DE812660C

DE812660C - Windkraftanlage

Info

Publication number: DE812660C
Application number: DEP9734A
Authority: DE
Inventors: Hans Kasparek
Original assignee: Siemens Schuckertwerke AG; Siemens AG
Current assignee: Siemens Schuckertwerke AG; Siemens AG
Priority date: 1948-10-02
Filing date: 1948-10-02
Publication date: 1951-09-03

Description

Windkraftanlage Windkraftanlagen leiden bekanntlich daran, daß der Energieanfall durch den Wind sowohl in der Stärke als auch in der Geschwindigkeit außerordentlichen Schwankungen ausgesetzt ist. Will man Strom erzeugen, so muß man deshalb einerseits speichern, andererseits aber auch für eine gleichmäßige Geschwindigkeit des angetriebenen Generators sorgen, was meist dadurch erreicht wird, daß man nicht die ganze Geschwindigkeit des Windes ausnützt, sondern nur eine bestimmte niedriger gelegene, während man die darüber liegenden Geschwindigkeiten abschneidet und somit unausgenützt läßt. Man kann auch Anordnungen anwenden, bei denen die Schaufeln des Windrades verdreht werden, wodurch in etwas weiteren Grenzen veränderliche Windgeschwindigkeiten ausgenützt werden können. Es ist bekannt, daß all diese Anordnungen ihren Zweck nur unvollkommen erfüllen. Eine Windkraftanlage, die einen gleichmäßigen Antrieb von Generatoren trotz ungleichmäßigen Anfalls der Windenergie erlaubt, ist Gegenstand der Erfindung.
Die neue Lösung besteht darin, daß der Windmotor auf ein Verzweigungsgetriebe (Differentialgetriebe o. dgl.) und dieses mit seinem einen Ausgang auf den Generator und mit seinem zweiten Ausgang auf einen Energieverbraucher geschaltet ist, der unabhängig von der Drehzahl eine konstante Gegenkraft entwickelt. Als Energieverbraucher der letztgenannten Art kommt insbesondere eine Kolbenpumpe in Betracht. Die von dieser Pumpe aufgenommene Energie bzw. die durch die Pumpe geförderte Flüssigkeit kann gespeichert und danach wieder zur Energieabgabe benutzt werden. Man kann diesen Teil der Energie aber auch verloren geben, da er bei entsprechender Wahl der Übersetzungsverhältnisse nur einen kleinen Bruchteil der vom Windrad aufgenommenen Gesamtenergie ausmacht. Statt einer Kolbenpumpe kann auch ein sonstiger Energieverbraucher verwendet werden, worunter hier mit Rücksicht auf die vorgenannten Verhältnisse auch eine Einrichtung zur Energievernichtung zu verstehen ist.
Die Zeichnung veranschaulicht zwei Ausführungsbeispiele. Es zeigt Fig. i das erste Ausführungsbeispiel, bei dem als Verzweigungsgetriebe ein Planetengetriebe benutzt ist, Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-11 der Fig. i, Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem der Anker und das Magnetgestell des Generators im Gegenlauf arbeiten und dadurch zugleich das Verzweigungsgetriebe bilden.
Bei der Ausführung nach Fig. i ist das Windrad i über die Welle 2 mit dem Außenzahnrad 3 eines Planetengetriebes gekuppelt. Das umlaufende System der Zahnräder 4 treibt über die Hohlwelle 6 und die Zahnräder 7 und 8 den Generator 9 an. Das innere Zahnrad 5 des Planetengetriebes treibt über die Welle io und das Kurbelgetriebe i i eine Kolbenpumpe 12 an, die Wasser auf eine unveränderliche Förderhöhe pumpt. Zu diesem Zweck kann wie dargestellt, ein Hochbehälter 13 vorgesehen werden, der mit der Höhe h über der Pumpe liegt. Da die Pegelschwankungen im Behälter 13 gegenüber der Höhe h klein sind, kann praktisch die Förderhöhe als konstant angesehen werden. Die Pumpe 12 entwickelt demgemäß eine konstante Gegenkraft, während die von der Pumpe aufgenommene Leistung proportional der veränderlichen Pumpendrehzahl ist.
Zum Verständnis der Wirkungsweise sei Bezug genommen auf die bekannte Mechanik der Planetengetriebe: Die Summe der beiden Leistungen, die durch die beiden Zweige abgegeben wird, ist gleich der Leistung, die in das Getriebe eingeführt wird. Drückt man diese Leistungen mit N, die Drehzahl mit n, die den Leistungen entsprechenden Umfangskräfte mit P aus und bezeichnet man durch die Indices zv, g und p die durch den Wind, den Generator und durch die Pumpe eingeführten und abgegebenen Größen, so läßt sich das Gesetz, nach dem sich die Leistungen einstellen, durch die einfachen Gleichungen NW, = Ng -1- Np und Pu, - n. = P, . n, + P p . np ausdrücken. In diesen Gleichungen ist die Windleistung und die Windgeschwindigkeit gegeben. Hält man Pp unveränderlich, ebenso n. (das 'ist die Drehzahl des Generators, die ja durch die Netzfrequenz unveränderlich gegeben ist), so ergibt sich eine eindeutige Beziehung zwischen der elektrischen Leistung und der Windradgeschwindigkeit, wie das aus der Theorie des Planetengetriebes bekannt ist.
