DE10065548A1 - Windkraftanlage - Google Patents

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Windkraftanlage, die mit mehreren, an einer gemeinsamen Ständerkonstruktion (2) übereinander angeordneten, Rotorblattaggregaten (1) ausgerüstet ist. Darüber hinaus findet sich wenigstens ein Energiewandler (3) zur Konversion von Windenergie in andere Energieformen. Erfindungsgemäß sind die Rotorblattaggregate (1) als H-Rotoren (1) mit jeweils vertikal angeordneten Rotorblättern (4) ausgebildet, welche sich um eine gemeinsame vertikale Achse (A) drehen. Hierdurch wird ein besonders kompakter Aufbau realisiert, der sich an die Windgegebenheiten flexibel anpassen lässt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage, mit mehreren, an einer gemeinsamen Ständerkonstruktion übereinander angeordneten, Rotorblattaggregaten, und mit wenigstens einem Energiewandler zur Konversion von Windenergie in andere Energieformen.

Eine Windkraftanlage des eingangs beschriebenen Aufbaus wird im Rahmen der DE 198 05 667 A1 beschrieben. Hier sind Rotorblattaggregate verwirklicht, deren Rotorblätter sich in Vertikalebene drehen. Derartige Windkraftanlagen benötigen außerordentlich viel Bauvolumen, welches sich letztlich anhand des von den vertikal drehenden Rotor­ blättern beschriebenen Kreises bemisst. Außerdem sind solche Windkraftanlagen mit dem generellen Nachteil verbunden, dass zumeist Getriebe verwirklicht werden müssen, um den oder die Energiewandler antreiben zu können. Das ist einer einfachen Ausgestaltung abträglich.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Windkraftanlage des eingangs beschriebenen Aufbaus so weiter zu bilden, dass ein einfacher und kompakter Aufbau gegeben ist, welcher sich flexibel an unterschiedliche (geographisch bedingte) Windverhältnisse anpassen lässt.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung bei einer gattungsgemäßen Windkraftanlage vor, dass die Rotorblatt­ aggregate als H-Rotoren mit jeweils vertikal angeordneten Rotorblättern ausgebildet sind, welche sich um eine beabstandete gemeinsame vertikale Achse in übereinander liegenden Horizontalebenen drehen. Diese H-Rotoren verfügen zumeist über zwei oder drei vertikal verlaufende Rotor­ blätter, die üblicherweise gleichlang ausgebildet sind und mit zugehörigen Verstrebungen zur Aufhängung an der Ständerkonstruktion die beschriebene H-Form in Seiten­ ansicht darstellen. H-Rotoren ermöglichen eine regelmäßig getriebelose Anbindung an einen zugehörigen Energiewandler, wenn jedes Rotorblattaggregat mit einem eigenen Energie­ wandler ausgerüstet ist, was größtenteils verwirklicht ist. Ebenso findet sich pro Rotorblattaggregat zumeist eine eigene Bremseinheit, um die jeweiligen Rotorblattaggregate unabhängig voneinander festsetzen zu können.

Jedenfalls zeichnen sich H-Rotoren durch geringe mecha­ nische Reibungsverluste aus und die Tatsache, dass die zugehörigen Rotorblätter in der Regel nicht verstellt werden müssen und wartungsarm arbeiten. Hinzu kommt, dass eine Windrichtungsnachführung üblicherweise entfallen kann, wie sie bei den Rotorblattaggregaten mit den eine senkrechte Ebene beschreibenden rotierenden Rotorblättern fast obligatorisch ist.

Außerdem baut eine solche Windkraftanlage äußerst kompakt, wenn die Rotorblattaggregate an einem gemeinsamen Turm in übereinanderliegenden Horizontalebenen angeordnet sind bzw. aufgehängt werden. Denn die Rotorblätter sämtlicher Rotor­ blattaggregate beschreiben in der Regel bei ihrer Drehung einen Zylindermantel mit übereinstimmendem Radius und gegebenenfalls deckungsgleicher Mantellänge. Folglich können die einzelnen (gleichgroßen) Zylindermäntel überein­ ander (mit geringem Abstand) angeordnet werden und bilden im Ergebnis eine Art Röhre, welche von den übereinander angeordneten Rotorblattaggregaten beschrieben wird.

Das ist äußerst kompakt und führt dazu, dass sich mit nicht all zu großen Turmhöhen bereits akzeptable Leistungen erzeugen lassen. Dadurch wird das Landschaftsbild kaum gestört. Im Übrigen kommt es nicht (mehr) zu störenden Discoeffekten (die man bei Vertikalrotoren der eingangs beschriebenen Gestaltung durch die turnusmäßige Sonnen­ abschattung beobachtet. Zwar treten auch bei der erfin­ dungsgemäßen Windkraftanlage Schatteneffekte auf. Deren Muster und Wiederholungssequenz ist jedoch äußerst komplex und wirkt eher beruhigend als störend. Das gilt im Übrigen auch für das Gesamtbild der betreffenden Windkraftanlage.

