DE3903399A1

DE3903399A1 - Windkraftanlage

Info

Publication number: DE3903399A1
Application number: DE3903399A
Authority: DE
Inventors: Helmut Peters
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-02-02
Filing date: 1989-02-02
Publication date: 1990-08-09
Also published as: DE8913328U1

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem Windrotor, dessen Flügel zur Verwirklichung eines veränderlichen Anstellwinkels um ihre Längs achse drehbar an der Rotornabe gelagert sind, mit einem elektrischen Generator, mit einer gemein samen Welle, auf der der Windrotor und der Läufer des Generators befestigt sind, und mit einer Re geleinrichtung zur Regelung der Drehzahl des Wind rotors.

Derartige Windkraftanlagen sind bekannt und dienen dazu, Windenergie in elektrische Energie umzu setzen. Ein wesentliches Problem stellt dabei die Drehzahlregelung der Anlage dar, die unabhängig von der Windgeschwindigkeit und der Windstärke mög lichst konstant eingeregelt werden soll, um Schwan kungen in der Frequenz der erzeugten elektrischen Spannung möglichst zu verhindern. Derartige be kannte Regelungen sind aufwendig, sie benötigen zusätzliche aktive Baugruppen, die eine Speisung mit fremder Energie oder mit der von der Anlage er zeugten Energie notwendig machen und damit den Wirkungsgrad der Anlage verringern. Außerdem soll der gesamte Aufbau der Anlage den Wirkungsgrad der Energieumwandlung möglichst wenig beeinträchtigen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Windkraft anlage der eingangs genannten Art derart auszubil den, daß Umwandlung der Windenergie in elektrische Energie auch bei schwachen Winden mit einem mög lichst großen Wirkungsgrad und mit einer einfachen, verlustfreien Drehzahl konstanter Regelung erfolgt.

Diese Aufgabe wird bei der Windkraftanlage der ein gangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Regeleinrichtung eine auf der Welle dreh feste und längsverschiebbare Hülse und eine Gelenk verbindung zwischen jedem Flügel und der Hülse ent hält.

Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß eine mechanische Regelung unmittelbar zwischen den Achsen der Flügel des Windrotors und der Welle der Windkraftanlage ohne Fremdenergie erfolgt, wo durch eine hohe Betriebssicherheit und Wartungsfrei heit bei einfachem, stabilem Aufbau und eine ver gleichsweise hohe Konstanz der Drehzahl bei den unter schiedlichsten Windstärken gewährleistet ist.

Besonders bevorzugt sind die Flügel des Windrotors gegenüber einer senkrecht zur Welle verlaufenden Bezugsebene um einen vorgegebenen Neigungswinkel β geneigt; die Flügelachsen liegen somit auf einem Kegel, dessen Konuswinkel 90° -β zum freien Ende der Welle einnimmt. Durch diese Neigung der Flügel ist sichergestellt, daß der in Richtung der Welle an strömende Wind ein ausreichendes Anstell-Drehmoment zur Veränderung des Anstellwinkels der Flügel er zeugt. Die gesamte Windkraftanlage ist in bekannter Weise auf einem Gerüst drehbar gelagert, wobei die Welle bevorzugt etwa horizontal ausgerichtet ist. Durch geeignete Ausbildung der Verkleidung der ge samten Windkraftanlage wird bewirkt, daß sich die auf dem Gerüst drehbare Windkraftanlage unter der Wirkung des Windes so ausrichtet, daß die Richtung der Welle mit der Windrichtung zusammenfällt. Durch die geneigte Anbringung der um ihre Längsachse dreh bar gelagerten Flügel an der Rotornabe wird er reicht, daß mit zunehmender Windgeschwindigkeit der Anstellwinkel der Flügel abnimmt und mit abnehmender Windgeschwindigkeit wieder auf den maximalen An stellwinkel zurückgeht, der bei stehendem Rotor bzw. geringer Windgeschwindigkeit erreicht ist.

