme Windenergiegewinnung und Nutzenergieabgabe optimierbar gemacht werden, daß die Windgewinnungseinheiten bei unterschiedlichen Jahreswindgeschwindigkeiten als optimierbare Einheiten ausgelegt und in diesen Größen optimal installiert werden.
Weitere Vorteile bestehen in der Erhaltung der optimalen Leistung über den installierten Leistungsbereich sowie in der Bildung autonomer Windkraftwerkseinheiten als Baukastenteile größerer Anlagen.
Dadurch steigt der spezifische relative Ausnutzungsgrad der ettojahreswindenergie m = epi t/emax von bisher bekannten Konstruktionen und bekanntgewordenen Projekten von etwa 0,20 auf den Windenergienutzung - Seite 5 - Beschreibung technisch und wirtschaftlich optimal vertretbaren maximalen Wert von 0,60.
Ausführungsbeispiele mit weiteren Unteransprüchen: Die vorstehend beschriebenen, optimierbaren und optimal instalt lierten sowie der örtlichen mittleren Jahreswindgeschwindigkeit angepaßten und voll autonom geregelten Windenergiegewinnungs-Einheiten (in den Unterlagen auch mit "Einheitswindturbinen" bezeichnet) sind in dieser Konzeption hervorragend geeignet, als Baukastenteile für Anlagen beliebiger Größe verwandt zu werden (Abb.4). Wenn die Nutzenergiegewinnung über Generatoren erfolgt (Abb.1), ist für den Parallelbetrieb lediglich erforderlich, daß zusätzlich Spannungsregler angebracht werden (Anspruch 8).
Zur zweckmäßigen Anordnung der Windenergiegewinnungs-Einheiten sind an den Aufstellungstürmen Schwenkarme vorgesehen, die horizontal sowohl in durchgehender, gestreckter Lage (Anspruch 9) als auch vom Turm aus getrennt paarweise in Windrichtung (Anspruch 10) aus der Richtung senkrecht zur Windrichtung (Arbeitsstellung) geschwenkt werden können (Abb.4 und 5). Die Schwenkung mit gestreckten Schwenkarmen ist dabei vorwiegend für Ruhestel= lung und Montagearbeiten vorgesehen, die paarweise Schwenkung in Windrichtung für Teilbetrieb bei Stürmen, wobei die Schwenkbewegung der Tragarme durch Federungs- und Dämpfungsglieder begrenzt wird.
Wegen der besseren Beherrschung der dynamischen Kräfte bei Anbringung mehrerer Einheiten an einem Aufstellungsturm ist es zweckmäßig, die Drehrichtungends Windturbinen so vorzusehen, daß sie paarweise gegenläufig gerichtet sind (Anspruch 11).
Zum Ausgleich der Gewichte an den Tragarmen und zur Verringerung übermäßig stabilisierender Kräfte in Windrichtung sowie zur Vermeidung von Schwingungen durch den Turmschatten können die äußeren Turbinen in Windrichtung, die inneren Turbinen gegen die Windrichtung auf den Tragarmen montiert werden (Anspruch 12). Windenergienutzung - Seite 6 - Beschreibung Die Erfindung sieht die von der Nutzenergieerzeugung sich getrennt optimierende Nutzenergieabgabe vor. Die anfallende Sutzenergie wird vollautomatisch in der Rangfolge des Energiebedarfs durch Lastzuschaltung bezw. -abschaltung auf die Abnahmebereiche wie z.B. Netzversorgung, Fahrstrom, Batterieladung, Speicherung und Heizung verteilt (Anspruch 13).
Für die optimale Verteilung der anfallenden Nutzenergie soll das sich optimierende System zur Nutzenergieverteilung bei Bedarf mit Umformersätzen und Elementen der Anpassungs- und Leistungseiektronik ausgerüstet und mit Mitteln der Steuerungs- und Rechnerelektronik optimal angepaßt und programmiert werden. (Anspruch 14).
L e e r s e i t e

