DE60306901T2 - Windturbine mit vertikaler achse und wirbelkopplung - Google Patents

Windturbine mit vertikaler achse und wirbelkopplung Download PDF

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft das Gebiet der Windturbinen-Generatoren und im speziellen Windturbinen, die um eine vertikale Achse rotieren.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Windturbinen mit vertikalen Achsen sind seit vielen Jahren bekannt. Die geläufigste Bauart für eine Turbine mit vertikaler Achse ist die Darrius-Turbine, welche gekrümmte Schaufeln in einer troposkinen Form verwendet. Andere vertikalachsige Turbinen verwenden gerade Schaufeln, die mit einem oder mehreren Schaufel-Stützarmen an einer vertikalen Achse angebracht sind.
  • Anstatt den Luftwiderstand zu verwenden, benutzen moderne vertikalachsige Turbinen aerodynamische Profile, die einen Auftrieb bieten, um den Motor mit einer Bewegungskraft zu versehen. Im Vergleich mit Geräten von Typ mit Luftwiderstand verbessert die Verwendung von auftriebserzeugenden aerodynamischen Profilen die aerodynamische Effizienz der Motoren stark. Jedoch weisen herkömmliche vertikalachsige Turbinen, auch mit auftriebserzeugenden aerodynamischen Profilen, im Vergleich mit horizontalachsigen Turbinen einige Nachteile auf. Der Spitzenwert der aerodynamischen Effizienz, den die meisten vertikalachsigen Windturbinen erreichen, liegt bei etwa 25 %–30 %. Auch sind vertikalachsige Windturbinen nicht von Natur aus selbstanlaufend, und erfordern die Verwendung eines Startmotors, damit sie sich zu drehen beginnen können. Es wurde mit einigen Verbesserungen zum grundlegenden Entwurf von vertikalachsigen Windturbinen versucht, die ihr anhaftenden Probleme zu lösen.
  • Das U.S. Patent Nr. 4.115.027, dessen Beschreibung hierin durch Referenz miteinbezogen ist, offenbart eine vertikalachsige Windmühle vom Typ mit Auftrieb. Um einen Rotor zu bilden sind vertikale aerodynamische Profile, die einen aerodynamischen Auftrieb bereitstellen, mit Streben rund um einen zentralen Schaft montiert.
  • Die U.S. Patente Nr. 5.027.696 und 5.332.925, deren Beschreibung hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind, offenbaren verschiedene Verbesserungen zu der Windmühle des U.S. Patents Nr. 4.115.027. Zu den Verbesserungen zählen ein neues Bremssystem, die Verwendung dicker aerodynamischer Profile, ein Antriebs-Riemengetriebe, einen Betrieb mit zwei Geschwindigkeiten sowie drehbare Statoren, welche die Effizienz verbessern und die strukturellen Belastungen während starker Winde begrenzen.
  • Die EP 0046122 und U.S. 4156580 offenbaren jeweils eine vertikalachsige Windturbine, wobei Verkleidungen zwischen angrenzenden Windturbinen angeordnet sind.
  • Die Windturbinen in allen oben verwiesenen Patenten verwenden stationäre Verkleidungen an der Außenseite des Rotors, um den Windfluss durch den Rotor zu leiten, und die Effizienz zu verbessern. Während herausgefunden wurde, dass dieser Ansatz die Leistungsfähigkeit der Windturbine erheblich verbessert (die aerodynamische Effizienz wurde sogar mit 52 % gemessen), erfordert er auch zusätzliche Struktur, die gestützt werden muss, und er führt zu mehr Umrissfläche, welche die Windbelastung auf die Struktur in Sturmbedingungen erhöht. Es wäre wünschenswert, ähnliche Leistungssteigerungen zu erzielen, ohne Strukturelle Elemente, wie etwa stationäre Verkleidungen, zu benötigen.
  • Die Windturbinen der oben verwiesenen Patente verwenden auch ein mechanisches Bremssystem, welches sich als sehr zuverlässig herausgestellt hat, welches jedoch nach der Aktivierung auch ein manuelles Rücksetzten erfordert. Das kann bei der Turbine zu hohen Ausfallzeiten und einer geringen Verfügbarkeit führen, wenn eine Bedienungsperson nicht die gesamte Zeit am Standort anwesend ist. Es wäre wünschenswert ein Bremssystem einzubauen, welches sich automatisch einschaltet, wenn in dem Turbinensystem ein Fehler auftritt, und dass sich automatisch zurückstellt, nachdem ein Fehlerzustand beseitigt wurde, und die Turbine wieder in Dienst stellt.
  • Es wäre wünschenswert eine vertikalachsige Windturbine bereitzustellen, die eine hohe aerodynamische Effizienz erzielt, während sie eine minimale Stützstruktur erfordert. Es wäre auch wünschenswert eine vertikalachsige Windturbine bereitzustellen, die für die Verwendung unterhalb einer bestehenden Reihe von horizontalachsigen Windturbinen in einer „Busch-Baum"-Konfiguration geeignet ist, um die Energieproduktion auf einem Grundstück zu maximieren. Es wäre weiters wünschenswert, eine vertikalachsige Windturbine bereitzustellen, die ein kräftiges und verlässliches automatisches aerodynamisches und mechanisches Bremssystem enthält, das sich selbst zurückstellt, nachdem ein Fehler beseitigt wurde. Weiters wäre es wünschenswert, die Wartungshäufigkeit, sowie Schwierigkeiten zu minimieren, indem ein einfacher Zugang zu Teilen bereitgestellt wird, die eine häufigere Aufmerksamkeit erfordern, wie etwa der Getriebekasten und der Generator. Es wäre wünschenswert, die Turbine sogar noch weiter strukturell zu vereinfachen, indem eine verspannte Schaftstruktur verwendet wird, oder eine Kombination aus einem verspannten und einem extern gestützten Rahmen, anstatt dass ein externer Stützrahmen verwendet wird. Eine extern verspannte Struktur würde die Anzahl der erforderlichen Teile minimieren. Diese Strukturen können auch ein reineres aerodynamisches Flussfeld bereitstellen, um den Wirbeleffekt der Turbinen zu verbessern. Es wäre weiters wünschenswert, den Wirbeleffekt der Turbine zu verbessern, und die Selbstanlauf-Fähigkeit zu verbessern, indem ein Rotor mit hoher Flächendichte verwendet wird.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung sieht, durch eine Wirbel-Wechselwirkung zwischen zwei angrenzenden Windturbinen, und indem Rotoren mit hoher Flächendichte verwendet werden, eine Windturbine mit einer verbesserten aerodynamischen Effizienz vor. Die Wirbel-Wechselwirkung ist das Ergebnis der engen Aufstellung angrenzender Turbinen, sowie ihrer winkeligen Ausrichtung in Bezug auf die Richtung des vorherrschenden Energiewinds. Die angrenzenden Turbinen müssen auch in unterschiedliche Richtungen rotieren, um die gekoppelte Wirbel-Wechselwirkung zu erzielen.
