DE956390C

DE956390C - Windkraftanlage

Info

Publication number: DE956390C
Application number: DEV5571A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Franz Villinger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1953-03-14
Filing date: 1953-03-14
Publication date: 1957-01-17

Description

Windkraftanlage Die Erfindung betrifft Windkraftanlagen zur Erzeugung elektrischer Energie, insbesondere für die Versorgung von Einzelhäusern mit Lichtstrom, in Verbindung mit einer Akkumulatorenbatterie, wie sie unter der Bezeichnung »Windlader« bereits in verschiedenen Ausführungen bekannt sind. Diese »Windlader« bestehen in der Regel aus einem verhältnismäßig kleinen schnelläufigen Windrad, das über ein Zahnradgetriebe einen kleinen Gleichstromgenerator antreibt. Es sind auch bereits Windkraftanlagen bekannt, die mit selbsttätig von einer Anlaufstellung über eine Vollast- zu einer Drosselstellung vollverstellbaren Flügeln zur Erleichterung des Anlaufs und als Drehzahlbegrenzung ausgerüstet sind. Ferner werden auch bereits Windlader mit direkt angetriebenem, verhältnismäßig langsam laufendem Gleichstromgenerator hergestellt. Diese letztere Bauart zeichnet sich infolge Fortfalls jedes mechanischen Getriebes zwischen Windrad und Generator durch erhöhte Betriebssicherheit aus; sie enthält in dem Kommutator des Gleichstromgenerators jedoch ebenfalls ein Bauglied, das durch die ständige Bürstenreibung gewisse mechanische Verlustarbeit und vor allem eine unvermeidbare Abnutzung im Dauerbetrieb verursacht. Schließlich sind auch Generatoren in Form von permanentmagnetisch erregten Wechselstrommaschinen mit am stillstehenden-Gehäuse angeordneter Hauptstromwicklung an sich bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Windlader mit größtmöglicher Betriebssicherheit, gutem Anlaufverhalten und zugleich wirtschaftlicher Herstellungsmöglichkeit zu schaffen. Diese Aufgabe soll durch die Vereinigung folgender für sich bekannter Merkmale an einer derartigen Windkraftanlage gelöst werden: a) schnelläufiges Windrad mit selbsttätig von einer Anlaufstellung über die Vollast- zu einer Drosselstellung verschwenkbaren Flügeln, b) unmittelbar mit dem Windrad gekuppelter Generator und c) Verwendung einer permanentmagnetisch erregten Wechselstrommaschine mit am stillstehenden Gehäuse angeordneter Hauptstromwicklung.
Bei einem solchen Aufbau ermöglicht die Ausbildung als schnelläufiges Windrad mit nur wenigen (zwei bis drei) vollverstellbaren Flügeln mit besonderer Aufstellung einen Betrieb mit sehr hoher Schnellaufzahl (u/v etwa zwischen 8 und Io) bei verhältnismäßig großem Anlaufdrehmoment, so daß. der direkt angetriebene Generator auch ohne Übersetzungsgetriebe mit einer ausreichenden Drehzahl betrieben werden kann. Durch die Verwendung einer vielpoligen permanentmagnetisch erregten Wechselstrommaschine mit stillstehender Hauptstromwicklung wird dabei das Anlaufverhalten infolge Fortfalls jeglicher Bürstenreibung noch weiter verbessert und zugleich eine größtmögliche Betriebssicherheit der ganzen Anlage erzielt, bei der es im elektrischen Generator keinerlei aufeinander gleitende Teile gibt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Windladers sind die Flügel radial beweglich mit Hilfe von Lenkerparallelogrammen an der Nabe befestigt und mit einem zusätzlichen, aus Hebeln und Stoßstangen bestehenden Verstellgestänge versehen, das den Flügeln bei einer radialen Verstellung unter Wirkung der Zentrifugalkraft selbsttätig eine sich umkehrende Schwenkbewegung von der Anlauf- über die Vollast- zur Drosselstellung erteilt. Diese Ausgestaltung ermöglicht durch die reibungsarme Art der Flügelaufhängung an der Nabe eine besonders betriebssichere, rein mechanische, selbsttätige Einstellung der Flügel auf ihre verschiedenen Steigungswinkel.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden die Flügel zweckmäßig mit zwei vorgespannten, verschieden starken Rückführfedern versehen, die durch ein erst bei Vollaststellung der Flügel einsetzendes Wirksamwerden der härteren Feder eine stark abgestufte Kennlinie ergeben. Hierdurch wird erreicht,, daß die Flügel unter Überwindung der anfänglich sehr kleinen Federrückstellkräfte schon bei einer verhältnismäßig niedrigen Drehzahl aus der Anlaufstellung in die Vollaststellung schwenken und in dieser während eines größeren Drehzahlbereichs von z. B. Ioo bis 300 U/min stehenbleiben, bis die Zentrifugalkraft den Wert der zweiten Stufe der Federkennlinie erreicht und anschließend bei weiterer Drehzahlerhöhung ein selbsttätiges Zurückdrehen der Flügel auf kleinere Leistung, d. h. in Drosselstellung, bewirkt.
