DE8706387U1 - Getriebe für Wind- und Wasser-Kleinkraftwerksanlagen - Google Patents
Getriebe für Wind- und Wasser-KleinkraftwerksanlagenInfo
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Description
••••■I · « &igr;
Walter Schopf
Saalburgstr. 3o
637o Oiierursel
Saalburgstr. 3o
637o Oiierursel
Getriebe zum übertragen und Wandeln von Drehzahl und Drehmoment zwischen Kraft- und Arbeitsmaschine(n) for
Wind- und Wasser-Kleinkruftwerksanlagen zum Erzeugen
von Elektrizität, insbesondere zur Versorgung autarker Versorgungsnetze.
Bei der Nutzung regenerativer, "sauberer" Energie wie Wind- und Wasserkraft und deren Umsetzung in elektrische
Energie ist besonders die Effizienz der Erfassung und Umwandlung, aber auch die Anlagenkostenminimierung
von besonderem Interesse. Auch sind die Betriebssicherheit und Langlebigkeit der Anlage und deren Komponenten
ein wichtiges Auswahlkriterium und mit entscheidend für die Wirtschaftlichkeit solcher Konzeptionen.
Eine markante Besonderheit solcher regenerativer Energien, insbesondere der Windenergie, ist ihre sporadische
und in der Intensität sehr unterschiedliche
Auftrittsweise. In Fig/Iund deren Beschreibung werden
die sich daraus ergebenden Schwierigkeiten und Probleme näher angezeigt, die einer effektiven Erfassung,
Nutzung und Umsetzung in Elektrizität bei gleichzeitiger Forderung nach Betriebssicherheit, Langlebigkeit
und Wirtschaftlichkeit im Wege stehen, bzw. bei herkömmlichen Anlagekonzeptionen sich nicht oder nur
schwer in Einklang bringen lassen. Dies gilt besonders für Kraftwerkseinrichtungen für autarke, regionale
ctii tli« ·· « a * » , * *
- 10 -
Versorgungsnetze. Besonders bei solchen Versorgungsnetzen soll bereits bei schwachem oder mäßigem Wind
der Grundbedarf an Elektrizität gedeckt werden. Bei starkem Wind oder geringem Grundbedarf an "sauberer"
elektrischer Energie (Wechselstrom mit konstanter Frequenz) sollten andererseits darüber hinaus Voraussetzungen
für die Verwertung aller anfallender Energie geschaffen werden.
Eine gewisse Problematik, besonders für autarke (für den Inselbetrieb geeignete) Versorgungen stellt das
Kosten-Nutzenverhältnis solcher Anlagen dar. Denn hierbei schlagen besonders die Kosten für genaue Frequenzregelungen
der relativ kleinen Anlagen stark zu Buche. Ferner erfordert eine optimale Umsetzung der Windenergie
in (zunächst) mechanische Energie bekannterweise ein bestimmtes Rotorgeschwindigkeitsverhältnis zur
Windgeschwindigkeit. Effiziente Umsetzungen erfordern daher auch eine Regelung bzw. Anpassung der Rotorblattgeschwindigkeit
oder bzw. und des Anstellwinkels der Rotorblätter.
Für die Einhaltung konstanter Generatordrehfrequenzen bietet prinzipiell die Antriebstechnik in ihrem Übersetzungsverhältnis
variable Getriebekomponenten an. Solche Übertragungspfade müssen natürlich für diefaaximal
mögliche bzw. vorkommende Energie ausgelegt werden. Dies bedeute+ bei dem sehr großen Leistungsspektrum des
Windes, daß sie in den meisten Betriebszeiten geringen Windangebotes (s. Kurve 1 in Fig. 1) nur bei geringer
Teillast und somit mit schlechtem Wirkungsgrad betrieben werden. Ferner bedeutet dies nachteiligerweise, daß,
bezogen auf die häufigste Betriebswei.se, die Anlagen gewaltig überdimensioniert werden müssen. Neben den direkten,
damit einhergehenden Investi tionskosten erwachsen dadurch Nachteile auch bei der Montage. Eine
knappe Dimensionierung bzw. Auslegung solcher variablen
Getriebekomponenten scheidet wegen der Erfordernis absoluter Betriebssicherheit und Langlebigkeit aus.
Praktiziert wurden bereits "Belastungsregelungen" an starren Windrad-Getriebe-Generatorkonzeptionen. Dabei
wird angestrebt, durch eine Belastungsregelung die Anlage in eine angestrebte Geschwindigkeit und somit
auf eine konstante Generatorfrequenz zu zwingen. Dies ist wegen der relativ großen Trägheit des gesamten
Drehsystems, aber auch wegen der (bekannten) während einer Umdrehung unterschiedlichen Leistungsänderungen
(Pulsationen) nur in Grenzen möglich. Da dabei das Windgeschwindigkeits-Drehgeschwindigkeitsverhältnis
völlig unberücksichtigt bleibt, ist die Effizienz der Energieumsetzung solcher Windkraftwerkskonzeptionen
äußerst schlecht.