  • Die verspannte Schaftstruktur kann in einer Reihenanordnung in großer Nähe aufgestellt werden, indem eine Stützpunkt-Konfiguration mit entweder drei oder vier Kabeln in einer gestaffelten Anordnung verwendet wird, die einen Freiraum von Kabel zu Kabel und von Kabel zu Rotor vorsieht. Die Windturbinen können in einer langen Reihe von gekoppelten Windturbinen angeordnet sein, wobei die aerodynamischen Verbesserungen überall in der Turbinenreihe auftreten. Die Turbinenreihe sollen im rechten Winkel auf die vorherrschende Energiewindrichtung ausgerichtet sein. Diese Ausrichtung der Turbinen ist besonders gut geeignet für geografische Gebiete mit einer starken vorherrschenden Windrichtung, und einer geringen Richtungs-Veränderlichkeit.
  • Die Reihe von Wirbel-Gekoppelten Turbinen kann unterhalb einer Reihe von horizontalachsigen Turbinen angeordnet sein. Diese „Busch-Baum"-Konfiguration maximiert die Energieausbeute, die von einem Grundstück erlangt werden kann. Es ist auch möglich, dass die aerodynamische Leistung der horizontalachsigen Turbinen auf Grund der Anwesenheit der vertikalachsigen Turbinen darunter verbessert werden könnte. Es ist möglich dass die Reihe von vertikalachsigen Turbinen einen vertikalen Mischeffekt bereitstellen könnte, der einen höheren Energiefluss in das Flussfeld der horizontalachsigen Windturbinen bringt.
  • Die Turbine verwendet ein pneumatisches Bremssystem, welches automatisch gelöst wird, nachdem ein Fehlerzustand beseitigt worden ist, und der Turbine ermöglicht, den Betrieb wieder aufzunehmen. Die pneumatische Bremse ist mit einem Gewicht vorgespannt, sodass sie normalerweise über das Gewicht angezogen ist, und freigegeben wird, wenn ein pneumatischer Zylinder unter Druck gesetzt wird, um die Bremse und das Gewicht anzuheben. Ein normalerweise geschlossenes Magnetventil steuert den Druck auf dem pneumatischen Zylinder. Das Ventil wird elektrisch aktiviert. Wenn der elektrische Strom ausgeschaltet ist, öffnet das Ventil, um den Zylinderdruck freizugeben. Wenn der Strom zurückkehrt, schließt das Ventil, und ein Kompressor setzt den Zylinder unter Druck, um das Gewicht anzuheben, und die Bremse freizugeben. Diese stellt sicher, dass im Fall eines Stromausfalls die Bremse angezogen wird, um die Turbine zu stoppen, und dass sie wieder freigegeben wird, wenn die Stromversorgung wiederhergestellt ist. Ein Wechselschalter ist vorgesehen, um das Magnetventil zu öffnen, in dem Fall, dass der Strom nicht ausgefallen ist, der Generator jedoch aus einem anderen Grund nicht arbeiten kann.
  • Eine Verbindung koppelt die mechanische Bremse mit einem System, um die Schaufelneigung anzupassen. Wenn die Bremsen angezogen werden, stellen sich die Schaufeln auf 45 Grad ein, um als Luftwiderstandbremse zu wirken. Auf diese Weise verfügt die Turbine für eine größere Zuverlässigkeit über ein mechanisches und ein aerodynamisches Bremsen.
  • Turbinenteile, die eine hohe Abnutzung erfahren, und die eine Wartung erfordern, sind auf Bodenniveau angeordnet. Der abgespannte Turbinenschaft ist auf einem Lagerpaar gelagert, das am unteren Ende des Schafts angeordnet ist. Die zwei Lager sind vertikal etwa 0,92 m (3 Fuß) von einander getrennt. Das obere der zwei Lager wird in einer fixen Position gehalten und stützt nur das statische Gewicht des Hauptschafts. Das untere Lager kann horizontal gleiten, was es dem verspannten Schaft ermöglicht, zu schwanken. Das untere Lager stützt das Gewicht der Schaufeln, sowie die Vertikalkräfte vom Luftwiderstand auf den Rotor. Die Last auf dem oberen Lager ist gering genug, dass das Lager über die Lebensdauer der Turbine hält. Das untere Lager ist dort angeordnet, wo es für einen Kassettenwechsel leicht entfernt werden kann. Die Auflage des unteren Lagers sich kann durch Anwendung eines einfachen Kugellagerrahmens horizontal bewegen.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der anschließenden detaillierten Beschreibung unter Hinzunahme der beigefügten Zeichnungen klar werden, wobei:
  • 1 eine Perspektivansicht der abgespannten vertikalachsigen Windturbine ist, die kein Teil der vorliegenden Erfindung ist.