Besonders bevorzugt enthält die Gelenkverbindung je weils einen an der Flügelachse befestigten Querarm und eine zwischen Querarm und Hülse gelenkig ange ordnete Gelenkstange. Die Gelenkstange ist bevorzugt an der Hülse schwenkbar gelagert, zwischen Querarm und der Gelenkstange ist bevorzugt ein Kugelgelenk angeordnet. Der Querarm verläuft dabei unter einem veränderlichen Winkel aus einer von der Flügelachse und der Welle aufgespannten Ebene heraus, der Be festigungspunkt des Querarms und der Befestigungs punkt der Gelenkstange an der verschiebbaren Hülse besitzen relativ zueinander in Drehrichtung einen Winkelversatz, so daß bei einer Verschiebung der Hülse ein Rückstellmoment von dem Querarm auf die jeweilige Flügelachse ausgeübt wird.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sitzt der Windrotor an dem einen Ende der Welle, und der Generator an dem anderen Ende der Welle. Der Generator besitzt einen besonderen, erfindungsgemäßen Aufbau, der sich auch in anderen Anlagen oder Einrichtungen einsetzen läßt. Der Ge nerator enthält einen innenliegenden Ständer und einen außenliegenden Läufer, der - dem Ständer zu gewandt - mehrere am Umfang beabstandete Permanent magneten besitzt. Der Ständer ist als Blechpaket aus einer Vielzahl dünner, ringförmiger Bleche ausgebil det, die die elektrischen Wicklungen tragen, welche in geeigneter Weise mit den Außenanschlüssen verbun den sind. Bevorzugt sitzt das Blechpaket des Stän ders auf einer feststehenden Hülse, durch welche die Welle drehbar gelagert hindurchgeführt ist, die mit tels einer stirnseitigen Halterung mit dem Läufer verbunden wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfin dung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch die Windkraftanlage;

Fig. 2 eine Seitenansicht des Windrotors;

Fig. 3 eine schematische Ansicht der Stellung der Flügel bei unterschiedlicher Wind stärke; und

Fig. 4 einen Querschnitt durch den Generator.

Die Fig. 1 und 2 zeigen schematisch eine Windkraft anlage und deren Windrotor. In einem Gehäuse 1, wel ches über einen Drehkranz 1 a auf einem Gerüst 1 b drehbar gelagert ist, sitzt ein Windrotor 2 fest auf einer Welle 20, welche in dem Gehäuse 1 drehbar ge lagert ist. Die Rotornabe 4 ist mit der Welle 20 fest verbunden und weist mehrere quer zur Welle 20 aus wärtsgerichtete Flügel 8 auf, die an der Rotornabe 4 in Lagerbuchsen 6 um ihre Längsachse 9 drehbar ge lagert sind. Mittels einer Drehung der Flügelachse 9 in den Lagerbuchsen 6 läßt sich der Anstellwinkel der Flügel je nach Windgeschwindigkeit verändern. Die Lagerbuchsen 6 sind derart an der Rotornabe 4 ange ordnet, daß die Flügelachsen 9 einen vorgegebenen Neigungswinkel zu einer Bezugsebene einnehmen, welche senkrecht zur Welle 20 verläuft.

An jeder Flügelachse 9 ist - zwischen den beiden Lager buchsen 6 - ein Querarm 12 befestigt, der über eine am Ende des Querarms 12 angelenkte Gelenkstange 14 mit einer Hülse 16 gelenkig verbunden ist, die drehfest aber längsverschiebbar auf der Welle 20 lagert. Vorge sehen sind ferner Rückstelleinrichtungen 18, z. B. Gas federn, welche die Hülse 16 mit einer mit zunehmender Auslenkung a zunehmenden Rückstellkraft beaufschlagen. Der Querarm 12 und die Gelenkstange 14 bilden eine Ge lenkverbindung, deren Endpunkte in Drehrichtung des Rotors einen Winkelversatz besitzen, so daß eine Drehung der Flügel um ihre Längsachse, d. h. eine Änderung des Anstellwinkels über die Gelenkverbindung eine Verschiebung der Hülse gegen die Rückstellkraft der Rückstelleinrichtung zur Folge hat. Gelenkverbin dung 12, 14, Hülse 16 und Rückstelleinrichtung 18 bilden auf diese Weise eine Regeleinrichtung, die auf folgende Weise arbeitet: Mit zunehmender Windstärke wird der Anstellwinkel α der Flügel des Windrotors 2 verringert; durch eine damit einhergehende Drehung der Flügelachse 9 wird die Hülse 16 gegen die zunehmen de Rückstellkraft verschoben; in der normalen Betriebs stellung, d. h. bei einer normalen Auslenkung a 0 der Hülse 16 wird eine weitere Zunahme der Wind stärke durch das - über die Hülse 16 - eingeleitete, auf die Flügel übertragene zunehmende Rückstell moment derart kompensiert, daß eine konstante Dreh zahl des Windrotors eingehalten wird.