Am meisten /erb'eitet sind bisher starre Windrad-Getriebe-Generatorkonz^ptionen,
bei denen der Generator quasi im netzsynchronen Betrieb durch ein starkes, überregionales,
öffentliches Netz in seiner Betriebsdrehzahl gehalten wird. Diese Möglichkeit scheidet natürlich
bei "Inselbetrieb" aus. Auch ist wegen der unberQcksichtigbaren
Wind-Drehzahlgesetzmäßigkeit die Energieumsetzung in den weitesten Betriebsspektren äußerst
uneffizient.
Im wesentlichen setzen sich derzeitige handelsübliche Kleinkraftwerksanlagen aus separaten Komponenten der
Antriebstechnik, wie Lagerbock für den Läufer, Gelenkwellen, Kupplungen, Stufengetriebe und elektrischem
Generator zusammen, zusätzlich eine obligate Rahmenbzw. Aufnahmebasis mit Dreh- bzw. Schwenkeinrichtung.
Solche Konzeptionen sind kostenintensiv, relativ schwer und daher auch transport- und vor allem montageunfreundlich,
was für die meist entlegenen Einsatzorte
•&EEacgr; 11 &Mgr;^&igr;^ fll ·■ Ii «
ein wichtiges und nachteiliges Kriterium ist. Dies ist bei Windkraftanlagen wegen ihrer Anordnung auf Türmen
besonders relevant.
Vorstehende Kriterien und Gesichtspunkte, die für eine effiziente Erfassung und Nutzung sauberer, regenerativer
Energien an Windkraftwerksbeispielen yerdeutlicht werden, gelten im wesentlichen auch für
Wasserkraftan lagen.
Die allgemein einfache Bauweise von Wasserkraftmaschinen, besonders der Wasserzubringeranlagen, die bei
Kieinanlagen meist au»· offen fließenden Gewässern oder Stauwerken bestehen, ermöglicht einen verbreiterten
Einsatz in Entwicklungsgebieten. Im Gegensatz zu größeren und großen Wasserkraftwerken
mit weitgehend konstanten Fallhöhen, wo präzise Drehzahlregelungen üblich sind, ist bei Kleinanlagen der
Anteil des Investitionsvolumens für Drehzahlerfassungsund Regeleinrichtungen im Verhältnis zu den übrigen
Kosten ebefalls relativ sehr groß.
Stark variierende Fließgeschwindigkeiten oder unterschiedliche Fallhöhen fordern auch bei dieser Energienutzung
zum Konstanthalten der Generatordrehzahl und Optimierung des Wasserkraftmaschinen-Strömungsgeschwindigkeitsverhalti.isses
besondere Maßnahmen und Einrichtungen.
Vorliegender Erfindung liegt die Aufgabe und das Ziel zugrunde, Antriebskonzeptionen für Wind- und Wasser-Kleinkraftanlagen
zu schaffen, die
einerseits eine besonders effiziente Energieausbeute und Bereitstellung "sauberer" elektrischer
Energie im unteren Wind- oder Wasser-Strömgungsgeschwindigkeitsbereich
ermöglicht, andererseits auch viel anfallende Energien im oberen Strömungsgeschwindigkeitsbereich
erfassen und umsetzen kann;
- von der Konzeption und der Bauelementeauswahl her Betriebssicherheit und Lannlebigkeit gewährleistet;
- autarke Einsatz- und Versorgungsaufgaben ermöglicht;
- geringes Gewicht und kostengünstige Konstruktionslösungen aufweist.
Die Lösung besteht im einzelnen,in den in den Patentansprüchen
und Ausführungsbeispielen beschriebenen Konstruktions- und Kombinationsmerfcmalen.Im wesentlichen
zeichnen sie sich dadurch au-j, daß
a) der von der Kraftmaschine kommende Leistungspfad in zwei Leistungspfade aufgeteilt ist, wovon einer
bevorzugt zur Deckung eines Grundbedarfes an "sauberer" Elektrizität über ein stufenloses Getriebe
einen Generator mit weitgehend konstanter Drehzahl antreibt und der zweite Leistungspfad aus einem
starren übersetzungsgetriebe und einem weiteren Generator besteht, welcher bevorzugt die den Grundbedarf
an "sauberer" Energie überschreitende anfallende Wind- oder Wasserenergie in Gleich- oder Wechselstrom
beliebiger Frequenz für untergeordnete, z. B. für Heizzwecke oder zur elektrolytischen Wasserstoffgewinnung,
umsetzt ;odep auf anderer Jfeise in
b) der von der Kraftmaschine kommende Leistungspfad durch ein überlagerungsgetriebe in zwei Leistungspfade mit je einer ArbeitsmaschXGenerator)auf geteilt
wird, wobei die Auslegung des Überlagerungsgetriebes derart ist, daß ein den Grundbedarf
deckender erster Generator bereits bei Stillstand oder niedriger Drehzahl des zweiten im untersten
Betriebsdrehzahlbereich der Kraftmaschine bereits die volle Nenndrehzahl einnimmt und mit zunehmender
Kraftmaschinendrehzahl bei gleichbleibender Nenndrehzahl des ersten Generators der zweite Generator
eine zunehmende Drehzahl und zunehmenden Leistungsanteil übernimmt bzw. überträgt.