  • 2 eine Perspektivansicht eines zweiten Beispiels ist, welches kein Teil der vorliegenden Erfindung ist.
  • 3 eine Perspektivansicht der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, wobei zwei Windturbinen gemäß der vorliegenden Erfindung in einer gekoppelten Wirbelkonfiguration angeordnet sind.
  • 4 eine schematische Ansicht von oben eines Paars vertikalachsiger Windturbinen gemäß der vorliegenden Erfindung ist, die in einer gekoppelten Wirbelkonfiguration angeordnet sind.
  • 5 eine Perspektivansicht einer Vielzahl von vertikalachsigen Windturbinen gemäß der vorliegenden Erfindung ist, die in einer Reihe in einer gekoppelten Wirbelkonfiguration angeordnet sind.
  • 6 eine schematische Ansicht von oben einer Vielzahl von vertikalachsigen Windturbinen gemäß der vorliegenden Erfindung ist, die in einer Reihe in einer gekoppelten Wirbelkonfiguration angeordnet sind.
  • 7 eine Perspektivansicht einer Reihe von vertikalachsigen Windturbinen ist, die in einer gekoppelten Wirbelkonfiguration entlang einer Reihe horizontalachsiger Windturbinen in einer Busch-Baum-Konfiguration angeordnet sind.
  • 8 eine schematische Aufrissansicht eines Antriebsstrangs und einer Generatoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
  • 9 eine schematische Aufrissansicht einer Bremsen- und Schaufelbetätigungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
  • 10 eine schematische Aufrissansicht der Bremsen- und Schaufelbetätigungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist, wobei die Bremsen angezogen sind.
  • 11 eine Draufsicht eines Bremsen-Auslöseschalters gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
  • 12 eine Perspektivansicht einer Rolllager-Oberfläche ist.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Wie in 1, die kein Teil der vorliegenden Erfindung ist, gezeigt ist, besteht der Aufbau aus einer Windturbine 1, die einen Hauptschaft 2 aufweist, der sich um eine vertikale Achse dreht. Der Hauptschaft 2 ist vorzugsweise aus einem Stahlrohr von ausreichender Dicke hergestellt, und hat einen ausreichenden Durchmesser, um Druck-, Drehmomenten- und Biegebelastungen standzuhalten, sowohl während eines Betrieb der Turbine, als auch bei starken Winden, bei denen die Turbinen gestoppt würden. An den Hauptschaft 2 sind vier Schaufeln 3 angebracht. Die Anzahl der Schaufeln könnte sich, wie dies beim Entwurf ausgewählt wird, ändern, obwohl die Profillänge oder der Rotordurchmesser sich ändern müssten, um die gewünschte Flächedichte zu bewahren. Die bevorzugte Ausführungsform weist vier Schaufeln auf. Jede Schaufel 3 ist mit einem Paar Schaufelarmen 4 an den Hauptschaft 2 angebracht. In der bevorzugten Ausführungsform werden zwei Schaufelarme 4 für jede Schaufel 3 verwendet, obwohl es denkbar ist, einen einzelnen Schaufelarm 4 für jede Schaufel 3 zu verwenden. Es ist auch bevorzugt, dass die Schaufelarme 4 beweglich an jede Schaufel 3 an den Enden der Schaufel 3 angebracht sind, um aerodynamische Effekte an der Spitze der Schaufeln zu vermindern, und um Biegespannungen am Befestigungspunkt des Schaufelarms 4 an der Schaufel 3 zu vermeiden. Es ist bevorzugt, dass die Schaufel 3 mit einer momentenfreien Verbindung an den Arm 4 befestigt ist, wie etwa eine Stiftverbindung.
  • Die Höhe des Rotors H ist durch die Länge der Schaufeln 3 definiert. Der Durchmesser D des Rotors ist durch die doppelte Entfernung von der Mittellinie des Schafts 2 zu der Profilsehnenlinie der Schaufel 3 definiert. Der gesamte Schwenkbereich des Rotors ist durch die Rotorhöhe H mal dem Rotordurchmesser D definiert. Jede Schaufel 3 weist eine Umrissfläche auf, die durch die Profil C der Schaufel mal der Länge H der Schaufel definiert ist. Die gesamte Schaufel-Umrissfläche ist das vierfache der Umrissfläche für eine einzelne Schaufel, da sich in dem Rotor vier Schaufeln befinden. Die gesamte Schaufel-Umrissfläche dividiert durch die Rotorfläche ist als Rotor-Flächendichte bekannt. Im Fall der vorliegenden Erfindung ist die Rotor-Flächendichte vorzugsweise 33 %. Für Windmühlenrotoren vom Luftwiderstandstyp wäre die Flächendichte viel höher als 33 % und beträgt oft 100 %. Durch experimentieren wurde gezeigt, dass eine Rotor-Flächendichte im Bereich von 30 % bis 40 % eine optimale Leistung bietet, und eine Flächendichte von 33 % ist bevorzugt.
  • Der Hauptschaft 2 ist an seinem unteren Ende in einem Antriebsgehäuse 5 und an seinem oberen Ende durch ein Lager 6 gelagert. Das obere Lager ist durch einen Satz Spannkabel 7 gestützt. Der Hauptschaft 2 erstreckt sich oberhalb des oberen Satzes von Schaufelarmen 4 über eine Entfernung, die größer ist, als die Länge eines Schaufelarms 4, sodass die Spannkabel 7 sich in einem Winkel von 45 Grad zu Fundamenten 8 erstrecken können, die im Boden eingegraben sind. 1 zeigt einen Aufbau mit drei Spannkabeln, falls gewünscht wäre jedoch auch die Verwendung von vier oder mehr Spannkabeln möglich, abhängig von der Bodenbeschaffenheit, der Topografie und anderen Faktoren am Standort.