Die günstigste Ausnutzung der Windgeschwindigkeit erhält man, wenn man durch eine besondere Einrichtung jeder Windgeschwindigkeit jene Generatorleistung zuordnet, die nach der Theorie der Windkraftmaschinen für jede Geschwindigkeit berechnet werden kann. Dies kann in ganz einfacher Weise dadurch geschehen, daß man den Winddruck mit irgendeinem bekannten Instrument mißt und durch eine Steuerung danach die Erregung des Generators einstellt, womit auch dessen Leistung fixiert wird. Eine solche Anordnung ist in Fig. i angedeutet: bei 15 ist der Winddruckmesser dargestellt, der seinerseits durch eine der üblichen Steuerungen den Spannungsregler 16 für die Erregung des Generators 9 einstellt.
Fig.3 zeigt eine Ausführung, die die Energiespaltung mittels eines gegenläufigen Generators erzielt, bei der also der Generator als Verzweigungsgetriebe mitbenutzt ist. Das Windrad i treibt über die Welle :2 den Anker 23 des Generators an; 24 ist das Magnetgestell des Generators, das hier ebenfalls drehbar ist und über die Welle io und das Kurbelgetriebe i i die Pumpe 12 antreibt. Die wirkliche Drehzahl des Generators, Slie für die Leistungsabgabe maßgebend ist, ist dann der Unterschied zwischen den Drehzahlen des Magnetgestells 24 und des Ankers 23. Die Pumpe 12 arbeitet unter den gleichen Bedingungen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel.
Die neue Windkraftanlage ergibt also einen gleichmäßigen Antrieb des stromerzeugenden Generators bei veränderlicher Leistung. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, mit solchen Windkraftanlagen größere Netze zu speisen, in denen sie die übrigen dieses Netz bedienenden Stromerzeuger entlasten. Man hat es dann vollkommen in der Hand, durch Anordnung einer beliebigen Anzahl von Windkraftmaschinen die Entlastung so weit zu treiben, wie man will, so daß alsdann ein beliebiger Anteil der Stromversorgung von der Kohle auf den Wind übernommen wird. So in die Elektrizitätsversorgung eingeschaltet, braucht der vom Wind erzeugte Strom nicht mehr gespeichert zu werden.
Der zweite Energieanteil des Windes, der in das gepumpte Wasser geleitet wird, beträgt, wie man sich durch Rechnung leicht überzeugen kann, im Durchschnitt -weniger als '/lo der ausgenutzten Windenergie. Der Energieverbraucher, der diesen Energieanteil des Windes aufnimmt, muß, wie schon weiter oben ausgeführt wurde, eine konstante Gegenkraft entwickeln. Das läßt sich auf verschiedene Weise ermöglichen, z. B. dadurch, daß man an die Welle io eine konstante Reibungskraft anlegt oder etwa eine Wirbelstrombremse. Die hierdurch entstehende Wärme, entsprechend der auf diese Welle abgegebenen Leistung, kann ausgenützt werden, etwa zur Bereitung von Warmwasser in der Weise, daß man die Bremse durch Wasser kühlt. Man kann aber auch diese Energie in gehobenem Wasser speichern, indem man, wie dargestellt, von der Welle io eine Kolbenpumpe antreiben läßt, die auf eine konstante Druckhöhe fördert, wobei es vorteilhaft ist, das gelieferte Wasser von mehreren NN'indmotoranlagen auf ein gemeinsames Hochbecken zu leiten, als welches ein entsprechend gelegener Teich, aber auch ein künstlich angelegter Behälter dienen kann: Von dort aus kann das Wasser einer Turbine zugeleitet werden, die die so gespeicherte Energie zu beliebig gewünschten Zeiten ausnutzt. Bei dem geringen Anteil des durch die Pumpe oder Bremse gehenden Energiezweiges könnte man diesen Teil auch verloren geben, was allerdings mit einer geringen Herabsetzung des Wirkungsgrades der Anlage verbunden wäre.
Selbstverständlich kann ein derartiges Windkraftwerk auch für sich als eine von einem öffentlichen Stromversorgungsnetz unabhängige Anlage verwendet werden. Das gespeicherte Wasser wird in diesem Fall für andere Zwecke, z. B. Trinkwasserversorgung oder Berieselungswasser für Gärten und Felder Verwendung finden können. Diese Möglichkeit liegt natürlich auch dann vor, wenn eine größere Anzahl Windmotore auf ein gemeinsames Becken arbeitet.