Die Nutzeffekte und Vorteile bestehen im wesentlichen darin, daß
- der den Grundbedarf mit "sauberer" elektrischer Energie versorgende Leistungspfad mit einem drehzahlgeregelten
Getriebe relativ ,klein und dadurch kostenminimierend ausgeführt werden kann, ferner die Verluste
in diesem Leistungspfad gering bleiben, während sporadisch anfallende große Energiemengen durch
den zweiten Leistungspfad mit einfachen übertragungselementen
geleitet und umgesetzt werden können. Dadurch werden die Investitionskosten minimiert,
sowie Betriebssicherheit und Lebensdauer günstig beeinflusst;
-die stufen 1 öse Übertragungseinriditaus einem robusten,
für den Einsatzfall günstigen koaxialen Planetenüberlagerungsgetriebe in Verbindung mit wartungsarmenS-ektr.·
o.H.ydr.-maschinen besteht, welche sowohl die Drehzahlregelung
des einen Generators als auch die Erfassung aller Wind- oder Wasserenergie und deren
Umsetzung in Elektrizität bewerkstelligen; diese Antriebs- bzw. Kraft- und Arbeitsmäschinenkonzeption
ermöglicht einen niedrigen Investitionsaufwand und ein geringes Baugewicht sowie eine
effiziente und verlustarme Energieerfassugn und -umsetzung.
Weitere ausführungsspezifische Vorteile enthalten die Beschreibungen,
- 15 Ausführungsbeispiele:
Fig. 1:
Windgeschwindigkeitsabhängige Diagrammdarstellung
von einer repräsentativen, relativen Windhäufigkeitsverteilung, eines Windkraftmaschinenleistungsverlaufes
sowie die Leistungsverteilung bei Leistungsverzweigung · gemäß Anspruch 1 und 2.
Fig. 2:
Schemendarstellung einer Wind- oder Wasserkleinkraftwerksanlage
mit einem zwischen der Kraftmaschine und Arbeitsmaschinen) angeordneten Verzweigungsgetriebe
j mit einem variablen und einem festen Ausgangspfad mit
je einem separaten elektrischen Generator.
Fig. 3:
Schemendarstellung einer Wind- oder Wasserkleinkraft-Werksanlage mit einem überlagerungsgetriebe zwischen
j der Kraftmaschine und zwei Arbeitsmaschinen (elektr.
«
j Generatoren).
Fig. 4:
nach Fig. 2 mit in einem einheitlichen Gehäuse inte-
; grierten Getriebekonponenten und daran angeordneten
■ Kraft- und Arbeitsmaschinen.
j Fig. 5: „»rttrte
j Schematisches Ausführungsbeispiel einer Windkraftanlage nach Fig. 3 bzw.. Anspruch 2.
j Fig. 6:
Schematiscb.es Ausführungsbeispiel einer Klein-Wasserkraftwerksanlage
mit einer Ossbergwasserturbine und
j zwei Arbeitsmaschinen, wovon eine als elektr. Generator
und die andere als Hydraulilrpumpe ausgeführt ist, mit
einen dazwischen angeordneten Überlagerungsgetriebe.
Zu Fig. 1:
Kurve 1 zeigt den relativen Windgeschwindigkeitsanteil
eines Jahres beispielsweise an einem Nordseestrand. Kurve 2 sei die Leistungskennlinie einer Windkraftmaschine,
die bei 1o m/sec Windgeschwindigkeit^ihre
Nennleistung erreicht. Der Verlauf verdeutlicht die starke Einflußnahme der Windgeschwindigkeit auf die
Leistung ( P ■ f(v') ) solcher Kraftmaschinen und
offenbart ein gewisses spärliches Leistungsangebot im unteren Windgeschwindigkeitsbereich. Zur Sicherstellung
eines gewissen Grundbedarfs an zu gewinnender elektrischer Energie, der vorliegend durch Kurve 5 dargestellt
wird, müssen daher Windkraftanlagen relativ
groß ausgelegt werden. Andererseits muß, um schädliche Überlastungen und Zerstörungen an der Anlage
auszuschließen, Vorsorge getroffen werden, die mit der Windgeschwindigkeit progressiv zunehmende Leistung
zu begrenzen. Dies kann z. B. durch Schwenken der Rotorblätter geschehen, wodurch nach Erreichen des
Nennlastbetriebspunktes 7 die Leistungskennlinie 2 in Kurve 3 übergeht. Punkt 4 sei der Beginn des Betriebsbereiches,
Punkt B der Betriebspunkt bei dem erst die volle angestrebte Grundlast zur Verfugung
steht.Zwingend ist daher, daß gerade im unteren Windgeschwindigkeitsbereich eine effiziente und optimale
Windenergieerfassung und Umsetzung erreicht wird.
Wird z. B. zur Erzielung konstanter Generatordrehzahien zwischen Kraft- und Arbeitsmaschine ein stufenloses
Getriebe angeordnet, welches mindestens für Betriebspunkt 7 ausgelegt sein muß, und demein lastunabhängiger,
• · I .
* «ftf I • · »I * · »
konstanter Verlustleistungsanteil von 8 % unterstellt, verzehren diese Leitungsverluste im unteren
Betriebsbereich zwischen den Betriebspunkten 4 und 8 ca. 1oo bis 3o % des zur Verfügung stehenden gesamten
Leistungsangebotes !
