DE3714858A1

DE3714858A1 - Getriebe fuer wind- und wasser-kleinkraftwerksanlagen

Info

Publication number: DE3714858A1
Application number: DE19873714858
Authority: DE
Inventors: Walter Schopf
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-05-05
Filing date: 1987-05-05
Publication date: 1988-11-24

Description

Getriebe zum Übertragen und Wandeln von Drehzahl und Drehmoment zwischen Kraft- und Arbeitsmaschine(n) für Wind- und Wasser-Kleinkraftwerksanlagen zum Erzeugen von Elektrizität, insbesondere zur Versorgung autar ker Versorgungsnetze.

Bei der Nutzung regenerativer, "sauberer" Energie wie Wind- und Wasserkraft und deren Umsetzung in elektri sche Energie ist besonders die Effizienz der Erfassung und Umwandlung, aber auch die Anlagenkostenminimierung von besonderem Interesse. Auch sind die Betriebssicher heit und Langlebigkeit der Anlage und deren Komponenten ein wichtiges Auswahlkriterium und mit entscheidend für die Wirtschaftlichkeit solcher Konzeptionen.

Eine markante Besonderheit solcher regenerativer Ener gien, insbesondere der Windenergie, ist ihre spora dische und in der Intensität sehr unterschiedliche Auftrittsweise. In Fig. 1 und deren Beschreibung werden die sich daraus ergebenden Schwierigkeiten und Prob leme näher angezeigt, die einer effektiven Erfassung, Nutzung und Umsetzung in Elektrizität bei gleichzei tiger Forderung nach Betriebssicherheit, Langlebigkeit und Wirtschaftlichkeit im Wege stehen, bzw. bei her kömmlichen Anlagekonzeptionen sich nicht oder nur schwer in Einklang bringen lassen. Dies gilt besonders für Kraftwerkseinrichtungen für autarke, regionale Versorgungsnetze. Besonders bei solchen Versorgungs netzen 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 Voraus setzungen für die Verwertung aller anfallender Energie geschaffen werden.

Eine gewisse Problematik, besonders für autarke (für den Inselbetrieb geeignete) Versorgungen stellt das Kosten-Nutzungsverhältnis solcher Anlagen dar. Denn hier bei schlagen besonders die Kosten für genaue Frequenz regelungen der relativ kleinen Anlagen stark zu Buche. Ferner erfordert eine optimale Umsetzung der Windener gie in (zunächst) mechanische Energie bekannterweise ein bestimmtes Rotorgeschwindigkeitsverhältnis zur Windgeschwindigkeit. Effiziente Umsetzungen erfordern daher auch eine Regelung bzw. Anpassung der Rotorblatt geschwindigkeit oder bzw. und des Anstellwinkels der Rotorblätter.

Für die Einhaltung konstanter Generatordrehfrequenzen bietet prinzipiell die Antriebstechnik in ihrem Über setzungsverhältnis variable Getriebekomponenten an. Solche Übertragungspfade müssen natürlich für die maxi mal mögliche bzw. vorkommende Energie ausgelegt werden. Dies bedeutet 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 betrie ben werden. Ferner bedeutet dies nachteiligerweise, daß, bezogen auf die häufigste Betriebsweise, die Anlagen gewaltig überdimensioniert werden müssen. Neben den di rekten, damit einhergehenden Investitionskosten er wachsen dadurch Nachteile auch bei der Montage. Eine knappe Dimensionierung bzw. Auslegung solcher variablen Getriebekomponenten scheidet wegen der Erfordernis ab soluter 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 meiten verbreitet sind bisher starre Windrad-Getrie be-Generatorkonzeptionen, bei denen der Generator quasi im netzsynchronen Betrieb durch ein starkes, überregio nales, öffentliches Netz in seiner Betriebsdrehzahl gehalten wird. Diese Möglichkeit scheidet natürlich bei "Inselbetrieb" aus. Auch ist wegen der unberück sichtigbaren Wind-Drehzahlgesetzmäßigkeit die Energie umsetzung in den weitesten Betriebsspektren äußerst uneffizient.

