DE3215571C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung der aus der Funktionsweise eines Windenergiekonverters und einer damit verbundenen Arbeitsmaschine (n) resultierenden Betriebscharakteristik - Google Patents

Abstract

Das Verfahren bezieht sich auf die Verbesserung der Betriebscharakteristiken eines Windenergiekonverters (1) und einer damit verbundenen Arbeitsmaschine(n). Dabei wird durch Wahl einer geringen Blattzahl (z) am Rotor (4) des Windenergiekonverters (1) das Anlaufmoment reduziert. Die Energieübertragung und optimale Anpassung der Kennlinien des Windenergiekonverters (1) und der Arbeitsmaschine(n) erfolgt auf hydraulischem Weg, wobei in der Anlaufphase des Windenergiekonverters (1) ein Bypass- oder Hauptkreis (14 bzw. 12, 20) offengehalten und in der fortgeschrittenen Anlaufphase verzögert geschlossen wird, so daß der Windenergiekonverter (1) und die Arbeitsmaschine(n) (3, 69, 70) miteinander gekoppelt sind und zueinander eine stufenweise oder kontinuierliche Verstellung erfolgt.

Description

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motorisch angetriebenen Erdölförderanlagen, das Nachteilig bei allen derartigen Einrichtungen ist fer-Drehmoment im Saug- und Druckbetrieb vergleichsmä- ner, daß die auf der Basis der konventionellen Einsatzßigen. Für den Rotor des Wmdenergiekonverters bleibt gebiete ölnydraulischer Steuerungen vorgesehenen Remit den Nulldurchgängen des Drehmomentes des Kur- gelemrichtungen nur unterschiedlichen Betriebspunkbehriebes und Ungleichmäßigkeit des Laufes und damit 5 ten eines Verbrauchers genügen und die vom Wind aneine weitere Erhöhung des Anlaufmomentes bestehen, gebotene Energie nicht optimal nutzen.

Die hydrostatische Energieübertragung und Drehmo- Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine

mentenwancflung ist vom Flugzeugbau bis zu den Bau- Vorrichtung zu schaffen, die optimale Nutzung eines

maschinen praktisch Stand der Technik. Die Möglich- nicht steuerbaren Angebots von Primärenergie durch

keit, durch geeignete Regeleingriffe bei variabler An- io eine Energieübertragung zu realisieren und eine günsti-

triebsdrehzahl eine konstante Abtriebsdrehzahl zu er- ge Energieausbeute dadurch zu ermöglichen, daß der

reichen, war auch fur die Stromerzeugung mit konstan- Anlagenbetrieb eines Windenergiekonverters sowohl

ter Frequenz bei variabler Drehzahl des Windkonver- bei niedrigen als auch bei höheren Windgeschwindig-

ters attraktiv, ist jedoch im Bereich großer Leistungen keiten in einer für alle Systemkomponenten optimalen

der elektrischen Lösung unterlegen. 15 Weise erfolgt Die Komponenten unterschiedlicher phy-

Einrichtungen zur Nutzung der Windenergie sind be- sikalischer Funktionsgesetze sollten dabei so einander

kannt, z. B. aus der DE-OS 28 38 139, bei der die Wind- angepaßt sein, daß das Energieangebot mit optimalen

energie durch Leistungsverzweigung und mechanische Systemwirkungsgrad genutzt wird, unabhängig davon.

Dreh- und Hubbewegungen in mechanische Arbeit und/ welcher die gleiche Betriebscharakteristik aufweisende

oder elektrische Energie und in Wärme umgesetzt wird. 20 Energieverbraucher durch den Windkonverter betrie-

Dabei wird durch Antrieb einer hydraulischen Pumpe ben wird. Ferner sollte die damit «,-zielte Anpassung

ein HydrauJikkreislauf ingang gesetzt, der du -jA mehre- von Arbeitsmaschinen und Windenergiexonverter auch

re, wahlweise voneinander getrennte oder direkte oder den Anlauf des gesamten Systems umfassen. Erfolgt der

regeltechnisch miteinander verbundene Unterkreisläufe Anlauf des Windenergiekonverters ohne Abgabe von

unterteilt ist, so daß die gewonnene Energie gleichzeitig 25 Nutzleistung, sollte damit eine Auslegung für den

oder zeitlich verschoben einer unterschiedlichen Nut- Haupu»etriebsbereich möglich sein,

zung zuführbar ist Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch

In der US-PS 41 43 522 ist ein System mit Leistungs- eine wesentliche Verringerung des Anlaufmoments Verzweigung beschrieben, das aus einem Windkonver- auch die Blattzahl des Rotors eines Windenergiekonter, einer hydraulischen Pumpe und einem Motor zum 30 verters reduziert werden kann, wobei nur die Lagerrei-Antrieb einer Kältemaschine bzw. Wärmepumpe be- bung der Anlage und ihre Massenträgheit zu überwin_steht den sind. Der dadurch bewirkte höhere Leistungsbei-

