DE3903399A1

DE3903399A1 - Wind power installation

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

Abstract

A wind power installation having a wind rotor is specified, the vanes of which are mounted on the rotor hub capable of rotation about their longitudinal axis in order to implement a variable angle of incidence. The rotor of an electric generator is seated with the wind rotor on a common shaft and generates electric power (energy) upon rotation of the wind rotor. A control device is used to control the rotational speed of the wind rotor and has a sleeve, which is secure against rotation of the shaft but can be displaced longitudinally, and a jointed connection between each vane of the wind rotor and the sleeve, and permits the setting of a constant rated (basic) speed with the aid of simple means.

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.The invention relates to a wind turbine a wind rotor, the wings of which are realized a variable angle of attack around its longitudinal are rotatably mounted on the rotor hub, with an electric generator, with a common one seed wave on which the wind rotor and the rotor of the generator are attached, and with a Re Gel device for regulating the speed of the 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.Such wind turbines are known and serve to convert wind energy into electrical energy put. A major problem here is the Speed control of the system is independent possible from the wind speed and the wind strength Lich should be set constant to swan kung in the frequency of the electrical generated To prevent tension as much as possible. Such be Known regulations are complex, they require additional active modules that provide a supply with external energy or with that from the system generated energy necessary and thus the Reduce system efficiency. In addition, should the overall structure of the plant the efficiency of Impact energy conversion as little as possible.

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.The object of the invention is therefore a wind power plant of the type mentioned in this way that converting wind energy into electrical Energy possible even with weak winds maximum efficiency and with a simple, lossless speed of constant control takes place.

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.This task is the one at the wind turbine solved in accordance with the invention, that the control device rotates one on the shaft fixed and longitudinally displaceable sleeve and a joint connection between each wing and the sleeve ent holds.

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.The advantages of the invention are in particular that mechanical regulation immediately between the axes of the blades of the wind rotor and the shaft the wind turbine takes place without external energy where due to high operational reliability and maintenance-free unit with a simple, stable structure and a ver equally high constancy of speed at the under various wind speeds is guaranteed.

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.The blades of the wind rotor are particularly preferably inclined by a predetermined angle of inclination β with respect to a reference plane running perpendicular to the shaft; The wing axes are thus on a cone, the cone angle of which is 90 ° - β to the free end of the shaft. This inclination of the blades ensures that the wind flowing in the direction of the shaft has sufficient turning torque to change the angle of attack of the blades. The entire wind turbine is rotatably mounted on a frame in a known manner, the shaft preferably being oriented approximately horizontally. By suitable design of the fairing of the entire wind turbine, the rotatable wind turbine on the scaffold is aligned under the action of the wind so that the direction of the shaft coincides with the wind direction. Due to the inclined attachment of the wing, which is mounted around its longitudinal axis, to the rotor hub, it is sufficient that the angle of attack of the wing decreases with increasing wind speed and, with decreasing wind speed, decreases again to the maximum angle that is reached when the rotor is stationary or the wind speed is low .

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.The joint connection particularly preferably contains because a cross arm attached to the wing axis and one articulated between the cross arm and sleeve arranged articulated rod. The link rod is preferred pivoted on the sleeve, between cross arm and the joint rod is preferably a ball joint arranged. The cross arm runs under one variable angle from one of the wing axis and the wave spanned out plane, the Be attachment point of the cross arm and the attachment point of the articulated rod on the sliding sleeve have one relative to each other in the direction of rotation Angular misalignment, so that when the Sleeve a restoring moment from the cross arm to the respective wing axis is exercised.

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.According to a particularly preferred embodiment According to the invention, the wind rotor sits at one end the shaft, and the generator at the other end the wave. The generator has a special structure according to the invention, which can also be found in others Systems or facilities can be used. The Ge nerator contains an internal stand and an outside runner who - towards the stand turned - several circumferentially spaced permanent owns magnets. The stand is made of a sheet metal package a large number of thin, ring-shaped sheets det who carry the electrical windings, which appropriately connected to the external connections that are. The laminated core of the stand is preferably seated on a fixed sleeve through which the Shaft is rotatably supported, which with means of an end bracket with the runner is connected.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.Advantageous developments of the invention are through characterized the features of the subclaims.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfin dung anhand der Zeichnung näher erläutert.The following is an embodiment of the invention dung explained with reference to the drawing.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch die Windkraftanlage; Figure 1 is a schematic cross section through the wind turbine.

Fig. 2 eine Seitenansicht des Windrotors; Fig. 2 is a side view of the wind rotor;

Fig. 3 eine schematische Ansicht der Stellung der Flügel bei unterschiedlicher Wind stärke; und Figure 3 is a schematic view of the position of the wing with different wind strength. and

Fig. 4 einen Querschnitt durch den Generator. Fig. 4 shows a cross section through the 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. Figs. 1 and 2 schematically illustrate a wind power plant and the wind rotor. In a housing 1 , which is rotatably mounted on a rotating structure 1 a on a scaffold 1 b , a wind rotor 2 is firmly seated on a shaft 20 which is rotatably supported in the housing 1 . The rotor hub 4 is fixedly connected to the shaft 20 and has a plurality of transversely to the shaft 20 from heat-oriented wing 8 , which are rotatably supported on the rotor hub 4 in bearing bushes 6 about its longitudinal axis 9 . By rotating the wing axis 9 in the bearing bushes 6 , the angle of attack of the wing can be changed depending on the wind speed. The bearing bushes 6 are arranged on the rotor hub 4 such that the wing axes 9 assume a predetermined angle of inclination to a reference plane which is perpendicular to the shaft 20 .