Im wesentlichen setzen sich derzeitige handelsübliche Kleinkraftwerksanlagen aus separaten Komponenten der Antriebstechnik, wie Lagerbock für den Läufer, Gelenk wellen, Kupplungen, Stufengetriebe und elektrischem Generator zusammen, zusätzlich eine obligate Rahmen- bzw. Aufnahmebasis mit Dreh- bzw. Schwenkeinrichtung. Solche Konzeptionen sind kostenintensiv, relativ schwer und daher auch transport- und vor allem montage unfreundlich, was für die meist entlegenen Einsatzorte 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, rege nerativer Energien an Windkraftwerksbeispielen ver deutlicht werden, gelten im wesentlichen auch für Wasserkraftanlagen.

Die allgemein einfache Bauweise von Wasserkraftmaschi nen, besonders der Wasserzubringeranlagen, die bei Kleinanlagen meist aus offen fließenden Gewässern oder Stauwerken bestehen, ermöglicht einen verbrei terten Einsatz in Entwicklungsgebieten.

Im Gegensatz zu größeren und großen Wasserkraftwerken mit weitgehend konstanten Fallhöhen, wo präzise Dreh zahlregelungen üblich sind, ist bei Kleinanlagen der Anteil des Investitionsvolumens für Drehzahlerfassungs- und Regeleinrichtungen im Verhältnis zu den übrigen Kosten ebenfalls relativ sehr groß.

Stark variierende Fließgeschwindigkeiten oder unter schiedliche Fallhöhen fordern auch bei dieser Energie nutzung zum Konstanthalten der Generatordrehzahl und Optimierung des Wasserkraftmaschinen-Strömungsgeschwin digkeitsverhältnisses besondere Maßnahmen und Ein richtungen.

Vorliegender Erfindung liegt die Aufgabe und das Ziel zugrunde, Antriebskonzeptionen für Wind- und Wasser- Kleinkraftanlagen zu schaffen, die

- einerseits eine besonders effiziente Energieaus beute und Bereitstellung "sauberer" elektrischer Energie im unteren Wind- oder Wasser-Strömungs geschwindigkeitsbereich ermöglicht, andererseits auch viel anfallende Energien im oberen Strömungs geschwindigkeitsbereich erfassen und umsetzen kann;
- von der Konzeption und der Bauelementeauswahl her Betriebssicherheit und Langlebigkeit gewährleistet;
- autarke Einsatz- und Versorgungsaufgaben ermöglicht;
- geringes Gewicht und kostengünstige Konstruktions lösungen aufweist.

Die Lösung besteht im einzelnen, in den in den Patent ansprüchen und Ausführungsbeispielen beschriebenen Konstruktions- und Kombinationsmerkmalen. Im wesent lichen zeichnen sie sich dadurch aus, daß

a) der von der Kraftmaschine kommende Leistungspfad in zwei Leistungspfade aufgeteilt ist, wovon einer bevorzugt zur Deckung eines Grundbedarfes an "saube rer" Elektrizität über ein stufenloses Getriebe einen Generator mit weitgehend konstanter Drehzahl antreibt und der zweite Leistungspfad aus einem starren Übersetzungsgetriebe und einem weiteren Gene rator besteht, welcher bevorzugt die den Grundbedarf an "sauberer" Energie überschreitende anfallende Wind- oder Wasserenergie in Gleich- oder Wechsel strom beliebiger Frequenz für untergeordnete, z. B. für Heizzwecke oder zur elektrolytischen Wasser stoffgewinnung, umsetzt; oder auf anderer Weise in Wärme umsetzt,
b) der von der Kraftmaschine kommende Leistungspfad durch ein Überlagerungsgetriebe in zwei Leistungs pfade mit je einer Arbeitsmasch. (Generator) aufge teilt wird, wobei die Auslegung des Überlagerungs getriebes 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 Nenn drehzahl des ersten Generators der zweite Generator eine zunehmende Drehzahl und zunehmenden Leistungs anteil übernimmt bzw. überträgt.

Die Nutzeffekte und Vorteile bestehen im wesentlichen darin, daß

- der den Grundbedarf mit "sauberer" elektrischer Energie versorgende Leistungspfad mit einem drehzahl geregelten Getriebe relativ klein und dadurch kosten minimierend ausgeführt werden kann, ferner die Ver luste in diesem Leistungspfad gering bleiben, wäh rend sporadisch anfallende große Energiemengen durch den zweiten Leistungspfad mit einfachen Übertragungs elementen geleitet und umgesetzt werden können. Dadurch werden die Investitionskosten minimiert, sowie Betriebssicherheit und Lebensdauer günstig beeinflußt;
- die stufenlose Übertragungseinricht. aus einem robusten, für den Einsatzfall günstigen koaxialen Planetenüber lagerungsgetriebe in Verbindung mit wartungsarmen Elektr.- o. Hydr.-maschinen besteht, welche sowohl die Dreh zahlregelung des einen Generators als auch die Erfassung aller Wind- oder Wasserenergie und deren Umsetzung in Elektrizität bewerkstelligen;
diese Antriebs- bzw. Kraft- und Arbeitsmaschinen konzeption ermöglicht einen niedrigen Investitions aufwand und ein geringes Baugewicht sowie eine effiziente und verlustarme Energieerfassung und -umsetzung.