Wie sich insbesondere den Fig. 2 und 3 entnehmen läßt, ist der Anstellwinkel α bei schwachem Wind, der in Richtung der Welle 20 strömt, auf einem Maximalwert, der Rotor befindet sich in Ruhestellung bzw. in dem Anlaufbetrieb. Bei mittleren und größeren Windstärken wird an der Regeleinrichtung 10 eine Änderung des Anstellwinkels derart zugelassen, daß sich der Windrotor 2 mit konstanter Drehzahl, der Nenndrehzahl dreht. Bei besonders großen Windstärken stellt sich ein negativer Anstellwinkel ein, welcher zur Abbremsung des Windrotors 2 führt.

In Fig. 4 ist ein Querschnitt durch den Generator dargestellt, der insbesondere für die Windkraftan lage verwendbar ist, wobei jedoch auch alternativ andere Verwendungen möglich sind. Die Welle 20 ist an dem dem Windrotor 2 abgewandten Ende durch eine feststehende Hülse 46 mittels entsprechender Lager 48 drehbar hindurchgeführt und besitzt stirnseitig eine Halterung 34, an der ein außenliegender Läufer 32 des Generators befestigt ist. Der Läufer 32 trägt in vorgegebenem, gleichmäßigem Abstand mehrere Permanentmagnete. Auf der festen Hülse 46 ist ein Blechpaket befestigt, welches aus ringförmigen Ein zelblechen zusammengesetzt ist und - den Permanent magneten 36 gegenüber - elektrische Wicklungen 44 trägt, die zusammen mit dem Blechpaket den Ständer 42 bilden. Durch die unterbringbare große Anzahl an Permanentmagneten und die stationäre Anordnung der Wicklungen am Ständer 42 wird eine besonders robuste Ausbildung des Generators verwirklicht, die von Zentrifugalkräften auf die Wicklungen frei ist und daher auch keine Beschädigungen der Wicklungen bei überhöhten Drehzahlen aufgrund zu großer Zentrifugal kräfte erfährt. Außerdem ermöglicht es der erfindungs gemäße Generator, daß die Windkraftanlage ohne ein Getriebe zwischen Windrotor und Generator verwirk licht werden kann, wodurch der Wirkungsgrad der Windkraftanlage erhöht und der Betrieb auch bei ge ringer Windstärke möglich wird.

Der erfindungsgemäße Generator mit außenliegendem Permanentmagnet-Läufer und innenliegenden Ständer wicklungen läßt sich auch in verschiedenen anderen Geräten einsetzen, er benötigt keine Fremdkühlung und - wegen der feststehenden Anordnung der Wick lungen - auch keinen Schleifring-Abgriff.

Claims

1. Windkraftanlage mit einem Windrotor, dessen Flügel zur Verwirklichung eines veränderlichen Anstellwinkels um ihre Längsachse drehbar an der Rotornabe gelagert sind,
mit einem elektrischen Generator, mit einer ge meinsamen Welle, auf der der Windrotor und der Läufer des Generators befestigt sind,
und mit einer Regeleinrichtung zur Regelung der Drehzahl des Windrotors,
dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (10) eine auf der Welle (20) drehfeste und längsver schiebbare Hülse (16) und eine Gelenkverbindung (12, 14) zwischen jedem Flügel (8) und der Hülse (16) enthält.

2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (16) über die Gelenkverbindung (12, 14) von den Flügeln (8) bei abnehmendem Anstellwinkel der Flügel eine zunehmende Auslenkung aus der Anfangslage gegen die zunehmende Rückstellkraft einer Rück stelleinrichtung (18) erhält.

3. Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenkverbindung (12, 14) einen an der Flügelachse (9) befestig ten Querarm (12) und eine zwischen Querarm (12) und Hülse (16) gelenkig angeordnete Gelenkstange (14) enthält.

4. Windkraftanlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenkstange (14) an der Hülse (16) schwenkbar gelagert ist, und daß zwischen dem Querarm (12) und der Ge lenkstange (14) ein Kugelgelenk (15) angeordnet ist.

5. Windkraftanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstelleinrich tung (18) eine Feder enthält.

6. Windkraftanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstelleinrich tung (18) mindestens eine Gasfeder enthält.

7. Windkraftanlage, insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (30) einen innenliegenden Ständer (42) und einen außen liegenden Läufer (32) enthält, und daß der Läufer (32) mehrere Pole (36) aus Permanentmagneten, und der Ständer (42) Wicklungen (44) enthält, die zur Abgabe der induzierten elektrischen Spannungen/ Ströme als Anschlüsse nach außen geführt sind.

8. Windkraftanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Blechpaket (43) des Ständers (42) auf einer feststehenden Hülse (46) angeordnet ist, durch die die Welle (20) des Generators drehbar gelagert hindurchgeführt ist, und daß der Läufer (32) mittels einer stirn seitigen Halterung (34) mit dem Ende der Welle (20) fest verbunden ist.