Grundsätzlich liegen auch Ausgestaltungen im Rahmen der Erfindung, die auf unterschiedlich große Zylindermäntel zurückgreifen, die von den jeweiligen Rotorblattaggregaten bzw. deren Rotorblättern beschrieben werden.

Um statische und dynamische Belastungen auf den gemeinsamen Turm so gering als möglich einzustellen, rotieren die Rotorblattaggregate zumeist mit wechselndem Drehsinn und vorzugsweise mit unterschiedlichen Drehfrequenzen um ihre (gemeinsame) vertikale Achse. Selbstverständlich liegt auch ein übereinstimmender Drehsinn ebenso wie eine jeweils deckungsgleiche Drehfrequenz im Rahmen der Erfindung.

Üblicherweise werden die H-Rotoren bzw. Rotorblattaggregate jedoch so ausgelegt und betrieben, dass die Drehfrequenzen vom Fuß des Turmes bis zur Spitze stetig ansteigen. So schlägt die Erfindung u. a. eine Windkraftanlage vor, die auf drei übereinander angeordnete Rotorblattaggregate zurückgreift. Dann ist es denkbar, beispielsweise das fußseitige bzw. unterste Rotorblattaggregat mit 26 U/min zu betreiben, während das darüber befindliche mittlere Rotorblattaggregat 28 U/min vollführt. Das schließlich kopfseitig vorgesehene Rotorblattaggregat dreht sich dagegen 30 mal in der Minute.

Eine solche Verteilung der Drehfrequenzen über die Höhe des Turmes stellt sich meistens zwangsläufig ein, wenn jeweils Rotorblätter gleicher Länge zum Einsatz kommen, die bei gleicher Anzahl auch noch in gleichem Abstand von ihrer gemeinsamen Achse angeordnet sind. Denn die beschriebenen Drehfrequenzen spiegeln letztlich die Verteilung der Windgeschwindigkeiten in Erdnähe wider, und zwar mit der geringsten Geschwindigkeitskomponente direkt oberhalb der Erdoberfläche und mit zunehmendem Abstand stetig wachsender Geschwindigkeit. Selbstverständlich können die Drehfre­ quenzen auch gleich gewählt werden, was man beispielsweise durch eine zunehmende Vergrößerung der Windangriffsfläche in Richtung auf die Erdoberfläche, d. h. durch jeweils längere (oder breitere) Rotorblätter in Erdnähe, erreicht.

Um jedoch die dynamischen Belastungen des Turmes im Ganzen so gering als möglich zu halten und insbesondere das gefürchtete Aufschaukeln durch eine gleichphasige Anregung mit Hilfe der Rotorblattaggregate zu verhindern, wird meistens mit unterschiedlichen Drehfrequenzen und zusätzlich noch wechselndem Drehsinn von Rotorblattaggregat zu Rotorblattaggregat gearbeitet.

Die Herstellungskosten für die gesamte Windkraftanlage lassen sich vorteilhaft dann reduzieren, wenn der Turm modular aufgebaut ist. In diesem Zusammenhang schlägt die Erfindung vor, dass ein Rotorblattaggregat zusammen mit einem Turmabschnitt jeweils ein Modul formt, wobei die Module zum Turm beliebig zusammengefügt werden können. Bei dieser Variante sind also in der Regel die Energiewandler, die jeweiligen Turmabschnitte und die zugehörigen Rotor­ blattaggregate jeweils gleich ausgeführt und lassen sich in der Art eines Stecksystems modular zum Turm zusammensetzen. Dieser kann dadurch den herrschenden Windverhältnissen optimal angepasst werden.

Wenn es die Statik und die auftretenden Windgeschwindig­ keiten erlauben, so kann auch mit zwei oder mehr Energie­ wandlern pro Rotorblattaggregat gearbeitet werden, wobei die beiden Energiewandler koaxial übereinander und anein­ ander anschließend angeordnet sind, und wobei die beiden Energiewandler jeweils mit einem eigenen Rotorblattaggregat ausgerüstet sind. Die Rotorblätter dieser jeweiligen Rotor­ blattaggregate bilden in vertikaler Aufsicht einen Versatz zueinander, um eine möglichst große Windangriffsfläche darstellen zu können, und Kollisionen der Rotorblätter untereinander zu verhindern.

