DE10046042A1

DE10046042A1 - Windkraftanlage

Info

Publication number: DE10046042A1
Application number: DE2000146042
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Herzog
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-09-18
Filing date: 2000-09-18
Publication date: 2002-03-28

Abstract

Eine Windkraftanlage, bevorzugterweise mit vertikaler Antriebswelle, wird auf einer für mindestens einen weiteren Zweck genutzten Aufstellungsvorrichtung, beispielsweise auf einem Lichtmast, einem Antennenmast oder auf einem Aussichtsturm, installiert. Die erzeugte Energie wird bevorzugterweise direkt an der Aufstellungsvorrichtung genutzt. Zur Erzielung einer optimalen Windenergieausbeute werden die Rotorblätter in einer bevorzugten Ausführung bei jeder Umdrehung des Rotors windrichtungs- und/oder windstärkeabhängig oder in Abhängigkeit von der gewünschten Leistung verstellt.

Description

Die Erzeugung von Energie durch Windkraftanlagen ist seit langem Stand der Technik.

Eingesetzt werden heute hauptsächlich Horizontalwellenanlagen, also Systeme, bei denen die Windrichtung im Betrieb parallel zur Antriebswelle des Windrotors verläuft. Aber auch Vertikalwellenanlagen mit senkrecht zur Windrichtung angeordneter Rotorwelle sind gebräuchlich. Während die Horizontalwellenanlagen nach dem heutigen Entwicklungsstand i. d. R. einen besseren Gesamtwirkungsgrad aufweisen, haben die Vertikalwellenanlagen den Vorteil, daß sie unabhängig von der Windrichtung arbeiten und keine Nachführung der Rotoren bei Windrichtungswechsel erfordern.

Wesentlicher Kostenfaktor bei der Installation einer Windkraftanlage ist der Mast bzw. Turm, auf welchen der Windkraftrotor montiert wird.

Der heutige Trend bei der Entwicklung führt zu immer größeren Windkraftanlagen, was i. d. R zur Senkung der spezifischen Energie-(Strom-)Gestehungskosten führt. Es ist aber auch denkbar, daß mit kleineren Anlagentypen, in großer Serie produziert, ebenfalls sehr kostengünstig Energie erzeugt werden kann. Insbesondere die Verbreitung der Windenergietechnik wird sich durch die Verfügbarkeit kleinerer (wirtschaftlich arbeitender) Anlagen beschleunigen.

Die Erfindung hat zum Ziel, den o. g. Fakten Rechnung zu tragen. Es wird deshalb vorgeschlagen, die Rotoren von Windkraftanlagen auf Masten, Türmen oder sonstigen Gebäuden, im folgenden "Aufstellungsvorrichtung" genannt, zu montieren, die neben der Nutzungsmöglichkeit als Installationsplattform für Windkraftrotoren mindestens einen weiteren Zweck erfüllen. Solche Aufstellungsvorrichtungen sind z. B. Lichtmasten, Antennenmasten, Aussichtstürme oder Schornsteine. Auch die Installation auf Wohngebäuden, Industrieanlagen oder sonstigen Bauwerken ist denkbar.

Als bevorzugte Ausführung ist die Installation einer Vertikalwellenanlage anzusehen, da diese als Aufstellungsvorrichtung im Prinzip keinen Mast sondern nur einen möglichst hohen Aufstellungspunkt benötigt. Weiterer Vorteil der Vertikalwellenanlage ist, daß die Energieübertragung vom Rotor zum Energiewandelapparat (z. B. Generator) über eine Welle ohne ein Umlenkgetriebe von einem hohen Rotorstandpunkt zu einem tiefer gelegenen Punkt (beispielsweise ebenerdig) erfolgen kann. Der Energiewandelapparat läßt sich demzufolge leicht zugänglich aufstellen. Dadurch reduzieren sich Montage- und Wartungskosten.