  • 2 zeigt ein zweites Beispiel, in dem der Rotor drei Module 9 enthält, die übereinander gestapelt sind. Jedes Modul enthält vier Schaufeln 3, die an den Hauptschaft 2 über Schaufelarme 4 angebracht sind. Jedes Modul 9 in der zweiten bevorzugten Ausführungsform ist dem Rotor der ersten bevorzugten Ausführungsform ähnlich. Die Flächendichte jedes Rotormoduls 9 liegt zwischen 30 % und 40 % und beträgt vorzugsweise 33 %. Die drei in 2 gezeigten Module 9 sind alle mit einem gemeinsamen Hauptschaft 2 verbunden, sodass sie gemeinsam rotieren können. Die Schaufeln 3 der drei Module 9 sind zwischen den Modulen um 30 Grad gestaffelt. Indem die Schaufeln gestaffelt werden, wird die Ausgangsleistung der Windturbine geglättet. Während in 2 drei Module gezeigt sind, wäre es möglich zwei Module aufzunehmen, oder es wäre denkbar vier oder mehr Module aufzunehmen.
  • 3 zeigt die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei zwei Windturbinen 1 in nächster Nähe zueinander angeordnet sind, wobei, wie in 3 gezeigt, die Kombination von einem linearen Fluss und einem Wirbelfluss von den zwei Rotoren sich so verbindet, dass die Effizienz beider Rotoren verbessert wird. 4 zeigt die zwei Windturbinen in Draufsicht, wobei zu erkenne ist, dass die Mittellinien der Turbinen mit dem Rotordurchmesser D mit einer Entfernung L von einander entfernt sind. Wenn L geringfügig größer ist als D, dann sind die Rotoren voneinander durch eine Entfernung S beabstandet, die gleich L minus D ist. Die Entfernung s zwischen den zwei Rotoren sollte so klein wie möglich gehalten werden, zugleich sollte sie eine geeignete Sicherheit für Maschine und Personal zulassen. Eine Entfernung von etwa 0,92 Metern (3 Fuß) ist bevorzugt. Diese nahe Anordnung zweier angrenzender Rotoren wird als gekoppelte Wirbelanordnung bezeichnet. In der gekoppelten Wirbelanordnung sollten die zwei Rotoren in entgegengesetzte Richtungen rotieren, um die gewünschte Verbesserung der aerodynamischen Effizienz zu erzielen. Die Rotationsrichtungen für die zwei Rotoren ist in der 4 durch die Pfeile dargestellt.
  • Die Windturbinen in der gekoppelten Wirbelanordnung sollten so ausgerichtet sein, dass die Verbindungslinie der Mittellinien der zwei Windturbinen im rechten Winkel auf die vorherrschende Energiewindrichtung ausgerichtet ist. Idealerweise sollte die Windrichtung nicht mehr als 20 Grad im Bezug auf die in 4 gezeigte Richtung abweichen. An Standorten mit einer starken vorherrschenden Windrichtung, wie sie etwa an Bergpässen gefunden wird, kann dies erzielbar sein. An Standorten ohne eine überwiegend vorherrschende Windrichtung könnte die gekoppelte Wirbelanordnung für die Rotoren jedoch nicht so gut arbeiten.
  • Wie in 5 gezeigt ist, kann eine längere Reihe von Windturbinen in der gekoppelten Wirbelanordnung angeordnet sein. Wenn eine lange Reihe von Windturbinen so angeordnet ist, dann ist die Mittellinie jedes Rotors von der Mittellinie des angrenzenden Rotors durch eine Entfernung L getrennt, die nur geringfügig größer ist als der Rotordurchmesser D, sodass zwischen jedem Rotorpaar ein geringer Abstand s besteht. Wie in 6 gezeigt ist, sollte jeder Rotor sich in die entgegengesetzte Richtung zu seinen benachbarten Turbinen drehen. Auf diese Weise wird sich jede zweite Turbine von oben aus betrachtet im Uhrzeigersinn drehen, während die Turbinen dazwischen sich von oben aus betrachtet gegen den Uhrzeigersinn drehen werden.
  • Wie in 7 gezeigt ist, könnte die Reihe von Windturbinen unterhalb einer Reihe von horizontalachsigen Windturbinen angeordnet sein, um eine „Busch-Baum"-Konfiguration zu bilden. Dies ermöglicht eine höhere Energiegewinnung von einem Grundstück. Es könnte auch die Leistung der horizontalachsigen Windturbinen verbessern, indem Luft mit geringerer Energie auf einer geringeren Höhe mit Luft höherer Energie von oben vertikal gemischt oder ersetzt wird. Eine weiter mögliche Synergie der Busch-Baum-Anordnung ist, dass die Fundamente für die horizontalachsigen Turbinen modifiziert werden könnten, um als Ankerpunkte für die Spannkabeln, die die vertikalachsigen Windturbinen in der gekoppelten Wirbelreihe stützen, zu dienen. Diese Anordnung ist besonders gut geeignet für Standorte mit vorherrschenden Winden in einer Richtung.
  • Der Antriebsstrang der Windturbine der vorliegenden Erfindung ist ähnlich den im U.S. Patent 5.027.696 oder 5.332.925 beschriebenen, welche beide hierhin durch Bezugnahme aufgenommen sind. Wie in 8 schematisch dargestellt ist, besteht der Antriebsstrang aus einem an dem Schaft montierten Getriebekasten 10, der die Rotationsgeschwindigkeit des Hauptschaftes 2 auf eine Geschwindigkeit verstärkt, die für den Antrieb eines Generators zweckmäßig ist. Ein Riemenantrieb 11 übermittelt die Energie von dem Getriebenkasten 10 zu einem Generator 12. Der Riemenantrieb 11 kann für eine zusätzliche Geschwindigkeitsverstärkung sorgen, und er bringt auch eine gewisse Flexibilität in den Antrieb ein, um Drehmomentspitzen zu glätten. Der Getriebekasten 10 ist von einer an dem Schaft montierten Bauart und rotiert in der Richtung des Drehmoments, wenn er nicht gebremst wird. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Getriebekasten 10 auf eine geringe winkelige Rotationsschrittweite beschränkt, sodass die Riemenspannung von locker (ohne hinunterzufallen), bis straff variiert. Diese winkelige Schrittweite ist einstellbar. Ein Stoßdämpfer 13 beschränkt die Rate der winkeligen Drehung des Getriebekastens 10 in der positiven Drehmomentrichtung, wodurch der Antrieb während des Anfahrens stabilisiert wird und Drehmomentspitzen gedämpft werden. In der bevorzugten Ausführungsform wird ein leichter Standard-LKW-Stoßdämpfer verwendet.
