DE3209368A1 - Device for obtaining wind energy - Google Patents
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Abstract
Description
Einrichtung zur WindenergiegewinnungFacility for generating wind energy
Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Windenergiegewinnung wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben. Eine solche Einrichtung ist aus der wie >4 37 003 bekannt.The invention is based on a device for generating wind energy as indicated in the preamble of claim 1. Such a facility is from the known as> 4 37 003.
Das dort beschriebene Großwindkraftwerk arbeitet mit sich periodisch bewegenden großen Tragflügelballonen. Die Tragflügelballone sind hierbei so gestaitet, daß die Windströmung durch entsprechende Formgebung einen senkrecht zur Stromungsrichtung wirkenden Auftrieb oder Abtrieb erzeugt.The large wind power plant described there works with itself periodically moving large hydrofoil balloons. The hydrofoil balloons are designed so that that the wind flow by appropriate shaping a perpendicular to the flow direction acting buoyancy or downforce generated.
Die Hubarteit während der Auftriebsperiode wird über Zugseile auf Schöpfbehalter eines Pumpspeicherwerks übertragen. Die maximale Arbeitshöhe wird mit 500...1200 m angeyeben.The lift time during the buoyancy period is based on pull ropes Transferring the scoop of a pumped storage plant. The maximum working height will be indicated with 500 ... 1200 m.
Die Nutzung der Windströnsung in Form von Auftrieb an Tragflügeln ist eine indirekte Art. Wegen des hiermit verbundenen geringen Wirkungsgrades müssen große Flächen verwendet und komplizierte Steuerungen eingesetzt werden, um Leistungen von wirtschaftlicher Bedeutung zu erzielen.The use of wind flow in the form of lift on wings is an indirect type. Because of the associated low efficiency, must large areas are used and complicated controls are used to perform services of economic importance.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Einrichtung zur Windenergiegewinnung anzugeben.The invention is based on the object of a simple device to be specified for wind energy generation.
Dii, Lösung der Aufgabe erfolgt mit den im Anspruch 1 angegebenen Mitteln.Dii, the problem is solved with those specified in claim 1 Means.
Vortei Tttiaf'te Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Advantages of further developments can be found in the subclaims.
Die Erfindung nutzt den horizontal zur Erdoberfläche strömenden Wind direkt, indem ein Wi ndSeU-el annähernd senkrecht zur Wind richtung ausgerichtet wird, so daß die Windkraft voll auf dieses Segel wirkt. Dies ermöglicht eine sehr gute Ausnutzung der Windenergie. Ober Zugseile wird die horizontal wirkende Kraft zum Erdboden übertragen und treibt dort einen Generator zur Energiegewinnung an. Auf die Arbeitsperiode, während der sich das Segel vom Aufpunkt am Boden (dem Standort des Generators) entfernt, um Arbeit zu leisten, folgt eine Ruheperiode, während der das Segel ohne nennenswerten Arbeitsaufwand in die Ausgangsposition zurückgeholt wird. D. h., das Segel wird für den Rückholvorgang inaktiv gemacht.The invention uses the wind flowing horizontally to the earth's surface directly by placing a WindSeU-El aligned approximately perpendicular to the direction of the wind so that the wind power acts fully on this sail. This enables a great deal quality Use of wind energy. The top pull ropes will be horizontal Acting force is transmitted to the ground and there drives a generator to generate energy at. The working period during which the sail moves from the contact point on the ground (the Location of the generator) removed to do work, followed by a period of rest, during which the sail can be returned to the starting position without any significant effort is retrieved. This means that the sail is made inactive for the retrieval process.