Bei einer aus der DE-OS 29 OO 797 bekannten Vor- wert des Rotors mit geringerer Blattzahl (z. B. nur 3 bis richtung zum Umwandeln von Windenergie in Wärme 5 Blätter), der Betriebspunkt mit bestem Wirkungsgrad fördert eine von einer Windturbine angetriebene Ver- 35 im Bereich der hohen mittleren Windgeschwindigkeit, drängerpumpe. die ein Strömungsmittel durch eine eine aerodynamisch verbesserte Profilgestaltung von Drossel von im wesentlichen konstanter Wirkfläche zu wenigen Rotorblättern und ein insgesamt höherer Syeiner die Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmit- stemwirkungsgrad führen zu einer Verringerung des tels wieder herabsetzenden Einrichtung. Hierbei wird Rotordurchmessers in der Größenordnung von 50%. Zu über die m.. Verdrängung arbeitende Pumpe ein unter 40 den sekundären Vorteilen, welche sich aus dem kleinehohem Druck stehendes Strömungsmittel durch eine rer und weniger materialaufwendigen Rotor ableiten, Blende oder Düse hindurchgeleitet und dadurch stark kommt noch ein geringerer Bauaufwand für den dazu beschleunigt. Anschließend wird das stark beschleunigte benötigten Turm und dessen Fundament hinzu. Strömungsmittel in dem nachgeschalteten Diffusor wie- Die Betriebscharakteristik bzw. Kennlinie eines der verzögert und dabei die kinetische Energie der ho- 45 Windenergiekonverters läßt sich als Zusammenhang hen Strömungsgeschwindigkeit in Wärme umgesetzt von abgegebener Leistung P\ und Drehzahl n_t mit dem

Schließlich ist aus der US-PS 41 14 809 ein weiteres Proportionalitätsfaktor k\ bei optimaler Regelung an-

durch Windkraft betätigtes hydraulisches Heizungssy- geben durch

stern bekannt, das sich durch Steuerung der Druckdiffe- . _

renz in einer Drossel ai- das momentane Angebot von 50 P\ = k, ■ n\, (1) Windenergie anpaßt Da eine Drossel mit turbulenter

Strömungicharakteristik ohnehin dem Betriebsverhai· in analoger Weise für alle Arbeitsmaschinen mit dem für

ten des Windenergiekonverters theoretisch optimal an- jede der eingangs erwähnten Gruppen charakteristi-

gepaßt werden kann, dürfte es sich hierbei nur um die sehen Exponenten /n,

Beeinflussung sekundärer Effekte handeln. Die Tempe- 55

raturerhöhung des Strömungsmediums ist der Druck- P₂ = k₂ ■ n₂. (2) differenz direkt proportional, woraus resultiert, daß eine

Steuerung oder Regelung bei konstantem Volumen- Unabhängig von der Art der Energieübertragung

strom zur Befriedigung der Anforderungen eines Hei- zwischen Rotor« jlle und Arbeitsmaschine, gibt es ein

zungssystems ungeeignet ist. 60 Übersetzungsverhältnis λ zwischen Drehzahl bzw.

Schließlich ist im Journal of Energy, Nov.-Dez. 1981 Hubfrequenz der Arbeitsmaschine und Rotordrehzahl,

auf Seite 365 eine Windenergieanlage beschrieben, bei definiert durch der die Windenergie von einem Windenergiekonverter

auf einen Kompressor und von diesem auf eine Turbine . _ j\-i_ ,^\

übertragen und von dieser durch einen nachgeschalte- 65 ' ~ πι * ten Generator in elektrischen Strom umgewandelt oder

durch eine nachgeschaiOste hydraulische Pumpe auf ei- Einschließlich der Übertragungsverluste erfordert al-

ne damit verbundene Maschine übertragen wird. so eine optimale Anpassung ein drehzahlabhängiges

