DE10010792A1 - Windkraftanlage mit vertikalem Rotationskörper - Google Patents

Abstract

Eine Windkraftanlage mit einem um eine vertikale Achse 5 drehbaren Rotor 2 verfügt über einen Generator 6, dessen Stator 10 mit dem Turm 7 und dessen Läufer 11 bzw. Gehäuse 12 mit dem Rotor 2 verbunden ist. Der Synchrongenerator ist mit einer Vielzahl Dauermagneten in unpoliger Anordnung der Polpaare ausgerüstet und in Wechselstromtechnik betreibbar ausgeführt. Neben einer vorteilhaften geringeren Baugröße als bei bekannten Windkraftanlagen zeichnet sich diese Windkraftanlage 1 durch geringe Geräuschbelastung, den Wegfall eines Getriebes und damit aufwendiger Hydraulik- und Getriebeölwartung und damit auch insgesamt durch ein reduziertes Gesamtgewicht aus. Auf erprobte Bauteile aus der Solartechnik kann vorteilhaft zurückgegriffen werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem um eine vertikale Achse drehbaren Rotor mit mehreren annähernd radial angeordneten Rotorblättern und einem auf einem stabförmigem Turm angeordneten Generator.

Windkraftanlagen nutzen die kinetische Energie des Windes aus, wobei sie im Wesentlichen aus einem Windrad, das sich im Winde dreht, bestehen. Derartige Wind­ kraftanlagen dienen zur Be- und Entwässerung, zur Wasserversorgung, zum Antrieb von Mühlen oder auch immer mehr zur Erzeugung elektrischer Energie. Neben den von einem Propeller mit horizontaler Welle angetriebenen Windkraftanlagen sind auch solche mit vertikaler Rotationsachse bekannt. Hier ist der sogenannte Darrieus-Rotor zu nennen, wie auch ein aus der EP 0 317 618 bekannter Rotor. Der Wirkungsgrad sol­ cher Windkraftanlagen ist geringer, doch sind sie von der Windrichtung unabhängig und erheblich günstiger herzustellen und eignen sich vor allem für die dezentrale Ener­ gieversorgung. Bei der bekannten Windkraftanlage verfügt der Rotor über mindestens drei im Wesentlichen radial angeordnete Rotorblätter, die den Rotor in gleich große Sektoren unterteilen, wobei die einzelnen Rotorblätter in mehrere Teilblätter vertikal unterteilt sind. Über die Ausnutzung der Windenergie finden sich keine Hinweise, der Generator ist offenbar unterhalb des eigentlichen Rotors angeordnet und es wird wie auch bei den übrigen Windkraftanlagen üblich ein Getriebe benötigt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen klein bauenden und ohne Getriebe arbeitenden Generator für Windkraftanlagen zu schaffen.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass der Generator mit einem dem Turm zugeordneten Stator und einem dem mit dem Rotor verbundenen Gehäuse zugeordneten Läufer ausgerüstet ist, der mit dem Rotor koppelbar ausgebildet ist und dass der Synchrongenerator eine Vielzahl von Dauermagneten in unpoliger Anordnung der Polpaare aufweist und in Wechselstromtechnik betreibbar ausgeführt ist.