Es ist von besonderem Vorteil, daß das Segel auch in größere Höhen gebracht werden kann und die Windströmung dort direkt und damit mit gutem Wirkungsgrad yenutzt wird. In größeren Höhen sind die Windverhältnisse beständiger als in niedrigen Höhen. Der einfache Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung trägt wesentlich zum wirtschaftlichen Nutzen bei. Das gilt in besonderem Maße für das Segel. Ein eventueller Ersatz eines verlorengegangenen Segels verursacht keine nennenswerten Kosten.It is of particular advantage that the sail can also be used at greater heights can be brought and the wind flow there directly and thus with good efficiency y is used. At higher altitudes the wind conditions are more constant than at lower ones Heights. The simple structure of the arrangement according to the invention contributes significantly to economic benefits. This is particularly true of the sail. A possible one Replacing a lost sail does not incur any significant costs.
Mit einer Weiterbildung der Erfindung, bei der ein Schwungrad verwendet wird, erreicht man einen besonders gleichmäßigen Antrieb des Generators.With a development of the invention in which a flywheel is used a particularly uniform drive of the generator is achieved.
Es ist außerdem möglich, die zum Rückholen des Segels benötigte Energie dem Schwungrad zu entnehmen.It is also possible to use the energy needed to retrieve the sail to be taken from the flywheel.
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Windenergiegewinnung wird nachfolgend anhand von Abbildungen beispielsweise näher erläutert. Es sind: Fig. 1, eine schematische Darstellung der Einrichtung zur Windenergiegewinnung, Fig. 2, eine Darstellung zur Erläuterung der Funktionsweise, Fig. 3, eine Skizze des prinzipiellen Aufbaus der Bodenstation, Fig. 4, eine Energiebilanz für Arbeits- und Rückholtakt 1 : 1 und Fiy. 5, eine Energiebilanz für Arbeits- und Rückholtakt N:l mit N >1.The device according to the invention for generating wind energy is described below For example, explained in more detail using illustrations. They are: Figure 1, a schematic Representation of the device for wind energy generation, Fig. 2, a representation for Explanation of the functionality, Fig. 3, a sketch of the principal Structure of the ground station, Fig. 4, an energy balance for work and retrieval cycle 1: 1 and Fiy. 5, an energy balance for work and return cycles N: 1 with N> 1.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung der Einrichtung zur Windenergiegewinnung. Es ist ein dreieckförmiges Segel 2 vorgesehen, dessen Enden von einem mechanisch starren Rahmen 6, 7, 8 gehalten werden. Das Segel wird so der Windströmung ausgesetzt, daß eine seiner Spitzen 5 in Richtung, zum Erdboden 100 zeigt. An den beiden oberen Spitzen 3, 4 sind Seile 12, 13 befestigt, die an einem Knotenpunkt 101 miteinander verbunden sind. Der Knotenpunkt 101 und die untere Spitze 5 sind über ein erstes Zugseil 9 bzw. ein zweites Zugseil 11 mit einer Bodenstation 10 verbunden.Fig. 4 is a schematic representation of the device for generating wind energy. There is a triangular sail 2 is provided, the ends of which are mechanically rigid frame 6, 7, 8 are held. The sail is exposed to the wind current, that one of its tips 5 points in the direction of the ground 100. On the top two Tips 3, 4 are ropes 12, 13 attached to each other at a node 101 are connected. The node 101 and the lower tip 5 are above a first Pull rope 9 or a second pull rope 11 is connected to a ground station 10.
Bei der Inbetriebnahme der Einrichtung zur Windenergiegewinnung muß das Segel zunächst einmal in die Arbeitsstellung gebracht werden. Gemäß einer Weiterbildung erreicht man dies, indem man einen kleinen gasgefüllten Ballon 1 vorsieht, der über Seile mit den beiden oberen Spitzen 3, 4 des S + verbunden ist. Dadurch wird nicht nur erreicht, dai; claus Segel auch bei Windstille in der Luft gehalten wird, sondern auch, dat man es in höhere Luftschichten (z. B. 300 bis 1000 m), in denen konstantere Windverhältnisse herrschen, bringen kann.When commissioning the facility for wind energy generation must the sail must first be brought into the working position. According to a further training this is achieved by providing a small gas-filled balloon 1 over which Ropes connected to the top two tips 3, 4 of the S +. This will not only achieved dai; claus sails is kept in the air even when there is no wind, but rather also, it is in higher air layers (e.g. 300 to 1000 m), in which more constant Wind conditions prevail, can bring.