Durch Aufteilung der Kraftmaschinenleistung in zwei Leistungspfade gem. Fig 2 bzw. nach Anspruch 1,
wobei der dreb.zah.lger. Gen. (13»23) nur die unter Kurve
anfallende Windenergie in "saubere" elektr. Inergie umwandelt,
und unter Zugrundelegung eines Verlustanteiles des Stufenlosgetr. (12,39/31) von 1o %, betragen die
Leistungsverluste zwischen den Betriebspunkten 4 und 8 vergleichsweise nur ca. 35 bis 1o % des Leistungsangebotes.
Vorstehende vergleichende Verlustleistungs-Betrachtung bezieht sich nur auf das übertragungselement "stufenloses
Getriebe"; die Verlusterelationen des Elektrogenerators liegen ähnlich, seine Verlustanteile kommen
noch hinzu ! Die mit dem Erfindungsgedanken erzielbaren
Effektivitätssteigerungen besonders im diesbezüglich relevanten Betriebsbereich sind daher sehr groß.
Mit Leistungsverzweigung gemäß Fig. 3«\ 5 bzw.
gemäß Anspruch 2 lassen sich ähnliche Nutzeffekte erzielen. Hlerb i wird zwar ab Betriebspunkt 4 nach
Erreichen der AatofArdrehzahl des "sauberen" Generatore
(23 ,lot ) bereits ein Leistungsanteil durch«fen
4rt*taN¥vh6iin
Generator (22 . 1o5 ) übernommen, wodurch der Grundlastpunkt
9 später erreicht wird. Doch sind die Verhistleistungsminderungen
noch beträchtlich. Der
"saubere" Leistungsanteil des*^enerators(i2/0¥)
entspricht somit der lirtcsschraggestrichelten Flache
unter Kurve 10, der Leistungsanteil desv'Oenerators
23 und loader darüberllegenden rechtsgestrichelten
Fläche bis Kurven 2-3.
Zur Fig. 2
Die Kraftmaschine 11 treibt über ein Verteilergetriebe 12 die elektrischen Generatoren 13 und
an. Der Ausgangspfad 15 wird durch eine stufenlose Getriebekomponente 16 auf konstanter Drehzahl gehalten.
Ausgangspfad 17 steht mit der Kraftmaschine in einem festen Obersetzungsverhältnis. Zwischen
Kraftmaschine 11 und Verteilergetriebe 12 kann vorteilhafterweise eine nicht dargestelle Obersetzungsstufe
angeordnet sein.
Neben den in Beschreibung zu Fig. 1 angeführten Vorteilen der Verlustleistungseinsparung und Schaffung
effizienter Energieumsetzung kann damit der konstruktive und somit Investitions-Aufwand gesenkt werden.
Infolge Gewichtseinsparung werden auch die Montagekosten und Kosten des Turmes reduziert. Durch die
übertragung der hohen Leistungsanteile über einen starren, unproblematischen Übertragungspfad,wird
auch die Betriebssicherheit und Lebensdauer günstig beeinflusst.
Zu Fig. 3
Die Kraftmaschine 2o treibt über ein Überlagerungsund Verteilergetriebe 21 die elektrischen Generatoren
22 und 23 an. Das überlagerungs- und Verteilergetriebe
21 besteht aus einem Planetengetriebe, dessen Steg 24 mit seinen Planetenrädern 25 mit
der Kraftmaschine 2o , das äußere Sonnenrad 26 mit Generator 22 und das innere Sonnenrad 27 mit Generator
23 in Verbindung steht. Generator 23 wird durch eine Belastungsregelung für den separaten Versorgungskreis
des Generators 22 auf konstanter Drehzahl gehalten und versorgt ein "sauberes" Grundlastnetz.
Antriebsseitig des Getriebes 21 kann vor-
teilhafterweise ebenfalls wieder eine weitere Obersetzungsstufe
angeordnet sein.
Außer den bereits in Fig. 1 beschriebenen Nutzeffekten und Vorteilen bietet die koaxiale Anordnung von Ge triebe und Generatoren eine besonders für Windkraftanlagen ideale Form und Raum, sowie gewichtssparende Konzeption. Der ausschließliche Einsatz wartungsarmer Stufengetriebe und Elektromaschinen verbürgt auch Betriebssicherheit und Langlebigkeit.
Außer den bereits in Fig. 1 beschriebenen Nutzeffekten und Vorteilen bietet die koaxiale Anordnung von Ge triebe und Generatoren eine besonders für Windkraftanlagen ideale Form und Raum, sowie gewichtssparende Konzeption. Der ausschließliche Einsatz wartungsarmer Stufengetriebe und Elektromaschinen verbürgt auch Betriebssicherheit und Langlebigkeit.
Zu Fig. 4
In einem gemeinsamen Getreibegehäuse 3o defindet sich das stufenlose Getriebe 31 , ein als Planetengetriebe
ausgeführtes Obersetzungsgetriebe 32 , die Lagerbasis 33 a und 33 b der Windkraftmaschinenweila
34 , eine Haltebremse 35 , die horizontale Schwenklagerbasis 36 und angeflanscht direkt
daran, die elektrischen Generatoren 37 und 38. Die über Welle 34 eingeleitete Drehbewegung wird
durch Getriebe 32 erhöht und an Reibscheibensatz des als Kegelreibscheibenumschlingungsgetriebe ausgebildeten
stufenlosen Getriebes 31 geleitet, wobei über den starren Ausgangspfad 4o mit variabler Dreh zahl
der Generator 37 oder bzw. und über den Reibscheibensatz 41 und der konstant laufenden (geregelten)
Abtriebsabasis 42 der Generator 38 , der einen "sauberen" Grundversorgungskreis versorgt, antreibt.