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Übersetzungsverhältnis, wobei die Potenzfunktion für Falle des während des Anlaufens mit kleinen Förderdie Gruppe der Arbeitsmaschine charakteristisch ist, mengen durchströmten Bypaßkreises ist der Druckvervon lust klein, auch dann, wenn eine Drossel angeordnet

wird. Mit wachsender Drehzahl des Windenergiekon-

—Or ... 5 verters und damit wachsender Strömungsgeschwindig-

/i_~ "} __ ...... ' ' keit, erhöht sich die Druckdifferenz vor und hinter der

Drossel. Diese liefert schließlich das Signal, den Haupt-

Erfindungsgemäß erfolgen Energieübertragung und kreis zu öffnen. Bei entsprechender Windgeschwindigoptimale Anpassung auf hydraulischem Wege. Wird von keit steigt der Druck in der Druckleitung zwischen Hyder Rotorwelle eines Windenergiekonverters über ein io draulikpumpe und Motor auf den zum Anlauf der Armechanisches Getriebe beitsmaschine erforderlichen Wert an. Ist der Motor ein

doppelt wirkender Hydraulikkolben, der über eine me-

(„ \ chanische Wippe auf eine z. B. in einem Brunnen instal-ÜbersetzungI₂ = —-J herte Kolbenpumpe wirkt, so ist der Öldruck der För- : — "''._. υ derhöhe der Kolbenpumpe direkt proportional.

Umfaßt der Regelbereich der Verstellpumpe bzw. des

eine Hydraulikpumpe mit verstellbarem Hubvolumen Verstellmotors den Betriebspunkt <p-0, so sind neben Vp angetrieben, die auf einen Hydraulikmotor mit dem der Optimalregelung keine weiteren Maßnahmen für Hubvolumen Vu arbeitet, so ist das Übersetzungsver- eine Verbesserung der Anlaufphase erforderlich, hältnis zwischen Pumpen- und Motordrehzahl 20 Für den Fall m -1 muß bei theoretischer Betrachtung

das Hubvolumen und damit der Verstellwinkel φ dem

/j = *w _ ^ηκ (5) Quadrat der Pumpendrehzahl proportional sein. Um die

Vp n„ Regelgröße zu erhalten, wird ein Nebenkreis aus fol-

genden Elementen gebildet: eine Pumpe mit drehzahl-

Bei Axialkolbenpumpen mit schwenkbarem Zylinder- 25 proportionaler Fördermenge (z. B. Zahnradpumpe), block ist das Hubvolumen proportional dem Schwenk- welche mit einer Drehzahl angetrieben wird, die der der winkel φ, ausgehend von der Nullfördermenge bei <p-= 0 Hauptpumpe direkt proportional ist und einer turbulenvergrößert sich der Kolbenhub mit wachsendem φ. Da- ten Dresse! im geschlossenen Kreis, mit folgt aus (4) die Vorschrift, für den Schwenkwinkel Die Druckdifferenz vor und hinter der Drossel ist

jp, um die Fördermenge der Pumpe V_p entsprechend der 30 somit dem Quadrat der Drehzahl proportional. Wirkt Beziehung K_p= V₀ sin φ zu ändern die Druckdifferenz auf einen mit der Hubverstellung

der Pumpe starr verbundenen federbelasteten Kolben,

^=- so wird der Winkel φ proportional dem Quadrat der

sin φ ~ n„ ^m (6) Pumpendrehzahl verstellt und dadurch der Windener-

35 giekonverter auf eine Linie maximaler Leistung gehal-

Natürlich gelten diese theoretischen Zusammenhän- ten. Steigt die Windgeschwindigkeit, so liefert der Windge nur für den verlustfreien Betrieb des Systems; prak- energiekonverter einen Leistungsüberschuß bei noch tisch wird die Regelungsvorschrift durch die auftreten- unverändertem Hubvolumen der Pumpe (konstantes den Reibungs-und Leckverluste etwas modifiziert. Moment). Mit der Beschleunigung des Windenergie-

Werden Arbeitsmaschinen wie Pumpen und Verdich- 40 konverters steigt auch die Drehzahl der Haupt- und ter nicht von Elektromotoren nahezu konstanter Dreh- Regelpumpe. Aus der dabei ansteigenden Druckdiffezahl angetrieben, ergibt sich der Betriebspunkt aus den renz an der Drossel resultiert die Winkeiverstellung der Kennlinien der Maschine und des Systems, wobei die Hauptpumpe.