Weitere ausführungsspezifische Vorteile enthalten die Beschreibungen.

Ausführungsbeispiele

Fig. 1 Windgeschwindigkeitsabhängige Diagrammdarstellung von einer repräsentativen, relativen Windhäufigkeits verteilung, eines Windkraftmaschinenleistungsverlau fes sowie die Leistungsverteilung bei Leistungs verzweigung gemäß Anspruch 1 und 2.

Fig. 2 Schemendarstellung einer Wind- oder Wasserkleinkraft werksanlage mit einem zwischen der Kraftmaschine und Arbeitsmaschine(n) angeordneten Verzweigungsgetriebe 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 der Kraftmaschine und zwei Arbeitsmaschinen (elektr. Generatoren).

Fig. 4 Schematisches Ausführungsbeispiel einer Windkraftanlage nach Fig. 2 mit in einem einheitlichen Gehäuse inte grierten Getriebekomponenten und daran angeordneten Kraft- und Arbeitsmaschinen.

Fig. 5 Schematisches erweitertes Ausführungsbeispiel einer Windkraftan lage nach Fig. 3 bzw. Anspruch 2.

Fig. 6 Schematisches Ausführungsbeispiel einer Klein-Wasser kraftwerksanlage mit einer Ossbergwasserturbine und zwei Arbeitsmaschinen, wovon eine als elektr. Generator und die andere als Hydraulikpumpe ausgeführt ist, mit einen dazwischen angeordneten Überlagerungsgetriebe.

Beschreibung zu den Ausführungsbeispielen Zu Fig. 1

Kurve 1 zeigt den relativen Windgeschwindigkeitsanteil eines Jahres beispielsweise an einem Nordseestrand. Kurve 2 sei die Leistungskennlinie einer Windkraft maschine, die bei 10 m/sec Windgeschwindigkeit im Betriebspunkt 7 ihre Nennleistung erreicht. Der Verlauf verdeutlicht die starke Einflußnahme der Windgeschwindigkeit auf die Leistung (P = f(v ³) solcher Kraftmaschinen und offenbart ein gewisses spärliches Leistungsangebot im unteren Windgeschwindigkeitsbereich. Zur Sicher stellung eines gewissen Grundbedarfs an zu gewinnender elektrischer Energie, der vorliegend durch Kurve 5 dar gestellt wird, müssen daher Windkraftanlagen relativ groß ausgelegt werden. Andererseits muß, um schäd liche 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 Be triebsbereiches, Punkt 8 der Betriebspunkt bei dem erst die volle angestrebte Grundlast zur Verfügung steht. Zwingend ist daher, daß gerade im unteren Windgeschwindigkeitsbereich eine effiziente und opti male Windenergieerfassung und Umsetzung erreicht wird.

Wird z. B. zur Erzielung konstanter Generatordrehzahlen zwischen Kraft- und Arbeitsmaschine ein stufenloses Getriebe angeordnet, welches mindestens für Betriebs punkt 7 ausgelegt sein muß, und dem ein lastunabhängiger, konstanter Verlustleistungsanteil von 8% unterstellt, verzehren diese Leistungsverluste im unteren Betriebsbereich zwischen den Betriebspunkten 4 und 8 ca. 100 bis 30% des zur Verfügung stehenden gesamten Leistungsangebotes!

Durch Aufteilung der Kraftmaschinenleistung in zwei Leistungspfade gem. Fig. 2 bzw. nach Anspruch 1, wobei der drehzahlger. Gen. (13, 23) nur die unter Kurve 5 anfallende Windenergie in "saubere" elektr. Energie umwan delt, und unter Zugrundelegung eines Verlustanteiles des Stufenlosgetr. (12, 39/31) von 10%, betragen die Leistungsverluste zwischen den Betriebspunkten 4 und 8 vergleichsweise nur ca. 35 bis 10% des Leistungsan gebotes.