Außer den bereits unter Fig. 1 und 2 angeführten Nutzeffekten und Vorteilen wird mit vorliegender konstruktiven
Anordnung der einzelnen Komponenten, insbesondere durch ihre Integration in ein gemeinsames Gehäuse,
eine für Windkraftanlagen ideale, montageleichte, gewichtsarme Ausführung geschaffen.
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Zu Figur 5:
Die koaxial ausgeführte Kombination besteht im wesentlichen aus dem
Windturbinenlagergehäuse 1o1 , einem Stufengetriebe 1o2 , den beiden elektrischen Generatoren 1o4 und 1o5 mit dem dazwischen
angeordneten Verteilergetriebe 1o3 . Der Kraftfluß erfolgt über die hohle Turbinenwelle 1o6 , dem daran befestigten Steg 1o7
des als Planetengetriebe ausgeführten Stufengetriebes 1o2 , über die Planetenräder 1o8 , abstützend am verdrehfeststehenden äußeren
|· Sonnenrad 1o9 zum inneren Sonnenrad 11o. weiter führt der Kreftf
pfad über die Welle 111 durch den hohlen Rotor 112 des Generators
1o4 zum Steg 113 des als Planetengetriebe ausgeführter.
Verteilergetriebes 1o3 . Hi^r wird die Antriebsleistung über das
Planetenrad 114 , dem inneren Sonnenrad zum Rotor 112 des
Generators 1o4 , über das äußere Sonnenrad 115 zur Welle 116 des Rotors 117 des Generators 1o5 aufgeteilt bzw. geleitet.
In der Windturbinen-Radnabe 118 sitzen drehbar die Rotorblätter 119 mit dem Verste11gestange 12o ,welches sich auf einen durch
die Federn 121 einseitig vorbelasteten Hydraulikkolben 122 abstützt. Die Rotorblattausbildung und -drehpunktanordnung und
: die Gegenkraftabstimmung sind vorteilhafterweise derart, daß nach
überschreiten einer vorbestimmten Blattbelastung bei zunehmender Windgeschwindigkeit die Rotorblätter 119 auf einen steileren
Anstellwinkel einschwenken und sich somit die Rotorgeschwindigkeit nicht wesentlich vergrößern kann (s. auch Kurve 3, Fig. 1). Diese
Bewegungen werden im Verdrängerraum 123 durch die Drosselstelle 124 gedämpft. In der hohlen Turbinenwelle 1o6 ist die Welle
eines vor der Kraftmaschine sitzenden Referenzwindflügels 126
gelagert der die Windgeschwindigkeit erfaßt und für Steuer- und Regel zwecke mittels Drehzahl sensoren 127 128 wetterleitet, sowie
zum Antrieb der Steuer- und Servoaufgaben dienenden Hydraulikpumpe
129 und bzw. oder einer Elektronischine 13o dient. Der Kraft- und
Geschwindigkeitsfluß zu diesen zu Meß- und Servozwecken dienenden Arbeitsmaschinen 129 , 13o erfolgt vorteilhafterweise ebenfalls
über ein überlagerungsgetriebe, welches im Normalbetrieb zur Verminderung ihrer VeriustanteÜe ihre Drehzahlen stark reduziert,
während bei Stillstand, z. B. zum Versorgen der Haltebremse 132
durch die Hydraulikpumpe 129 und zur Sicherstellung eines
Steuer- oder Notkreises die Elektromaschine 13o weiter bzw. erst recht aktiviert wird. Die eingeschränkte Leistung dieser
Arbeitsmaschinen 13o und 131 im Normalbetrieb begünstigt auch die Erfordernis, daß das als "Referenzmaschine" dienende
Windrad 126 windgeschwindigkeitsproportionale Drehzahlen einnimmt. Dieses überlagerungsgetriebe besteht in vorliegender
Schemadarstellung aus dem turbinenläuferfesten Steg 133 mit
den Planetenrädern 134 und 135 , die einerseits mit dem referenzwindradfesten
äußeren Sonnenrad 136 und andererseits mit einem äußeren Planetenrad 137 im Eingriff stehen, welches auf
der Turbinenwelle 1o6 gelagert ist und einen weiteren Zahnkranz 138 trägt, der über die Zahnräder 139 und 14o die
Maschinen 129 und 13o antreibt.
Generator 1o4 mit seiner konstant zu regelnden Drehzahl speist vorrangig Elektrizität in einen Verbraucherkreis 141 mit frequenzgebundenen
Verbrauchern 142. Generator 1o5 mit variabler Drehzahl, dessen Belastung zur Konstanthaltung des Generators 1o4
geregelt wird, liefert Elektrizität in den Versorgungskreis 143 mit großem Frequenzspektrum, dessen Verbraucher 144 vorzugsweise
aus Heizeinrichtungen 144 bestehen. Zur optimalen bzw. gänzlichen Nutzung der angebotenen Strömungsenergie kann die überschüssige,
den Grundbedarf des Verbraucherkreises 141 überschreitende elektrische Energie an einen weiteren zu übertragenden Verbraucherkreis
145 abgegeben werden, der z. B. ebenfalls Heizeinrichtungen 146 versorgen kann.