Der Generator wird mit Dauermagneten bestückt und in Wechselstromtechnik betrieben, wodurch es möglich ist, die Baugröße um den Faktor 1 : 3 zu reduzieren. Bei einer herkömmlichen Windkraftanlage wird ein Generator von 1 m Durchmesser benötigt, während aufgrund der erfindungsgemäßen Lösung bei gleicher Leistung ein Generator von rund 0,3 m zum Einsatz kommt. Besonders vorteilhaft ist aber, dass der Generator bzw. die Windkraftanlage ohne Getriebe arbeitet und auch ohne aufwendige Hydraulikanlagen, sodass die Windkraftanlage insgesamt ein erheblich reduziertes Ge­ samtgewicht aufweist, das sich auch auf den Turm und das gesamte Fundament vorteil­ haft auswirkt. Der erzeugte Strom kann direkt am Generator abgenommen und zum Einsatz gebracht werden. Die geringen Drehzahlen ermöglichen es, eine derartige Windkraftanlage praktisch ohne jede Wartung auf Dauer zu betreiben. Als weiterer Vorteil ist zu nennen, dass die unpolige Anordnung der Polpaare zwischen Stator und Rotor bei einem langsam laufenden permanent erregten Synchrongenerator einen gleich­ mäßigen Dauerbetrieb von 10-140 U/min erbringt, wobei der sonst übliche Kraftauf­ wand bei Permanentgeneratoren vom Stillstand in eine Drehbewegung aufgrund der unpoligen Anordnung entfällt. Insgesamt ist somit eine Windkraftanlage geschaffen, die sich nicht nur an dezentralen Standorten vorteilhaft betreiben lässt, sondern praktisch auch an jedem beliebigen anderen Standort.

Eine zweckmäßige Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass die Dauermagneten eine Stabform aufweisen und entsprechend eingesetzt sind. Über diese besondere Aus­ bildung der Dauermagneten ist es möglich, die schon erwähnte Reduzierung der Bau­ größe zu erreichen, wobei zusätzlich eine sehr dichte und geschickte Anordnung der Dauermagneten und Wicklungen erreicht ist, sodass eine Vielzahl von Polen für einen derartigen Generator zu verwirklichen sind.

Als besonders zweckmäßig hat sich herausgestellt, den Generator auf 64 Pole auszulegen, wobei die maximale Drehzahl noch einmal um den Faktor 1 : 2 gesenkt werden kann. Somit beträgt die Drehzahl bei kleineren Anlagen bis ca. 10 kW 187- 375 U/min, während sie hier nur rund 93 U/min bei gleicher Leisung erfordert.

Aufgrund der besonderen Bauweise und der Zuordnung des Stators zum Turm und des Läufers zum Rotor kann auch der gesamte mechanische Aufbau der Windkraft­ anlage vereinfacht werden. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass für den Läufer eine Zweipunktlagerung vorgesehen ist. Aufgrund dieser Ausbildung und der deutlich verringerten Lagerbelastung erhöht sich die Standzeit derartiger Windkraftanlagen und - was nicht zu vernachlässigen ist - die Windgeräusche reduzieren sich um einen Faktor 1 : 4. Gerade in Wohnbereichen ist somit erstmals die Möglichkeit gegeben, derartige Windkraftanlagen einzusetzen, was ansonsten wegen der hohen Geräuschbelastung bei herkömmlichen Windkraftanlagen nicht zulässig ist.

Einmal um das Gewicht zu reduzieren und zum anderen um die nötigen Leitun­ gen sicher und gut unterzubringen, ist vorgesehen, dass der Körper des Stators einen zumindest im unteren Endstück rohrförmigen Kern aufweist, auf den sich der Läufer haubenförmig abstützt und der in den Turm übergehend oder als dessen Teil ausgebildet ist. Die gesamte Windkraftanlage kann somit komprimiert bzw. kompakt ausgebildet werden, wobei wie schon erwähnt der drehende Läufer und der darin untergebrachte rohrförmige Kern sich durch geringe Baumaße auszeichnen.

Der sichere und ruhige Lauf des Rotors und des zugeordneten Läufers des Ge­ nerators erreicht man insbesondere auch dadurch, dass im Läufer innenseitig eine das nockenförmige Ende des Kerns des Stators aufnehmende Ausnehmung vorgesehen ist, die gleichzeitig das obere Lager stützend stufenförmig ausgebildet ist. Der Läufer ist insgesamt U-förmig oder haubenförmig ausgebildet und überdeckt den Kern des Sta­ tors, sodass vom Prinzip her eigentlich ein einziges Lager schon ausreichend wäre; das untere Lager ist vorgesehen, um die Aufnahme der Extremkräfte abzusichern.