Vorstehende vergleichende Verlustleistungs-Betrachtung bezieht sich nur auf das Übertragungselement "stufen loses Getriebe"; die Verlusterelationen des Elektro generators 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 u. 5 bzw. gemäß Anspruch 2 lassen sich ähnliche Nutzeffekte er zielen. Hierbei wird zwar ab Betriebspunkt 4 nach Erreichen der unteren Betriebsdrehzahl des "sauberen" Genera tors (23, 104) bereits ein Leistungsanteil durch den drehzahlvariablen Generator (22, 105) übernommen, wodurch der Grund lastpunkt 9 später erreicht wird. Doch sind die Ver lustleistungsminderungen noch beträchtlich. Der "saubere" Leistungsanteil des drehzahlgeregelten Generators (22, 104) entspricht somit der linksschräggestrichelten Fläche unter Kurve 10, der Leistungsanteil des drehz.-ungeregelten Generators 23 und 105 der darüberliegenden rechtsgestrichelten Fläche bis Kurven 2-3.

Zur Fig. 2

Die Kraftmaschine 11 treibt über ein Verteilerge triebe 12 die elektrischen Generatoren 13 und 14 an. Der Ausgangspfad 15 wird durch eine stufenlose Getriebekomponente 16 auf konstanter Drehzahl ge halten. Ausgangspfad 17 steht mit der Kraftmaschine 14 in einem festen Übersetzungsverhältnis. Zwischen Kraftmaschine 11 und Verteilergetriebe 12 kann vorteilhafterweise eine nicht dargestellte Übersetzungs stufe angeordnet sein.

Neben den in Beschreibung zu Fig. 1 angeführten Vor teilen der Verlustleistungseinsparung und Schaffung effizienter Energieumsetzung kann damit der konstruk tive und somit Investitions-Aufwand gesenkt werden. Infolge Gewichtseinsparung werden auch die Montage kosten 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 20 treibt über ein Überlagerungs- und Verteilergetriebe 21 die elektrischen Genera toren 22 und 23 an. Das Überlagerungs- und Ver teilergetriebe 21 besteht aus einem Planetengetriebe, dessen Steg 24 mit seinen Planetenrädern 25 mit der Kraftmaschine 20, das äußere Sonnenrad 26 mit Generator 22 und das innere Sonnenrad 27 mit Gene rator 23 in Verbindung steht. Generator 23 wird durch eine Belastungsregelung für den separaten Ver sorgungskreis des Generators 22 auf konstanter Drehzahl gehalten und versorgt ein "sauberes" Grund lastnetz. Antriebsseitig des Getriebes 21 kann vor teilhafterweise ebenfalls wieder eine weitere Über setzungsstufe angeordnet sein.

Außer den bereits in Fig. 1 beschriebenen Nutz effekten und Vorteilen bietet die koaxiale Anord nung von Getriebe und Generatoren eine besonders für Windkraftanlagen ideale Form und Raum, sowie gewichtssparende Konzeption. Der ausschließliche Einsatz wartungsarmer Stufengetriebe und Elektro maschinen verbürgt auch Betriebssicherheit und Langlebigkeit.

Zu Fig. 4

In einem gemeinsamen Getriebegehäuse 30 befindet sich das stufenlose Getriebe 31, ein als Planeten getriebe ausgeführtes Übersetzungsgetriebe 32, die Lagerbasis 33 a und 33 b der Windkraft maschinenwelle 34, eine Haltebremse 35, die hori zontale 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 39 des als Kegelreibscheibenumschlingungsgetriebe ausge bildeten stufenlosen Getriebes 31 geleitet, wobei über den starren Ausgangspfad 40 mit variabler Dreh zahl der Generator 37 oder bzw. und über den Reib scheibensatz 41 und der konstant laufenden (gere gelten) Abtriebsbasis 42 der Generator 38, der einen "sauberen" Grundversorgungskreis versorgt, an treibt.

Außer den bereits unter Fig. 1 und 2 angeführten Nutz effekten und Vorteilen wird mit vorliegender konstruk tiven Anordnung der einzelnen Komponenten, insbeson dere durch ihre Integration in ein gemeinsames Gehäuse, eine für Windkraftanlagen ideale, montageleichte, ge wichtsarme Ausführung geschaffen.