Die Magnete und/oder die Spulen des Generators können gegebenenfalls in an sich bekannter Weise in radialer oder axialer Richtung verstellbar angeordnet werden, um die Induktion zu verändern, wobei. es besonders zweckmäßig ist, die Verstellung selbsttätig unter dem Einfluß der Drehzahlinderung erfolgen zu lassen. Durch diese Maßnahme ist es möglich, die Anlage mit völlig oder doch nahezu ausgeschalteter Erregung anlaufen zu lassen, die erst beim Erreichen einer zur Leistungsabgabe ausreichenden Drehzahl ihren vollen Wert erreicht und beim Überschreiten der Vollastdrehzahl zur Spannungsbegrenzung wieder verringert wird.
Schließlich liegt es im Rahmen der Erfindung, zur Umwandlung des erzeugten Wechselstromes in speicherfähigen Gleichstrom einen an sich bekannten, zugleich als Rückstromschutz für die Batterie wirkenden Trockengleichrichter zu verwenden. Durch ein solches keinerlei Abnutzung unterliegendes Gerät wird der in den Generatorspulen erzeugte Wechselstrom mit einem annehmbaren Wirkungsgrad in speicherfähigen Gleichstrom umgeformt und zugleich jede Entladung der Batterie über die Generatorwicklung mit Sicherheit verhindert: In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in vier Abbildungen dargestellt. Von diesen zeigt im einzelnen Abb. I einen aus zweiflügeligem Windrad und direkt angetriebenem Generator mit Mastaufhängung und Windfahne bestehenden Kopfteil eines Windladers im Längsschnitt, Abb. 2 die drei hauptsächlichen Flügeleinstellungen an einem Schnitt entsprechend der Linie II-II in Abb. I, Abb. 3 den Anschluß des stärkeren Regelfedersatzes an den Flügellagerkörpern als Teilansicht in Richtung des Pfeiles III und Abb. 4 den Spannungsverlauf des Generatorstromes über der Drehzahl des neuen Windladers in Form eines Schaubildes.
Gemäß der Abb. I sind die Windradflügel I um ihre Längsachsen :2 schwenkbar in Lagerkörpern 3 gehaltert, die ihrerseits durch je zwei Lenker und 5 radial beweglich mit einem Nabengehäuse 6 verbunden sind. Die Lagerkörper 3 werden bei stillstehendem Windrad durch verhältnismäßig weiche vorgespannte Federn 7 in einer der Drehachse 8 zunächst gelegenen Lage gehalten, bei der die Flügel I mit Hilfe von am Flügelschaft angeordneten Hebeln 9 und zu einem Lenkerstern Io verlaufenden Stoßstangen II in ihrer in Abb. 2 mit A bezeichneten Anlaufstellung stehen. Sobald das Windrad eine gewisse Umlaufgeschwindigkeit erreicht hat, bewegen sich die Flügel i mit den Lagerkörpern 3 zusammen infolge der Zentrifugalkraft unter Überwindung der sehr kleinen Vorspannung der Federn 7 ein Stück weit in radialer Richtung nach außen, bis ein weiterer, erheblich stärkerer und ebenfalls vorgespannter Federsatz 12, 12' zum Tragen kommt. Die Teilverstellung der Flügel von der Anlauf- bis zur Vollaststellung bleibt nämlich auf die Federn 12, 12' ohne Einfluß, weil deren gegen Anschläge 40, 40' abgestützte Anschlußlaschen 37 mit Langlöchern 38 an die Lagerkörper 3 angeschlossen sind, wobei die Anschlußbolzen 39 in den Langlöchern 38 gleiten können. Bei dieser Teilbewegung nach außen werden die Flügel i durch die Stoßstangen ii selbsttätig in die Vollaststellung B verschwenkt, in der sie während des Normalbetriebes verbleiben. Überschreitet die Windraddrehzahl infolge erhöhter Windgeschwindigkeit ihren durch die Vorspannung der Regelfedern 12, 12' bestimmbaren Normalwert, bewegen sich die Flügel mit ihren Lagerkörpern unter zusätzlicher Spannung auch der stärkeren Federn 12, 12' noch weiter nach außen und werden dabei durch das Zusammenwirken der Bewegungen der Lenker 4, 5 und der Stoßstangen II gemäß Abb. 2 so weit in Richtung auf die Drosselstellung C verschwenkt, bis sich durch die damit verbundene Drosselung der Leistungsaufnahme aus dem Wind ein neuer Gleichgewichtszustand zwischen den Zentrifugal- und den Federkräften an den Flügeln bildet. Die inneren Lenker 5 der Lagerkörper 3 sind durch Ansätze 13 und eine in Achsrichtung beweglich angeordnete Doppelbundmuffe 14 so miteinander gekuppelt, daß sich die Flügel stets gleichmäßig nach außen bzw. innen bewegen müssen. Zum willkürlichen An- und Abstellen der Anlage kann der Lenkerstern Io mit Hilfe einer in der Windradwelle 15 längs verschieblich geführten Steuerstange 16 entgegen der Kraft einer vorgespannten Rückführfeder 17 über ein aus Winkelhebel 18, Hubring I9, Stoßstange 2o, Doppelhebel 21 und Zugglied 22 bestehendes Bediengestänge von Hand im Sinne des Doppelpfeiles 23 bewegt werden, wobei die Flügelblätter zwischen der Anlaufstellung A und der Drosselstellung C verschwenkt werden.
