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Die Erfindung betrifft einen getriebelosen Windenergiekonverter mit einem Rotorblatt. Windenergiekonverter ohne Getriebe dienen der Umsetzung der kinetischen Energie des Windes in elektrische Energie und sind insbesondere für Konverter großer Leistungen im Megawattbereich geeignet. Windenergiekonverter mit und ohne Getriebe sind bekannt; zum Stand der Technik zählen auch Einblattwindenergiekonverter mit Getriebe.
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Nachfolgend wird der Stand der Technik erläutert.
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In der Schrift
DE 32 27 700 C2 ist ein Einblattwindkonverter beschrieben, der mit einem Rotorblatt und einem Gegengewicht sowie einem Getriebe am Ende der Rotorwelle ausgerüstet ist und sich im Übrigen der Stallregelung bedient. Die hervorgehobene elastische Schwingung des Rotorblattes ist zwischenzeitlich als untauglich erkannt worden. Schon die Konstruktion des „Growian” offenbarte diesen Nachteil, dessen Ursachen in der Veröffentlichung Erich Hau: Windkraftanlagen, 3. Auflage, Seiten 262 bis 266, nachgewiesen wurden. Weiterhin ist die gleichförmige rechteckige Rotorblattausführung, insbesondere für große Windenergieanlagen, als ungeeignet verworfen worden.
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In der Schrift
DE 32 21 422 C3 ist ein Einblattrotor vorgeschlagen worden, der mindestens zwei Gegengewichte aufweist. Dieser Einblattrotor ist mit elastischen Elementen ausgerüstet, die als Torsionsfedern ausgebildet sein können. Auch diese aufwendige konstruktive Ausführung wird durch die technische Lehre der in dieser Schrift dargestellten Ausführung mit Vorteil ersetzt, weil zusätzliche Gegengewichte beachtliche dynamische und folgedessen auch statisch aufwendige Belastungen bewirken.
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Die Schrift
DE 196 18 225 A1 offenbart eine gegenläufige Ausführung des Generators, die auch Zahnräder beinhaltet. Die Getriebefreiheit ersetzt die Kraftübertragung allein durch die Induktion im elektrischen Feld ohne reibende Elemente. Eine Anwendung für den vorgeschlagenen Einblattrotor verfehlt dieses Ziel.
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In der Schrift
DE 197 11 869 A1 ist eine Erfindung für eine getriebefreie Windenergieanlage dargestellt, die für mindestens zwei Blätter geeignet erscheint. Die Blätter sind nicht drehbar um ihre eigene Achse ausgeführt. Die Erfindung beinhaltet eine Lehre nach der der Ringgenerator so ausgeführt ist, dass das Blatt des Windenergiekonverters nicht drehbar um die eigene Achse ausgeführt sein muss. Das ist nachteilig für die Regelung der Windenergieanlage. Abgesehen davon führt die konstruktive Ausführung zu dynamischen Problemen und ist nur für mindestens zwei Rotorblätter geeignet.
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In der Schrift
DD 256 169 B5 ist die nahe liegendste Lehre der getriebelosen Technik für Windenergiekonverter beschrieben. In diesem Patent sind alle grundlegenden Elemente der getriebefreien Technik dargestellt, die für mindestens zwei Blätter am Windenergiekonverter Gültigkeit haben. Die Realisierung eines Einblattwindenergiekonverters kann nach dieser Lehre allerdings auch nur mit einem zusätzlichen Gegengewicht erfolgen.
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Die bekannten Einblattrotoren sind wegen des Unwuchtausgleiches an Stelle der fehlenden Blätter am Rotor mit Gewichten versehen, die die Massen der fehlenden Blätter ersetzen. Diese technische Lösung ist für Einblattrotoren mit Getriebe technisch ausreichend gelöst. Auch Einblattrotoren ohne Getriebe sind auf Grund dieser Erfahrung bisher ebenfalls mit Gewicht ausgleichendem zusätzlichem Ballast an Stelle der fehlenden Blätter ausgerüstet worden.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, den zusätzlichen technischen Aufwand der zum Stand der Technik beschriebenen Gewichtsvermehrung vollständig zu eliminieren.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1. Die weiteren Ansprüche stellen zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lehre dar.
