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Die
Erfindung betrifft eine Windkraftanlage nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Bekannt
sind Windkraftanlagen, die einen senkrechten Turm aufweisen, an
dessen oberem Ende ein Rotor mit waagrechter Drehachse angebracht
ist. Die Rotorblätter
bestehen dabei aus freitragenden Hochauftriebsprofilen. Derartige
Windkraftanlagen sind im Hinblick auf den Wirkungsgrad, mit dem
die Leistung des Windes nutzbar ist, sehr hoch entwickelt. Dennoch
weisen die bestehenden Windkraftanlagen deutliche wirtschaftliche
und auch einige technische Nachteile auf.
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So
ist die Fertigung der Rotorblätter
zum einen wegen des komplizierten Auftriebsprofils und zum anderen
wegen der erforderlichen mechanischen Stabilität sehr teuer. Die Rotorblätter müssen den
gesamten Widerstand, den sie dem Wind bieten, freitragend auf die
zentrale Nabe übertragen.
Das Profil des Rotorblattes wird dementsprechend an diese mechanische
Belastung in der Nähe
der Nabe angepasst. Hierdurch wird jedoch die Auftriebserzeugung
immer geringer, je näher
der entsprechende Bereich des Rotorblattes an der Nabe liegt. An
der Nabe selbst ist das Profil meist kreisförmig, und erzeugt damit gar
keinen Auftrieb mehr. Somit geht achsennaher Wind praktisch ungenutzt
durch den Rotorkreis und erzeugt nur ein erhöhtes und damit unerwünschtes
Drehmoment auf den Turm, der seinerseits unter Inkaufnahme eines
entsprechenden Konstruktions- und Materialaufwands an dieses Drehmoment
angepasst werden muss.
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Weiterhin
müssen
bei bekannten Windkraftanlagen alle Anlagenteile zur Energiewandlung
im Bereich der Nabe und somit im Bereich der Turmspitze untergebracht
werden. Hieraus resultiert wiederum eine höhere Belastung des Turmes mit
entsprechenden Folgekosten bei der Konstruktion und Fertigung des
Turmes.
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Der
Turm muss den gesamten Windwiderstand über die Nabe aufnehmen und
nach Möglichkeit
steif auf das Fundament übertragen.
Dies erfordert auch bei der Auslegung des Turms einen hohen Material-
und Konstruktionsaufwand, wodurch dementsprechend hohe Kosten verursacht
werden.
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Die
Rotorblätter
werden frei vom Wind angeströmt,
so dass sich die Windströmung
in der Rotorebene aufweitet. Ein Teil der Windenergie wird dementsprechend
ungenutzt nach außen
abgelenkt.
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Weiterhin
kommen bei jeder Umdrehung die Rotorblätter einmal vor dem Turm vorbei,
durch den die Strömungsverhältnisse
gestört
sind. Die Rotorblätter
und somit der Rotor insgesamt werden dementsprechend ungleichmäßig belastet,
wodurch die Lebensdauer beeinträchtigt
wird.
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Zur
Regelung der Leistung stehen bei herkömmlichen Anlagen zwei verschiedene
Möglichkeiten
zur Verfügung,
bei denen sich jedoch entweder eine erhebliche Verschlechterung
des Wirkungsgrads bei höheren
Windgeschwindigkeiten oder aber ein sehr großer Kostenaufwand ergibt.
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Bei
sehr hohen Windgeschwindigkeiten werden solche Anlagen aus Sicherheitsgründen ganz abgeschaltet,
obwohl gerade dann eine sehr hohe Windleistung zur Verfügung steht.
Dies mindert den jährlichen
Energieertrag solcher Anlagen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es demgegenüber, eine
Windkraftanlage vorzuschlagen, bei der die beschriebenen Nachteile
ganz oder wenigstens teilweise reduziert werden.
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Diese
Aufgabe wird ausgehend von einer Windkraftanlage nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.
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Durch
die in den Unteransprüchen
genannten Merkmale sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen
der Erfindung möglich.
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Dementsprechend
zeichnet sich eine erfindungsgemäße Windkraftanlage
dadurch aus, dass der Rotor ein äußeres Tragelement
umfasst, mit dem ein oder mehrere Auftriebselemente an ihrer Außenseite
verbunden sind. Mit Hilfe eines solchen äußeren Tragelements können Auftriebselemente
außenseitig
am Rotor befestigt werden. Sie müssen
demnach nicht mehr freitragend konstruiert sein. Dadurch sind bei
einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage einfachere
und somit weniger aufwändige
Auftriebselemente einsetzbar.
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Die
Auftriebselemente sowie deren Befestigungselemente können hierbei
ortsfest mit dem äußeren Tragelement
verbunden sein oder aber in einer Drehführung drehbar gegenüber dem äußeren Tragelement
mit diesem verbunden werden.
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Die
Auftriebselemente sind mechanisch weniger belastet als die freitragenden
Auftriebsprofile bekannter Anlagen, so dass die Formgebung zur Auftriebserzeugung
weniger durch mechanische Erfordernisse beeinträchtigt wird. Hieraus ergibt sich
eine wesentlich größere konstruktive
Freiheit bei der Auswahl und Gestaltung von Auftriebselementen.
