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Wind-Elektro-Kraftwerk Die Erfindung betrifft Wirnd-Elektro-Kraftwerke,
die mit großen Döppelradkipptuxibinen auf hohen Türmen Elektrizität erzeugen. Es
sind Windkraftwerke bekannt, die mit zwei gegeneinander drehenden Turbinenrädern
Strom erzeugen und auf einem Wälzlager arbeiten, mit,dem sie sich schräg gegen die
Windrichtung einstellen. Diese bekannten Wind -kräftwerke haben Räder verschiedener
Durchmesser, die schwer steuerbar sind und die Standsicherheit des Kraftwerks gefährden.
Diese Kraftwerke liefern ungeregelten, für die Verbraucher ungeeigneten Strom, sind
dabei auf fremden Hilfsstrom angewiesen. Die Verlagerung :der Windradmassen auf
dem Wälzlager war der Stromerzeugung nicht angepaßt underforderteerheblichen zusätzlichen
Leistungsaufwand mit Verlusten an Jahresarbeitsleistung. Nach der Erfindung werden
diese Nachteile vermieden. Die Massenmomente des Kippteiles des Kraftwerks werden
auf dem Wälzlager mit den von den Windkräften ,auf den Kippteil ausgeübten Drehmomenten
ausgeglichen. Die Kippwinkel des Kippteiles werden mittels einer durch elektrische
Impulse gesteuerten Regelung auf die Windgeschwindigkeiten so abgestimmt, daß Leistung
und Axialschübe konstant bleiben und alle Überlastungen verhütet werden. Auf Grund
durchgeführter Forschungsarbeiten wurde die Beschleunigung -der Luftmassen, d. h.
die Böenstärke in Abhängigkeit von ihrer Dauer, festgestellt und der mechanischen
Kippwinkel@s.teuerun(g eine Geschwindigkeit zugewiesen, die größer ist als die Beschleunigung
der Luftmassen, so daß die Regelung der Beschleunigung der Luftmassen voreilt. Die
Regelung der Kippgeschwindigkeit geschieht dabei erfindungsgemäß durch elektrische
Impulse eines Windfühlers, nämlich eines vor der Turbine durch eigene Turbinen angetriebenen
Spannungsgebers, der ein normalerweise abgebremstes elektrisch angetriebenes
Windwerk
in Gang setzt, sobald die der Nennleistung des Kraftwerks entsprechenden Windgeschwindigkeiten
erreicht und überschritten werden. Der gleiche Luftstrom, der für die Stromerzengung
dient, wird also auch zur Regelung der Leistung benutzt, um Überlastungen des Generators
zu verhüten, wobei auch die Axialschübe konstant gehalten werden, damit die Standsicherheit
des Kraftwerks nicht gefährdet wird. Der Leistungsaufwand zur Regelung wird dadurch
klein gehalten, daß der Turbinenschub mit seinen in Ixe drehenden Momenten die in
Luv drehenden Gewichtsmomente des Kippteiles überwindet.
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Der auf den Turm des Kraftwerks blasende Wind ist laut baupolizeilicher
Vorschriften mit einem Höchstwert von 45,6 m/s angenommen, wobei der Turm etwa Soo
Tonnen Druck aufnimmt. Die Turbine des Wind-Elektro-Kraftwerks nutzt alle Windstärken,
auch Stürme aus, doch wird ihre Höchstleistung durch die Kippgrenze auf die Ausnutzung
von Windgeschwindigkeiten bis u 5 m/s beschränkt. Bei höheren Windgeschwindigkeiten
setzt Kippen ein, so -daß nur eine Windkomponente wirksam und mit dieser -die Leistung
konstant gehalten wird. Bei höheren Windgeschwindigkeiten. als 'i5 m/s.@bleibt also
die Leistung beispielsweise mit 2ooo m/s für ein Einheits.windkraftwerk konstant
und der Schub auf 24o Tonnen begrenzt. Würde die Windgeschwindigkeit von 45,6 m/s,
für welche der Turm berechnet ist, auch in der Turbine wirksam, so würde eine Leistung
von etwa 56 ooo ni#A er-
reicht werden. Die Leistung würde also auf das 28fache
steigen und einen wirtschaftlich unmöglichen Generator bedingen. Der Windhub der
Turbine würde von 24o auf 22oo Tonnen und der gesamte Winddrucik auf das Kraftwerk
von 74o auf 27ao Tonnen anwachsen und damit die Standsicherheit des Turmes bedrohen.
Durch die mechanische Kippwinkelsteuerung- nach der Erfindung werden diese Gefahren
verhütet, Betrieb und Standsicherheit bleiben stets gesichert.