Zu Fig. 5

Die koaxial ausgeführte Kombination besteht im wesentlichen aus dem Windturbinenlagergehäuse 101, einem Stufengetriebe 102, den beiden elektrischen Generatoren 104 und 105 mit dem dazwischen angeordneten Verteilergetriebe 103. Der Kraftfluß erfolgt über die hohle Turbinenwelle 106, dem daran befestigten Steg 107 des als Planetengetriebes ausgeführten Stufengetriebes 102, über die Planetenräder 108, abstützend am verdrehfeststehenden äußeren Sonnenrad 109 zum inneren Sonnenrad 110. Weiter führt der Kraft pfad über die Welle 111 durch den hohlen Rotor 112 des Genera tors 104 zum Steg 113 des als Planetengetriebe ausgeführten Verteilergetriebes 103. Hier wird die Antriebsleistung über das Planetenrad 114, dem inneren Sonnenrad zum Rotor 112 des Generators 104, über das äußere Sonnenrad 114 zur Welle 116 des Rotors 117 des Generators 105 aufgeteilt bzw. geleitet. In der Windturbinen-Radnabe 118 sitzen drehbar die Rotorblätter 119 mit dem Verstellgestänge 120, 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 106 ist die Welle 125 eines vor der Kraftmaschine sitzenden Referenzwindflügels 126 gelagert, der die Windgeschwindigkeit erfaßt und für Steuer- und Regelzwecke mittels Drehzahlsensoren 127, 128 weiterleitet, sowie zum Antrieb der Steuer- und Servoaufgaben dienenden Hydraulikpumpe 129 und bzw. oder einer Elektromaschine 130 dient. Der Kraft- und Geschwindigkeitsfluß zu diesen zu Meß- und Servozwecken dienenden Arbeitsmaschinen 129, 130 erfolgt vorteilhafterweise ebenfalls über ein Überlagerungsgetriebe, welches im Normalbetrieb zur Ver minderung ihrer Verlustanteile 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 130 weiter bzw. erst recht aktiviert wird. Die eingeschränkte Leistung dieser Arbeitsmaschinen 130 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 turbinenläuferfester Steg 133 mit den Planetenrädern 134 und 135, die einerseits mit dem re ferenzwindradfesten äußeren Sonnenrad 136 und andererseits mit einem äußeren Planetenrad 137 im Eingriff stehen, welches auf der Turbinenwelle 106 gelagert ist und einen weiteren Zahn kranz 138 trägt, der über die Zahnräder 139 und 140 die Maschinen 129 und 130 antreibt.

Generator 104 mit seiner konstant zu regelnden Drehzahl speist vorrangig Elektrizität in einen Verbraucherkreis 141 mit fre quenzgebundenen Verbrauchern 142. Generator 105 mit variabler Drehzahl, dessen Belastung zur Konstanthaltung des Generators 104 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 elek trische Energie an einen weiteren zu übertragenden Verbraucher kreis 145 abgegeben werden, der z. B. ebenfalls Heizeinrichtungen 146 versorgen kann.

Die Drehzahl der Kraftmaschine 119 wird zu deren Leistungsopti mierung der jeweils herrschenden Strömungsgeschwindigkeit des energieführenden Strömungsmediums angepaßt, wobei mikroprozessor gesteuert den jeweiligen Kennfeldern der Kraftmaschine entsprochen werden kann. Hierfür gibt der Regler 147 aufgrund der Eingangs größenverhältnisse der Signalgeber 127/128 ein Belastungsgrößen signal ab, welches nach weiterer Beeinflussung auf die Leistungs regler 149 und 150 einwirkt. Das Regelprinzip besteht darin, daß z. B. bei Zunahme der Kraftmaschinendrehzahl ihr mehr Leistung abverlangt und sie dadurch wieder auf ein niedrigeres Drehzahl niveau gezwungen wird, ebenso im umgekehrten Sinne. Der Kurvenverlauf 151 stellt die maximal mögliche Leistungskenn linie der Kraftmaschine dar; Kurve 152 ist beispielsweise eine programmierte Regelkennlinie, die Abszisse 153 verdeutlicht die Soll- und Istwertrelationen des Geschwindigkeitsverhältnisses mit Bereich 154 als angestrebten Betriebsbereich.