Als weitere bevorzugte Ausführung ist eine Aufstellungsvorrichtung oder eine Gruppe von Aufstellungsvorrichtungen anzusehen, deren weiterer Zweck eine Energienutzung erfordert, beispielsweise ein Lichtmast oder eine Gruppe von Lichtmasten, die Strom zum Betrieb der Beleuchtungskörper benötigen. Eine solche Kombination ermöglicht eine starke Dezentralisierung der Energieversorgung für derartige Energieverbraucher, was wiederum die Kosten für die Energieversorgungsleitungen und deren Anschlüsse reduziert. Beispielsweise könnte die Beleuchtung von Autobahnen oder abgelegenen Autobahnkreuzen erfindungsgemäß kostengünstig realisiert werden.

Als weitere bevorzugte Ausführung ist eine Vertikalwellenanlage (z. B. gemäß Abb. 1) anzusehen, die so ausgestattet wird, daß sie verstellbare Rotorblätter (1, 2) aufweist. Die Verstellung der Rotorblätter wird so gesteuert, daß das Rotorblatt (1) oder die Rotorblätter, die eine Bewegungskomponente in Windrichtung aufweisen, einen möglichst hohen Lufiwiderstand haben, während das Rotorblatt (2) oder die Rotorblätter, die eine Bewegungskomponente gegen die Windrichtung aufweisen, einen möglichst geringen Luftwiderstand haben. Jedes Rotorblatt wird also bei jeder Umdrehung einmal "aufgestellt" (hoher Lufiwiderstand) und wieder zurückgestellt bzw. weitergedreht, bis die vorherige Position wieder erreicht ist. Dadurch erreicht man eine erheblich bessere Ausnutzung der Windkraft, als wenn man die Rotorblätter gemäß dem Stand der Technik aerodynamisch so konstruiert, daß sie bei vorderseitiger Anströmung einen höheren Luftwiderstand aufweisen als bei rückseitiger Anströmung. Weiterhin besteht der Vorteil, daß Rotoren mit erfindungsgemäß ausgestatteten Rotorblattverstellungen von selbst anlaufen können, was bei herkömmlichen Vertikalwellenanlagen meist Probleme bereitet und durch Zusatzeinrichtungen (z. B. Startermotoren) bewirkt wird.

Die Steuerung der Rotorblattverstellung erfolgt über ein spezielles Getriebe, ein Kulissenscheibensystem oder eine sonstige mechanische Verstelleinrichtung, im folgenden als "Kinematik" bezeichnet, die durch eine Windfahne (3) in eine bestimmte Relativstellung zur Windrichtung gebracht und bei drehendem Wind entsprechend nachgeführt wird (Abb. 1). Dadurch kann die Rotorblattverstellung windrichtungsabhängig erfolgen.

Die Rotorblattverstellung kann auch elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch durch entsprechende Motoren oder sonstige Verstelleinrichtungen erfolgen. Das Verstellsignal können diese Verstelleinrichtungen durch eine Windrichtungsmeßeinrichtung erhalten, die unabhängig von der jeweiligen Windkraftanlage sein kann und das Steuersignal elektrisch, optisch, akustisch (Ultraschall) oder per Funk an die Verstelleinrichtung überträgt. So können mit einer Windrichtungsmeßeinrichtung mehrere benachbarte Windkraftanlagen gesteuert werden.

Die Rotorblattverstellung kann in einer bevorzugten Ausführung durch eine entsprechende Konstruktion der Kinematik auch in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit (zwecks Überlastschutz) oder von der geforderten Leistung so verstellt werden, daß der Luftwiderstand der Rotorblätter in ihrer jeweiligen Position sich den gewünschten Bedingungen anpaßt.

In einer bevorzugten Ausführung (z. B. gemäß Abb. 2) kann auf das Windrichtungssignal verzichtet werden, wenn die Rotorblattverstellung so konstruiert ist, daß der Wind bei einer Bewegungskomponente des Rotorblattes (1) in Windrichtung eine Kraftkomponente zum Aufstellen des Rotorblattes (hoher Lufiwiderstand) aufweist, während der Wind bei einer Bewegungskomponente des Rotorblattes (2) gegen die Windrichtung eine Kraftkomponente zum Rückstellenstellen bzw. Weiterstellen des Rotorblattes in die Position mit niedrigem Luftwiderstand hat (Windkraftverstellung der Rotorblätter). Die Positionierung der Rotorblätter kann z. B. durch einen mit der Rotorblattwelle befestigten Nocken (4) erfolgen, der die Rotorblattverstellung bei einer Bewegungskomponente des Rotorblattes (1) in Windrichtung durch einen oberen Anschlag (5) und bei einer Bewegungskomponente des Rotorblattes (2) gegen die Windrichtung durch einen unteren Anschlag (6) begrenzt.