Drehzahl ein zusätzlicher Parameter ist Im Falle einer Zur stufenlosen Hubverstellung einer Axialkolben-

ausschließlich dynamischen Förderhöhe einer Turbo- 45 pumpe können auch mehrere auf einer Welle angeordpumpe ist bei Vernachlässigung von Reibung und Lek- nete und stufenweise vom Bypaß- auf den Hauptkreis kagen die Leistung proportional der 3. Potenz der Dreh- schaltbare Zahnradpumpen (konstantes Verdrängungszahl. Mit /n=3 ist also diese Maschine im Prinzip ohne volumen) vorgesehen werden. Auch ist es möglich, ma-Regelung dem Windenergiekonverter optimal ange- nuell oder durch weitere Regelorgane in den Hauptpaßt Zahlreiche Maschinen gehören zur Gruppe, die 50 kreis einzugreifen oder den Förderstrom auf mehrere durch /n=2 gekennzeichnet ist Kolbenpumpen, deren Arbeitsmaschinen zu verzweigen, aufgenommene Leistung linear von der Drehzahl ab- Um eine übermäßige Belastung des Systems bei

hängt, gehören zur Gruppe m=l, bei der das Antriebs- Windgeschwindigkeiten oberhalb des vorgesehenen moment nahezu unabhängig von der Drehzahl ist Zu Betriebsbereiches auszuschließen, kann der im Luv des diesem Ordnungsprinzip zählt auch der Sonderfall, bei 55 Turmes laufende Rotor mit Hilfe einer Windfahne aus dem die Regelung auf konstante Drehzahl eines Gene- dem Wind gedreht werden. Da diese Regelung relativ rators bei variabler Drehzahl eines Windenergiekon- träge erfolgt und auch von Änderungen der Windrichverters mit m= 00 erfolgt tung überlagert wird, kann der Mechanismus, der die

Windenergiekonverter und Hydraulikpumpe sind Anlage auf der optimalen Kennlinie hält, durch einen über ein mechanisches Getriebe geeigneter uberset- 60 gegensinnig wirkenden Kolben ergänzt werden, welzung (i₂) miteinander verbunden. Das Übersetzungsver- eher die Verstellbewegung nach Erreichen des maximahältnis wird zweckmäßigerweise so gewählt, daß in Ab- len Winkels bei weiter steigendem Druck umkehrt, hängigkeit vom Rotordurchmesser und seiner Schnell- Im Falle der Kennlinie m=2 der Arbeitsmaschine, bei

laufzahl die Pumpendrehzahl n_p im Bereich eines guten g>~n_p''\ wird die optimale Kennlinie des Windenergie-Maschinenwirkungsgrads liegt Um hierbei das Anlauf- 65 konverters durch eine Laminardrossel und eine die moment klein zu halten, wird ein Bypaßkreis offenge- Wurzelfunktion annäherndes Federpaket unterschiedH-halten, wenn die verstellbare Axialkolbenpumpe nicht eher Steifigkeiten erreicht Damit sind mit beliebiger auf den Schwenkwinkel g>=0 gebracht werden kann. Im Genauigkeit auch die Fälle mit gebrochenem Exponen-

ten m und alle praktischen Abweichungen von theoretischen Gesetzmäßigkeiten regelungstechnisch zu verwirklichen. F.ine Variante der energetisch optimalen Anpassung von Windenergiekonverter und Arbeitsmaschine ist dann erforderlich, wenn die Arbeitsmaschine bis zu einer bestimmten Drehzahl leerläuft und erst nach Überschreitung dieser Schwelle Nutzarbeit liefert; z. B. eine turbopumpe mit einer im wesentlichen geodätischen Förderhöhe. Um bei niedrigen Windgeschwindigkeiten bereits Wasser zu pumpen, wenn auch nur in geringer Menge, muß durch ein großes Obersetzungsverhältnis diese Schwellendrehzahl gerade überschritten werden. In diesem Teilbereich handelt es sich um eine Regelung auf annähernd konstante Drehzahl (ma oo), um eine Mindestdrehzahl der Turbopumpe zu erreichen, bis bei höheren Windgeschwindigkeiten die optimale Kennlinie erreicht wird und die Regelung dieser bis zum Abregein folgt.