Die Drehzahl der Kraftmaschine 119 wird zu deren Leistungsoptimierung
der jeweils herrschenden Strömungsgeschwindigkeit des energieführenden Strömungsmediums angepaßt, wobei mikroprozessorgesteuert
den jeweiligen Kennfeldern der Kraftmaschine entsprochen werden kann. Hierfür gibt der Regler 147 aufgrund der Eingangsgrößenverhältnisse
der Signaltgeber 127/128 ein Belastungsgrößensignal ab, welches nach weiterer Beeinflussung auf die Leistungsregler
149 und 15o einwirkt. Das Regelprinzip besteht darin,
daß z. B. bei Zunahme der Kraftmaschinendrehzahl ihr mehr Leistung
abverlangt und sie dadurch wieder auf ein niedrigeres Drehzahlniveau gezwungen wird, ebenso Im umgekehrten Sinne.
Der Kurvenverlauf 151 stellt die maxiaml mögliche Leistungskennlinie
der Kraftmaschine dar; Kurve 152 ist beispielsweise eine programmierte Regeikennlinie, die Abszisse 153 verdeutlicht die
Soll- und Istwertrelationen des Geschwindigkeitsverhältnisses mit Bereich 154 als angestrebten Betriebsbereich.
Regler 155 arbeitet im Prinzip eines Balancereglers und verarbeitet
Stellsignale 148 und Istwert 158 gemäß Kennlinien 156 und 157 und übernimmt die Belastungsregelung der Generatoren
1o4 und 1o5. Als weitere Regelphilosophie ist möglich, den Balanceregler nur alleine einzusetzen, z. B. dann, wenn die
Leistung des Verbraucherkreises 141 alleine die Leistungsregelung von Generator 1o5 bestimmt. In diesem Fall erübrigt sich
Regler 147 oder erkann als Leistungsbegrenzer eingesetzt werden, wobei Kreis 141 nochmals aufgesplittet wird in einzelne Kreise,
von denen dann nach überschreiten der Kennlinie 151 Lasten abgeschaltet
werden, um ein "Abwürgen" der Kraftmaschine 119 auszuschließen.
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Zu Fig. 6
Die Kraftmaschine 5o , &zgr;. B. eine Ossbergwasserturbine mit ihrem Laufrad 51, einem Leitschaufelkranz
52 sowie einem die Durchströ mungsgeschwin-(Jigkeit des Wassers erfassenden Reverenzläufers 53,
treibt über die Hohlwelle 54 , das Getriebe 55 sowohl über ein drehzahlgeregeltes stufenloses Getriebe
56 einen elektrischen Generator 57 , als auch eine hydraulische Arbeitsmaschine, z. B.
eine Pumpe 58 , an. Der elektrische Generator 57 versorgt bevorzugt ein elektrisches Versorgungsnetz
mit frequenzgeregeltem Strom, wobei bevorzugt die Generatorgröße so abgestimmt ist, daß der Grundbedarf
des Versorgungsnetzes 59 von der meist zur Verfugung stehenden Antriebsenergie gedeckt wird.
Die den Grundbedarf des Generators 57 überschreitenden Leistungsgebote werden durch die Hydraulikpumpe
58 in Druckenergie umgewandelt, welche nach Entspannung im Ventil 6o als Wärme im Förderstrom
im Primärkreis 61 dem Wärmetauscher 62 zugeführt wird. Über dessen Sekundärkreis 63 können Wärmeverbraucher
64 beliefert werden, z. B. für Heizzwecke oder für Brauchwasseraufbereitung. Eine
Leistungsregelung zum Einhalten eines vorbestimmten Geschwindigkeitsverhältnisses zwischen Kraftmaschinendrehzahl
und Strömungsgeschwindigkeit des antreibenden Mediums, die der Optimierung der Kraftmaschinenleistung
dient, besteht aus einer, dieses Geschwindigkeitsverhältnis erfassende Sensor- und Servoeinrichtung 65 ,
die über übertragungselemente 66 und 67 auf das Druckregelorgan 6o einwirkt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
besteht die Sensor- und Stelleinrichtung 65 aus einem, die Differenzdrehzahl in Axialwege umwandelnden Mechanismus 68 , 69 , 7o , 71 ,
wobei natürlich die Schaufelyestaltung der Laufräder 51 und 53 entsprechend aufeinander abgestimmt ist.
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Alternativ können natürlich auch andere Ausführungsformen zum Einsatz kommen, z. B. im Zuflußkanal angeordnete
mechanische, hydraulische oder elektrische Zuflußgeschwindigkeitsmeßeinrichtungen mit
zweckentsprechend wirkenden Stell - und Regelfunktionen.
Der Hauptvorteil vorliegender mehrpfadigen Kraftmaschinen
-Get riebe -Arbeitsmas chi &eegr; an- Kombi &eegr; at ion
liegt darin, daß
- die Komponenten zur Drehzahlregelung relativ klein und somit verlustarm und kostengünstig gehalten
werden können;
- die Arbeitsmaschinen zur Erfassung von Energiespitzen bzw. Umwandlung in. andere Energien aus
relativ einfachen, robusten Systemen bestehen;
- die Regeleinrichtung zur leistungsoptimierenden Drehzahlregelung der Kraftmaschine aus einfachen,
kostengünstigen und robusten Systemen und Komponenten besteht.