Eine elektronische, hydraulische und mechanische Verstellung der Rotorblätter ist bei der erfindungsgemäßen Windkraftanlage nicht erforderlich, weil der Generator mehrere, vorzugsweise acht verschiedene, auf unterschiedliche Windstärken abgestufte Wicklungen aufweist. Somit ist es möglich, bei geringen Windstärken den Generator in Teilbereichen zu 100 Prozent auszulasten. Bei zunehmender Windstärke addieren sich die Teilbereiche so, dass immer eine optimale Ausnutzung der zum Zeitpunkt anstehen­ den Windstärke gewährleistet ist.

Bei bekannten Windkraftanlagen kommt es aufgrund der Anordnung der Dauer­ magnete zum nachteiligen Polrasten. Bei der erfindungsgemäßen Lösung dagegen ist vorgesehen, dass die Dauermagnete unter Vermeidung des Polrastens gerade zum Stator angeordnet sind, wobei durch die genauestens berechneten Polabstände zwischen Stator und Rotor diese das Polrasten vermeidende Anordnung der Dauermagnete möglich wird.

Weiter vorne ist bereits darauf hingewiesen worden, dass sich die vorliegende Erfindung dadurch auszeichnet, dass die Baugröße des Generators deutlich reduziert werden kann. Dieser Vorteil wird weiter dadurch optimiert, dass mehrere Generatoren ineinander geschachtelt und/oder übereinander eine kompakte Einheit bildend angeord­ net sind. Vorteilhaft ist es somit möglich, mehrere unabhängig voneinander wirkende Generatorsysteme zu einer Einheit zusammenzufügen und damit noch höhere Leistun­ gen auf kleinstem Platz zu erbringen.

Bei Anordnung bzw. Einsatz mehrerer, unabhängig voneinander wirkender Ge­ neratorsysteme ist vorgesehen, dass die Generatoren über entsprechend angeordnete Gleichrichtersysteme zur gemeinsamen Leistungsabgabe anregbar ausgebildet sind, um auf diese Art und Weise mit den unpoligen Synchrongeneratoren eine gleichmäßige Leistung abnehmen zu können.

Zur gleichmäßigen Leistungsabgabe ist weiter vorgesehen, dass die Wicklungen im Stator so veränderbar sind, dass bei niedriger Umdrehungsgeschwindigkeit vorbe­ stimmte Leistungen zu erbringen sind. Bei geringerer Leistung werden dünnere Drähte, bei größerer Leistung dickere Drähte für die Wicklungen verwendet.

Die Gesamtbauhöhe einer derartigen Windkraftanlage kann nach einer zweck­ mäßigen Ausbildung noch dadurch reduziert werden, dass der Generator in den Rotor integriert angeordnet ist, wobei der Läufer Teil der Rotorblätter ist und der Stator als Achse dient. Der Läufer dreht um den als Achse oder Teilachse dienenden Stator, wo­ bei die Rotorblätter entsprechend ausgespart oder aber weiter ausladend ausgebildet sind. In der Regel wird es aber ausreichen, den Generator ohne Änderung des Rotors zu integrieren, schon weil die Bauhöhe des Generators deutlich geringer als die des Rotors ist, sodass ausreichend Möglichkeiten zum "Einfangen des Windes" gegeben sind.

Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass durch die horizonta­ le Anordnung nur eine Zweipunktlagerung erforderlich ist. Diese Zweipunktlagerung und die geringen Drehzahlen führen dazu, dass man praktisch ohne Wartung aus­ kommt. Vorteilhaft ist weiter, dass kein Hydraulik- und Getriebeöl benötigt wird, so­ dass auch eine Umweltverschmutzung ausgeschlossen werden kann, selbst wenn es mal zu Schäden an der Windkraftanlage kommen sollte. Durch die Optimierung des Genera­ tors und den Wegfall von Drehkränzen, Getrieben und Hydraulikanlagen kann darüber hinaus das Gesamtgewicht deutlich reduziert werden, sodass man mit einem schlanke­ ren Turm und einem einfacheren Aufbau auskommen kann. Die erzeugte elektrische Energie ist so bemessen, dass man auf erprobte Bauteile aus der Solartechnik oder auch der Seeschifffahrt zurückgreifen kann, sodass aufwendige Entwicklungskosten entfallen. Aufgrund der besonderen Ausbildung, des ruhigen Laufes und der sonstigen geschilder­ ten Vorteile ist es möglich, die entsprechende Windkraftanlage im Haushaltsnetz sowie auch im Inselbetrieb oder in Kombination einzusetzen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit den dazu notwendigen Einzelheiten und Einzelteilen dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine Windkraftanlage in Seitenansicht und in ver­ einfachter Darstellung,