  • Es ist möglich, dass der Riemenantrieb 11 aus dem Antriebsstrang entfernt werden könnte, obwohl die bevorzugte Ausführungsform den Riemenantrieb enthält. Der Generator 12 ist in der bevorzugten Ausführungsform ein asyncroner Standard-Induktionsgenerator. Es könnten andere Arten von Generatoren oder Wechselstrommaschinen verwendet werden, die mit konstanten oder veränderlichen Geschwindigkeiten arbeiten.
  • Das schematisch in den 9 und 10 gezeigte Bremssystem für die Windturbine ist eine kritische Komponente. Das Bremssystem ist in 9 in einer gelösten Position dargestellt, in der die Turbine arbeiten kann. 10 zeigt das Bremssystem in einer angezogenen Position, um die Turbine zu stoppen. Das Bremssystem der Windturbine muss sicherstellen, dass die Windturbine nicht zu zerstörerischen Geschwindigkeiten hoch läuft, falls das elektrische Stromnetz abhanden kommt, oder der Generator oder seine Steuereinheiten eine Fehlfunktion aufweisen und der Generator nicht mehr in der Lage ist, die Geschwindigkeit des Windturbinenrotors zu begrenzen. Das Bremssystem muss auch in der Lage sein, die Windturbine in kurzer Zeit zum Stillstand zu bringen, im Falle eines Fehlers oder eines anderen Problems mit der Windturbine.
  • Wie in den 9 und 10 gezeigt ist, besteht das Bremssystem aus einer Bremsscheibe 14, die oberhalb eines unteren Flansches 15 des Hauptschafts 2 angeordnet ist. Der Innendurchmesser der Bremsscheibe 14 ist geringfügig größer als der Außendurchmesser des Hauptschafts 2, wodurch durch der Scheibe 12 ermöglicht wird, sowohl zu rotieren, als auch sich nach oben oder unten zu bewegen. Die Scheibe 14 wird durch mehrere Stifte 16, die vertikal durch den unteren Flansch 15 die Bremsscheibe 14 und einen Flansch 17, der zu dem unteren Flansch 15 identisch ist, passen, von ein rotatorischen Bewegung im Bezug auf den Hauptschaft 2 abgehalten. Die Flansche 15 und 17 sind auf den Hauptschaft angeschweißt, und ihre äußeren Durchmesser (welche die gleiche Größe aufweisen) sind viel kleiner, als der äußere Durchmesser der Bremsscheibe 14. Die Bremsscheibe 14 kann sich zwischen den Flanschen 15 und 17 vertikal frei bewegen. Es gibt zwei Sätze von Bremsbacken, einen oberen, fixierten Satz Backen 18 und einen unteren beweglichen Satz Backen 19. Die bewegbaren Backen 19 sich vertikal bewegbar, sowie in einer vertikalen Ebene schwenkbar. Die bewegbaren Backen 19 sind an dem kurzen Ende eines Bremsarmes 20 montiert, der in der vertikalen Ebene um Drehstift-Wellen 21 schwenkt. An dem Ende des Bremsarms 20 ist ein Gewicht 22 vorgesehen, um die Bremskraft bereitzustellen. Der Drehstift 21 ist so angeordnet, dass die Entfernung von ihm zu dem Ende des Bremsarms 20, der das Gewicht 22 trägt, dem zehnfachen der Entfernung von dem Stift 21 zu dem Mittelpunkt der bewegbaren Bremsbacken 29 entspricht. An jeder Seite des Hauptschafts 2 sind zwei parallele Bremsarme 20 montiert. Wenn das lange Ende des Bremsarmes 20 um den Drehpunkt 21 gesenkt wird, steigt das kurze Ende auf, wodurch die bewegbaren Backen 19 nach oben verschoben werden. Die bewegbaren Backen 19 sind unterhalb der Bremsscheibe 14 angeordnet, und berühren die Scheibe 14, wenn die Backen 19 angehoben werden. Durch ein weiteres Absenken des langen Endes der Bremsarme 20 wird die Bremsscheibe 14 angehoben, bis sie in Kontakt mit den oberen fixierten Bremsbacken 18 gelangt. Die Scheibe 14 ist dann zwischen den oberen und unteren Bremsbacken 18 und 19 eingeklemmt. Diese Stellung ist in 10 gezeigt. Als Bremskraft ergibt sich dann das Gewicht 22 multipliziert mit dem mechanischen Vorteil des Hebels, oder das Zehnfache des Gewichts 22.