Die Anschläge (5, 6) können in einer weiteren bevorzugten Ausführung beweglich gestaltet sein und z. B. in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit (zwecks Überlastschutz) oder von der geforderten Leistung so verstellt werden, daß der Lufiwiderstand der Rotorblätter in ihrer jeweiligen Position sich den gewünschten Bedingungen anpaßt.

Eine Kombination von Kinematik und Windkraftverstellung ist ebenfalls denkbar. Die erfindungsgemäße Ausführung der Rotorblattverstellung kann sowohl bei einer mehrfach genutzten Aufstellungsvorrichtung als auch auf einer nur für den Rotor genutzten Aufstellungsvorrichtung eingesetzt werden.

Claims

1. Windkraftanlage, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor der Windkraftanlage auf einem Mast, Turm oder sonstigem Gebäude, im folgenden "Aufstellungsvorrichtung" genannt, montiert wird, der neben der Nutzungsmöglichkeit als Installationsplattform für den Windkraftrotor mindestens einen weiteren Zweck erfüllt.

2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, bei welcher als Aufstellungsvorrichtung ein Lichtmast verwendet wird.

3. Windkraftanlage nach Anspruch 1, bei welcher als Aufstellungsvorrichtung ein Antennenmast verwendet wird.

4. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher eine Vertikalwellenanlage verwendet wird.

5. Windkraftanlage insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher eine Verstellung der Rotorblätter vorgesehen ist, wobei die Verstellung der Rotorblätter so gesteuert wird, daß das Rotorblatt oder die Rotorblätter, die eine Bewegungskomponente in Windrichtung aufweisen, einen möglichst hohen Luftwiderstand haben, während das Rotorblatt oder die Rotorblätter, die eine Bewegungskomponente gegen die Windrichtung aufweisen, einen möglichst geringen Luftwiderstand haben.

6. Rotorblattverstellung für Windkraftanlage nach Anspruch 5, bei der die Rotorblattverstellung in Abhängigkeit von einer Windrichtungserfassungseinrichtung, beispielsweise einer Windfahne, welche über eine Kinematik (Getriebe, Kulissenscheibensystem, mechanische Verstelleinrichtung, . . .) mechanisch mit den Rotorblättern in Verbindung steht, gesteuert wird.

7. Rotorblattverstellung für Windkraftanlage nach Anspruch 5, bei der die Rotorblattverstellung durch ein elektrisches, hydraulisches oder pneumatisches System gesteuert wird, welche sein Steuersignal von einer Windrichtungserfassungseinrichtung erhält.

8. Rotorblattverstellung für Windkraftanlage nach Anspruch 5, bei der die Rotorblattverstellung so konstruiert ist, daß der Wind bei einer Bewegungskomponente des Rotors in Windrichtung eine Kraftkomponente zum Aufstellen des Rotors (hoher Luftwiderstand) aufweist, während der Wind bei einer Bewegungskomponente des Rotors gegen die Windrichtung eine Kraftkomponente zum Rückstellenstellen bzw. Weiterstellen des Rotors in die Position mit niedrigem Lufiwiderstand hat (Windkraftverstellung der Rotoren).

9. Rotorblattverstellung für Windkraftanlage nach Anspruch 5, bei der die Rotorblattverstellung zusätzlich in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit durchgeführt wird.

10. Rotorblattverstellung für Windkraftanlage nach Anspruch 5, bei der die Rotorblattverstellung zusätzlich in Abhängigkeit von der gewünschten Leistung durchgeführt wird.

11. Rotorblattverstellung für Windkraftanlage nach Anspruch 5, bei der die Rotorblattverstellung durch eine Kombination der Merkmale der Ansprüche 6 bis 11 durchgeführt wird.