Fig. 2 eine Windkraftanlage mit intrigiertem Generator und

Fig. 3 den Generator im Schnitt.

Eine auf einem einfachen Turm 7 aufgeständerte Windkraftanlage 1 ist verein­ facht in Fig. 1 wiedergegeben. Der oben auf dem Turm aufsitzende Rotor 2 verfügt über mehrere, beispielsweise drei Rotorblätter 3, 4, die wie beim Stand der Technik in mehrere Teilblätter vertikal unterteilt sein können. Dieser Rotor 2 dreht um die senk­ rechte Achse 5, sodass unabhängig von der Windrichtung die Windkraft immer voll ausgenutzt werden kann. Aufgrund dieser besonderen Ausbildung des Rotors 2 kann der Generator 6 unmittelbar unter dem Rotor 2 oder wie Fig. 2 verdeutlicht auch in den Rotor 2 integriert angeordnet werden.

Der Generator 6 verfügt über den dem Turm 7 zugeordneten Stator 10 sowie den mit dem Rotor 2 verbundenen Läufer 11. Der Läufer 11 ist in ein U-förmiges oder haubenförmiges Gehäuse 12 eingesetzt, das beispielsweise über die Schrauben 13 mit dem Gehäuse des Rotors 2 verbunden werden kann.

Der Generator 6 ist mit Dauermagneten 14, 15 bestückt und wird in Wechsel­ stromtechnik betrieben. Er ist auf insgesamt 64 Pole ausgerüstet und bringt schon bei Umdrehungen von etwas über 90 U/min eine gleichmäßige Leistung von beispielsweise 10 kW.

Während gemäß Fig. 1 der Generator 6 unterhalb des Rotors 2 und damit quasi zwischen Rotor 2 und Turm 7 angeordnet ist, ist er nach Fig. 2 in eben diesen Rotor 2 integriert. Auch hier ist der Stator 10 mit dem Turm 7 verbunden oder ist Teil des Turmes 7, während der Läufer 11 mit den entsprechenden drehenden Teilen des Rotors 2 verbunden wird.

Fig. 3 deutet die integrierte Anordnung nach Fig. 2 an, wobei hier allerdings der Rotor 2 wie schon erwähnt nur angedeutet ist. Vom Aufbau sind beide Ausführun­ gen gleich. Erkennbar ist, dass hier eine einfache und wenig aufwendige Zweipunkt­ lagerung 16 zum Einsatz kommt, wobei das obere Lager 17 in eine Ausnehmung und zwar in eine gestuft ausgebildete Ausnehmung 22 des Gehäuses 12 eingebracht ist, wobei in diese Ausnehmung 22 auch noch das nockenartige Ende 21 des rohrförmigen Kerns 20 des Körpers 19 des Stators 10 miteingreift. Mit 26 ist ein Distanzring be­ zeichnet, der ebenso zum feststehenden Teil also zum Stator 10 gehört, wie auch das obere Lager 17 und das untere Lager 18.