Ausführungsbeispiele sind folgend beschrieben »nd durch Skizzen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Nutzung der Windenergie,

F i g. 2 eine mögliche Ausführung einer im Bypaßkreis angeordneten Drossel,

F i g. 3 ein Kennlinienfeld für den Regelungsvorgang eines Windenergiekonverters und einer Pumpe bei kontinuierlicher Leistungsanpassung,

Fig.4 eine Ausführungsform der hydraulischen Energieübertragung durch mehrere Pumpen mit konstantem Verdrängungsvolumen,

F . g. 5 ein Regelkolben zur Regelung einer Verstellkolbenpumpe,

F i g. 6 ein den Bereich des Abregeins mit einschließendes Verstellorgan,

F i g. 7 eine Ausführungsform der Leistungsverzweigung eines hydraulischen Kreises.

Aus F i g. 1 ist der Aufbau einer Vorrichtung zur Nutzung der Windenergie in schematischer Darstellung ersichtlich. Mit der Vorrichtung wird mittels eines Windenergiekonverters 1 und einer davon bewirkten hydraulischen Energieübertragung durch einen hydraulischen Kreises 2 eine Tiefbrunnenpumpe 3 betrieben. Der aus einer bestimmten Blattzahl ζ bestehende Rotor 4 des Windenergiekonverters 1 ist formschlüssig durch eine Welle 5 mit einem mechanischen Übersetzungsgetriebe 6 verbunden, welches z. B. eine Kegelradstufe 7 enthält, wodurch eine in der Figur nicht dargestellte hydraulische Drehdurchführung von einem um die Hochachse rotierenden Turmkopf in eine bodenfeste Anlage vermieden wird. Eine solche hydraulische Drehdurchführung für zwei Leitungen, die ein bekanntes Hydraulikbauteil ist kann ebenso vorgesehen werden, wenn die Pumpen im um die Hochachse drehbaren Turmkopf angeordnet werden. Mit einer ca. 90° Umlenkung des Übersetzungsgetriebes 6 und der Anordnung von damit verbundenen Antriebswellen S, 9 sind eine Verstellkolben- bzw. Haupt- und eine Regelpumpe 10,11 fest mit einer in der Figur nicht näher gezeigten Turmkonstruktion verbunden. Die Verstellkolben- bzw. Hauptpumpe 10 fördert eine Hydraulikflüssigkeit auf einen Hauptkreis bzw. eine Druckleitung 12, welche(r) einen manuell betätigbaren Bypaß 13, einen Bypaßkreis 14 mit Drossel 15 zur Ansteuerung eines Ventils 16 im Hauptkreis 12, ein Rückschlagventil 17, einen Steuerkolben 18 zur Umsteuerung der Druckleitung 19 und Rückleitung 20 und einen damit verbundenen Hubkolben 21 enthält Die Regelpumpe il fördert die Hydraulikflüssigkeit auf einem Hilfskreis 22, welcher über eine justierbare Drossel 23 und ein Handventil 24 schließbar ist. Eine in der Drossel 23 erzeugte Druckdifferenz wird durch Leitungen 25, 26 auf eine Schwenkwinkelverstellung 27 der Verstellkolben- bzw. Haupipumpe 10 übertragen.
Der Hubkolben 21 wirkt durch seine Kolbenstange 28 im Drehpunkt 29 auf der einen Hälfte eines auf einen in einem fixierten Drehpunkt 30 gelagerten und durch ein Gewicht 31 beaufschlagten Hebel 32, an dessen anderem Ende im Drehpunkt 33 die Kolbenstange 34 der Tiefbrunnenpumpe 3 angelenkt ist und welcher den darin angeordneten mit einem Auslaßventil 35 versehenen Teilkolben 36 in einem mit einem Einlaßventil 37 versehenen und mit einem Steigrohr 38 verbundenen Zylinder 39 auf- und abbewegt und dabei das sich im Brunnen 40 sammelnde Wasser 41 nach oben fördert (siehe Richtungspfeil).

In F i g. 2 ist eine gemäß F i g. 1 mögliche Ausführung einer im Bypaßkreis 14 angeordneten Drossel 15 dargestellt, welche mit der Druckleitung 12 und der Rückleitung 20 verbunden ist. Die Drossel 15 erzeugt durch die von ihrem Gehäuse 42 und einer darin verschiebbar angeordneten Nadel 43 gebildeten Verengung einen Druckverlust. Dieser Druckverlust erhöht den Druck im Bypaßkreis 14, welcher sich ab einer durch eine Feder 44 einstellbaren Schwelle durch die Verschiebung eines mit der Nadel 43 und Feder 44 zusammenwirkenden und durch eine Verbindungsleitung 45 beaufschlagten Kolben 46 schließt.