Der Betrieb der Einrichtung zur Windenergiegewinnung setzt sich aus einem Arbeitstakt und einem RUckholtakt zusammen. Um aus der auf das Segel wirkenden Windkraft Energie gewinnen zu können, muß diese Kraft während des Arbeitstaktes längs eines Weges wirken kötinen. Das geschieht dadurch, daß Inan die Zugseile 9, 11 beispielsweise von je einer Trommel abrollen läßt, wodurch ein elektrischer Generator angetrieben wird. Der Arbeitsrakt, während dessen die Windenergie in elektrische Energie umgesetzt wird, ist dann zu Ende, wenn eine vorgegebene Länge der Zugseile von den Trommeln abgerollt ist. Während des folgenden Rückholtaktes werden die Zugseile wieder auf die Trommeln aufgewickelt, wodurch das Segel in die Ausgangsstellung zurückgebracht wird. Für den Arbeitstakt wird das Segel so ausgerichtet, daß es dem Wind eine möglichst große Angriffsfläche bietet, während beim Rückholtakt die Angriffsfläche möglichst klein sein soll. Dies erreicht man durch verändern der Längendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Zugseil. Die nutzbare Energie ist somit die Energie-Differenz zwischen Arbeits- und Rückholtakt.The operation of the facility for wind energy generation is suspended a work cycle and a return cycle together. To get out of acting on the sail Wind power to be able to generate energy, this force must be used during the work cycle along one way work kötinen. This happens because Inan the pull cables 9, 11, for example can roll off a drum each, thereby driving an electric generator will. The work wing, during which the wind energy is converted into electrical energy is ended when a predetermined length of the pull cables from the drums is unrolled. During the following retrieval cycle, the pull ropes are opened again the drums wound up, bringing the sail back to its original position will. For the work cycle, the sail is aligned so that it is as close to the wind as possible offers a large attack surface, while the attack surface as possible during the retrieval cycle should be small. This can be achieved by changing the length difference between the first and the second pull rope. The usable energy is therefore the energy difference between work and retrieval cycle.
Bei der Darstellung gemäß Fig. 2 gelangt das Segel während des Arbeitstaktes von einer Anfangslage A zu einer Endlage E. Die Zugseile 9, 11, die das Segel 2 mit der Bodenstation 10 verbinden, weisen eine gewisse Neigung (Elevationswinkel # ) gegenüber der Horizontalen auf, um die notwendige Arbeitshöhe von etwa 300...1000 m für das Segel zu erreichen. Der El evationswinkel wird möglichst klein gewählt, weil die Windkraft Pw horizontal auf das Segel wirkt. Die in das Zugseil übertragene Kaft Pz ist folglicii: k w cos Der Sch1u;)ff,tktor k (k *1) berücksichtigt die Verminderung der Zugkraft infolge des Fortbewegens des Windsegels während der Arbeitsperiode. Als günstiger Kompromiß dürfte ein Elevationswinkel von etwa 15"...20' anzusehen sein, denn hierbei werden etwa 95 '; der horizontalen Windkraft in den Zugseilen wirksam. Hieraus ergbit sich eine Arbeitslänge von etwa 1000 m (Anfangslage) bis etwa 31)00 m (Endlage).In the illustration according to FIG. 2, the sail arrives during the work cycle from an initial position A to an end position E. The traction cables 9, 11, which the sail 2 connect to the ground station 10, have a certain inclination (elevation angle #) to the horizontal to the necessary working height of about 300 ... 1000 m to reach for the sail. The el evation angle is chosen to be as small as possible, because the wind force Pw acts horizontally on the sail. The one transferred to the pull rope Force Pz is folglicii: k w cos Der Sch1u;) ff, tktor k (k * 1) takes the reduction into account the pulling force due to the propulsion of the windsail during the working period. An elevation angle of about 15 "... 20 'should be viewed as a favorable compromise be, because here about 95 '; of horizontal wind power in the Pull ropes effective. This resulted in a working length of about 1000 m (initial position) to about 31) 00 m (end position).