  • Zusätzlich zur mechanischen Bremskraft der Bremsbacken 18 und 19 auf die Bremsscheibe 14 enthält die Windturbine auch ein System, um die Schaufeln 3 zu neigen, um ein aerodynamisches bremsen bereitzustellen. Das aerodynamische Bremssystem enthält eine Schaufelaktivierungs-Scheibe 23, die an den Hauptschaft 2 in einer Höhe nahe dem unteren Satz Schaufelarme 4 angeordnet ist. Der innere Durchmesser der Schaufelaktivierungs-Scheibe 23 ist geringfügig größer als der äußere Durchmesser des Hauptschafts 2, sodass die Scheibe 23 um den Hauptschaft rotieren kann, sowie entlang dem Schaft 2 sich nach oben und unten bewegen kann. An die Schaufelaktivierungs-Scheibe sind ein Satz Schaufelneigungs-Kabel 24 und 25 angebracht. Der erste Satz Kabeln 24 ist an die Vorderkante einer Schaufel 3 angebracht. Der zweite Satz Kabeln 25 ist an die Hinterkante einer Schaufel 3 angebracht. Von jedem Typ Kabel 24 und 25 gibt es vier Stück, sodass, wenn die Schaufelstellscheibe 23 im Bezug auf den Hauptschaft 2 gedreht wird, die Vorderkanten der Schaufeln von dem Hauptschaft 2 wegbewegt werden und die Hinterkanten in Richtung des Hauptschafts 2 bewegt werden, um die Schaufeln 3 zu neigen. Die Schaufeln 3 sind an einer Stelle zwischen der Hinterkante und dem Schwerpunkt der Schaufeln schwenkbar an den Schaufelarmen 4 befestigt. Da der Schwerpunkt vor der Schwenkposition liegt, tendieren die Schaufeln dazu, sich zu neigen, wenn sie nicht von den Kabeln 24 zurückgehalten werden.
  • Wenn die mechanische Bremse angezogen wird, wird gleichzeitig die Schaufelaktivierungs-Scheibe 23 gedreht. Ein Satz Schubstangen 26 liegen auf der Oberseite der Bremsscheibe 14 auf, und erstrecken sich nach oben zu der unteren Seite der Schaufelaktivierungs-Scheibe 23. Die Schubstangen 26 werden in Löchern in dem Flansch 17 und einem weiteren Flansch 27, der genau unterhalb der Schaufelaktivierungs-Scheibe 23 angeordnet ist, geführt und zurückgehalten. Die Löcher in den Flaschen 17 und 27 sind übergroß um es den Schubstangen zu ermöglich, sich durch die Löcher nach oben zu bewegen. Wenn die mechanische Bremse angezogen wird, wird die Bremsscheibe 14 nach oben bewegt. Die Aufwärtsbewegung der Bremsscheibe 14 wird über die Schubstangen 26 auf die Schaufelaktivierungs-Scheibe 23 übertragen, so dass die Schaufelaktivierungs-Scheibe 23 ebenfalls nach oben bewegt wird. Ein erster Satz Anschläge 28 hält eine Sperre 29 zurück, die an der Schaufelaktivierungs-Scheibe 23 befestigt ist, um diese von einer Drehbewegung in Bezug auf den Hauptschaft 2 abzuhalten. Wenn jedoch die Schubstangen 26 die Schaufelaktivierungs-Scheibe 23 nach oben bewegen, kommt die Sperre 29 auf der Schaufelaktivierungs-Scheibe 23 von den Anschlägen 28 frei. Die Zentrifugalkraft von den Schaufeln zieht dann an den Kabeln 24 und 25, und damit die Schaufelaktivierungs-Scheibe 23 in eine neue Position, in welcher die Sperre 29 mit einem zweiten Satz Anschläge 30 in Eingriff gelangt. Der erste Satz Anschläge 28 entspricht einer Schaufelneigung für einen Turbinenbetrieb und der zweite Satz Anschläge 30 entspricht einer Schaufelneigung für aerodynamisches Bremsen. Idealer Weise sollten sich die Schaufeln zwischen den Anschlägen 28 und Anschlägen 30 etwa um 45° neigen. Ein Satz Federn 31 zieht die Schaufelaktivierungs-Scheibe 23 zurück in die Betriebsposition, in der die Sperre 29 in die Anschläge 28 eingreift. Wenn die Rotorgeschwindigkeit abnimmt, ist die Zentrifugalkraft der Schaufeln nicht groß genug, um die Kraft der Federn 31 zu überwinden, und die Schaufeln kehren in ihre Betriebslage zurück. Wenn die mechanische Bremse freigegeben wird, bewegen sich die Schubstangen 26 nach unten, und ermöglichen es, den Sperren 29, in eine Position zu fallen, in der sie von den Anschlägen 28 zurückgehalten werden. Auf dieser Weise werden die Schaufeln während eines Bremsbetriebes geneigt um ein aerodynamisches Bremsen bereitzustellen, sie kehren jedoch automatisch in ihre Betriebsposition zurück, wenn die Bremse freigegeben wird. Die aerodynamischen Bremsen sind in 9 in ihrer Betriebsposition, und in 10 in ihrer Bremsposition mit geneigten Schaufeln gezeigt.
  • In der in 2 gezeigten Ausführungsform, in der die Windturbine drei gestapelte Module enthält, ist die aerodynamische Bremse vorzugsweise nur in dem unteren Modul enthalten. Die Schaufeln auf den anderen zwei Modulen sind in ihrer Neigung fixiert, um die Abnutzung und die Wartung bei den oberen Modulen zu minimieren.