Aus Fi g. 3 ist ein Kennlinienfeld mit dem Regelungs-Vorgang eines gemäß F i g. 1 beschriebenen Windenergiekonverters 1 und Pumpe 10 bzw. 11 bei kontinuierlicher Leistungsanpassung ersichtlich. Das Kennlinienfeld ist mit einem konstanten Übersetzungsverhältnis /2 eines mechanischen Getriebes auf das Drehmoment M_p und die Drehzahl n_p einer Pumpe umgerechnet, wobei als Parameter die Windgeschwindigkeit ν eingetragen ist. Der Windenergiekonverter 1 beginnt bei einer Windgeschwindigkeit Vi in Punkt 47 zu drehen. Nach Überwindung des Losbrechmomentes fällt das Reibungsmoment auf Punkt 48 ab, so daß der Energieüberschuß bei weiter anhaltender Windgeschwindigkeit v, den Rotor beschleunigt, bis im Punkt 49 das Gleichgewicht erreicht ist und ein Betriebspunkt auf der ansteigenden Kurve 50 optimaler Leistung angefahren bzw. erreicht ist In einer daninter verlaufenden Kurve 51 ist in nicht maßstäblicher Überhöhung das von einer Regelpumpe 11 dem Quadrat der Drehzahl proportionale aufgenommene Drehmoment dargestellt.
Ausgehend vom Betriebspunkt 52 der Hauptpumpe 10 (Fig. 1) folgt das Drehmoment im ersten Teil praktisch einer horizontal verlaufenden Kurve 53, während wegen der von vi und v» ansteigenden Windgeschwindigkeit sich der Windenergiekonverter 1 beschleunigt und die Pumpendrehzahl ansteigt, vj und vji werden hier als zwei Windgeschwindigkeiten verstanden, deren Differenz den Regelvorgang bewirkt Sobald eine dem Drehzahlanstieg proportionale Erhöhung der Druckdifferenz in der justierbaren Drossel 23 auf die Schwenkwinkelverstellung 27 wirkt erhöht sich das Drehmoment der Hauptpumpe 10. Dabei wird der Umlenkpunkt der Kurve 53 überfahren und ein bei der Windgeschwindigkeit Vn stabiler und auf der Kurve 50 liegender Betriebspunkt 54 erreicht
In F i g. 4 ist eine F i g. 1 gemäße Variante einer Ausführungsform der hydraulischen Energieübertragung dargestellt Hierbei wird die vom Windenergiekonverter 1 über das Übersetzungsgetriebe 6 angetriebene Verstellkolben- bzw. Hauptpumpe 10 (Fig. 1) durch

Ein- bzw. Nachschalten von mehreren, z. B. drei Pumpen 10', 10", 10'" konstanten Verdrängungsvolumens ersetzt. Die Regelpumpe 11 erfüllt hierbei die gleiche Aufgabe wie in F i g. 1 beschrieben.

Der Druck in der Leitung 22 vor der justierbaren Drossel 23 wirkt auf einen Verstellkolben 27', der stufenweise die Leitungen 55, 56, 57 vom Bypaßkreis 20' auf die zu einf f in der Figur nicht gezeigten Arbeitsmaschine führenden Leitung 58 umschaltet. Die Leitung 58 ist mit der Rückleitung 20 über den Bypaß 13 und das Rückschlagventil 17 verbunden.

In F i g. 5 ist schematisch eine Verstellkolbenpumpe 10 mit Antriebswelle 8 und Leitungen 12 und 20 (F i g. 1) mit über einen Verstellmechanismus 59 und einer im Punkt 60 angreifenden Kolbenstange 61 des Steuerkolbens 63 dargestellt. Der Steuerkolben 63 ist einseitig von einer Feder 62 druckbeaufschlagt. Je nach der im Steuerkreis 25, 26 (Fig. 1) herrschenden Druckdifferenz wird der Steuerkolben 63 verschoben und dabei das Hubvolumen der Steuerkolbenpumpe 10 verstellt.