Claims (26)
1. Getriebe zum übertragen und Wandeln von Drehzahl und Drehmoment zwischen Kraft- und Arbeitsmaschine
(&eegr;) für Wind- und Wasserkleinkraftwerksanlagen zum Erzeugen von Elektrizität, insbesondere zur Versorgung
autarker Versorgungsnetze, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kraftmaschine (11, 34 ) über ein Getriebe (12,32)
31) mit mindestens zwei Arbeitsmaschinen (13, 14 und 37, 38) in Verbindung steht, wobei dieses Getriebe
(12, 30) mindestens eine stufenlose, in der Übersetzung variable . Baais (15. 31» ) und
eine starre, bzw. mit dem Eingang///, 34) in einem
festen Übersetzungsverhältnis stehende Ausgangsgetriebebasis (17, 44 ) aufweist.
2. Getriebe zum übertragen und Wandeln von Drehzahl und Drehmoment zwischen Kraft- und Arbeitsmaschine
(&eegr;) für Wind- und Wasserkleinkraftwerksanlagen zum Erzeugen von Elektrizität, insbesondere zur Versorgung
autarker Versorgungsnetze, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kraftmaschine (2o, 119) über ein überlagerungsgetriebe
(21, 1o3) mit 2 Ausgängen mit je einer Arbeitsmaschine (22, 23, 1o4, 1o5) gekoppelt ist.
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3. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch getannzeichnet,
daß
die Stufenlosgetriebekomponente (12, 31) aus einem Kegel seheibenumschlingungsgetriebe besteht.
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4. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
% daß
eine feste öbersetzungsstufe (32), ein stufenloses
Getriebe (12, 31), eine Wind- oder Wasser-Kraft-
f< maschinenwelle bzw. deren Lagerung (34, 3? ,
116 ) sowie eine Schwenklagerbasis06,153)miK<
Gene-
ratoranflanschbasen (45t 4 6) in oder an einem ge
meinsamen Gehäuse(t>3o) untergebracht bzw. angeord-
j net sind.
5. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß
die am Getriebeausgang angeordneten Arbeitmaschinen Elektrogeneratoren dJ/W^i^^ind, wobei der am
drehzahlvariablen Kraftpfad ein Wechselstromgenerator und der am festen Kraftpfad angeordnete Generator
(14,37 ) bevorzugt ein Wechselstrom- aber
auch ein Gleichstromgenerator sein kann, dessen Leistung größer ist als der des anderen Wechselstromgenerators (13» 38)
6. Getriebe nach Anspruch 1, 2, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kraftmaschinen-Getriehe- Soneratorkombination zwei Grund-Verbraucherkreise zugeorndnet sind:
a) ein Strom-Verbraucherkreis mit weitgehend konstanter Frequenz (mit Verbrauchern, die "saubere"
Elektrizität erfordern), wobei die Versorgung durch den drehzahlgeregelten Generator
(i5,2$22,1o4-)erfolgt, weiterhin dieser Verbraucher-Grundkreis
in weitere Unterkreise aufgeteilt ist;
b) ein Strom-Verbraucherkreis für die Verwertungsmöglichkeit frequenzmäßig niederer Stromqualität
für Heizzwecke oder zur elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff.
7. Getriebe nach Anspruch 1, 2, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß
im gemeinsamen Gehäuse (I2,21,5o) eine mit der Kraftmaschine gekoppelte Schwungmasse angeordnet
ist., w ohpi diese bevorzugt, über ein in? "Schnelle"
übersetzende Getriebe mit der Kraftmaschine in Verbindung steht.
8. Getriebe nach Anspruch 1, 2, 4, und 5, dadurch gekennzeichnet, daß
im gemeinsamen Gehäuse (30 ,1o2) eine mit dem
Kraftmaschinenkraftpfad gekoppelte Haltebremse(35,i32)
angeordnet ist.
9. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das stufenlose Kegelscheibenumschl ingungsgetri
eine selbstregelnde Drehzahlregelung aufweist, z. B. eine bekannte, f1iehkraftregler-geregelte
hydraulische Übersetzungsverstellung.
10. Getriebe nach Anspruch 1, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß
Kraftmaschinen-Getriebe-Generatorkombination
eine elektrische. Leistungs-, Regel- und Steuereinrichtung (147, 155, 149, 15o) zugeordnet ist.
11. Getriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Arbeitsmaschinen (22, 23, 1o4, 1o5) Elektrogeneratoren
sind, wobei der auf konstanter Drehzahl zu haltende Generator ein Wechselstromgenerator
(22, 1o4) ist und diese Generatoren (22, 23, 1o4, 1o5) sowie das überlagerungsgetriebe (21 ,1o7)
koaxial einander zugeordnet sind.
12. Getriebe nach Anspruch 2 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Generator ( 22 ,1o4) eine Hohlwelle
aufweist, durch die ein«1 gemeinsame Antriebswelle
oder die des anderen Generators geführt ist.
13. Getriebe nach Anspruch 2 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß
der überlagerungsgetriebe-Generatorkombination
ein von der Kraftmaschinenseite her ins Schnelle übersetzendes Stufengetriebe zugeordnet ist oder
das überlagerungsgetriebe mit dieser Funktionseigenschaft ausgestattet ist.