Regler 155 arbeitet im Prinzip eines Balancereglers und ver arbeitet Stellsignale 148 und Istwert 158 gemäß Kennlinien 156 und 157 und übernimmt die Belastungsregelung der Genera toren 104 und 105. Als weitere Regelphilosophie ist möglich, den Balanceregler nur alleine einzusetzen, z. B. dann, wenn die Leistung des Verbraucherkreises 141 alleine die Leistungsrege lung von Generator 105 bestimmt. In diesem Fall erübrigt sich Regler 147 oder er kann als Leistungsbegrenzer eingesetzt werden, wobei Kreis 141 nochmals aufgesplittet wird in einzelne Kreise, von denen dann nach Überschreiten der Kennlinie 151 Lasten ab geschaltet werden, um ein "Abwürgen" der Kraftmaschine 119 auszuschließen.

Zu Fig. 6

Die Kraftmaschine 50, z. B. eine Ossbergwasser turbine mit ihrem Laufrad 51, einem Leitschaufel kranz 52 sowie einem die Durchströmungsgeschwin digkeit des Wassers erfassenden Reverenzläufers 53, treibt über die Hohlwelle 54, das Getriebe 55 sowohl über ein drehzahlgeregeltes stufenloses Ge triebe 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 Grundbe darf des Versorgungsnetzes 59 von der meist zur Verfügung stehenden Antriebsenergie gedeckt wird. Die den Grundbedarf des Generators 57 überschrei tenden Leistungsgebote werden durch die Hydraulik pumpe 58 in Druckenergie umgewandelt, welche nach Entspannung im Ventil 60 als Wärme im Förderstrom im Primärkreis 61 dem Wärmetauscher 62 zugeführt wird. Über dessen Sekundärkreis 63 können Wärme verbraucher 64 beliefert werden, z. B. für Heiz zwecke oder für Brauchwasseraufbereitung. Eine Leistungsregelung zum Einhalten eines vorbestimmten Geschwindigkeitsverhältnisses zwischen Kraftmaschinen drehzahl und Strömungsgeschwindigkeit des antreibenden Mediums, die der Optimierung der Kraftmaschinenleistung dient, besteht aus einer, dieses Geschwindigkeitsver hältnis erfassende Sensor- und Servoeinrichtung 65, die über Übertragungselemente 66 und 67 auf das Druckregelorgan 60 einwirkt. Im vorliegenden Aus führungsbeispiel besteht die Sensor- und Stellein richtung 65 aus einem, die Differenzdrehzahl in Axialwege umwandelnden Mechanismus 68, 69, 70, 71, wobei natürlich die Schaufelgestaltung der Laufräder 51 und 53 entsprechend aufeinander abgestimmt ist.

Alternativ können natürlich auch andere Ausführungs formen zum Einsatz kommen, z. B. im Zuflußkanal an geordnete, mechanische, hydraulische oder elektri sche Zuflußgeschwindigkeitsmeßeinrichtungen mit zweckentsprechend wirkenden Stell- und Regel funktionen.

Der Hauptvorteil vorliegender mehrpfadigen Kraft maschinen-Getriebe-Arbeitsmaschinen-Kombination liegt darin, daß

- die Komponenten zur Drehzahlregelung relativ klein und somit verlustarm und kostengünstig gehalten werden können;
- die Arbeitsmaschinen zur Erfassung von Energie spitzen 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 Kompo nenten besteht.

Claims

1. Getriebe zum Übertragen und Wandeln von Drehzahl und Drehmoment zwischen Kraft- und Arbeitsmaschi ne(n) für Wind- und Wasserkleinkraftwerksanlagen zum Erzeugen von Elektrizität, insbesondere zur Ver sorgung 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 Ge triebe (12, 30) mindestens eine stufenlose, in der Übersetzung variable Basis (15, 31) und eine starre, bzw. mit dem Eingang (11, 34) in einem festen Übersetzungsverhältnis stehende Ausgangs getriebebasis (17, 44) aufweist.

