Die Regelung
Eine ausführliche Erklärung für diejenigen, die es genau wissen wollen.
Die weltweit bewährteste Methode
Für ein Windrad, das den Prämissen mittlerer Technologie entspricht, eignet sich am besten die einfachste, am meisten verbreitetste und bewährteste Methode der Windradregelung: nämlich die Kombination aus Steuer- und Seitenfahne. Sie wird seit dem 18. Jahrhundert hunderttausendfach angewendet.
Aufgaben der Regelung
Diese Regelung erfüllt drei wichtige Aufgaben: Die eine besteht darin, den Rotor im Normalbetrieb senkrecht zum Wind zu halten, eine andere, ihn bei viel Wind vor Schaden zu bewahren.
- Den normalen Betriebszustand, in dem der Generator Leistungen bis knapp über die Nennleistung abgibt
- Den Starkwindzustand, bei dem der Wind mehr Energie anbietet als der Generator aufnehmen kann
- Den „Überlebenszustand“ im Sturmfall.
Hier soll das Prinzip dieses Regelverfahrens leicht verständlich dargestellt werden
Normalbetriebsstellung KUKATE
Winddruckkraft, Steuer- und Seitenfahnenflächen, Hebelarme und Regelgewicht arbeiten zusammen
1
Normalbetrieb
Im Normalbetrieb soll der Wind genau von vorn auf den Rotor treffen. Der Seitenfahnenarm ist fest mit der Gondel verbunden, der Steuerfahnenarm dagegen mit einem sehr stabilen Gelenk schwenkbar. Dieses Gelenk und die Umlenkrollen für das Regelgewicht sind die einzig beweglichen Teile der gesamten Steuerung.
Schaut man vom Rotor aus auf die Steuerfahne, ist ihr Arm um etwa 45 Grad aus der Achsrichtung herausgeschwenkt.
Die durch den Wind erzeugten Widerstandskräfte der Fahnenflächen multipliziert mit den jeweils wirksamen Hebellängen bilden zwei gegensinnige Drehmomente.
Im Normalbetrieb soll die Rotorachse genau parallel zum Wind stehen. Der Wind kommt von vorne.
Um das sicherzustellen, müssen die beiden gegensinnigen Drehmomente sich solange gegenseitig aufheben, bis die volle Generatornennleistung über eine längere Zeit hinweg im Mittel um nicht mehr als 10 % überschritten wird.
2
Starkwindzustand
Im Starkwindzustand würden Flügel, Getriebe und Generator überlastet, wenn der Wind weiter senkrecht auf die Rotorebene bliese.
Von einer bestimmten Windgeschwindigkeit an kann die Zugkraft im Seil des Regelgewichtes den „Vorhaltewinkel“ des Steuerfahnenarms von 45 Grad nicht mehr halten.
Das Gewicht ist mit dem Steuerfahnenarm über ein Seil und Umlenkrollen verbunden. Durch den starken Winddruck auf die Steuerfahne wird das Gewicht angehoben. Dabei schwenkt die Steuerfahne auf die Seitenfahne zu.
Der Winkel zwischen den Fahnen verkleinert sich. Die Querfahne ist fest mit der Gondel verbunden. Der Winkel von ursprünglich 135 Grad zwischen den beiden Fahnenarmen wird kleiner.
Je kleiner der Winkel zwischen den Fahnen ist, desto mehr schwenkt der Rotor aus seiner normalen Richtung.
Lässt der Winddruck nach, „zieht“ das Gewicht die Steuerfahne wieder auf die alte Position und der Wind kommt wieder von vorn.
3
Sturmfall
Im Sturmfall geht es darum, die Anlage vor Schaden zu bewahren.
Um die KUKATE nicht zu überlasten, soll der Wind auf möglichst kleine Flächen treffen. Das ist der Fall, wenn der Rotor und die Fahnenflächen seitlich angeströmt werden.
Der Wind drückt bei Sturm die beiden Regelfahnen bis auf einen Winkel von 30 Grad zusammen. Der Winkel wird durch einen Anschlag am Querfahnenarm festgelegt. Der Steuerfahnenarm liegt dann bei einem Winkel von 30 Gad zwischen den Fahnenarmen am Anschlag an. Dann ist die Anlage in ihrer sturmsicheren Position.
Lässt nun der Winddruck nach, ist das Rückstellmoment aus Regelgewichtskraft und wirksamer Hebelarmlänge am Steuerfahnenarm größer als das vom Wind erzeugte Moment an der Steuerfahne. Sie wird mehr oder weniger in ihre Ausgangsposition zurückgezogen, der Rotor bekommt wieder den Wind zunehmend von vorne.
Regelung einstellen
Jeder Anlagenbetreiber kann das Verhalten der Regelung leicht ändern. Er kann die Gewichtskräfte und „Befestigungspunkte der Regelgewichtsseile“ an der Gondel oder am Steuerfahnenarm variieren. Das Gleiche gilt für den Anfangsspreizwinkel des Seils oberhalb der Rolle.
Sollte das Gewichtsseil reißen, schwenkt die Anlage automatisch in die Sturmstellung. Die Regelung ist damit „eigensicher“.
Das Beste für die KUKATE
Das Regelverfahren mit Hilfe von Steuer- und Seitenfahne ist für kleine Windenergiekonverter wie die KUKATE34 faktisch unschlagbar.
Man kann es leicht selbst bauen, es ist überschaubar und sicher – kurz: Es entspricht allen Anforderungen der hier bevorzugten „Mittleren Technologie“: Keine Pneumatik, Hydraulik und Elektronik!
Verschiedene Rückstellkräfte möglich
Die Rückstellkräfte, die die Anlage in die Positionen schwenken, können unterschiedlich erzeugt werden durch
- ein einfach senkrecht herabhängendes Regelgewicht und eine Umlenkrolle
- oder über ein V-förmig aufgehängtes Regelgewicht und zwei Umlenkrollen (meist genutzt für die KUKATE)
- eine zwischen Steuerfahne und Abspannarm eingehängte Feder
Ein einfaches Regelgewicht auf einer Umlenkrolle erzeugt in erster Näherung eine konstante und eine Regelfeder, eine proportional zu Auslenkung zunehmende Rückstellkraft der Steuerfahne.
Die v-förmige Gewichtsaufhängung mit zwei Rollen erzeugt eine mit dem Auslenkungswinkel der Fahne progressiv zunehmende Rückstellkraft. Diese wünschenswerte anpassbare Regelung ist ein entscheidender Fortschritt – ohne die mittlere Technologie zu verlassen.
Mit der v-förmigen Gewichtssteuerung ist für Fachleute eine Kennlinien-Anpassungsmöglichkeit verfügbar. Sie reagiert sehr empfindlich und arbeitet trotzdem zuverlässig. Je größer der v-förmige Winkel zwischen den Seilen ist, an denen die Gewichtsrolle hängt, desto härter reagiert die Regelung.
Die beiden Filme zeigen das dynamische Regelverhalten der Steuer- und Seitenarmsteuerung:
Die Regelung des „Aus-dem-Wind-Drehens“ mit Steuerfahnen:
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Die Regelung des „Aus-dem-Wind-Drehens“ mit Steuerfahnen mit einfacher Gewichtsaufhängung:
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