DE2722990A1

DE2722990A1 - Windkraftwerk zur stromerzeugung

Info

Publication number: DE2722990A1
Application number: DE19772722990
Authority: DE
Inventors: Karl-Nikolaus Regar
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1977-05-20
Filing date: 1977-05-20
Publication date: 1978-11-23

Description

Windkraftwerk zur Stromerzeugung
Die Erfindung betrifft ein Windkraftwerk zur Stromerzeugung, mit einem vom Wind betreibbaren Flügel und einem elektrischen Generator, der mit dem Flügel gekoppelt ist.
Bei einem derartigen Windkraftwerk setzt der Flügel die zur Verfügung stehende Windenergie in mechanische Energie um, die zum Betreiben des Generators verwendet wird. Die mechanische Energie wird vom Generator in elektrische Energie umgesetzt, die einem Verbraucher zugeführt wird. Wenn der Energiebedarf des Verbrauchers schwankt, ergeben sich unerwnnschte Differenzen zwischen dem momentanen Energieangebot des Generators und dem momentanen Energieangebot des Verbrauchers. Wenn das Energieangebot des Generators infolge Xnderungen in der Windstärke schwankt, kommt es ebenfalls zu Differenzen zwischen dem momentanen Energiebedarf des Verbrauchers und dem momentanen Energieangebot des Generators.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, bei einem gattungsgemäßen Windkraftwerk zur Stromerzeugung Maßnahmen anzugeben, mit deren Hilfe Differenzen zwischen dem momentanen Energieangebot des Generators und dem momentanen Energiebedarf des Verbrauchers vermieden werden können, wobei diese Differenzen durch Änderungen in der Windstärke oder durch Schwankungen im Energiebedarf des Verbrauchers hervorgerufen sein können.
Die Aufgabe ist dadurch gelöst, daß ein Schwungmassenspeicher vorgesehen ist, der mit dem Generator und dem Flügel über eine Einrichtung zur Regelung der Energieaufnahme und -abgabe des Schwungmassenspeichers gekoppelt ist.
Zum Ausgleich der Differenzen zwischen dem momentanen Energieangebot des Generators und dem momentanen Energiebedarf des Verbrauchers arbeitet das erfindungsgemäße Windkraftwerk wie folgt: 1. Wenn zur Deckung des momentanen Energiebedarfs des Verbrauchers nur ein Teil der vom Flügel abgegebenen mechanischen Energie benötigt wird, so fließt der Rest dieser mechanischen Energie in den Schwungmassenspeicher.
2. Wenn zur Deckung des momentanen Energiebedarfs des Verbrauchers mehr Energie erforderlich ist als vom Flügel abgegeben wird, so wird die benötigte Differenzenergie dem Schwungmassenspeicher entzogen, im Generator in elektrische Energie umgesetzt und dem Verbraucher zugeführt.
Das erfindungsgemäße Windkraftwerk hat eine Vielzahl von Vorteilen: - Das Energieangebot des Generators wird laufend dem Energiebedarf des Verbrauchers angepaßt, wobei der Ausgleich zwischen dem Energieangebot und dem Energiebedarf automatisch erfolgen kann.
- Energie wird erzeugt unter Ausnutzung eines sehr breiten Windgeschwindigkeitsfeldes.
- Die Umwandlung der Windenergie in elektrische Energie erfolgt mit einem sehr hohen Wirkungsgrad.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Regeleinrichtung ein Summiergetriebe mit mindestens vier Ein- bzw. Ausgängen auf, die jeweils mit dem Flügel, dem elektrischen Generator, dem Schwungmassenspeicher und einer wahlweise als Motor oder Generator betreibbaren Einrichtung verbunden sind, die mit einem Energiespeicher gekoppelt ist. Mit einer derartigen Regeleinrichtung kann ein sehr hoher Wirkungsgrad bei der Einspeicherung und bei der Entnahme von Energie in bzw. aus dem Schwungmassenspeicher erzielt werden.
Mittels zweier wahlweise als Motor oder Generator betreibbaren Einrichtungen und zweier Energiespeicher kann ein noch besserer Wirkungsgrad bei der Einspeicherung und Entnahme von Energie in bzw. aus dem Schwungmassenspeicher erzielt werden als es mit nur einer wahlweise als Motor oder Generator betreibbaren Einrichtung und mit einem Energiespeicher möglich ist.
Es ist daher vorteilhaft, wenn das Summiergetriebe einen weiteren Ein- bzw. Ausgang hat, der mit einer weiteren wahlweise als Motor oder Generator betreibbaren Einrichtung verbunden ist, die mit einem weiteren Energiespeicher gekoppelt ist, wobei beide wahlweise als Motor oder Generator betreibbaren Einrichtungen und beide Energiespeicher miteinander in Verbindung stehen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die oder jede wahlweise als Motor oder Generator betreibbare Einrichtung ein mit einem Strömungsmittel betreibbares, wahlweise als Pumpe oder Motor arbeitendes hydraulisches Gerät und ist der oder jeder Energiespeicher eine pneumatische Hochdruckspeicherbatterie.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem Summiergetriebe und dem Flügel ein Freilauf geschaltet, der die Abkoppelung des Flügels vom Generator bewirkt, welcher weiterhin vom Schwungmassenspeicher angetrieben werden kann, wenn die Drehzahl des Flügels unter die Drehzahl des Generators abgesunken ist, so daß zeitlich begrenzte Windflauten wirksam überbrückt werden können.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 Ein Windkraftwerk in schematischer Darstellung und Fig. 2 eine grafische Darstellung des Drehzahlverlaufs des Schwungmassenspeichers und der wahlweise als Pumpe oder Motor arbeitenden Geräte in Abhängigkeit von der Zeit.
Das in Fig. 1 dargestellte Windkraftwerk hat einen Flügel 1, der zum Umsetzen der Windenergie in mechanische Energie dient. Der Flügel 1 ist auf einer Welle angeordnet, die mit einem Übersetzungsgetriebe 2, das ein festes Übersetzungsverhältnis hat, verbunden ist. Das Getriebe 2 hat eine Abtriebswelle, die über ein Umlenkgetriebe mit einer Triebwelle 3 gekoppelt ist, die senkrecht zur Abtriebswelle des Getriebes 2 angeordnet ist. Die Triebwelle 3 ist über einen Freilauf 4 mit einem Eingang eines Summiergetriebes 5 gekoppelt.
Ein elektrischer Generator 6 ist mit einem Ausgang des Summiergetriebes 5 verbunden, das drei weitere Ein- bzw. Ausgänge hat, von denen der eine mit einem Schwungrad 7 und die beiden anderen mit jeweils einem wahlweise als Pumpe oder Motor betreibbaren, hydrautischen Gerät 8a bzw. 8b verbunden sind. Der Generator ist mit einem Verbraucher verbunden, der nicht dargestellt ist.
Eine als Puffer für den Fluß der Regelenergie dienende, pneumatische Hochdruckspeicherbatterie 9a ist mit beiden wahlweise als Pumpe oder Motor betreibbaren Geräte 8a und 8b verbunden, die ihrerseits mit einer weiteren als Puffer für den Fluß der Regelenergie dienenden, pneumatischen Hochdruckspeicherbatterie 9b verbunden sind.
Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Windkraftwerkes ist wie folgt. Der Flügel 1 wird vom Wind angetrieben, wobei Windenergie in mechanische Energie umgesetzt wird. Das Getriebe 2 überträgt diese mechanische Energie auf die Abtriebswelle, welche die Triebwelle 3 antreibt.
Der Generator 6 wird über das Summiergetriebe 5 und über den Freilauf 4 von der Triebwelle 3 angetrieben.
Wenn das Energieangebot der Triebwelle 3 größer als der momentane Energiebedarf des mit dem Generator gekoppelten Verbrauchers ist, werden die hydraulischen Geräte 8a und 8b auf Motorbetrieb gestellt, wodurch ein größeres Drehmoment auf der zum Schwungrad führenden Welle wirksam wird, so daß die überschüssige Energie dem Schwungrad zugeleitet wird.
Wenn das Energieangebot der Triebwelle 3 nicht ausreicht um den momentanen Energiebedarf des Verbrauchers zu decken, wird die Differenz zwischen der vom Verbraucher aufgenommenen und der vom Verbraucher benötigten Energie dem Schwungrad dadurch entnommen, daß die hydraulischen Geräte 8a und 8b auf Pumpbetrieb gestellt werden, wodurch ein höheres Drehmoment auf der Generatorwelle wirksam wird. Durch das höhere Drehmoment wird mehr Strom vom Generator erzeugt und dem Verbraucher zugeführt, so daß der Energiebedarf des Verbrauchers gedeckt ist.
Die hydraulischen Geräte 8a und 8b arbeiten mit den pneumatischen Hochdruckspeicherbatterien 9a und 9b zusammen, die als Puffer für den Fluß der Regelenergie dienen.
Wenn die Drehzahl der Triebwelle 3 unter die Drehzahl des Generators absinkt, bewirkt der Freilauf 4 die Abkoppelung des Flügels 1 vom Generator 6, der weiterhin vom Schwungrad 7 angetrieben wird.
Bei Änderungen der Drehzahl der Triebwelle 3 kann mit Hilfe des Schwungrades 7 und der erfindungsgemäßen Regelungseinrichtung die Drehzahl des Generators weiterhin konstant gehalten werden.
Fig. 2 zeigt den Verlauf der Drehzahl nA der Triebwelle 3, den Verlauf der Drehzahl nSR des Schwungrades 7 und den Verlauf der Drehzahl nRK der hydraulischen Geräte 8a und 8b, bei Nachtbetrieb NB und Tagbetrieb TB, wobei beim Tagbetrieb TB eine wechselnde Belastung auftritt, die durch Schwankungen im Energiebedarf des Verbrauchers verursacht werden.
Abhängig vom Ladezustand des Schwungrades 7 arbeiten die hydraulischen Geräte 8a und 8b in den Bereichen I, III und V als Pumpen und in den Bereichen II, IV und VI als Motoren.
In den Bereichen L laufen das Schwungrad 7 und die hydraulischen Geräte 8a und 8b im Leerlauf um.
Das Schwungrad 7 wird während des Nachtbetriebes NB aufgeladen. Die gespeicherte Energie wird während des Tagbestriebes TB dem Schwungrad wieder entzogen.
Beim Aufladen des Schwungrades 7 werden 67% der zur Verfügung stehenden mechanischen Energie in das Schwungrad geleitet, während 33% in hydrostatische Energie umgesetzt und in die Speicherbatterien eingespeichert wird.

Claims

Patentansprüche Windkraftwerk zur Stromerzeugung mit einem vom Wind antreibbaren Flügel und einem elektrischen Generator, der mit dem Flügel gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwungmassenspeicher (7) vorgesehen ist, der mit dem Generator (6) und dem Flügel (1) über eine Einrichtung zur Regelung der Energieaufnahme und -abgabe des Schwungmassenspeichers (7) gekoppelt ist.
2. Windkraftwerk gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung ein Summiergetriebe (5) mit mindestens vier Ein- bzw. Ausgängen aufweist, die jeweils mit dem Flügel (1) dem elektrischen Generator (6), dem Schwungmassenspeicher (7) und einer wahlweise als Motor oder Generator betreibbaren Einrichtung (8a) verbunden sind, die mit einem Energiespeicher (9a) gekoppelt ist.
3. Windkraftwerk gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Summiergetriebe (5) einen weiteren Ein- bzw.

Ausgang hat, der mit einer weiteren wahlweise als Motor oder Generator betreibbaren Einrichtung (8b) verbunden ist, die mit einem weiteren Energiespeicher (9b) gekoppelt ist, wobei beide wahlweise als Motor oder Generator betreibbaren Einrichtungen (8a, 8b) und beide Energiespeicher (9a, 9b) miteinander in Verbindung stehen.
4. Windkraftwerk gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede wahlweise als Motor oder Generator betreibbare Einrichtung (8a, 8b) ein mit einem Strömungsmittel betreibbares, wahlweise als Pumpe oder Motor arbeitendes hydraulisches Gerät ist, und daß der oder jeder Energiespeicher (9a, 9b) eine pneumatische Hochdruckspeicherbatterie ist.
5. Windkraftwerk gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Summiergetriebe (5) und dem Flügel (1) ein Freilauf (4) geschaltet ist.