Bei dem Energiewandler kann es sich grundsätzlich um jedwede Maschine handeln, die die Windenergie in eine andere Energieform konvertiert. So ist es an dieser Stelle selbstverständlich denkbar, auf einen als Druckluftmotor, insbesondere Druckluftkolbenmotor, arbeitenden Energie­ wandler zurückzugreifen, wie er im Rahmen der deutschen Patentanmeldung 100 42 020.6 beschrieben ist, auf die aus­ drücklich Bezug genommen sei. Daneben kommen hauptsächlich permanent- oder fremderregte elektrische Generatoren infrage, die elektrische Leistungen von mehreren 100 KW bis zu über 1 MW zur Verfügung stellen. Die Länge der Rotor­ blätter kann beispielhaft - aber nicht einschränkend - 40 m betragen. In diesem Zusammenhang haben sich Rotordurch­ messer von 75 m als vorteilhaft erwiesen. Wenn pro Rotorblattaggregat jeweils drei Rotorblätter der angegebenen Länge eingesetzt werden, so ergibt sich eine wirksame Rotorfläche von jeweils ca. 3000 m² pro Rotorblattaggregat. Die Gesamthöhe ist auf 150 m begrenzt, wobei insgesamt ca. 4,5 bis 5 MW erzeugt werden können. Selbstverständlich liegen auch andere Auslegungen im Rahmen der Erfindung. Die vorgenannten Werte sind also nur als Beispiele anzusehen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher er­ läutert; es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Windkraftanlage in schema­ tischer Seitenansicht und

Fig. 2 eine Variante der Fig. 1 anhand eines Rotorblatt­ aggregat es in vertikaler Aufsicht.

In den Figuren ist eine Windkraftanlage dargestellt, die mit mehreren Rotorblattaggregaten 1 ausgerüstet ist. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels sind drei Rotorblatt­ aggregate 1 vorgesehen. Selbstverständlich können auch nur zwei oder aber auch vier oder mehr Rotorblättaggregate 1 verwirklicht werden. Die drei Rotorblattaggregate 1 sind im Rahmen der Darstellungen an einer gemeinsamen Ständer­ konstruktion 2 übereinander angeordnet, bei welcher es sich vorliegend um einen durchgängigen Turm 2 handelt. Schließlich gehören zum grundsätzlichen Aufbau drei Energiewandler 3, welche jedem Rotorblattaggregat 1 zugeordnet sind.

Der Turm 2 ist im Rahmen des Ausführungsbeispiels modular aufgebaut und setzt sich aus drei Turmabschnitten 2a, 2b und 2c zusammen, die im wesentlichen gleich aufgebaut sind, also überwiegend gleiche Länge, gleichen Durchmesser, übereinstimmende Anschlussflansche usw. aufweisen. Jeder der drei Turmabschnitte 2a, 2b und 2c formt zusammen mit dem zugehörigen Rotorblattaggregat 1 und dem betreffenden Energiewandler 3 ein Modul 1, 2a und 3, 1, 2b und 3 sowie 1, 2c und 3. Auch für diese Module 1, 2a bis 2c und 3 gilt, dass sie jeweils gleich aufgebaut sind, was die wesent­ lichen Komponenten und die zugehörigen Anschlüsse untereinander angeht. Auf diese Weise können die Module 1, 2a bis 2c, 3 beliebig zu der gesamten Windkraftanlage kombiniert werden. Auch gestaltet sich ein Austausch einzelner defekter Teile eines jeweiligen Moduls 1, 2a bis 2c und 3 äußerst problemlos und kostengünstig.

Anhand der Fig. 1 erkennt man, dass die Rotorblattaggregate 1 als H-Rotoren 1 mit jeweils vertikal angeordneten Rotorblättern 4 ausgebildet sind. Diese Rotorblätter 4 drehen sich mit Abstand um eine gemeinsame vertikale Achse A. Diese vertikale Achse A fällt nach dem Ausführungs­ beispiel mit der Mittelachse des Turmes 2 zusammen, kann jedoch grundsätzlich auch hiervon abweichend gestaltet sein. Bei ihrer Drehung beschreiben die Rotorblätter 4 jeweils eine Horizontalebene H₁, H₂ und H₃. Die Horizontal­ ebenen H₁, H₂ und H₃ liegen gleich beabstandet über­ einander.

Die Rotorblätter 4 weisen im Rahmen der dargestellten Ausführungsform jeweils gleiche Länge L auf und sind mit übereinstimmendem Abstand R im Vergleich zur vertikalen Achse A bzw. zum Turm 2 an diesem aufgehängt. Hierzu dienen Streben 5, die mit dem zugehörigen Rotorblatt 4 in Seitenansicht jeweils ein gleichschenkliges Dreieck beschreiben.