Erkennbar ist an Hand der Fig. 3, dass der haubenförmige oder U-förmig ausgebildete Läufer 11 die entsprechenden Teile des Stators 10 abdeckend und umfas­ send angeordnet ist, wobei die Platte 11' das Gesamtgehäuse 12 abschließt und auch das untere Lager 18 mitaufnimmt. Durch diese Form des Gehäuses 12 ist einmal eine vorteilhafte Anordnung und Ausbildung der Dauermagneten 14, 15 möglich und dar­ über hinaus die günstige und einfache Anordnung der Zweipunktlagerung 16. Darüber hinaus ist so die Möglichkeit gegeben, den Generator 6 oder besser gesagt sein Gehäuse 2 einfach und sicher mit dem eigentlichen Rotor 2 zu verbinden, sodass sich dieser mit dem Gehäuse 12 und damit mit dem Läufer 11 gleichmäßig dreht, abgesichert durch die Zweipunktlagerung 16.

Das untere Endstück 23 des Kerns 20 ist rohrförmig ausgebildet, sodass die Leitungen 27 günstig gelagert bis zum Fuß 8 des Turms 7 geführt angeordnet werden können, wo dann die Weiterleitung oder die Stromabnahme erfolgt. Dieses untere End­ stück 23 ermöglicht den Anschluss der Leitung 27 direkt an die Schaltplatine 28, sodass der von den Wicklungen 24, 25 abgenommene Strom sicher abzuführen ist.

Zur Verbindung der einzelnen Teile, d. h. des Rotors 2 mit dem Gehäuse 12 dienen Schrauben 13, wobei auch die untere Platte 11' an das haubenförmige Gehäuse 12 über Schrauben 13' angeschlagen ist. Auf diesem drehenden Teil des Gehäuses 12 bzw. des Läufers 11 liegt die nicht mitdrehende Schaltplatine 28 auf.

Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden, werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen.

Claims (12)

1. Windkraftanlage mit einem um eine vertikale Achse (5) drehbaren Rotor (2) mit mehreren annähernd radial angeordneten Rotorblättern (3, 4) und einem auf einem stabförmigen Turm (7) angeordneten Generator (6), dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (6) mit einem dem Turm (7) zugeordneten Stator (10) und einem dem mit dem Rotor (2) verbundenen Gehäuse (12) zugeordneten Läufer (11) ausgerü­ stet ist, der mit dem Rotor (2) koppelbar ausgebildet ist und dass der Synchrongenera­ tor (6) eine Vielzahl von Dauermagneten (14, 15) in unpoliger Anordnung der Polpaare aufweist und in Wechselstromtechnik betreibbar ausgeführt ist.

2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagneten (14, 15) eine Stabform aufweisen und entsprechend eingesetzt sind.

3. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (6) auf 64 Pole ausgelegt ist.

4. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Läufer (11) eine Zweipunktlagerung (16) vorgesehen ist.

5. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (19) des Stators (10) einen zumindest im unteren Endstück (23) rohr­ förmigen Kern (20) aufweist, auf den sich der Läufer (11) haubenförmig abstützt und der in den Turm (7) übergehend oder als dessen Teil ausgebildet ist.

6. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Läufer (11) innenseitig eine das nockenförmige Ende (21) des Kerns (20) des Stators (10) aufnehmende Ausnehmung (22) vorgesehen ist, die gleichzeitig das obere Lager (17) stützend stufenförmig ausgebildet ist.

7. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (6) mehrere, vorzugsweise acht verschiedene, auf unterschiedliche Windstärken abgestufte Wicklungen (24, 25) aufweist.

8. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagnete (14, 15) unter Vermeidung des Polrastens gerade zum Stator (10) angeordnet sind.

9. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Generatoren (6) ineinander geschachtelt und/oder übereinander eine kom­ pakte Einheit bildend angeordnet sind.

10. Windkraftanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatoren (6) über entsprechend angeordnete Gleichrichtersysteme zur ge­ meinsamen Leistungsabgabe anregbar ausgebildet sind.

11. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (24, 25) im Stator (10) so veränderbar sind, dass bei niedriger Umdrehungsgeschwindigkeit vorbestimmte Leistungen zu erbringen sind.

12. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (6) in den Rotor (2) integriert angeordnet ist, wobei der Läufer (11) Teil der Rotorblätter (3, 4) ist und der Stator (10) als Achse (5) dient.