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Das grundlegend Neue des erfindungsgemäßen getriebelosen Windenergiekonverters ist die Lehre, den aerodynamischen Rotor und den elektrodynamischen Rotor so auszuführen, dass der zusätzliche Aufwand von Gewicht ausgleichenden Elementen entfällt. Das bedeutet, den elektrodynamischen Rotor so auszuführen, dass das Gewicht der fehlenden Blätter eines Zwei-, Drei- oder Vierblattrotors mit den weiteren vorhandenen Bauelementen, dem Blatt und dem Generator, ohne zusätzliche ausgleichende Bauelemente zu bewerkstelligen. Diese Lehre führt zu der erfindungsgemäßen Erkenntnis, das Rotorgewicht des Generators dem Gewicht des Rotorblattes anzugleichen und, vorzugsweise halbkreisförmig verteilt, dem Rotorblatt gegenüber anzuordnen.
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Erfindungsgemäß sind bei einem getriebelosen Windenergiekonverter mit horizontaler Konverterachse mit einem Rotorblatt und einem vielpoligen Generator Erregerspulen und/oder permanente Magnete des Rotors des vielpoligen Generators dem einem Rotorblatt gegenüber angeordnet, so dass kein zusätzlicher Gewichtsausgleich erforderlich ist und die aus dem einen Rotorblatt und dem Rotor gebildete konstruktive Einheit um die gemeinsame Konverterachse drehbar ist.
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In vorteilhafter Weise sind die Erregerspulen und/oder die permanenten Magnete des vielpoligen Generators dem Rotorblatt asymmetrisch gegenüber angeordnet und die Erregerspulen und/oder die permanenten Magnete teilweise mit Justiereinrichtungen ausgerüstet.
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Mit Induktionsspulen versehene Statorringe des Stators und die Erregerspulen und/oder die permanenten Magnete des Rotors des vielpoligen Generators können eine Vielzahl von scheibenförmigen Anordnungen bilden und in der gemeinsamen Konverterachse angeordnet sein und der so gebildete Rotor über ein oder zwei Rotorlager um diese gemeinsame Konverterachse rotieren. In vorteilhafter Weise ist das Konvertergehäuse begehbar. Der Rotor mit den Erregerspulen und/oder permanenten Magneten und das Rotorblatt können auch über nur ein Rotorlager gelagert sein.
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Vorteilhaft sind die Statorspulen mäanderförmig verspult und der Stator mit Hohlräumen zur Kühlung versehen.
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Durch diese einseitige aerodynamische Anordnung des Rotorblattes und unsymmetrische konstruktive Gestaltung der Erregung des Vielpolgenerators wird erreicht, dass der Gewichtsausgleich der fehlenden Blätter vollständig entfallen kann.
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Zum Zwecke der genauen Auswuchtung der Rotoren werden die elektromagnetischen Spulen und/oder permanenten Magnete teilweise mit Justiereinrichtungen versehen, die konstruktiv so angeordnet werden, dass durch die Veränderung der Zuordnung im Rotor der Gewichtsausgleich genau eingestellt werden kann.
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Die erfindungsgemäße Ausführung des Vielpolkonverters ist natürlich auf alle Größenordnungen von Einblattkonvertern anwendbar. Insbesondere aber ergeben sich für Windkonverter mit Leistungen von mehr als 5 MW besonders rationelle Vorteile, weil der Einblattkonverter ein Schnellläufer ist und durch die Erfindung als Folge der geringeren Polzahl und Einsparung von Gegengewichten eine wesentliche Vereinfachung des technischen Aufwandes erzielt wird und durch die besonders vorteilhaft gestaltbaren Gewichtszuordnungen ein ausgeglichener ruhiger Lauf des Rotors zu erreichen ist.