In F i g. 6 wird, wie auch in F i g. 5 ersichtlich, die Verstellkolbenpumpe 10 (Fig. 1) durch ein von dem Hilfskreis 25,26 angesteuertes Regelorgan 63' verstellt, hier mit der Ergänzung durch ein nach dem gleichen Funktionsprinzip aufgebautes Regelorgan 65 zum Abregein der Verstellkolbenpumpe 10 bei hohen Windgeschwindigkeiten. Die Druckdifferenz der Drossel 23 beaufschlagt hier die Kolben 63' und 65 in gegensinniger Richtung. Das Regelorgan mit dem Kolben 63' ist beweglich angeordnet und nur über Gehäuse und Kolben- stange 64 sowie Verstellmechanismus 59 geführt. Dazu ist es erforderlich, daß die Zweige der Leitungen bzw. des Hilfskreises 25,26 zum Kolben 63' flexibel sind. Da die Feder 62 wesentlich schwächer als die Feder 62' ist, ergibt sich bei kleinen Druckdifferenzen eine Bewegung der Kolbenstange 61 nach rechts und sobald die Feder 62 bei höherer Druckdifferenz auf Block gefahren ist, beginnt sich der Federweg der Feder 62' zu verringern, wodurch über den Kolben 65, die Stangen 64 und 61 eine rückläufige Bewegung des Mechanismus 59 eingeleitet wird.

Schließlich zeigt Fig 7 ein der Fig. 1 gemäßes Ausführungsbetspiel der Leistungsverzweigung eines vom Windenergiekonverter 1, dem Übersetzungsgetriebe 6, der Verstellkolben- bzw. Hauptpumpe 10 angetriebenen und von Bypaß 13, Bypaßkreis 14, Ventil 16 und Rückschlagventil 17 beeinflußten hydrau!^:schen Hauptkreises 12,20. Durch Anordnung einer Verzweigung 66 im Hauptkreis bzw. in der Druckleitung 12 sind zwei Hydraulikmotoren 67, 68 mit Arbeitsmaschinen 69, 70 beaufschlagbar.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

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60

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Claims (5)

1 2 einer damit verbundenen Arbeitsmaschine(n) resultie- Patentansprüche: renden Betriebscharakteristik. Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor-

1. Verfahren zur Verbesserung der aus der Funk- richtung zur Verbesserung der aus der Funktionsweise tionsweise eines Wmdenergiekonverters und einer 5 eines Windenergiekonverters und einer damit verbundamit verbundenen Arbehsmaschine(n) resultieren- denen Arbeitsmaschine(n) resultierenden Betriebschaden Betriebscharakteristik, mit dem eine Verstellung rakteristik, mit dem eine Verstellung und Steuerung und und Steuerung der Betriebscharakteristik durch eine elektrische Kopplung von dem Windener^ekonverter hydraulisch und elektrische Kopplung von dem nachgeschalteten und der Arbeitsmaschine^ vorge-Windenergiekonverter nachgeschalteten und der to schalteten, deren jeweilige Drehzahl abtastende elektri-Arbeitsmaschine(n) vorgeschalteten, deren jeweilige sehe Sensoren erfolgt, wobei in der Anlaufphase des Drehzahl abtastende elektrische Sensoren erfolgt, Wmdenergiekonverters ein Bypaß- oder Hauptkreis ofwobei in der Anlaufphase des Windenergiekonver- fengehalten und in der fortgeschrittenen Anlaufphase ters ein Bypaß- oder Hauptkreis offengehalten und verzögert geschlossen wird.

in der fortgeschrittenen Anlaufphase verzögert ge- 15 Maschinen zht Umsetzung der kinetischen Energie

schlossen wird, dadurch gekennzeichnet, des Windes in ein Drehmoment sind Strömungsmaschi-

daß das Anlaufmoment des Wmdenergiekonverters nen, die je nach Einsatzbereich ein unterschiedliches

(1) durch Wahl einer geringen Blattzahl (7) an dessen Betriebsverhalten aufweisen müssen. Zu dee. wichtig-

Rotor(4) reduziert wird und die Energieübertragung sten Maßnahmen gehören hier der Anlauf der Anlage,

und optimale Anpassung der Betriebscharakteristi- 20 der selbständig oder durch Blattverstellung erfolgen

ken des Windenergiekonverters (1) und der Arbeits- kann, und das Verhältnis von Rotonimfangsgeschwin-

maschine(n) (3,69,70) ausschließlich hydraulisch mit digkeit und Windgeschwindigkeit am Nennbetriebs-

zueinander stufenweiser oder kontinuierlicher Ver- punkt Der selbständige Anlauf erfolgt nur — und bei

