DE812660C - Wind turbine - Google Patents

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.Wind turbines are known to suffer from the fact that the The amount of energy generated by the wind in terms of both strength and speed is exposed to extraordinary fluctuations. If you want to generate electricity, you have to therefore save on the one hand, but also for a constant speed on the other of the driven generator, which is usually achieved by not uses the whole speed of the wind, but only a certain lower one while one cuts off the speeds above and thus leaves unused. Arrangements can also be used in which the blades of the Wind turbine are rotated, whereby within slightly wider limits variable wind speeds can be exploited. It is known that all of these arrangements serve their purpose fulfill only imperfectly. A wind turbine that has a steady drive Allowed by generators despite uneven accumulation of wind energy is the subject the invention.

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.The new solution is that the wind motor is on a split gear (Differential gear or the like) and this with its one output on the generator and its second output is connected to an energy consumer, which a constant counterforce develops regardless of the speed. As an energy consumer of the last-mentioned type, in particular, a piston pump comes into consideration. The from energy absorbed by this pump or the liquid conveyed by the pump can be saved and then used again for energy output. You can do this However, some of the energy will also be lost, as it will be lost if the gear ratios are selected accordingly only a small fraction the total energy absorbed by the wind turbine matters. Instead of a piston pump, another energy consumer can also be used including one here, taking into account the aforementioned conditions Device for energy destruction is to be understood.

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.The drawing illustrates two exemplary embodiments. It shows Fig. I the first embodiment, in which a planetary gear as a branching gear is used, Fig. 2 is a section along the line II-11 of Fig. i, Fig. 3 is a second Embodiment in which the armature and the magnet frame of the generator rotate in opposite directions work and thereby form the split gear at the same time.

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.In the embodiment according to FIG. I, the wind turbine i is above the shaft 2 coupled with the external gear 3 of a planetary gear. The circulating system the gears 4 drives the generator via the hollow shaft 6 and the gears 7 and 8 9 at. The inner gear 5 of the planetary gear drives over the shaft io and the Crank mechanism i i a piston pump 12, the water to a constant delivery head pumps. For this purpose, a raised tank 13 can be provided as shown, which is above the pump with the height h. Since the level fluctuations in the container 13 are small compared to the height h, the delivery head can practically be viewed as constant will. The pump 12 accordingly develops a constant counterforce while the The power consumed by the pump is proportional to the variable pump speed is.

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.To understand the mode of operation, reference is made to the known mechanics of planetary gears: The sum of the two powers that are output by the two branches is equal to the power that is introduced into the gear. If one expresses these powers with N, the speed with n, the circumferential forces corresponding to the powers with P and one denotes by the indices zv, g and p the quantities introduced and emitted by the wind, the generator and the pump, then the law by which to adjust the performance, by the simple equations NW, Ng = -1 Np and Pu, - n = P.. n, + P p . express np. The wind power and the wind speed are given in these equations. If you keep Pp unchangeable, as well as n. (That is the speed of the generator, which is given invariably by the mains frequency), there is a clear relationship between the electrical power and the wind turbine speed, as is known from the theory of the planetary gear .

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.The most favorable utilization of the wind speed is obtained when one generator output is achieved through a special device for each wind speed which is calculated according to the theory of wind turbines for each speed can be. This can be done in a very simple way by the fact that the wind pressure measures with some known instrument and a control thereafter the excitation of the generator, which also fixes its output. Such an arrangement is indicated in Fig. i: at 15 the wind pressure gauge is shown, which in turn by one of the usual controls the voltage regulator 16 for the excitation of the Generator 9 adjusts.

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.Fig.3 shows an embodiment that splits the energy by means of a counter-rotating generator achieved, so in the case of the generator as a split gear is shared. The wind turbine i drives the shaft: 2 the armature 23 of the generator at; 24 is the magnet frame of the generator, which is also rotatable here and drives the pump 12 via the shaft io and the crank mechanism i i. The real one The speed of the generator, which is decisive for the power output, is then the Difference between the speeds of the magnet frame 24 and the armature 23. The Pump 12 operates under the same conditions as in the first embodiment.

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.The new wind turbine thus results in a uniform drive of the generating generator with variable power. This results in the Possibility of using such wind turbines to feed larger networks in which they relieve the other power generators that use this network. Then you have it completely in hand, by arranging any number of wind turbines the To take relief as far as one wants, so that then an arbitrary share the power supply is taken over by the coal on the wind. So in the electricity supply switched on, the electricity generated by the wind no longer needs to be stored.

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.The second part of the energy from the wind that is fed into the pumped water is, as one can easily convince oneself by calculation, is on average - less than '/ lo of the wind energy used. The energy consumer who has this Absorbs the energy part of the wind, must, as already explained above, develop a constant counterforce. This can be made possible in various ways, z. B. by applying a constant frictional force to the shaft or like an eddy current brake. The resulting heat, according to the This wave output power can be used, for example for the preparation of Warm water in such a way that the brake is cooled by water. But you can also store this energy in raised water by, as shown, from the Shaft io can drive a piston pump, which delivers to a constant pressure head, It is advantageous to have the water supplied from several NN'indmotoranlagen to lead to a common high basin, as which is a correspondingly located one Pond, but also an artificially created container can serve: From there can the water is fed to a turbine, which converts the energy stored in this way to any desired desired Exploiting times. With the small proportion of what goes through the pump or brake Energy branch could also give this part lost, but what with a would be associated with a slight reduction in the efficiency of the system.

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.Such a wind power station can of course also be used on its own used as a system independent of a public power supply network will. The stored water is used in this case for other purposes, e.g. B. Drinking water supply or sprinkling water can be used for gardens and fields. This possibility This is of course also the case if a larger number of wind motors are on a common Basin works.

Claims (1)

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.PATENT CLAIM: i. Wind turbine used to drive an electric Generator is used, characterized in that the wind motor on a split gear (Differential gear or the like) and this with its one output on the generator and its second output is connected to an energy consumer, which a constant counterforce develops regardless of the speed. z. Plant after Claim i, characterized in that a planetary gear is used as the branching gear is used in the form of a three-part gear transmission (Fig. i and a). 3. Plant according to claim i, characterized in that one of the two is driven Working machines, preferably the generator then working in opposite directions at the same time is also used as a split gear. 4. Plant according to one of the preceding Claims, characterized in that in addition to the generator as a second working machine a piston pump that works at a constant pressure head is used. 5. Attachment to one of claims i to 3, characterized in that in addition to the generator as second energy consumer a mechanical or electrical brake that has a constant Counterforce is developed, used. 6. Plant according to claim 5, characterized in that that the brake as a generator of useful heat for heating purposes for hot water or the like. Is used. . Plant according to claim 4, characterized by one of the Piston pump-fed elevated tank in which the water is used for certain purposes is kept ready. B. System according to one of the preceding claims, characterized in that that with changing wind speed the generator by regulating its excitation, z. B. via an anemometer, is adjusted to optimal performance. 9. Plant according to one of the preceding claims, characterized in that the generator is a three-phase machine which is connected in parallel to a frequency-maintaining network.