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Die Lehre zur Realisierung eines Einblattvielpolwindenergiekonverters liegt grundlegend darin begründet, dass dem Rotorblatt des Konverters kein Ausgleichgewicht zusätzlich zuzuordnen ist und der elektrodynamische Rotor so gestaltet ist, dass das Gegengewicht des Rotorblattes in dem so gestalteten Läufer des Generators vorhanden ist. Dieser Rotor ist so ausgeführt, dass die Erregermagnete nicht radial umfänglich gleichmäßig verteilt sind, sondern dem Rotorblatt gegenüber so verteilt angeordnet sind, dass deren Massen den Masseausgleich um die gemeinsame Rotorachse, nämlich den des aerodynamischen und des elektrodynamischen Rotors, gleichgewichtig realisieren.
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Es liegt auch im Sinne dieser Erfindung wenigstens zwei Erregerspulen oder mindestens zwei Erregermagnete so anzuordnen, das sie dem Rotorblatt gegenüber, um 120° versetzt, den Dreiblattrotor bereits günstig ersetzen.
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Natürlich liegt es auch im Sinne dieser Lehre nur eine Erregermasse dem Rotorblatt gegenüber anzuordnen. Diese konstrüktive Variante hat aber die Nachteile des Einblattrotors mit zusätzlichem Gegengewicht oder auch der dynamisch ungünstigen Lösung des Zweiblattrotors, obwohl das zusätzliche Gegengewicht bereits entfällt.
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Anhand von Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele erläutert.
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In den Zeichnungen zeigen:
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1 Schnitt durch den Turmkopf mit Generator und Einblattrotor,
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2 Konverter in Anströmrichtung (Windrichtung),
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3 Ansicht der Polringanordnung,
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4 Ansicht der Blattanordnung mit Massemomentausgleich.
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In 1 ist der Turmkopf eines erfindungsgemäßen Windenergiekonverters als Einblattkonverter im Schnitt dargestellt.
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In diesem Beispiel ist auf der Spitze des Turms 1 das Azimutlager 2 angeordnet, auf dem der Turmkopf 3 um seine Turmachse 16 verstellbar aufgesetzt ist. In der Darstellung ist die Konverterachse 17 nahezu waagerecht zur Windströmung angeordnet. Im Turmkopf 3 kreuzt sich die Turmachse 16 des Turmes mit der Konverterachse 17.
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Auf der Konverterachse 17 sind die Rotorlager 5.1 und 5.2 des Konvertergehäuses 4 angeordnet, um die der elektrodynamische und aerodynamische Rotor als konstruktive Einheit des erfindungsgemäßen Windenergiekonverters rotiert. Beide Rotoren sind in den Rotorlagern 5.1. und 5.2 so gelagert, dass die Erregerspulen des elektrodynamischen Rotors, dem Läufer des Generators, dem Rotorblatt 11 des Windenergiekonverters gegenüber angeordnet sind. Das Rotorblatt 11 des Einblattrotors ist gegenüber den gleichmäßig oder gestaffelt angeordneten Erregerspulen 7.1 bis 7.n, die auch permanente Magnete sein können, angeordnet.
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Der Generator kann so ausgeführt sein, dass eine Vielzahl von Statorringen 9.1 bis 9n im Generator mit jeweils einer Vielzahl von Polschuhen angeordnet ist und die zugehörigen Erregermagnete 7 mit ebenfalls einer Vielzahl von Polschuhen dem Rotorblatt 11 gegenüber angeordnet sind. Aus dieser Anordnung ergibt sich, dass eine Vielzahl von Erregerspulen 7.1 bis 7.n in einem gleichgewichtigen Achsabstand jeweils gegenüber dem Rotorblatt 11 des Windkonverters angeordnet sind.
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Jeweils eine oder auch mehrere Erregerspulen 7.1 bis 7.n oder permanente Magnete sind mit nicht besonders dargestellten Justiereinrichtungen versehen, mit deren Hilfe mögliche Unwuchten auszugleichen sind. Diese Justiereinrichtungen können manuell oder auch motorisch ferngesteuert bedient werden.
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Außerdem ist das Rotorblatt 11 mit einer Blattverstelleinrichtung 12 versehen, die über das Blattlager 10 jederzeit das Rotorblatt 11 verstellen kann. Es ist auch vorgesehen, dass über das Blattlager 10 das Rotorblatt 11 während des Umlaufs entsprechend der jeweiligen Windgeschwindigkeit zu verstellen ist. Diese Ausführung hat für Blätter mit Längen von 50 m bis über 150 m den Vorteil, dass die Blattverstellung entsprechend den Änderungen der zu durchlaufenden Luftströmungsschichten während des Umlaufs ständig reguliert werden kann.
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Auf der Konverterachse 17 ist eine Bremsscheibe 13 angeordnet, die der Abbremsung über eine Bremseinrichtung 14 und Stillsetzung des Rotors 6 bei Sturm dient. Einblattrotoren sind Schnellläufer, die gegenüber Mehrblattrotoren die doppelte Drehzahl erreichen können. Durch diese Eigenschaft wird die Polzahl des Vielpolgenerators signifikant proportional kleiner. Die erfindungsgemäße asymmetrische Anordnung der Erregerspulen oder -magnete führt zu dem Ergebnis einer relativ geringen Masse des gesamten Konverters. Daraus ergeben sich beachtliche Vorteile in der gesamten Ausführung des Konverters gegenüber den derzeitigen Ausführungen von Windenergieanlagen.
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Ein ausgeglichener Lauf kann darüber hinaus auch noch dadurch verbessert werden, indem der Rotor 6 des Vielpolgenerators mit Magnetfeldleitplatten 6.1. bis 6.n versehen ist, die gegeneinander etwas versetzt angeordnet werden, so dass die Höchstkraft jedes Ringes nicht im gleichem Moment, sondern nacheinander im jeweiligen Kreis- oder Ringluftspalt erreicht wird.
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In 2 ist der Konverter in Anströmrichtung dargestellt.
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Auf dem Turm 1 des Windenergiekonverters bildet ein Azimutlager 2 mit dem Stator 8 des Vielpolgenerators eine drehbewegliche Einheit um die Turmachse 16, die der Windrichtungsnachführung dient. Um den Stator 8 des Vielpolgenerators rotiert in dieser Darstellung der Rotor 6 des Vielpolgenerators, der über das Rotorlager 5 um die Konverterachse 17 rotierend gelagert ist. Der Rotor 6 mit seinen Erregerspulen 7.1 bis 7.n, die auch scheibenförmig als Erregermagnete ausgebildet sein können und über zugehörige Magnetfeldleitplatten die Magnetfeldlinien bündeln, induziert im so gebildeten Luftspalt zwischen dem Rotor 6 und dem Stator 8 die elektromotorische Kraft in den Statorspulen des erfindungsgemäßen Vielpolgenerators.
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Der Rotor 6 des Vielpolgenerators ist über das Blattlager 10 mit dem Rotorblatt 11 um seine Rotorblattachse beweglich verbunden. Die Erregerspulen 7.1 bis 7.n des Rotors 6 sind konstruktiv so dem Rotorblatt 11 gegenüber angeordnet, dass um die Konverterachse 17 ein Gleichgewicht zwischen dem Rotorblatt 11 und den Erregerspulen 7.1 bis 7.n oder auch deren Erregermagneten hergestellt ist und noch festzustellende Unwuchten über, hier nicht besonders dargestellte, Justiereinrichtungen durch verlagern der Erregerspulen 7.1 bis 7.n auszugleichen sind.
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Das Ausführungsbeispiel in 3 zeigt eine Vielpolanordnung des Rotors 6 und des Stators 8 des Vielpolkonverters. Zwischen den Magnetfeldleitplatten 6.1 bis 6.n des Rotors 6 sind Erregerspulenanordnungen bestehend aus einer Vielzahl von Erregerspulen 7.1 bis 7.n oder auch einer Vielzahl von permanenten Magneten angeordnet. Die so gestalteten Magnetfeldleitplatten des Rotors 6 sind so ausgeführt, dass sie der Feldlinienbündelung der Erregermagnete 7 dienen und über diese Vielpolanordnung der Statorringe 9.1 bis 9.n einen kreisförmigen Luftspalt zwischen dem Vielpolstator und dem Vielpolrotor bilden. Wird der Rotor 6 durch die Windkraft über das Rotorblatt 11 in Drehung versetzt, so wechselt zwischen den Polringen des Stators 8 und denen des Rotors 6 über den kreisförmigen Luftspalt des so gebildeten Generators fortwährend die Magnetisierung, wodurch in den Spulen der Statorringe 9 des Stators 8 eine elektromotorische Kraft induziert wird. Diese Ausführung kann noch dadurch verbessert werden, indem die Ständerwicklungen nicht, wie bisher üblich, vollständig um den Ständerpol gewickelt werden, sondern nur mäanderförmig in die Ständerpolschlitze eingelegt werden.
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Aus dieser reduzierenden Maßnahme, elektrisch und massiv, ergeben sich Fertigungsvorteile und auch Verbesserungen des Wirkungsgrades als Folge der Verringerung der elektrischen Widerstände. Letztendlich kann die gesamte Spulenkonstruktion mit einer aushärtenden Plaste vergossen und die gesamte Generatorkonstruktion mit Kühlschlitzen versehen werden.
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In 4 ist ein Einblattrotor dargestellt, dem die Erregerspulen 7.1 bis 7.n oder an deren Stelle die Erregermagnete des Generators so gegenüber dem Rotorblatt 11 angeordnet sind, dass das für Einblattrotoren typische große Giermoment des bisherigen Standes der Technik sehr klein gehalten werden kann. Diese innovative Maßnahme ist dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerspulen 7.1 bis 7.n und/oder Erregermagnete so gegenüber dem Rotorblatt 6 verteilt werden, dass sie geometrisch dem Rotorblatt 11 gegenüber gleichgewichtig und in zwei Hälften verteilt angeordnet werden. Die Konstruktion ist so ausgeführt, dass die Masseverteilung dem Dreiblatt- oder Vielblattrotor entspricht, also eine Massensymmetrie vergegenständlicht wird. Durch diese konstruktive Maßnahme wird folglich erreicht, dass die Massenträgheitsmomente während des Rotorblattumlaufs nahezu gleichbleibend wirksam sind. In dieser Ausführung werden mindestens zwei Massemomente so gegenüber dem Rotorblatt 11 angeordnet, dass während des Umlaufs eine fast gleichbleibende Massesymmetrie erreicht ist.
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Diese vorteilige Konstruktion ist bei den bisherigen Ausführungen von Ein- und Zweiblattrotoren konstruktiv nicht zu verifizieren, weshalb sie auch nicht bedeutungsvoll und nachahmenswert zur Einführung gebracht wurden.
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Es sei darauf hingewiesen, dass mit dieser Maßnahme auch bei Zwei- und Dreiblattrotoren das Umlaufmoment wesentlich verbessert werden kann, indem die Erregerelemente, also die Erregerspulen oder Erregermagnete des Vielpolgenerators, zwischen den Blättern angeordnet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Turm
- 2
- Azimutlager
- 3
- Turmkopf
- 4
- Konvertergehäuse
- 5
- Rotorlager
- 5.1
- Rotorlager vorn
- 5.2
- Rotorlager hinten
- 6
- Rotor
- 6.1 bis 6.n
- Magnetfeldleitplatten
- 7
- Erregermagnete
- 7.1 bis 7.n
- Erregerspulen oder permanente Magnete
- 8
- Stator
- 9.1 bis 9.n
- Statorringe mit Magnetspulen
- 10
- Blattlager
- 11
- Rotorblatt
- 12
- Blattverstelleinrichtung
- 13
- Bremsscheibe
- 14
- Bremseinrichtung
- 15
- Schleifringkonstruktion
- 16
- Turmachse
- 17
- Konverterachse