Claims

PATENTANSPRUCIIE: i. Windkraftanlage, die zum Antrieb eines elektrischen Generators dient, dadurch gekennzeichnet, daß der Windmotor auf ein Verzweigungsgetriebe (Differentialgetriebe o. dgl.) und dieses mit seinem einen Ausgang auf den Generator und mit seinem zweiten Ausgang auf einen Energieverbraucher geschaltet ist, der unabhängig von der Drehzahl eine konstante Gegenkraft entwickelt. z. Anlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß als Verzweigungsgetriebe ein Planetengetriebe in Gestalt eines dreiteiligen Zahnradgetriebes verwendet ist (Fig. i und a). 3. Anlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden angetriebenen Arbeitsmaschinen, vorzugsweise der dann im Gegenlauf arbeitende Generator zugleich als Verzweigungsgetriebe mitbenutzt ist. 4. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem Generator als zweite Arbeitsmaschine eine Kolbenpumpe, die auf konstante Druckhöhe arbeitet, benutzt ist. 5. Anlage nach einem der Ansprüche i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem Generator als zweiter Energieverbraucher eine mechanische oder elektrische Bremse, die eine konstante Gegenkraft entwickelt, benutzt ist. 6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremse als Erzeuger von Nutzwärme für Heizzwecke für die Warmwasserbereitung o. dgl. benutzt ist. . Anlage nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen von der Kolbenpumpe gespeisten Hochbehälter, in dem das Wasser zu bestimmten Verwendungszwecken bereit gehalten wird. B. Anlage nach einem der Voransprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei wechselnder Windgeschwindigkeit der Generator durch Regelung seiner Erregung, z. B. über einen Winddruckmesser, auf optimale Leistung eingeregelt wird. 9. Anlage nach einem der Voransprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator eine Drehstrommaschine ist, die parallel zu einem frequenzhaltenden Netz geschaltet ist.