  • Wie in 9 und 10 gezeigt ist, wird das Bremsensystem mit einem pneumatischen Zylinder 32 betätigt, der das Gewicht 22 am Ende der Bremsarme 20 anhebt und senkt. Wenn das untere Ende des Zylinders 32 unter Druck gesetzt wird, wird der innere Kolben nach oben gedrängt, wodurch das Gewicht 22 und der Bremsarm 20 angehoben werden. Der Zylinder 30 muss unter Druck gesetzt werden, um die Bremsen zu lösen, und die Bremse wird angezogen, wenn der Druck in dem Zylinder freigegeben ist. Um das Bremssystem zu steuern, wird die Pressluftversorgung 33 zu dem Zylinder 32 gesteuert. Ein Luftkompressor 34 stellt die Druckluft zu dem Zylinder 32 bereit. In der bevorzugten Ausführungsform stellt ein Kompressor 34 Druckluft für die Luftzylinder 32 auf mehreren angrenzenden Windturbinen bereit. Der Fluss in den und aus dem Luftzylinder wird durch ein Magnetventil 35 gesteuert. Das Ventil 35 wird durch einen Schaltkreis 36 mit elektrischer Energie versorgt, der auch die Energie für den Generator 12 bereitstellt, so dass die Bremse aktiviert wird, wenn die Stromversorgung zu dem Generator 12 unterbrochen ist. Die Druckluftleitung 33 ist zwischen dem Zylinder 32 und dem Kompressor 34 offen. Wenn die Versorgung mit elektrischer Energie zu dem Ventil 33 unterbrochen wird, schließt das Ventil 33 zwischen dem Kompressor 34 und dem Zylinder 32, und lässt die Druckluft von dem Zylinder 32 entweichen, wodurch das Gewicht 22 und der Bremsarm 20 sich senken, und das Bremssystem angezogen wird. Dies ist ein ausfallsicherer Entwurf, da ein Verlust der Stromversorgung das Magnetventil 35 abschalten wird, und den Druck in der Luftleitung 33, der den pneumatischen Zylinder 32 versorgt, freigeben wird, wodurch veranlasst wird, dass die Bremse angezogen wird. Die Stromversorgung zu dem Ventil 33 kann durch einen Fehler in dem Turbinenschaltkreis oder der Nutzversorgung unterbrochen werden. Sie kann auch unterbrochen werden, indem der Magnet- 36 und Kompressorschaltkreis 37 mit einem Bremsschalter 38 manuell ausgeschalten wird. Zusätzlich zum manuellen Schalten kann ein Wechselschalter 39 in dem Magnetschaltkreis 36 durch einen Auslöserarm 40 ausgeschalten werden, der sich in die Bahn des Wechselschalters 39 bewegt, um ihn auszuschalten. Der Auslöserarm 40 und der Wechselschalter 39 sind in 11 gezeigt. Der manuelle Schalter 38, sowie der Wechselschalter 39 müssen manuell zurückgesetzt werden, oder sie werden durch eine Steuersoftware zurückgesetzt. Falls ein Fehler in der Versorgungsschaltung auftritt, werden die Bremsen betätigt, sie werden jedoch automatisch wieder gelöst, wenn die Stromversorgung wiederhergestellt ist.
  • Wie in 11 gezeigt ist, wird der Wechselschalter 39 durch einen Auslösearm 40 aktiviert. Der Auslösearm 40 ist auf dem Flansch 15 des Hauptschafts montiert. Der Auslösearm 40 kann sich frei von dem Hauptschaft 2 wegdrehen, wird jedoch von einer Feder 41 zurückgehalten. Die Spannung der Feder 41 kann so eingestellt werden, dass der Auslöserarm 40 sich in eine Position bewegt, um den Wechselschalter 39 auszulösen, wenn die Rotorgeschwindigkeit oberhalb einer zulässigen Geschwindigkeit ist, d.h. geringfügig höher als die Erzeugungsgeschwindigkeit. Der Auslöserarm 40 ist vorzugsweise aus Stahl, um eine ausreichende Masse, und damit eine ausreichende Zentrifugalkraft, bereitzustellen. In alternativen Ausführungsformen könnte der Schalter 39 durch kontaktlose Geschwindigkeitssensoren oder durch eine PLC-Steuereinheit aktiviert werden.
  • Obwohl das Bremssystem ein redundandes mechanisches und aerodynamisches Bremsen enthält, und obwohl das Aktivierungssystem ausfallsicher ist, hat die Erfahrung mit Windturbinen gezeigt, dass es wünschenswert ist, ein weiteres redundandes Bremsenauslösesystem vorzusehen, um zu verhindern, dass Windturbinen außer Kontrolle geraten. In 9 und 10 ist ein redundandes Rotorgeschwindigkeitsregelungssystem gezeigt. An den oberen Schaufelarmen 4 des untersten Rotormoduls ist ein Satz Gewichts-belasteter Arme 42 gelagert montiert. In der bevorzugten Ausführungsform werden zwei Arme 42 verwendet. Wenn der Rotor ruht, hängen die Arme 42 herunter. Wenn die Rotorgeschwindigkeit sich erhöht, schwingen die Arme 42 nach oben und nach außen. An jedem Arm 42 ist in einer geeigneten Entfernung zum Schwenkpunkt des Armes ein Kabel 43 befestigt, und dieses stellt eine Verbindung zur Oberseite der Schaufelaktivierungs-Scheibe 23 her. Wenn die Rotorgeschwindigkeit eine Geschwindigkeit übersteigt, die oberhalb der Geschwindigkeit liegt, an der der Wechselschalter 39 umgelegt wird, wird in dem Kabel 43 genügend Spannung aufgebaut, um die Scheibe 23 von ihrem ersten Satz von Anschlägen 28 abzuheben. Die Schaufeln 3 sind dann frei, um in einen 45° Schwenkwinkel zu schwenken. Der aerodynamische Bremseffekt hält die Rotorgeschwindigkeit innerhalb eines strukturell sicheren Bereiches. Dies ist ein ausfallsicheres System für den Schutz des Rotors.