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Das Kraftwerk kann dann auch im Parallelbetrieb mit .dem Netz Drehstrom
gleicher Frequenz liefern. Ein Außertrittfallen des Generators wird durch die Kippwinkelsteuerung
nach der Erfindung verhindert. Infolge der Abhängigkeit der Frequenz von. der Drehzahl
der Turbinen bei gegebener Polzahl'ist dieAusnutzung derWind@gesch*indigkeiten beim
Pazallelbetri@b mit dem Netz nach unten begrenzt, und kleinere Windgeschwindigkeiten
würden daher ungenutzt bleiben. Im Einzelbetrieb werden natürlich auch schwache
Winde mit ausgenutzt. Umbeim Parallelbetrieb.auchWindstärken unterhalb des Synchronpunktes
mit zu erfassen, werden erfindungsgemäß- Hilfsimpulsgeber und Nehenstromerzeuger
eingeschaltet, welche durch die Rollenlagerung der Turbinenräder betrieben werden.
Die großen Räder laufen nach Versuchen bei Windgeschwindigkeiten von r,5 bis 2 m/s
an. Bei 3 bis 3,5 m/s Windgeschwindigkeit sind die Drehzahlen der Nebenstromerzeuger
zur Stromabgabe ausreichend, so däß auch der Betrieb von 3 bis 6,5:m/s mit großer
Häufigkeit noch erfaßt und zusätzlich ausgenutzt wird. Diese Nebenstromerzeuger
geben auch der Stromversorgung der elektrischen Steuereinrichtungen für die mechanischeKippwi,nkelsteuerung
eine größere Sicherheit. Sie arbeiten synchron und können hilfsweise zur Erregung
.derHauptmaschine herangezogenwerden. Der als Impulsgeber für die Kippwinkelsteuerung
dienende Windfühler arbeitet erfindungsgemäß in einem Abstand vor der Turbine, der
einem Mehrfachen des zur Nennleistung gehörenden sekundlichen Windweges entspricht,
damit die Steuerung der elektrischen Impulse einsetzt, bevor die veränderte Windströmung
die Turbine erreicht. Da als Träger des Windfühlers eine Verlängerung der Turbinenachse
dient, die ihre Richtung mit dem Kippwinkel des Kippteiles 'ändert, wird der Träger
um etwa 30° erdwärts geneigt, so d.aß er in waagerechter Stellung liegt, wenn die
Turbine um 300 geneigt ist, und in 3o° Neigung nach oben liegt, wenn die Turbine
in 6o° Schräglage gegangen ist. Auf diese Weise befindet sich der Windfühler in
den häufigsten Lagen noch in ausreichendem Abstand von der Turbine.
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Wenn die elektrische Steuerung der Kippeinrichtung versagen sollte,
dann wird die Turbine bei den die Nennleistung überschreitenden Windgeschwindigkeiten
frei pendeln und in eine Schräglage gehen, deren Kippwinkel von der Windgeschwindigkeit
bestimmt wird. Die in Lee drehenden Kippmomente des Windschubes überwinden -dabei
die in Luv drehenden Momente der Windradmassen. Der luvseitige Kippunkt in der NoTm.allage
liegt vor dem Wälzpunkt des Kippteiles auf dem Wälzlager. Überwindet der auf den
Kippteil wirkende Windschub das Gewichtsmoment des Kippteiles bezüglich des Wälzpunktes,
dann wird durch die Entlastung des luvseitigen Kippunktes ein Gestäinge frei, das
mit der Bremse des Windwerks verbunden ist, wodurch dessen Bremse gelöst und die
Kippbewegung des Kippteiles durch das Windwerk freigegeben wird.
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Auch die wachsende Spannung in den Zuggliedern der Wälzlagerführung
kann über Lenkrollen und Hebel benutzt werden, um die Bremse des Windwerks zu öffnen.
Elektrische Störungen unterbinden die Erregung und damit die Stromerzeugung des
Generators, so daß auch bei Störungen alle Überlastungen verhütet werden.
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Das Windkraftwerk mit seinen Turbinen wird in bekannter Weise durch
ein Windheck vor dem Wind in Windrichtung gehalten. Geht ein Sturmtief mit seiner
Mitte über das Kraftwerk, ein nicht häufiger Fall, dann kann. sich die Windrichtung
nach kurzer Zeit um aSo° ändern, ohne #daß das Heck seine Aufgabe erfüllte. Dem
Einschwenken in die neue Richtung der Windströmung dient dann erfindungsgemäß eine
Hilfswirndfahne, die einen elektrisch angetriebenen Propeller schaltet, (dessen
Schub das Kraftwerk um die senkrechte Turmachse dreht und in der richtigen Lage
durch Abschaltung festhält.
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Bild i zeigt das Wind-Elektro-Kraftwerk mit den Doppelturbinen K,
deren Flügel 3 und 5, den
Generator 4, die Turbinenachse A sowie
das Wälzlager !Il, das mittels des Drehgerüstes G auf dem Turm T angeordnet ist.
