DE8706387U1

DE8706387U1 - Getriebe für Wind- und Wasser-Kleinkraftwerksanlagen

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Publication number: DE8706387U1
Application number: DE8706387U
Authority: DE
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Priority date: 1987-05-05
Filing date: 1987-05-05
Publication date: 1988-09-01

Description

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Walter Schopf
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

Getriebe für Wind- und Wasser-Kleinkraftwerksanlagen &idigr;

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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

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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

Wärme umsetzt.

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.

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j Generatoren).

Fig. 4:

Schematisches, Ausführungsbeispiel einer Windkraftanlage

nach Fig. 2 mit in einem einheitlichen Gehäuse inte-

; grierten Getriebekonponenten und daran angeordneten

■ Kraft- und Arbeitsmaschinen.

j Fig. 5: &ldquor;»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.

Beschreibung zu den Ausführnngsbeispielen

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,

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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

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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.

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

Walter Schopf Saalburgstr. 3o 637o Oberursel Getriebe für Wind- und Wasser-Kleinkraftwerksanlagen -nsprüche:

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 (45_t 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.