Die Windradwelle 15 ist in den beiden Kugellagern 24, 24' im Gehäuse 25 gelagert, das zugleich die stillstehenden Wicklungen 26 des Generators mit verhältnismäßig großem Durchmesser trägt. Der als Außenläufer ausgebildete Generator wird durch Permanentmagnete 27 erregt. Diese können entweder entsprechend der Zeichnung am umlaufenden Nabengehäuse angebracht sein und auf die stillstehende Hauptwicklung wirken oder - unter Anbringung am stillstehenden Gehäuse - auf besondere, nur zur Erzeugung des Erregerstromes für die Hauptmaschine dienende Spulen am Nabengehäuse einwirken, von denen über einen mit umlaufenden Trockengleichrichter die Hauptmaschine erregt wird. Ein Pol des in der stillstehenden Wicklung 26 der Hauptmaschine induzierten Wechselstromes wird vorzugsweise durch eine zugleich als Halterung für den Schwenkkopf dienende isolierte Spitzenlagerung 29, 30 auf ein isoliertes Kabel 31 und der andere Pol in einem Stützlager 32, 33 auf das Mastrohr 34 übertragen. Zur Umwandlung des Wechselstromes in Gleichstrom wird zweckmäßig ein. in der Zeichnung nicht dargestellter Trockengleichrichter bekannter Bauart benutzt, der, zugleich als Stromventil wirkend, eine mit der Windkraftanlage zusammenarbeitende Akkumulatorenbatterie beim Ausbleiben der Ladespannung gegen Entladung über den Generator schützt. Die Permanentmagnete 27 sind in axialer Richtung verstellbar am Nabengehäuse 6 angeordnet. Sie stehen dabei z. B. über Stoßstangen 35 mit den Lenkern. 4 in solcher Wirkungsverbindung, daß sie bei in Anlaufstellung A befindlichen Flügeln in der gestrichelten Lage 27', bei Betriebsstellung der Flügel in der ausgezogenen Lage für volle Erregung und beim Verschwenken der Flügel in Richtung auf die Drosselstellung in die ebenfalls gestrichelte Lage 27" bewegt werden. Am Gehäuse 25 ist hinten ein rohrförmiger Windfahnenträger 36 angeschlossen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: I. Windkraftanlage zur Erzeugung elektrischer Energie, insbesondere für die Lichtversorgung von Einzelhäusern, in Verbindung mit einer Akkumulatorenbatterie als sogenannter »Windlader«, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender für sich bekannter Merkmale: a) schnelläufiges Windrad mit selbsttätig von einer Anlaufstellung über eine Vollast- zu einer Drosselstellung verschwenkbaren Flügeln, b) unmittelbar mit dem Windrad gekuppelter Generator und c) Verwendung einer permanentmagnetisch erregten Wechselstrommaschine mit am stillstehenden Gehäuse angeordneter Hauptstromwicklung.
2. Windkraftanlage nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel mit Hilfe von Parallelogrammlenkern (4, 5) an der Nabe radial - beweglich befestigt sind, wobei die Flügelschäfte mit Hebeln (9) versehen sind, die über Stoßstangen (II) mit einem konzentrisch zur Drehachse des Windrades angeordneten Lenkerstern (Io) verbunden sind, und zwar derart, daß in gleichfalls bekannter Weise bei der infolge Zentrifugalwirkung erfolgenden radialen Bewegung der Flügel aus der radial innersten bis zu der radial äußersten Stellung die Flügelschäfte aus der Anlauf- über die Vollast- in eine Drosselstellung verstellt werden.
3. Windkraftanlage nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise die Flügelverstelleinrichtung mit zwei verschieden starken Rückführfedern (7 und 12, 12') versehen ist, die durch ein erst in der Vollaststellung der Flügel einsetzendes Wirksamwerden der härteren vorgespannten Federn. (12') zusammen eine stark .abgestufte Kennlinie ergeben.
4. Windkraftanlage nach Anspruch i oder folgenden, gekennzeichnet durch die Verwendung eines an sich bekannten, zugleich als Rückstromschutz wirkenden Trockengleichrichters zur Umwandlung des erzeugten Wechselstroms in speicherfähigen Gleichstrom. In Betracht gezogene Druckschriften: Schweizerische Patentschrift Nr. 230 132; deutsche Patentschriften Nr. 420 456, 351 811, 743 890, 179 457, 245 628, 735 150, 839 224; »Hütte«, Bd. 2, 27. Auflage, 1944, S. 125o.