Das Drehgerüst G wird durch die Lager 23 und 24 gehalten. Die Achse A trägt auf
der Verlängerung B den Windfühler C mit den Meßgeräten D. Der Windfühler C kann
erfindungsgemäß auch auf einem Träger 22 arbeiten, der von dem Drehgerüst G in .den
Wind gehalten wird. Zur Einsteuerung des Kraftwerks in die Windrichtung dient das
Windheck F am Träger E mit der Hilfsfahne 1, der Schaltklappe L und dem Hilfspropeller
H. Zum Kippen des Kippteiles dient das Windwerk N mit den Zuggliedern O auf den
Rollen P. Die Stütze 26 mit dem Hilfsstromgeber 27 ist zum Ausgleich der Gewichtsmomente
des Kraftwerks leewärts vom Kippunkt des Wälzlagers angeordnet.
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Der Hilfsstromgeber 27 dient als Erregermaschine 'des Hauptstromerzeugers
K bzw. Generators 4. Die M Faschine arbeitet im Windstrom der Hauptmaschine synchron,
ihre Darbietungen entsprechen den Anforderungen der Hauptmaschine und verhindern
dadurch ein Außertrittfallen. Der Hilfsstromgeber liefert Gleichstrom. Da ein Ausfallen
des Hilfsstromgebers die Stromerzeugung der Hauptmaschine stört, sollen erfindungsgemäß
Nebenstromerzeuger einspringen können, entweder eine kleine Vorsatzturbine oder
die von den Rollen 3o angetriebenen Gleichstrommaschinen 32. Eine letzte Reserve
stellt der Stromerzeuger des Windfühlers D dar, der als Impulsgeber nur kleine Energien
zu liefern hat, der aber mit einer entsprechend bemessenen Sonderturbine soviel
Strom hergibt, daß. eine Batterie als Erregerreserve geladen werden kann.
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Geht das Kraftwerk in waagexechte Lage, etwa zu einer Überprüfung,
dann kann der Windfühler mit seiner Stromerzeugung frei im Winde weiterarbeiten.
Er ist mit Schalenturbinen versehen, die auch bei stärkstem Sturm bei kleinem u1v
weiterarbeiten.
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Bild 2, Blatt II, zeigt die Doppelturbine mit den Flügeln 3 und 5
nebst Generator 4 in senkrechter Arbeitslage, daneben Bild 3 dieselbe Turbine in
waagerechter Lage auf der Wälzbahn R; Bild 4 zeigt den Verlauf der Kippwinkel in
Abhängigkeit von den Windgeschwindigkeiten und die von der Kippgeschwindigkeit abhängigen
Momente der Schwungmassen MM; Bild 5 gibt die zusätzlich in Luv drehenden Momente
MG der Eigengewichte und die in Lee gegendrehenden Momente MW des Windschubes. In
Schraffur sind die Überschußmomente aus dem Windhub angedeutet. Diesen entsprechend
muß die Geschwindigkeit der Kippbewegung so gesteuert werden, daß die Kippbewegung
der Beschleunigung der Luftmassen voreilt.
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Bild 6 zeigt den Verlauf der beim Rücklauf des Wälzlagers notwendigen
Bremsarbeit; Bild 7, Blatt III, zeigt einen Querschnitt durch die Achse A mit der
Anordnung der Turbinenlagerrollen 30 und die Naben der Räder 3 und 5; Bild
ä stellt eine vergrößerte Queransicht der Lagerung dar, nach der die Rollen
30 über Getriebe 3 1 die Hilf sstromgeber 32 antreiben; Bild 9 ist
ein Schnitt durch die Wälzbahn R mit -dem Wälzlager M des Kippteiles, das -durch
die Zugglieder W mit der Wälzbahn verbunden ist, die den Windschub an-die Wälzbahn
abgeben; Bild io ist ein Teilschnitt durch .das Traggerüst der Wälzbahn R, die über
Kippgelenke 33 und Führungen 34, an deren Stelle auch Scheibenrollenlager treten
können, die senkrechten Lasten an den Turm T weiterleitet. Der Turm
T trägt am Kopf die Schleifringe 36. für elektrische Stromabgaben.
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Waagerechte Kräfte werden durch Rollen 35 übertragen, die bei 23 und
24 nach Bild i angeordnet werden.
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Die Zugglieder YTI, die dicht unter der Schiene des Wälzlagers liegen
und leeseitig am Wälzlager, luvseitig an die Wälzbahn angeschlossen werden, sind
zu unterscheiden von den Zuggliedern O nach Bild i, mit denen das Wälzlager M durch
-das Windwerk N geführt wind.