2. Getriebe zum Übertragen und Wandeln von Drehzahl und Drehmoment zwischen Kraft- und Arbeitsmaschi ne(n) für Wind- und Wasserkleinkraftwerksanlagen zum Erzeugen von Elektrizität, insbesondere zur Ver sorgung autarker Versorgungsnetze, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmaschine (20, 119) über ein Überlagerungs getriebe (21, 103) mit 2 Ausgängen mit je einer Arbeitsmaschine (22, 23, 104, 105) gekoppelt ist, dieses Überlagerungsgetriebe so geartet und ausge legt ist, daß die Drehzahlen der einen Arbeitsma schine (23, 105) die Drehzahl der anderen Arbeits maschine (22, 104) beeinflußt bzw. bestimmt, wo bei im untersten Betriebsdrehzahlpunkt (4) der Kraft maschine (20, 119) die weitgehend konstant zu hal tende Nenndrehzahl der einen Arbeitsmaschine (22, 104) erreicht, wenn die andere Arbeitsmaschine (23, 105) stillsteht bzw. blockiert ist, und daß mit zunehmender Kraftmaschinendrehzahl die Dreh zahl dieser anderen Arbeitsmaschine (23, 105) ebenfalls zunimmt.

3. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufenlosgetriebekomponente (12, 31) aus einem Kegelscheibenumschlingungsgetriebe besteht.

4. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine feste Übersetzungsstufe (32), ein stufenloses Getriebe (12, 31), eine Wind- oder Wasser-Kraft maschinenwelle bzw. deren Lagerung (34, 33, 116) sowie eine Schwenklagerbasis (36, 158) und Gene ratoranflanschbasen (45, 46) in oder an einem ge meinsamen Gehäuse (12, 30) untergebracht bzw. angeord net sind.

5. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die am Getriebeausgang angeordneten Arbeitsmaschinen Elektrogeneratoren (13, 14, 37, 38) sind, 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 Wechsel stromgenerators (13, 38).

6. Getriebe nach Anspruch 1, 2, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftmaschinen-Getriebe-Generatorkombination zwei Grund-Verbraucherkreise zugeordnet sind:

a) ein Strom-Verbraucherkreis mit weitgehend kon stanter Frequenz (mit Verbrauchern, die "saube re" Elektrizität erfordern), wobei die Versor gung durch den drehzahlgeregelten Generator (13, 28, 22, 104) erfolgt, weiterhin dieser Verbraucher- Grundkreis in weitere Unterkreise aufgeteilt ist;
b) ein Strom-Verbraucherkreis für die Verwertungs möglichkeit frequenzmäßig niederer Stromquali tät für Heizzwecke oder zur elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff.

7. Getriebe nach Anspruch 1, 2, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß im gemeinsamen Gehäuse (12, 21, 30) eine mit der Kraftmaschine gekoppelte Schwungmasse angeordnet ist, wobei diese bevorzugt über ein ins "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, 102) eine mit dem Kraftmaschinenkraftpfad gekoppelte Haltebremse (35, 132) angeordnet ist.

9. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stufenlose Kegelscheibenumschlingungsgetriebe (12, 31, 39) eine selbstregelnde Drehzahlregelung aufweist, z. B. eine bekannte, fliehkraftregler-geregelte hydraulische Übersetzungsverstellung.

10. Getriebe nach Anspruch 1, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß Kraftmaschinen-Getriebe-Generatorkombination eine elektrische Leistungs-, Regel- und Steuer einrichtung (147, 155, 149, 150) zugeordnet ist, die folgende Funktions merkmale aufweist:

- bei niedrigem Leistungsangebot der Kraftmaschine (119) werden vorrangig Unterkreise des Versorgungsgrund kreises (141) beliefert, wobei zusätzlich und geregelt Leistung so angepaßt wird, daß die Kraftmaschine (119) in einem leistungsoptimalen Drehzahlbetriebsbe reich (154) betrieben wird,
- bei Überschreiten des Leistungsangebotes der Kraftmaschine über den Leistungsbedarf des vorrangigen Kreises (141) wird Versorgungskreis (145) intensiv beliefert und dessen Verbraucherleistung so ge regelt, daß die Kraftmaschine ebenfalls in einem leistungs optimalen Drehzahlbereich betrieben wird.

11. Getriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsmaschinen (22, 23, 104, 105) Elektro generatoren sind, wobei der auf konstanter Dreh zahl zu haltende Generator ein Wechselstromgene rator (22, 104) ist und diese Generatoren (22, 23, 104, 105) sowie das Überlagerungsgetriebe (21, 107) koaxial einander zugeordnet sind.

12. Getriebe nach Anspruch 2 und 11, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Generator (22, 104) eine Hohlwelle aufweist, durch die eine gemeinsame Antriebswelle oder die des anderen Generators geführt ist.