  • Wie in 8 gezeigt ist, ist das untere Ende des Hauptschafts 2 auf zwei unteren Lagern 44 und 45 gelagert. Das Hauptlager oder obere Lager 44 ist auf den Hauptträger-Querbalken 46 oberhalb des Getriebekastens 10 und des Fundaments montiert. Das Schaftsystem enthält den Hauptschaft 2, sowie einen Antriebsschaft 47. Das Schaftsystem kann um das Hauptlager 44 schwenken. Beide Lager sind selbstausrichtend. Das Schaftystem, einschließlich dem Hauptschaft 2 und dem Antriebsschaft 47, schwankt, da die Spannkabel 7 sich unter Belastung strecken können. Das untere Lager 45 muss in der Lage sein, sich in der horizontalen Ebene zu bewegen, um Biegebelastungen in dem Antriebsschaft 47 abzubauen. Das Lager 45 ist kleiner als das Hauptlager 44. Der Antriebsschaft ist an der Unterseite abgestuft, um das Lager 45 aufzunehmen, und so, dass das Lager 45 Schubbelastungen mit dem Hauptlager 44 teilen kann. Das untere Lager ruht auf einer Platte 48, die auf einer in 12 gezeigten Kugellageroberfläche 49 ruht. Die Kugellagerfläche 49 ermöglicht der Lager-Trägerplatte 48, sich frei in der horizontalen Ebene zu bewegen, um ein Biegen des Antriebsschafts 47 zu entlasten. Alle diese Platten werden von dem Fundament 50 durch einige Platten gehalten, die durch Ankerbolzen, die aus dem Fundament 50 hervorstehen, horizontal fixiert sind. Das untere Lager 45 ist daher durch das Fundament 50 gestützt. Das untere Lager 43 ruht auf der Platte 48 durch justierbare Lagerbolzen 51, die für eine bestimmte Lastaufteilung zwischen dem Hauptlager 44 und dem unteren Lager 45 eingestellt werden können.
  • Die 10 zeigt, dass die Kugellageroberfläche 49 eine Oberfläche ist, die aus einem Feld von Kugellagern 52 gebildet wird, die durch einen Rahmen 53 an der Stelle gehalten werden. Alle der Kugellager 52 haben den gleichen Durchmesser. Der Durchmesser der Kugellager 52 ist größer, als die Dicke des Rahmens 53, so dass die Stahlplatten oberhalb der Kugellager 52 auf den kugelförmigen Lagern ruhen. Die obere Lagerplatte 48 kann auf diesen Lagern 52 herumrollen. Die oberen 48 und unteren 51 Platten sind an den Oberflächen, die an die kugelförmigen Lager 52 angrenzen, geschmiert.
  • Während bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, wird es dem Fachmann klar sein, dass verschiedene Modifikationen bei diesen Ausführungsformen durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der Ansprüche abzuweichen. Daher ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die bestimmten offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein soll, sondern dass der Umfang der Erfindung durch die folgenden Ansprüche festgelegt ist.

Claims (10)

  1. Ein Paar Auftriebsbasierter Windturbinen (1) wobei jede Windturbine aufweist: einen Schaft (2), der sich um eine vertikale Achse dreht, einen Flügel (3), der an dem Schaft angebracht ist, um sich mit diesem zu drehen, wobei der Flügel von dem Schaft mit einem vorbestimmten Radius radial nach Außen beabstandet ist, und ein Bremssystem welches aerodynamisches Bremsen anwendet, wenn das Bremssystem aktiviert ist, wobei die Schäfte von diesem Paar Auftriebsbasierter Windturbinen mit einem Abstand voneinander entfernt sind, der geringer ist als das dreifache des Radius, wobei das Paar Auftriebsbasierter Windturbinen gestaltet ist, um eine im Allgemeinen unversperrte Windströmung zwischen den Windturbinen vorzusehen.
  2. Windturbinen (1) nach Anspruch 1, wobei der Schaft (2) einer ersten der Windturbinen sich in eine erste vorbestimmte Richtung dreht und der Schaft einer zweiten der Windturbinen sich in eine der ersten Windturbine entgegengesetzten Richtung dreht.
  3. Windturbinen (1) nach Anspruch 1, wobei die Schäfte (2) des Paars Windturbinen mit einem Abstand voneinander entfernt sind, der größer als das zweifache des Radius, aber geringer als das zweifache des Radius plus 3,05 Meter (10 Fuß) ist.
  4. Windturbinen (1) nach Anspruch 3, wobei die Schäfte (2) des Paars Windturbinen mit einem Abstand voneinander entfernt sind, der größer als das zweifache des Radius, aber geringer als das zweifache des Radius plus 1,53 Meter (5 Fuß) ist, oder wobei die Schäfte des Paars Windturbinen mit einem Abstand voneinander entfernt sind, der im Wesentlichen gleich dem zweifachen des Radius plus 0,92 Meter (3 Fuß) ist.
  5. Windturbinen (1) nach Anspruch 1, wobei die Windturbinen eine Rotor-Flächendichte aufweisen, die größer ist, als 30% und geringer ist als 40%, wobei vorzugsweise die Windturbinen eine Rotor-Flächendichte aufweisen, die im Wesentlichen 33% ist.
  6. Windturbinen (1) nach Anspruch 1, wobei das Bremssystem ein ausfallssicheres Bremssystem ist.
  7. Windturbinen nach Anspruch 6, wobei das Bremssystem ein selbst-rücksetzendes ist.
  8. Windturbinen nach Anspruch 6, wobei das Bremssystem ein pneumatisches Stellorgan enthält, und wobei vorzugsweise ein einzelner Luftkompressor verdichtete Luft für das pneumatische Stellorgan für beide Windturbinen in dem Paar von Windturbinen bereitstellt.
  9. Windturbinen nach Anspruch 1, welche weiters eine dritte Windturbine aufweisen, wobei die dritte Windturbine aufweist: einen Turm; einen Schaft, der sich um eine im Wesentlichen horizontale Achse dreht; einen Flügel, der an diesem Schaft angebracht ist, um sich mit diesem zu drehen, wobei der Schwenkweg des Flügels einen Rotor mit oberen und unteren Extremhöhen festlegt; und wobei die horizontalachsigen Windturbine neben dem Paar vertikalachsigen Windturbinen so angeordnet ist, dass die untere Extremhöhe von der horizontalachsigen Windturbine höher ist, als das oberste Ende der vertikalachsigen Windturbinen.
  10. Windturbinen nach Anspruch 1, wobei die Windturbinen an einem Standort mit vorherrschender Windrichtung aufgestellt ist, und wobei eine Linie zwischen den Schäften von dem Paar Windturbinen im Wesentlichen rechtwinkelig zu der vorherrschenden Windrichtung ist.
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