Die jeweils drei Rotorblätter 4 pro Rotorblattaggregat 1 definieren bei ihrer Drehung um die vertikale Achse A jeweils einen Zylindermantel mit Radius R und Mantellänge L. Da die Rotorblätter 4 jeweils gleiche Länge L und gleichen Abstand R zum Turm 2 aufweisen, sind auch die von den Rotorblattaggregaten 1 jeweils beschriebenen Zylinder­ mäntel gleichgroß ausgestaltet und formen praktisch eine den Turm 2 im Zentrum einhüllende Röhre.

Damit die statischen und insbesondere dynamischen Belastungen des Turmes 2 auf ein Minimum reduziert werden und insbesondere ein Aufschaukeln im Sinne von Resonanz­ erscheinungen unterdrückt wird, rotieren die Rotorblatt­ aggregate 1 im Rahmen des Ausführungsbeispiels mit wechselndem Drehsinn. In gleicher Weise wirkt der Umstand, dass die Rotorblattaggregate 1 mit unterschiedlichen Drehfrequenzen um ihre vertikale Achse A rotieren, wobei die geringste Drehfrequenz in Bodennähe erreicht wird, während die höchsten Drehfrequenzen an der Spitze des Turmes 2 beobachtet werden.

Jedes Rotorblattaggregat 1 ist nicht nur mit einem eigenen Energiewandler 3, sondern auch mit einer eigenen und nicht ausdrücklich dargestellten Bremseinheit ausgerüstet. Dies deshalb, um das jeweilige Rotorblattaggregat 1 bei Fehlfunktionen gegebenenfalls unabhängig von den anderen Rotorblattaggregaten 1 festsetzen zu können. Darüber hinaus lässt sich eine solche Bremseinheit vorteilhaft dazu einsetzen, bei einem eventuellen Aufschaukeln des Turms 2 dafür zur sorgen, dass Anregungen vom zugehörigen Rotorblattaggregat 1 minimiert oder gänzlich unterbunden werden.

Im Rahmen der Variante nach Fig. 2 sind zwei Energiewandler 3 pro Rotorblattaggregat 1 vorgesehen. Die beiden Energiewandler 3 sind übereinander und aneinander anschließend angeordnet, wobei sie jeweils mit einem eigenen Rotorblattaggregat 1 ausgerüstet sind. Die Rotor­ blätter 4 des zugehörigen Rotorblattaggregates 1 sind in vertikaler Aufsicht nach der Fig. 2 zueinander versetzt angeordnet, um Kollisionen zu vermeiden und den zur Verfügung stehenden Wind optimal ausnutzen zu können.

Claims (8)

1. Windkraftanlage, mit mehreren, an einer gemeinsamen Ständerkonstruktion (2) übereinander angeordneten, Rotor­ blattaggregaten (1), und mit wenigstens einem Energie­ wandler (3) zur Konversion von Windenergie in andere Energieformen, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblattaggregate (1) als H-Rotoren (1) mit jeweils vertikal angeordneten Rotorblättern (4) ausgebildet sind, welche sich um eine beabstandete gemeinsame vertikale Achse (A) in übereinander liegenden Horizontalebenen drehen.

2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Rotorblattaggregate (1) an einem gemeinsamen Turm (2) angeordnet sind.

3. Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter (4) sämtlicher Rotorblattaggregate (1) bei ihrer Drehung einen Zylinder­ mantel mit übereinstimmendem Radius (R) und gegebenenfalls deckungsgleicher Mantellänge (L) beschreiben.

4. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblattaggregate (1) mit übereinstimmendem oder wechselnden Drehsinn rotieren.

5. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Turm (2) modular aufgebaut ist, wobei ein Rotorblattaggregat (1) zusammen mit einem Turmabschnitt (2a, 2b, 2c) ein Modul (1, 2a, 2b, 2c) bildet, und wobei die Module (1, 2a, 2b, 2c) zum Turm (2) beliebig zusammengefügt werden können.

6. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Rotorblattaggregat (1) mit einem eigenen Energiewandler (3) und einer eigenen Bremseinheit ausgerüstet ist.

7. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Energiewandler (3) pro Rotorblattaggregat (1) vorgesehen sind, wobei die beiden Energiewandler (3) koaxial übereinander und aneinander anschließend angeordnet sind, und wobei die beiden Energiewandler (3) jeweils mit einem eigenen Rotorblattaggregat (1) ausgerüstet sind, deren Rotorblätter (4) in vertikaler Aufsicht zueinander versetzt angeordnet sind.

8. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblattaggregate (1) mit unterschiedlichen Drehfrequenzen um ihre vertikale Achse (A) rotieren.