stellung und Steuerung erfolgt kleineren Windgeschwindigkeiten um so besser —

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, 25 wenn die Rotorblätter bei Drehzahl Null ein hinreibestehend aus einer hydraulischen Hubkolbenpum- chend hohes aerodynamisches Moment liefern. Die dape und einem Hydraulikmotor und Rohrleitungen, zu bekannteste Löi,ang ist der vierblättrige Rotor der dadurch gekennzeichnet, daß zur Energieübeitra- sogenannten amerikanischen Bauart der auch als Langgung zwischen dem Windenergiekonverter (t) und samläufer bezeichnet wird, weil seine Drehzahl auch bei der Arbeitsmaschine(n) (3,69, 70) das Hubvolumen 30 höheren Windgeschwindigkeiten gering bleibt Ein groder Verste'^olbenpumpe (10) oder des Hydraulik- ßes Verhältnis von Umfangs- zu Windgeschwindigkeit motors (67,68) so verstellt wird, daß die Windener- wird hierbei nicht erreicht (Schnellaufzahl). Nur mit eigie bei jeder Windgeschwindigkeit (v) optimal ge- ner Änderung des Blattanstellwinkeis, wie sie bei zweinutzt wird, wobei der SoSwer! für die Verstellung oder dreiblättrigen Anlagen mit horizontaler Drehachse des Hubvolumens von einer Hilfseinrichtung (11,22, 35 bekannt ist, sind beide Merkmale befriedigend realisier-23,24,27) vorgegeben wird und wobei zur Vorgabe bar. Bei Anlagen im unteren Leistungsbereich, die aus einet jeder Windgeschwindigkeit (v) zugeordneten Kostengründen auf eine solche aufwendige Regelung optimalen Drehzahl (n_p) ein hydraulischer Hilfskreis verzichten müssen, ist eine Kompromißlösung zu finden, (22) angeordnet ist der über die Druckdifferenz ei- die notwendigerweise näher bei e'nem befriedigenden ner Drossel (23) die Hubverstellung der Verstellkol- 40 Anlaufverhalten liegt

benpumpe (10) oder des Hydraulikmotors (67, 68) Die Nutzung der Windenergie wird aber nicht allein

steuert. durch eine befriedigende Funktionsweise des Wind-

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- energiekonverters gelöst sondern erst wenn Windenerzeichnet daß die optimale Betriebscharakteristik giekoi.verter und Verbraucher so aufeinander abgedes Windenergiekonverters (1) durch andere Dros- 45 stimmt sind, daß das Energieangebot des Windes gemäß Seicharakteristiken, z. B. eine Laminardrossel und den Anforderungen des Verbrauchers wirtschaftlich geandere Anpassungsfunktionen annähernd Federpa- nutzt wird. Da es aus physikalischen Gründen nicht kete unterschiedlicher Steifigkeit erreicht wird möglich ist, das Betriebsverhalten der meist als Serien- (M φ 1). produkt hergestellten Verbradeher zu ändern, muß das

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, da- 50 Betriebsverhalten der Windenergiekonverter der damit durch gekennzeichnet, daß die Betriebscharakteri- verbundenen Maschinen (z. B. Turbo- und Kolbenpumstik der Verstellung des Schwenkwinkels (jp) eines pen, Verdichtern und Kältekompressoren, mechanischwenkbaren Zylinderblocks einer Axialkolben- sehen Arbeitsmaschinen, sowie Synchron- und Asynpumpe ab einem Maximalwert mit zunehmender chrongeneratoren) angepaßt werden. Mit den physikali-Windgeschwindigkeit (v) umgekehrt wird, wobei ein 55 sehen Größen Drehzahl und Drehmoment bzw. Leierstes Federpaket auf Block fährt und dadurch ein stung läßt sich das Betriebsverhalten dieser Maschinen weiteres Federpaket wirksam wird. einigermaßen beschreiben und ordnen. Man findet da-

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei Vertreter in folgenden Gruppen: das Drehmoment dadurch gekennzeichnet, daß kleinen Antriebsdreh- ist keine Funktion der Drehzahl, ist unabhängig von der zahlen ein großes Verdrängungsvolumen zugeord- 60 Drehzahl konstant, ist der Drehzahl proportional und ist net wird, welches sich mit steigender Drehzahl ver- dem Quadrat der Drehzahl proportional. Windenergieringert. konverter gehören unabhängig von der Bauweise, ob

Rotoren mit horizontaler oder vertikaler Drehachse, ob

Auftriebs- oder Widerstandsläufer gemäß obiger Glie-

65 derung zur letzten Gruppe. Die Probleme der Anpassung sind z. B. bei der windgetriebenen Tiefbrunnen-Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung der aus pumpe verdeutlicht. Bei diesen sind seit Jahrzehnten der Funktionsweise eines Windenergiekonverters und mechanische Einrichtungen im Gebrauch, die wie bei