Claims

Windenergi enutzung Patentansprüche 1. Windenergienutzung durch regelbare Windkraftwerke mit verstellbaren Turbinenflügeln auf horizontaler Achse und mit über Getriebe angetriebenen Nutzenergieerzeugern sowie anschließender Nutzenergi evertei lung, dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte System Windenergienutzung - Nutzenergieverteilung in das System Windenergiegewinnung (Windturbine - Nutzenergieerzeugung) und das System Nutzenergieabgabe (Nutzenergieabnahme - Energieverteilung) getrennt wird und die beiden Systeme Windenergiegewinnung und Nutzenergieabgabe jedes für sich optimiert werden. (Abb.1).
2. Windenergienutzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Windkraftanlagen mit mehreren Systemen zur Windenergiegewinnung die Systeme zur Windenergiegewinnung und Nutzenergieabgabe in leistungsmechanisch und festigkeitsmechaniscn optimierbaren Größen ausgelegt und in diesen Größen optimiert werden (Abb.2).
3. Windenergienutzung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelsysteme zur Windenergiegewinnung vorwiegend eine optimale Ausbauleistung Pinst (kw) erhalten, die bei dem Energiemaximum der Windganglinien-Jahresdauerlinien eOv = p(v).dt(v) max liegt, welches seinerseits vom Jahresmittel der Windgeschwindigkeit am Ort der Aufstellung oder Anbringung der Windenergiegewinnungsanlage (e = f(v)) sowohl horizontal als auch vertikal abhängt (Abb.3 und Abb.2)
4. Windenergienutzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optimale Turbinenwirkungsgrad des Systems zur Windenergiegewinnung durch Teilung des Getriebes in einen festen und einen variablen Teil über den Deistungsbereich des Systems während der entsprechenden Windgeschwindigkeitaspanneerhalten bleibt (Abb.3).

Windenergienutzung - Patentansprüche
5.Windenergienutzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optimale Beginn der Leistungsaufnahme und die Leistungsbegrenzung bei der Regelgescr.windigkeit vreg durch entsprechende Fliigelverstellung erfolgt.
6. Windenergienutzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzenergieerzeuger einfache Stromerzeuges sind, die nur hinsichtlich Gewicht und Kühlung optimiert werden und nur bei Parallelbetrieb mlt Spannungsregler ausgerüstet werden.
7. Windenergienutzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Systemeinheiten zur Windenergiegewinnung sich vollautonom und optimal regeln und sich damit ständig durch die Ausbildung nach den Ansprüchen 2 - 5 auf eine Leistungsoptimierung des Systems zur bestmöglichen Windenergiegewinnung einstellen.
8. Windenergienutzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nach Anspruch 2 - 7 beschriebenen Windenergiegewinnungssysteme als Baukastenteile für Windenergieanlagen beliebiger Größe verwendet werden können.(Abb.4)
9. Windenergienutzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Systeme zur Windenergiegewinnung am Aufstellungsturm auf durchgehenden, horizontalen Schwenkarmen angebracht werden, die je nach Turmhöhe auch übereinander angebracht werden können.(Abb.4 und Abb.5).
10.Windenergienutzung näch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,,daß die Systeme zur Windenergiegewinnung auf getrennt oder paarweise schwenkbaren horizontalen Trägerarmen mit Federungs- und Dämpfungsgliedern montiert werden.
11.Windenergienutzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Systeme zur Windenergiegewinnung auf den Schwenkarmen paarweise gegenläufig angeordnet werden Windenergienutzung - Patentansrüche
12. Windenergienutzung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Systeme zur Windenergiegewinnung so angeordnet werden, daß die Turbinen der außen liegenden Einheiten in Richtung des Windes, die Turbinen der in Mastnähe liegenden Einheiten entgegen der Windrichtung angebracht werden.
13. Windenergienutzung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das System zur Nutzenergieabgabe alle bedienbaren Abnahmebereiche wie tum Beispiel Netzversorgung, Fahrstrom, Batterieladung, Speicherung und heizung umfaßt und diese optimal durch Lastzuschaltung bezw. -abschaltung in der Rangfolge des Energiebedarfs versorgt.
14. Windenergienutzung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das System zur Nutzenergieabgabe für die optimale Verteilung der anfallenden Nutzenergie bei Bedarf mit Umformersätzen und Elementen der Anpassungs- und Leistungselektronik ausgerüstet und mit Mitteln der Steuerungs-und Rechnerelektronik optimal angepaßt und programmiert wird.