Der prinzipielle Aufbau der Bodenstation und die Steuervorgänge werden anhand von Fig. 3 näher erläutert. In diesem Beispiel sind die beiden Zugseile 9, 11 zu getrennten Trommeln 15, 16 geführt, auf denen sie abwechselnd abgewickelt (Arbeitstakt) und aufgewickelt (RUckholtakt) werden. Die beiden Trommeln 15, 16 sind über ein Ausgleichsgetriebe 14, wie es bei Kraftfahrzeugen verwendet wird, miteinander verbunden. Ein Stellmotor 17, beispielsweise ein Schrittmotor, dessen Funktion weiter unten erlautet wird, befindet sich während des Ab- oder Aufrollens üblicherweise im Ruhezustand, so daß die beiden Trommeln infolge der Kraftübertragung über die Kegel räder gegensinnig mit derselben Geschwindigkeit umlaufen. Dementsprechend sind die Zugseile 9, 11 gegensinnig auf den Trommeln 15, 16 aufgewickelt. Die Drehbewegung der Trommeln 15, 16 wird über ein Getriebe 19, das der Drehzahlübersetzung und Drehrichtungsänderung dient, auf den Generator 21, der elektrische Energie erzeugt, übertragen. Auf derselben Achse kann zweckrr,äßigerweise zwischen Getriebe 19 und Generator 21 ein Schwungrad 20 angeordnet werden, das als Energiespeicher wirkt. Infolge seiner Trägheit gleicht es die Schwankungen der Windkraft aus. Auch kann ihm die Energie zum ZurUckholen des Windsegels entnommen werden.The basic structure of the ground station and the control processes are explained in more detail with reference to FIG. 3. In this example, the two pull ropes 9, 11 led to separate drums 15, 16 on which they alternately unwound (Work cycle) and wound up (return cycle). The two drums 15, 16 are via a differential gear 14, as it is used in motor vehicles, connected with each other. A servomotor 17, for example a stepper motor, whose Function is explained below, is during unwinding or unwinding usually at rest, so that the two drums as a result of the power transmission Rotate in opposite directions over the bevel gears at the same speed. Accordingly the traction cables 9, 11 are wound on the drums 15, 16 in opposite directions. The rotary motion the drums 15, 16 is via a gear 19, the speed ratio and change of direction of rotation serves, transferred to the generator 21, which generates electrical energy. On the same Axis can expediently, between gear 19 and generator 21, a flywheel 20 are arranged, which acts as an energy store. As a result of his indolence equals it is the fluctuations in wind power. He can also bring back the energy removed from the windsail.
Die Steuervorgänge für den Arbeits- und den Rückholtakt laufen tolgender-@@@en ab: Zu Beginn eines jeden Arbeitstaktes sind die Zugseil 9, 11 gegensinnig ajf den Trommeln 15, 16 aufgewickelt. Ein Drehmomentsensor 13 mißt, beispielsweise als @orsion der Antriebswelle, das Drehmoment, das der Summe der Zugkräfte in den Zugseilen 9, 11 proportional ist. Das Sensorsignal wird einem Regler 23 zugeführt, der den Stellmotor 17 steuert. Der Eingriff des Stellmotors 17 in das Ausgleichsgetriebe 14 bewirkt eine gleichsinnige Drehung der Trommeln und damit eine gegenseitige Längsverschiebung der Zugseile 9, 11, wodurch die Windangriffsfläche des Segels 2 verändert wird. Zu Beginn und auch während des Arbeitstaktes betätigt der Regler 23 den Stellmotor 17 solange, bis das mit dem Sensor 18 gemessene Drehmoment ein Maximum ist. Damit ist eine optimale Ausnutzung der Windkraft während des Arbeitstaktes gewährleistet.The control processes for the working and the retrieval cycle run as follows - @@@ en from: At the beginning of each work cycle, the pull cables 9, 11 are in opposite directions ajf den Drums 15, 16 wound up. A torque sensor 13 measures, for example as a torsion the drive shaft, the torque, that of the sum the tensile forces in the pull cables 9, 11 is proportional. The sensor signal is fed to a controller 23, which controls the servomotor 17. The engagement of the servomotor 17 in the differential gear 14 causes a rotation of the drums in the same direction and thus a mutual longitudinal displacement of the pull cords 9, 11, whereby the wind attack surface of the sail 2 is changed. At the beginning and also during the work cycle, the controller 23 actuates the servomotor 17 until the torque measured with the sensor 18 is a maximum. In order to an optimal utilization of the wind power is guaranteed during the work cycle.