13. Getriebe nach Anspruch 2 und 11, dadurch gekenn zeichnet, daß der Überlagerungsgetriebe-Generatorkombination ein von der Kraftmaschinenseite her ins Schnelle übersetzendes Stufengetriebe zugeordnet ist oder das Überlagerungsgetriebe mit dieser Funktions eigenschaft ausgestattet ist.

14. Getriebe nach Anspruch 2 und 11, dadurch gekenn zeichnet, daß die Getriebe-Generatorkombination als koaxiale Einbaueinheit in einem trommelförmigen Gehäuse angeordnet ist.

15. Getriebe nach Anspruch 2, 11 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die koaxiale, trommelförmige Einbau-Getriebe- Generatoreinheit im Inneren eines Servenius-Rotors einer Klein-Windkraftanlage angeordnet ist.

16. Getriebe nach Anspruch 2, 11 und 14, dadurch ge kennzeichnet, daß die koaxiale, trommelförmige Einbau-Getriebe- Generatoreinheit im Inneren eines schwimmenden Wasserrades einer Klein-Wasserkraftanlage ange ordnet ist.

17. Getriebe nch Anspruch 2 und 11, dadurch gekenn zeichnet, daß die koaxiale Getriebe-Generatorkombination in der Lagerbasis einer Rohrturbine einer Klein-Wasser kraftwerksanlage angeordnet ist.

18. Getriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Kraftpfad des drehzahlvariablen Generators (23, 105) zusätzlich eine Haltebremse angeordnet ist.

19. Getriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Getriebe-Generatorkombination in einem ge meinsamen Gehäuse (102) angeordnet ist, welches auch die Lagerbasis eines Wind- oder Wasserkraft maschinen-Rotors bzw. -Läufers trägt (Fig. 5).

20. Getriebe nach Anspruch 2 und 19, dadurch ge kennzeichnet, daß im gemeinsamen Gehäuse eine auf die Kraftmaschine einwirkende Haltebremse (132) angeordnet ist.

21. Getriebe nach Anspruch 2 und 19, dadurch gekenn zeichnet, daß im gemeinsamen Gehäuse eine über ein Übersetzungs getriebe mit der Kraftmaschine verbundene Schwung masse angeordnet ist.

22. Getriebe nach Anspruch 2 und 19, dadurch gekenn zeichnet, daß das Gehäuse eine vertikale Dreh- bzw. Schwenklager basis (158), bevorzugt bei den Einsatz als Windkraftanlage, aufweist.

23. Getriebe nach Anspruch 2, 6 und 11, dadurch ge kennzeichnet, daß der Getriebe-Generatorkombination eine Leistungs-, Regel- und Steuereinrichtung (147, 155) zugeordnet ist, die folgende Funktionsmerkmale aufweist:

- die Belastung des drehzahlvariablen Generators (23, 105) so dosiert und dem weitgehend konstant zu betreibenden Generator (22, 104) anpaßt, daß dieser in seinem Nenndrehzahlbereich betrieben wird;
- die Gesamtbelastung so geregelt wird, daß eine leistungsoptimale vorbestimmte Betriebsdreh zahl der Kraftmaschine (20, 119) ermöglicht wird, oder bei reiner Belastungsregelung der Kraftma schinendrehzahl eine der Strömungsgeschwindig keit des Arbeitsmediums leistungsoptimal ange paßtes, vorbestimmtes Drehzahl-Geschwindigkeits verhältnis aufgezwungen wird;
- wobei zur Einhaltung des Belastungsgleichge wichtes im Überlagerungsgetriebe (21, 107) Leistungsanteile des konstant betriebenen Genera tors (22, 104) in dem zweitrangigen Versorgungskreis (145) ge steuert werden.

24. Getriebe nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge kennzeichnet, daß eine Arbeitsmaschine eine hydraulische Arbeits maschine ist, bevorzugt eine Hydraulikpumpe.

25. Getriebe nach Anspruch 1, 2 und 24, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen angeordnet sind, die den meisten Anteil der von der hydraulischen Arbeitsmaschine erzeugten Wärme einem Wärme tauscher oder -speicher zuführen.

26. Getriebe nach Anspruch 1, 2 und 24, dadurch ge kennzeichnet, daß Förderstrom der Hydraulikpumpe durch einen Wärmetauscher geleitet wird.

27. Getriebe nach Anspruch 1, 2 und 24, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Druckregelorgan im Förderkreis der Hydropumpe ange ordnet ist.