DE3225456A1 - Verfahren zur ausnutzung von windenergie fuer die erzeugung von elektrizitaet mit konstanter frequenz - Google Patents

Verfahren zur ausnutzung von windenergie fuer die erzeugung von elektrizitaet mit konstanter frequenz

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DE3225456A1 DE19823225456 DE3225456A DE3225456A1 DE 3225456 A1 DE3225456 A1 DE 3225456A1 DE 19823225456 DE19823225456 DE 19823225456 DE 3225456 A DE3225456 A DE 3225456A DE 3225456 A1 DE3225456 A1 DE 3225456A1
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Description

Verfahren zur Ausnutzung von Windenergie für die Erzeugung von Elektrizität mit konstanter Frequenz.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausnutzung von Windenergie zur Erzeugung von Elektrizität mit konstanter Frequenz. Die Hauptschwierigkeit, die bei der Verwendung von Windenergie für die Erzeugung von Elektrizität auftritt, beruht auf der extremen Änderung des V/indes, so
die nur schwer/unpassbar ist, dass sie die Anforderungen des Stromnetzes deckt, welche völlig unterschiedlichen Voraussetzungen unterliegt.
Es wurden verschiedene Arten von Sammlersystemen unterdiene
sucht und erprobt, auch mit guten Ergebnissen, aber/stellen häufig Anforderungen an das System, die häufig kostspielig sowohl in bezug auf den Aufbau, als auch auf den Betrieb werden.
Es ist möglich, die Windenergie als einzige Quelle für Elektrizität zu 'Verwenden (direkte Kofjolung zwischen dem Windrotor, einem Synchron-oder Induktionsgenerator und dem Stromnetz), jedoch ermöglicht dies eine maximale Ausnutzung der Windenergie nur in einem bestirnten G-eschwindigkeitsbereich und führt damit zu einem geringen mittleren Wirkungsgrad des Systems. Dieses Problem kann nur durch Verwendung von sehr komplizierten Vorrichtungen gelöst werden (Rotor mit Verctellblättern, komplexen Steuersystemen usw.), die zu hohen Konstruktions-und Unterhaltungskosten führen. Y/enn ein './indrotor mit feststehenden Blättern (und damit stabil und wirtschaftlich) verwendet wird, muss zusätzliche Energie zugeführt werden,
um die Geschwindigkeit des Windrotors in dem Zustand der maximalen Ausnutzung der Windenergie zu halten, wenn die Y/indgeschvvindigkeit sich ändert. Ein Y/indrotor mit featstehenden Blättern kann die Y/indkraft unter optimalen Bedingungen bei einer Winkelgeschwindigkeit aufnehmen, die von der Windgeschwindigkeit abhängt. Daraus ergibt sich, dass, wenn optimale Bedingungen für die Ausnutzung der Windkraft erreicht werden sollen, es unmöglich ist, einen direkt mit der Windrotorwelle verbundenen elektrischen Generator mit konstanter Geschwindigkeit zu drehen.
Nach der D3-Pat.Anm. P 51 36 576.0, eingereicht am 15.September 1981, erfolgt diese zusätzliche Energiezuführung durch eine Antriebsmaschine, z.B. eine Brenn-15
kraftmaschine, deren Speisung entsprechend der Notwendigkeit die erforderliche Winkelgeschwindigkeit aufrechijjsu erhalten, gesteuert wird.
Nach dem Verfahren gemäss der Erfindung wird der Windrou tor mit einem Gleichstromelektromotor und mit einem elektrischen Generator gekoppelt, der auf konstanter Geschwindigkeit gehalten wird. Dieses Koppeln erfolgt durch eine Summiervorrichtung für die Winkelgeschwindigkeit. Das Verfahren gemäss der Erfindung kann auch offensichtlich durch ein Verbundsystem erreicht werden, welches einen oder mehrere Hilfsgleichstrom-Elektromotore und einen oder mehrere Elektrogeneratoren einschliesst. Verschiedene zwischengeschaltete elektrische Elemente können eine verbesserte Llodulation des Systems für den Wirkungsgrad
ermöglichen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen;
35
Fig. 1 schematisch die Verbindung zwischen Windrotor, Gleichstrommotor und Generator,
Fig. 2 zeigt die Änderungen des Drehmomentes- (Fig.2a) 0
und der Kraft (Fig. 2b) eines Windrotors mit feststehenden Blättern bei Änderung der Winkelgeschwindigkeit für unterschiedliche Windgeschwindigkeiten,
Fig. 3 zeigt die Änderung des Drehmomentes mit der Winkelgeschwindigkeit, und
Fig. 4 die Änderung des stabilen Betriebes des Systems bei Änderungen der Windgeschwindigkeit.
Wie in Fig. 1 dargestellt, sind die drei Elemente (der 15
Generator 2, der Elektromotor 4 und Windrotor 1) mechanisch über ein Ausgleichsgetriebe 3 gekuppelt, dessen Ritzelrad mit dem Generator 2 verbunden ist, und dessen beide Achsen, eine mit dem Elektromotor: 4 und die andere mit dem Windrotor 1 in Verbindung stehen.
Mit dieser Kopplungsanordnung arbeitet -das Ausgleichsgetriebe als Summiex-vorrichtung für die Winkelgeschwindigkeit derart, dass bei entsprechender Änderung der Drehgeschwindigkeit des Elektromotors 4, die Änderung der Drehgeschwindigkeit des Windrotors 1 dadurch kompensiert werden kann, dass auf den Generator 2 eine Kraft gleich der Summe der beiden augenblicklichen Kräfte des Elektromotors 4 und des Windrotora 1 bei konstanter Winkelgeschwindigkeit' aufgegeben werden.
Fig. 2 zeigt die Änderungen des Drehmomentes Z (Fig.2a) und der Kraft Y (Fig. 2b) des Windrotors.(mit feststehenden Blättern)( wenn dessen Winkelgeschwindigkeit sich ändert, für verschiedene Windgeschwindigkeiten V^, Vp> V,.
Fig. 2b zeigt auch die Kurve, welche alle Punkte maximaler Leistung des Windrotora verbindet.
Fig. 2a zeigt die Analogkurve, welche alle der maximalen Leistung entsprechenden Drehmomentwerte miteinander verbindet. .
5
V/enn die Winkelgeschwindigkeit dec; Windrotors entspre-r
chen'd geändert werden kann, wenn die V/indgeschwindigkeit sich ändert, dann kann der Windrotor immer unter maximalen !«eistungsbe dingungen arbeiten.
Durch entsprechende Auswahl des Elektromotors und seiner Charakteristikkurve (Drehmoment als Punktion der Winkelgeschwindigkeit) ist es möglich, eine Änderung des Drehmomentes Z' mit der Winkelgeschwindigkeit W in der in
Fig. 5 dargestellter Weise zu erreichen, und die Änderung 15
ist genau analog der in Pig. 2a dargestellten Kurve, mit Ausnahme der für die Richtung der Achse W1 im Vergleich
mit der Richtung der Achse W.
Dies ist z.B. möglich mit einem unabhängig erregten Gleich-
2^ stronimotor, in welchem eine koordinierte Steuerung, sowohl der Spannung, als auch der Erregung als-Punktion der Winkelgeschwindigkeit durchgeführt wird. Auf diese Weise
werden, wenn ein Elektromotor mittels des Summiermechanismus für die Winkelgeschwindigkeit, wie er in Pig. 1
dargestellt ist, mit einem Windrotor und einem mit einem Stromnetz, in dem die Frequenz festgelegt ist, verbundenen Generator gekoppelt ist, die in Pig. 4 dargestellten Bedingungen erreicht , in v/elcher die Abzisse die
Winkelgeschwindigkeit W des Yiindrotors von links nach
rechts, ausgehend von 0 und die Winkelgeschwindigkeit
des elektrischen Hilfsmotors von rechts nach links, ausgehend von 0! deirstellt. Die Z Achse zeigt das Drehmoment des Windrotors, wenn die Winkelgeschwindigkeit des Windrotors sich ändert für drei Werte der 'Windgeschwindigkeit Y1, Vp, V-,, und die Z1 ^chse zeigt das Drehmoment des
Elektromotors, wenn die Winkelgeschwindigkeit des Elektromotors sich ändert. Der Abschnitt 0~·0· stellt die Summe
(konstant) der beiden Winkelgeschwindigkeiten dar, welehe auf -den Generator über den Summiermechani sinus übertragen werden.
Die in Pig. 4 durch P* ,Po,P-? bezeichneten Punkte stellen Punkte des stabilen Betriebes des Systems dar, wenn die Windgeschwindigkeit sich ändert und infolge der Übereinstimmung zwischen den Gharakteristikkurve des gewählten
._ Elektromotors und der Kurve gemäss Fig. 2a, welche die Punkte miteinander verbindet, in welchen das Drehmoment des Windrotors seiner maximalen Leistung entspricht, wird erreicht, dass, wenn der Wind sich ändert, der auf diese Weise mit einem Elektromotor gekoppelte Windrotor immer bei maximaler leistung arbeitet.
das System mit einer Verbraucherstelle durch einen Stromkreis verbunden ist, der nicht mit anderen Generatoren in Verbindung steht, fehlt der Regeleffekt des Stromnetzes auf die Frequenz infolge des synchronisierenden
Drehmomentes des Generators und entsprechend kann die Summe der Winkelgeschwindigkeiten der beiden Uotore (Wind-und Elektromotor), wie in Fig. 4 durch den Abschnitt O, O' dargestellt, nur dadurch aufrechterhalten werden, dass die Gesamtbelastung des Generators konstant gehalten wird und dies ist möglich, durch Verwendung einer Verbraucherstelle, die eine geringe Priorität hat und daher moduliert werden kann.
Die erforderliche Elektrizität zum Betreiben des Hilfsgleichstrom-Elektromotors (Motor 4 in Fig. 1) kann aus dem Stromnetz entnommen werden oder kann auch durch den Generator 2 in Fig. 1 erzeugt, gleichgerichtet und dann auf den Hilfsmotor aufgegeben v/erden.
ο,- Alternativ kann auch Gleichstrom direkt durch Verbindung eines Dynamo (zusätzlich zum Gene-rator 2) mit dem System, zusammen mit einen System von Pufferbatterien, die als
Speichersystem wirken, erzeugt werden.
Gleichstromelektrizität kann auch durch einen weiteren konventionellen Luftmotor mit festliegenden Blättern erzeugt werden, der mit einem Batteriesystem verbunden ist und in einer Zusammenateilung mit einer oder mehreren anderen Luftinotoren installiert ist, die mit der Vorrich tung gemäss der Erfindung versehen sind. Endlich kann Gleichstrom auch durch einen mit dem System verbundenen Photo-Volt-Generator erzeugt v/erden.
Leerseite

Claims (10)

  1. Dr. F. Zumstein sen. - Dr.*E."A«smann - Dr. R, Ko-enigsberger Dipl.-Ing. F. Klingseisen - Dr. F. Zumstein jun.
    PATENTANWÄLTE
    ZUGELASSENE VERTRETER E3EIM EUROPÄISCHEN PATFtNTAMT REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFfICE
    40/4/Zi
    Snamprogetti, S.p.A.
    P a te η t a η s ρ r ü c h e ;
    Verfahren zur 'Ausnutzung von Windenergie für die Erzeugung von Strom mit konstanter Frequenz, dadurch gekennzeichnet , dass ein V/indrotor über einen Summiermechanismus für die Winkelgeschwindigkeit mit einem Hilfsgleichstrom-Elektromotor (4) und einem Generator gekuppelt ist, der auf einer konstanten Winkelgeschwindigkeit gehalten wird, wobei der Mechanismus durch ein Ausgleichsgetriebe gebildet wird, dessen Läuferritzel mit dem Generator, und von dessen beiden anderen Achsen, die eine mit dem Hilfselektromotor und die andere mit dem 2^ Windrotor verbunden ist.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet , dass der Hilfselektromotor ein von der Winkelgeschwindigkeit abhänge£3 Drehmoment aufweist, welches den Windrotor bei einer Geschwindigkeit hält, die den maximalen Leistungsbedingungen entspricht.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet , dass der Hilfs^leichstrom-Blektronotor mit unabhängiger Erregung arbeitet, wobei sowohl die Ankerspannung,
    als auch die Erregung in Abhängigkeit von der Winkelgeschwindigkeit koordiniert gesteuert werden.
  4. 4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet , dass
    die Stromzuführung zum Hilfsgleichstrom-Elektromotor aus dem Stromnetz entnommen, gleichgerichtet und dann dem Motor zugeführt wird.
  5. 5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Stromzuführung zu den Hilfsgleichstrommotor von
    1^ dem Generator selbst entnommen, gleichgerichtet und
    dem Motor zugeführt wird.
  6. 6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet , dass
    die Stromzuführung zu dem Hilfsgleichstrom-Elektromotor durch einen mit dem System verbundenen Dynamo
    erzeugt wird.
  7. 7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden 25
    Ansprüche, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, dass die Stromzuführung zu dem HilfsgleichBtrom-Elektromotor durch einen mit dem System verbundenen Hilfswindmotor erfolgt.
    ®®
  8. 8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet , dass
    die Stromzuführung zu dem Hilfsgleichstrom-Slektormo-
    tor durch ein Photovoltsystem erfolgt.
    35
  9. 9· Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
    32254&G
    dadurch gekennzeichnet , dass die Stromzuführung zu dem Hilfsgleichstrom-Elektromotor mit einem Pufferbatteriesystem verbunden ist, das als Sammlersystem wirkt.
  10. 10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Verbindung zwischen den Elementen des gesamten V/indrotorsystems, dem Hilfselektromotor, dem Wechselstromgenerator und dem Gleichstromgenerator unter Verwendung einer Vielzahl von Elementen des gleichen Typs erfolgt.
DE19823225456 1981-07-07 1982-07-07 Verfahren zur ausnutzung von windenergie fuer die erzeugung von elektrizitaet mit konstanter frequenz Ceased DE3225456A1 (de)

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