Das Ende des Arbeitstaktes wird mit Hilfe eines Zählers 22, der die Trommelumdrehungen registriert, ennittelt. Ein entsprechendes Signal steuert den Regler 23 und das elektromechanische Stellglied 24, beispielsweise einen Hubmagnet, das die Drehrichtungsumkehr im Getriebe 19 auslöst. Durch die Drehrichtungsumkehr beginnt der Ruckholtakt mit dem Aufrollen der Zugseile 9, 11. Gleichzeitig bewirkt der Eingriff in den Regler 23, daß jetzt der Stellniotor 17 solange betätigt wird, bis durch die damit verbundene Längsverschiebung der Zugseile 9, 11 das Drehmoment zu einem Minimum geworden ist. In diesem Zustand, der gegebenenfalls durch Nachregeln aufrechterhalten wird, wird das Segel 2 in rlie Ausgangsposition zuriickgeholt.The end of the work cycle is with the help of a counter 22, which the Drum revolutions registered, averaged. A corresponding signal controls the Controller 23 and the electromechanical actuator 24, for example a lifting magnet, which triggers the reversal of the direction of rotation in gearbox 19. By reversing the direction of rotation the return cycle begins with the rolling up of the pull cables 9, 11. Simultaneously causes the intervention in the controller 23, that now the adjusting motor 17 is operated as long as until the associated longitudinal displacement of the traction cables 9, 11, the torque has become a minimum. In this state, if necessary by readjusting is maintained, the sail 2 is brought back to the starting position.
Der Ruckh@ltakt kann ebenso lang wie der Arbeitstakt oder kUrzer sein.The jerk cycle can be as long as the work cycle or shorter.
Sul i der RUckholtakt kürzer als der Arbeitstakt sein, so nuL im Getriebe 19 iii le Drehrichtungsumkehr gleichz£itig dds Obersetzung: ;erna'ltnis entsprechend geändert werden Der Energiegewinn resultiert aus der 1 äiitjs des Arbei tsweqes vorhandenen Zugkraft, die durch Wirkung der Windströmung auf das Segel während des Arbeit's;taktes zustandekommt. Hiervon abzuziehen ist der entsprechende Aufwand für das Rückholen des Segels während des Rückholtaktes. Fig. 4 zeigt die entsprechende Energiebilanz für einen vollständigen Zyklus, bestehend aus Arbeitstakt und Rückholtakt. In diesem Beispiel beträgt das Zeitverhältnis 1 : : 1 für Arbeits- und Rückholtakt.If the return cycle should be shorter than the work cycle, so now in the gearbox 19 iii le direction of rotation reversal at the same time dds ratio:; rena'ltnis corresponding The energy gain results from the first time of the workweqes existing Pulling force created by the effect of the wind flow on the Sails during work; the clock is made. The corresponding one must be deducted from this Effort for retrieving the sail during the retrieval cycle. Fig. 4 shows the corresponding energy balance for a complete cycle, consisting of work cycle and return cycle. In this example the time ratio is 1:: 1 for work and return cycle.
Es kann technisch günstiger sein, den Rückholtakt wesentlich schneller ablauten zu lassen als den Arbeitstakt. Fig. 5 zeigt ein solches Beispiel.It can be technically cheaper, the retrieval cycle much faster as the work cycle. Fig. 5 shows such an example.
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |