DE10042020A1 - Windkraftanlage - Google Patents

Abstract

Es handelt sich um eine Windkraftanlage, welche in ihrem grundsätzlichen Aufbau mit zumindest einem Rotorblatt (1) und mit einem Energiewandler (3) zur Konversion von Windenergie in andere Energieformen ausgerüstet ist. Dadurch, dass der Energiewandler (3) als Druckluftmotor (3) ausgebildet ist, wird eine problemlose und kostengünstige Zwischenspeicherung der konvertierten Windenergie ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage, mit zumindest einem Rotorblatt, insbesondere senkrecht angeordnetem Rotorblatt, und mit einem Energiewandler zur Konversion von Windenergie in andere Energieformen. - Üblicherweise kommen zwei oder mehr Rotorblätter zum Einsatz, die sich in der Regel getriebelos um eine vertikale Achse drehen und in der Seitenansicht eine H-Form aufweisen.

Bei einer Windkraftanlage der eingangs beschriebenen und aus der Praxis bekannten Gestaltung wird in der Regel so vorgegangen, dass die Windenergie direkt in elektrische Leistung, sprich Strom, umgewandelt wird. Dies ist solange vorteilhaft, wie der erzeugte Strom unmittelbar verbraucht wird. Probleme treten dann auf, wenn windarme oder gänzlich windstille Zeiten überbrückt werden müssen. Denn dann bleiben nur die beiden Alternativen, entweder die zuvor produzierte elektrische Leistung in teuren und wartungs­ anfälligen Akkumulatoren zwischenzuspeichern oder auf andere Energieerzeuger zurückzugreifen. - Hier will die Erfindung insgesamt Abhilfe schaffen.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine derartige Windkraftanlage so weiter zu bilden, dass eine autarke Energieversorgung mit vorzugsweise elektrischer Energie bei einfacher und kostengünstiger Speicherung der Windenergie ermöglicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung bei einer gattungsgemäßen Windkraftanlage vor, dass der Energiewand­ ler als Druckluftmotor ausgebildet ist, welcher die Wind­ energie also in komprimierte Luft(energie) konvertiert. Zu­ sätzlich zu diesem Druckluftmotor ist vorzugsweise ein Druckluftspeicher zur Speicherung der mittels des Druck­ luftmotors erzeugten Druckluft vorgesehen. Dieser Druck­ luftspeicher kann als Druckluftpuffer zur Versorgung ange­ schlossener Verbraucher ausgebildet sein. Bei dem ange­ schlossenen Verbraucher kann es sich um einen kombinierten Druckluftmotor/Stromerzeuger handeln, wie er beispielhaft in der DE 198 48 413 A2 beschrieben wird. Auch die DE 198 04 297 A1 zeigt ein vergleichbares Vorbild für einen solchen Druckluftmotor/Stromerzeuger bzw. Strom/Druckluft­ motor. Ähnliches gilt für die WO 98/12062.

Alternativ hierzu kann der Druckluftspeicher auch gleichsam als autarke Drucklufttankstelle zur wahlweisen Versorgung von beispielsweise transportablen Druckluftstromerzeugern in Verbindung mit druckluftgetriebenen Fahrzeugen oder dergleichen ausgebildet sein.

Bei dem Druckluftmotor kann es sich um einen Mehrkolben­ motor handeln, wie er grundsätzlich in der WO 98/12062 be­ schrieben wird. Dieser Mehrkolbenmotor wandelt die im Druckluftspeicher vorgehaltene Druckluftenergie in zumeist Rotationsenergie um, die wiederum in Bewegungsenergie und/ oder elektrischen Strom konvertiert wird.

Bei einem Mehrkolbenmotor besteht zudem die Option, je nach herrschender Windgeschwindigkeit einzelne Kolben zuzuschalten und so die Menge an erzeugter Druckluft zu erhöhen. Gleichzeitig wird hierdurch der zur Verfügung gestellten Windenergie Rechnung getragen. Das Zuschalten einzelner Kolben bzw. einzelner Kolben-/Zylindereinheiten kann dabei von einer Steueranlage vorgenommen werden, die in Abhängig­ keit von mit Hilfe eines Windmessers erfassten Windge­ schwindigkeitswerten für die beschriebene Zuschaltung sorgt.

Das geschieht im einfachsten Fall dergestalt, dass die zu den Kolben gehörigen Zylinder die hierin eingeschlossene Luft über geöffnete Ventile gerade nicht komprimieren, also leer laufen. Erst wenn die Windgeschwindigkeit bestimmte Schwellwerte überschreitet, werden die zugehörigen Ventile geschlossen und der Kolben sorgt neben den übrigen schon in Betrieb befindlichen Zylinder-/Kolbeneinheiten für eine Kompression zusätzlicher Druckluft.

Für die Stromversorgung der Steuereinheit bzw. Steueranlage sorgt ein obligatorischer Generator, welcher grundsätzlich von dem wenigstens einen Rotorblatt angetrieben wird. Um den Kraftfluss vom Mehrkolbenmotor bzw. Druckluftmotor zu angeschlossenen Aggregaten hin zu optimieren, schlägt die Erfindung ferner ein Getriebe vor. Dieses kann als Zahn­ radgetriebestufe ausgeführt sein. Auch ein (stufenlos ar­ beitendes) Treibriemengetriebe ist denkbar.

Schließlich lassen sich verschiedene Druckstufen realisie­ ren. Hierunter ist zu verstehen, dass der Druckluftspeicher sektional aufgebaut ist, wobei einzelne Abteilungen des Druckluftspeichers ein unterschiedliches Druckniveau in ihrem Innern aufweisen. Hierdurch trägt die Erfindung verschiedenen Anwendungsgebieten Rechnung. So empfiehlt es sich beispielsweise, bei stationären Druckluftspeichern mit relativ hohem Druck zu arbeiten, während beispielsweise in einem Fahrzeug mitgeführte Druckluftspeicher schon aus Sicherheitsgründen nur mit geringerem Maximaldruck gefüllt werden (dürfen). Kombinationen von derartigen Motoren mit Druckluft- bzw. Pumpenaggregaten werden in den beiden bereits zitierten deutschen Schriften 198 48 413 und 198 04 297 beschrieben, auf die ausdrücklich Bezug genommen sein.

Immer lässt sich Druckluft für beispielsweise die Haus­ technik zur Heizungs-, Strom- oder Warmwasserversorgung mit Hilfe der Windenergie in der beschriebenen Windkraftanlage erzeugen und direkt verbrauchen oder zunächst im Druck­ luftspeicher für den späteren Verbrauch sammeln. Alternativ hierzu können transportable Anlagen wie fahrbahn- oder schienengebundene Fahrzeuge vom Druckluftspeicher aus mit Druckluft versorgt werden. Dies geschieht im einfachsten Fall dergestalt, dass eine derartige transportable Anlage mit einem eigenen Druckluftspeicher sowie einem Druckluft­ motor ggf. in Verbindung mit einem Stromgenerator ausge­ rüstet ist, die zur Fortbewegung erforderliche Energie also aus dem mitgeführten Druckluftspeicher zur Verfügung ge­ stellt wird.

Im einfachsten Fall kann es sich bei dem Druckluftspeicher um ein Lager aus handelsüblichen Druckluftflaschen aus Stahl oder aus Kunststoff handeln. Selbstverständlich be­ steht auch die Möglichkeit, die mittels der Windkraftanlage unter Rückgriff auf den Druckluftmotor erzeugte Druckluft in einem Zentralspeicher zwischenzulagern. Immer wird diese Druckluft entweder direkt für den Antrieb oder die weitere Verwendung eingesetzt oder treibt einen Druckluftmotor an, welcher seinerseits mit einem Stromgenerator zur Strom­ erzeugung gekoppelt ist. Die solchermaßen gefüllten Druck­ luftflaschen bzw. einzelnen Druckluftspeicher können also für den flexiblen Einsatz in allen Druckluftbereichen ein­ gesetzt werden.

Insgesamt lassen sich bei der Drucklufterzeugung Leistungen von weit mehr als 18 kW erzeugen. Dies wird schon bei geringen Drehzahlen von 40 bis 105 U/min für die Rotor­ blätter erreicht. Die Rotorendurchmesser liegen in der Regel zwischen 2 bis 20 m.

Bei den erfindungsgemäßen vertikalen Windenergiekonvertern, also solchen, bei denen die Rotorblätter im Wesentlichen senkrecht angeordnet sind, lassen sich zumeist getriebelose Anbindungen an den zugehörigen Energiewandler bzw. Druck­ luftmotor realisieren. Hierdurch können mechanische Rei­ bungsverluste gering gehalten werden. Im Übrigen müssen die zugehörigen Rotorblätter nicht verstellt werden und arbei­ ten wartungsarm. Auch eine Windrichtungsnachführung kann zumeist entfallen.

Im Rahmen der beschriebenen Maßnahmen lässt sich ein dreh­ zahlvariabler Betrieb realisieren, weil je nach herrschen­ der Windgeschwindigkeit einzelne Kolben des als Mehrkolben­ motor ausgeführten Druckluftmotors zugeschaltet werden. Die bei einem vertikalen Windenergiekonverter zumeist realisierte Dreibeinbeinaufstellung garantiert sicheren Halt auch in weichen und/oder lockeren Böden. Folglich eignen sich derartige Windenergiekonverter insbesondere auch zur Anwendung in Steppen-, Wüsten- und Polargebieten. Daneben ermöglicht eine solche Bauweise nicht nur die Anbringung auf einem normalen Windkraftturm, sondern auch auf Hoch­ häusern, Türmen, Leitungsmasten, Brücken, Hausdächern usw.

Durch die sich zumeist einstellenden niedrigen Drehzahlen des vertikalen Windenergiekonverters und aufgrund des großen Blattabstands zum Turm ist die Geräuschentwicklung gering, so dass sich auch eine Aufstellung in dicht be­ siedelten Bereichen realisieren lässt.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläu­ tert;

die Fig. 1a und 1b zeigen eine erfindungsgemäße Windkraft­ anlage in schematischer Darstellung; im Rahmen der Fig. 2 ist ein eingesetzter Druckluftmotor in seinen Grundzügen dargestellt, während die Fig. 3 eine Variante der Fig. 1a und 1b repräsentiert. Die in den Figur gezeigte Windkraft­ anlage ist mit einem sogenannten Windenergiekonverter ausgerüstet, welcher im wesentlichen vertikal angeordnete Rotorblätter 1 aufweist, die an einem Turm 2 kopfseitig drehbar (getriebelos) aufgehängt sind (vgl. Fig. 1a). Ent­ sprechend der abgewandelten Ausgestaltung in Fig. 1b kann es sich bei dem Turm 2 auch um ein Zentralrohr 2 mit zwei Stützen 2' handeln. Vorliegend sind zwei Rotorblätter 1 in vertikaler Anordnung verwirklicht, welche sich um eine angedeutete vertikale Achse A drehen und in Seitenansicht H-förmig ausgestaltet sind.

Der Turm 2 formt mit den beiden Stützen 2 eine Dreibein­ aufstellung, die sich insbesondere für weiche und lockere Böden eignet. Insgesamt zeigen die Figuren einen vertikalen Windenergiekonverter, welcher besonders umweltverträglich ist, weil er geräuscharm und getriebelos arbeitet.

Darüber hinaus ist kopfseitig des Turmes 2 im Bereich der Lagerung der Rotorblätter 1 ein Energiewandler 3 zur Kon­ version von Windenergie in andere Energieformen vorgesehen. Im Rahmen der Erfindung handelt es sich bei dem darge­ stellten Energiewandler 3 um einen Druckluftmotor 3, wie er im Detail Gegenstand der Fig. 2 ist. Vorliegend ist der Druckluftmotor 3 als (Luft-)Kompressor ausgeführt. Dieser arbeitet in der Weise, dass mittels der Rotorblätter 1 atmosphärische Luft (über einen Luftfilter) angesaugt und verdichtet wird. Diese verdichtete Luft wird ggf. einem Druckregler zugeführt und gelangt im Anschluss hieran in einen Druckluftspeicher 4.

Bei dem Druckluftmotor 3 handelt es sich um einen Druckluftkolbenmotor 3 bzw. einen Mehrkolbenmotor, wie er grundsätzlich in der WO 98/12062 beschrieben ist. Dieser Mehrkolbenmotor ist also mit einer Vielzahl von zumeist sternförmig angeordneten Kolben/Zylinderanordnungen 9 ausgerüstet, die im Rahmen der Erfindung je nach der erreichten Windgeschwindigkeit einzeln zugeschaltet werden. Zu diesem Zweck sind die einzelnen Zylinder mit Ventilen 10 ausgerüstet, die ähnlich wie bei Ottomotoren arbeiten.

Falls die zugehörige Kolben/Zylindereinheit bzw. -anordnung 9 leer laufen soll, wird das Ventil 10 einfach geöffnet. Erst ab einer bestimmten Windgeschwindigkeit sorgt eine Steueranlage 8 dafür, dass die zugehörige Kolben- /Zylindereinheit 9 ihren Betrieb aufnehmen kann. Denn dann wird das zugehörige Ventil 10 geschlossen (vgl. Fig. 2). Für die Stromversorgung der Steueranlage 8 sorgt ein mit dem vertikalen Windenergiekonverter verbundener Generator, der im Einzelnen nicht dargestellt ist.

Der Vorteil eines solchen Druckluftmotors bzw. Druckluftkolbenmotors 3 ist darin zu sehen, dass die Effizienz gegenüber einem reinen Strömungsmotor deutlich erhöht ist. Das lässt sich im Kern darauf zurückführen, dass bei dem Druckluftmotor die einzelnen Kolben- /Zylindereinheiten 9 wechselweise für eine Kompression der in der jeweils anderen Kolben-/Zylindereinheit 9 befind­ lichen Druckluft sorgen. Diese komprimierte Luft erwärmt sich und neigt infolgedessen zur Ausdehnung, was die Niederbewegung des Kolbens nach Überschreiten eines oberen Totpunktes im Anschluss an die Kompression unterstützt. Es erfolgt also im Gegensatz zu reinen Strömungsmotoren mit hierin zumeist befindlichen Scheiben kein simples Durchströmen des Motors, welches in Rotationsbewegungen umgesetzt wird. Vielmehr wird die wechselweise Kompression zusätzlich genutzt, um den Wirkungsgrad zu erhöhen.

In diese Richtung zielen auch nicht ausdrücklich dargestellte Maßnahmen, wonach bei dem Druckluftmotor 3 jeweils geknickte Kurbelwellen zum Einsatz kommen, die für eine lange Verweilzeit am oberen Totpunkt sorgen. Ebenfalls nicht dargestellt ist die Option, den Druckluftmotor 3 als Hybridmotor zu betreiben. In diesem Fall ist eine zusätzliche Verbrennungskammer vorgesehen, die durch die dort entstehenden Verbrennungsgase quasi die Funktion der alternativ verwendeten Druckluftquelle übernimmt.

Stellsignale für die Ventile 10 ergehen von der Steueranlage 8, sobald ein Sensor 11 entsprechende Wind­ geschwindigkeiten ermittelt und an die Steueranlage 8 übergeben hat. Selbstverständlich ist es denkbar, einzelne Kolben-/Zylindereinheiten 9 kaskadenförmig je nach erreich­ tem Niveau der Windgeschwindigkeit zuzuschalten.

Bei dem Druckluftspeicher 4 handelt es sich nach dem Aus­ führungsbeispiel um ein Konglomerat an Druckluftflaschen 4', welche einzeln mit Druckluft vom Druckluftmotor 3 bzw. dem Kompressor gefüllt werden. Anstelle dieser Zwischen­ speicherung im Druckluftspeicher 4 kann die erzeugte Druck­ luft auch direkt einem Verbraucher 5 zugeführt werden. Nach dem Ausführungsbeispiel in den Fig. 1a und 2 ist jedoch der bereits beschriebene Druckluftspeicher 4 zwischengeschal­ tet, um windstille oder windlose Zeiten als Druckluftpuffer überbrücken zu können. In einem solchen Fall wird die im Druckluftspeicher 4 befindliche Druckluft in einem kombi­ nierten Druckluftmotor/Stromerzeuger 6 in elektrische Leistung gewandelt und dann an einen entsprechenden Ver­ braucher 5 abgegeben.

Nach der Alternative in Fig. 1b kann der Druckluftspeicher 4 auch als gleichsam autarke Drucklufttankstelle ausgeführt sein. Ähnliches ist im unteren Teil der Fig. 2 dargestellt.

Von dieser Drucklufttankstelle aus lassen sich beispiels­ weise transportable Aggregate 7 mit Druckluft versorgen, indem eine Druckluftflasche 4' von einem solchen Aggregat 7 als Energievorrat verwendet wird. Bei dem transportablen Aggregat 7 handelt es sich nach dem Ausführungsbeispiel um einen transportablen Druckluftstromerzeuger 6 in Verbindung mit einem druckluftgetriebenen Fahrzeug F. Dieses kann schienen- oder fahrbahngebunden verkehren. Anstelle des Druckluftstromerzeugers 6 kann bei dem Fahrzeug F auch ein Druckluftmotor 3 für den erforderlichen Vortrieb sorgen.

Claims (7)

1. Windkraftanlage, mit zumindest einem Rotorblatt (1), insbesondere senkrecht angeordnetem Rotorblatt (1), und mit einem Energiewandler (3) zur Konversion von Windenergie in andere Energieformen, dadurch gekennzeich­ net, dass der Energiewandler (3) als Druckluftmotor (3), insbesondere Druckluftkolbenmotor (3), ausgebildet ist.

2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass zusätzlich ein Druckluftspeicher (4) zur Speicherung der mittels des Energiewandlers (3) erzeugten Druckluft vorgesehen ist.

3. Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Druckluftspeicher (4) als Druckluft­ puffer zur Versorgung angeschlossener Verbraucher (5), wie z. B. kombinierter Druckluftmotor/Stromerzeuger (6), ausge­ bildet ist.

4. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckluftspeicher (4) als autarke Drucklufttankstelle zur wahlweisen Versorgung von beispielsweise transportablen Druckluftstromerzeugern (7) in Verbindung mit druckluftgetriebenen Fahrzeugen F ausge­ bildet ist.

5. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckluftmotor (3) als Mehrkolbenmotor ausgeführt ist.

6. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Wind­ geschwindigkeit einzelne Kolben-/Zylindereinheiten (9) des Druckluftmotors (3) zugeschaltet werden.

7. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steueranlage (8) vorge­ sehen ist, die von einem Generator mit elektrischer Energie versorgt wird.