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.On each wing axis 9 is - between the two bearing bushes 6 - a cross arm 12 is attached, which is articulated via an articulated rod 14 at the end of the cross arm 12 with a sleeve 16 , which rotatably but longitudinally mounted on the shaft 20 . Pre see are also reset devices 18 , z. B. gas springs, which act on the sleeve 16 with an increasing deflection a increasing restoring force. The cross arm 12 and the hinge rod 14 form a Ge joint connection, the end points of which have an angular offset in the direction of rotation of the rotor, so that rotation of the wing about its longitudinal axis, ie a change in the angle of attack via the hinge connection, a displacement of the sleeve against the restoring force of the restoring device Consequence. Articulated joint 12 , 14 , sleeve 16 and return device 18 form a control device that works in the following way: With increasing wind strength, the angle of attack α of the blades of the wind rotor 2 is reduced; by an accompanying rotation of the wing axis 9 , the sleeve 16 is moved against the increasing de restoring force; in the normal operating position, ie with a normal deflection a 0 of the sleeve 16 , a further increase in the wind strength is compensated by the - initiated via the sleeve 16 - transferred to the wing increasing restoring moment so that a constant speed of the wind rotor is observed.

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.As can be seen in particular from FIGS. 2 and 3, the angle of attack α is at a maximum value in the case of weak wind which flows in the direction of the shaft 20 , the rotor is in the rest position or in the start-up mode. With medium and large wind strengths, a change in the angle of attack is permitted on the control device 10 such that the wind rotor 2 rotates at a constant speed, the nominal speed. With particularly large wind strengths, a negative angle of attack occurs, which leads to the braking of the wind rotor 2 .

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.In FIG. 4 is a cross section through the generator, able in particular to the Windkraftan is usable, although alternatively, other uses are possible. At the end facing away from the wind rotor 2, the shaft 20 is rotatably guided through a fixed sleeve 46 by means of corresponding bearings 48 and has on the end face a holder 34 to which an external rotor 32 of the generator is fastened. The rotor 32 carries a plurality of permanent magnets at a predetermined, uniform distance. On the fixed sleeve 46 , a laminated core is fastened, which is composed of annular individual sheets and - opposite the permanent magnets 36 - carries electrical windings 44 which form the stand 42 together with the laminated core. Due to the large number of permanent magnets that can be accommodated and the stationary arrangement of the windings on the stator 42 , a particularly robust design of the generator is realized, which is free of centrifugal forces on the windings and therefore does not experience any damage to the windings at excessive speeds due to excessive centrifugal forces. In addition, the generator according to the Invention enables the wind turbine to be realized without a gear between the wind rotor and generator, thereby increasing the efficiency of the wind turbine and making operation possible even at low wind speeds.

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.The generator according to the invention with external permanent magnet rotor and internal stator windings can also be used in various other devices, it does not require external cooling and - because of the fixed arrangement of the windings - also no slip ring tap.

Claims

1. A wind power plant with a wind rotor, the blades of which are rotatably mounted on the rotor hub about their longitudinal axis in order to achieve a variable angle of attack,
with an electric generator, with a common shaft on which the wind rotor and the rotor of the generator are attached,
and with a control device for controlling the speed of the wind rotor,
characterized in that the control device ( 10 ) contains a sleeve ( 16 ) which is non-rotatable and longitudinally displaceable on the shaft ( 20 ) and an articulated connection ( 12 , 14 ) between each wing ( 8 ) and the sleeve ( 16 ).

2. Wind power plant according to claim 1, characterized in that the sleeve ( 16 ) via the articulated connection ( 12 , 14 ) of the wings ( 8 ) with decreasing angle of attack of the wing an increasing deflection from the initial position against the increasing restoring force of a return adjusting device ( 18 ) receives.

3. Wind power plant according to claim 1 or 2, characterized in that the articulated connection ( 12 , 14 ) an on the wing axis ( 9 ) ten transverse arm ( 12 ) and an articulated between the cross arm ( 12 ) and sleeve ( 16 ) articulated rod ( 14 ) contains.

4. Wind power plant according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the articulated rod ( 14 ) on the sleeve ( 16 ) is pivotally mounted, and that between the cross arm ( 12 ) and the Ge steering rod ( 14 ) has a ball joint ( 15 ) is arranged.

5. Wind power plant according to one of the preceding claims, characterized in that the Rückstelleinrich device ( 18 ) contains a spring.

6. Wind power plant according to one of the preceding claims, characterized in that the Rückstelleinrich device ( 18 ) contains at least one gas spring.

7. Wind power plant, in particular according to one of the preceding claims, characterized in that the generator ( 30 ) contains an internal stator ( 42 ) and an external rotor ( 32 ), and that the rotor ( 32 ) has a plurality of poles ( 36 ) made of permanent magnets , and the stator ( 42 ) contains windings ( 44 ) which are led to the outside for the delivery of the induced electrical voltages / currents.

8. Wind power plant according to claim 7, characterized in that the laminated core ( 43 ) of the stator ( 42 ) is arranged on a fixed sleeve ( 46 ) through which the shaft ( 20 ) of the generator is rotatably guided, and that the rotor ( 32 ) is fixedly connected to the end of the shaft ( 20 ) by means of a front-side bracket ( 34 ).