14. Getriebe nach Anspruch 2 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß
die Getriebe-Generatorkombination als koaxiale Einbaueinheit in einem trommeiförmigen Gehäuse
angeordnet ist.
15. Getriebe nach Anspruch 2, 11 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß
die koaxiale, trommeiförmige Einbau-Getriebe-Generatoreinheit
im Inneren eines Servenius-Rotors einer Klein-Windkraftanlage angeordnet ist.
16. Getriebe nach Anspruch 2, 11 und 14, dadurch gekennzeichnet,
daß
die koaxiale, trommeiförmige EinbiU-Getriebe-Generatoreinheit
im Inneren eines schwimmenden Wasserrades einer Klein-Wasserkraftanlage angeordnet
ist.
17. Getriebe nach Anspruch 2 und 11, dadurch gekennzeichnet,
daß
die koaxiale Getriebe-Generatorkombination in der Lagerbasis einer Rohrturbine einer Klein-Wasserkraftwerksanlage
angeordnet ist.
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18. Getriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,,
daß
im Kraftpfad des drehzahlvariablen Generators (23 ,1o5) zusätzlich eine Haltebremse angeordnet
ist.
19. Getriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
/4&iacgr; &agr; /&Idigr;&Lgr;&Idigr;&igr;»&iacgr; AKn-ßonaratnrlinjnKi &pgr;&lgr;&EEgr; &eegr;&eegr; in &bgr; 1 &Pgr; &bgr; !T! &Pgr;&Rgr; —
meinsamen Gehäuse (1&ogr;2) angeordnet ist, welches auch die Lagerbasis eines Wind- oder Wasserkraftmaschinen-Rotors
bzw. -Läufers trägt.(Fig. 5)
20. Getriebe nach Anspruch 2 und 19, dadurch gekennzeichnet,
daß
im gemeinsamen Gehäuse eine auf die Kraftmaschine einwirkende Haltebremse (132) angeordnet ist.
21. Getriebe nach Anspruch 2 und 19, dadurch gekennzeichnet,
daß
im gemeinsamen Gehäuse eine über ein übersetzungsgetriebe
mit der Kraftmaschine verbundene Schwungmasse angeordnet ist.
22. Getriebe nach Anspruch 2 und 19, dadurch gekennzeichnet, daß
das Gehäuse eine vertikale Dreh- bzw. Schwenklagerbasis (158) , bevorzugt den Einsatz als
Windkraftanlage, aufweist.
23. Getriebe nach Anspruch 2, 6 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß
der Getriebe-Generatorkombination eine Leistungs-, Regel- und Steuereinrichtung (147, 155) zugeordnet ist.
24. Getriebe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Arbeitsmaschine eine hydraulische Arbeitsmaschine
ist, bevorzugt eine Hydraulikpumpe (58).
25. Getriebe nach Anspruch 1, 2 und 24, dadurch gekennzeichnet,
daß
in der Abflußleitung der Hydraulikpumpe (58) ein
Wärmetauscher (G2) angeordnet ist.
26. Getriebe nach Anspruch 1, 2 und 24, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Druckregelorgan (6o) im Förderkreis der Hydropumpe
(58) angeordnet ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE8706387U DE8706387U1 (de) | 1987-05-05 | 1987-05-05 | Getriebe für Wind- und Wasser-Kleinkraftwerksanlagen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE8706387U DE8706387U1 (de) | 1987-05-05 | 1987-05-05 | Getriebe für Wind- und Wasser-Kleinkraftwerksanlagen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE8706387U1 true DE8706387U1 (de) | 1988-09-01 |
Family
ID=6807654
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE8706387U Expired DE8706387U1 (de) | 1987-05-05 | 1987-05-05 | Getriebe für Wind- und Wasser-Kleinkraftwerksanlagen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE8706387U1 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3837040A1 (de) * | 1988-10-31 | 1990-05-03 | Franz Husnik | Windenergiekonverter zur montage auf garagen, bungalows und allen anderen dafuer geeigneten flachdaechern |
DE4436057A1 (de) * | 1994-10-10 | 1995-03-30 | Klaus Peter Jaehnke | Kombinierte Windkraftmaschine |
EP1243791A2 (de) * | 2001-03-23 | 2002-09-25 | Enron Wind GmbH | Drehmomentübertragungsvorrichtung für eine Windkraftanlage |
-
1987
- 1987-05-05 DE DE8706387U patent/DE8706387U1/de not_active Expired
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3837040A1 (de) * | 1988-10-31 | 1990-05-03 | Franz Husnik | Windenergiekonverter zur montage auf garagen, bungalows und allen anderen dafuer geeigneten flachdaechern |
DE4436057A1 (de) * | 1994-10-10 | 1995-03-30 | Klaus Peter Jaehnke | Kombinierte Windkraftmaschine |
EP1243791A2 (de) * | 2001-03-23 | 2002-09-25 | Enron Wind GmbH | Drehmomentübertragungsvorrichtung für eine Windkraftanlage |
EP1243791A3 (de) * | 2001-03-23 | 2005-12-28 | General Electric Company | Drehmomentübertragungsvorrichtung für eine Windkraftanlage |
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