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Grundsätzlich kann
der Rotor einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage
an einer zentralen Nabe drehbar gelagert werden.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Rotor jedoch
am äußeren Tragelement drehbar
gelagert. Zum Einen ist hierbei eine wesentlich tiefer liegende
Lagerung denkbar, so dass ein hoher Mast oder Turm wie bei herkömmlichen
Windkraftanlagen entfallen kann. Darüber hinaus ergibt sich hierdurch
der Vorteil, dass der Windströmungsquerschnitt
des Rotors, d.h. die Querschnittsfläche, in der der Wind von den
Auftriebselementen genutzt wird, völlig frei ist von störenden Bauelementen,
wie dies beispielsweise bei herkömmlichen
Anlagen durch den Mast oder Turm der Fall ist. Es ist hierdurch
eine Bauart möglich,
bei der eine weitgehend konstante Anströmung und damit gleichmäßige Belastung
der Auftriebselemente über
den gesamten Winkelbereich möglich
ist. Eine Verwirbelung der Luftströmung, wie sie beispielsweise
durch einen hinter den Rotorblättern
herkömmlicher
Anlage stehenden Turm verursacht wird, kann vollständig vermieden
werden.
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Ein
weiterer Vorteil ergibt sich bei dieser Ausführung dadurch, dass die drehbare
Lagerung am äußeren Tragelement
an mehreren voneinander beabstandeten Stellen angreifen kann, wodurch
die Belastung der einzelnen Lagerelemente reduziert wird. Eine solche
Lagerung ist mechanisch deutlich weniger beansprucht, wie beispielsweise
eine Lagerung für
eine zentrale Rotorwelle.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird das äußere Tragelement
des Rotors für eine
kraftschlüssige Verbindung
mit einem Stromgenerator genutzt. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht
darin, dass alle zur Stromerzeugung erforderlichen Baukomponenten
unterhalb des Rotors und nicht, wie bei herkömmlichen Anlagen in einer Gondel
auf Höhe
der zentralen Rotorachse angeordnet werden können.
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Die
mechanische Verbindung zu einem Stromgenerator kann beispielsweise
mittels Zahnkränzen
erfolgen, die umfangsseitig am äußeren Tragelement
oder Rahmen angebracht werden. Über Zahnräder, die
gegebenenfalls gesteuert in Eingriff gebracht werden, kann sodann
das Drehmoment abgegriffen werden. Bei einer solchen Vorrichtung
können
sämtliche
Vorrichtungen zu Energiewandlungen inklusive den elektrischen Anlageteilen
am Boden verbleiben.
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Wie
bereits oben angeführt,
sind bei einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage
unterschiedlichste Auftriebselemente denkbar. Insbesondere kann ein
solches Auftriebselement auch als Segel ausgebildet werden. Segel
sind altbewährte
und äußerst kostengünstige Auftriebselemente,
die seit jeher erfolgreich zur Windenergienutzung herangezogen werden.
In Verbindung mit einem erfindungsgemäßen äußeren Tragelement ist die Befestigung
eines solchen Segels oder mehrerer solcher Segel besonders einfach
zu bewerkstelligen. Insbesondere kann ein Segel auch über entsprechende
Befestigungselemente mit dem äußeren Tragelement
verbunden, beispielsweise verspannt werden.
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Neben
dem Kostenfaktor bieten Segel weiterhin den Vorteil, dass sie auf
einfache Art und Weise zur Steuerung einer solchen Anlage und somit
zur Anpassung an unterschiedliche Windstärken nutzbar sind. Segel sind
flexibel und können
durch variation der Zugspannung der Schoten und/oder Verschiebung
des Holepunktes in ihrem Anstellwinkel ebenso leicht verändert werden,
wie in ihrer Auswölbung.
Damit ist über
die Veränderung
des Anstellwinkels eine Anpassung nicht nur an die Windgeschwindigkeit, sondern
auch an die Drehgeschwindigkeit des Rotors möglich. Darüber hinaus kann ein Segel auf
einfache Weise auch gerefft werden, so dass die Segelfläche verstellbar
ist.
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Zur
Befestigung von einem oder mehreren Segel werden vorzugsweise ein
oder mehrere Stage vorgesehen, die außen mit dem äußeren Tragelement
verbunden sind. Ein solches Stag kann sich über die gesamte Breite des
Rotors erstrecken und beispielsweise auch zur Befestigung von zwei
Segeln dienen. In einer anderen Bauvariante werden mehrere Stage
zentral miteinander verbunden, so dass jedes Stag für die Befestigung
eines Segels zur Verfügung
steht.
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Solche
Stage werden bevorzugt als Rollstage ausgebildet, so dass ähnlich wie
bei Segelschiffen oder bei Segelbooten eine sogenannte Rollreffung des
Segels möglich
ist. Mittels solcher Rollstage ist die Steuerung der Windkraftanlage
mittels Verkleinerung der Segelfläche besonders einfach zu bewerkstelligen.
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Die
zentrale Verbindung zwischen mehreren Stagen wird vorteilhafterweise
mit einer zentralen Nabe bewerkstelligt. Eine solche Nabe, die der
Befestigung der Auftriebselemente und gegebenenfalls als Windleitelement
dient, kann zur Befestigung mehrerer Stage verwendet werden. In
diesem Fall ist eine Bauform denkbar, bei der diese zentrale Nabe
nur durch die Stage mit dem äußeren Tragelement
verbunden ist und durch diese in ihrer Position gehalten wird. In
einer anderen Bauform werden zusätzliche Tragestreben
zur Fixierung dieser Nabe vorgesehen.
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Eine
solche Nabe kann weiterhin als Luftleitelement dienen. Mit einer
entsprechenden Formgebung des Nabenprofils kann der anströmende Wind vom
Zentrum nach außen
verdrängt
werden, so dass er in einem Bereich größeren Drehmoments auf die Auftriebselemente
einwirkt. Eine solche Ausgestaltung bewirkt demnach eine Verbesserung
des Wirkungsgrades der erfindungsgemäßen Windkraftanlage.
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Vorzugsweise
werden zum Verstellen der Segel sogenannte Schote, d.h. Seilführungen
vorgesehen, wie sie beispielsweise aus der Segelschifffahrt bekannt
sind. Durch Verwendung handelsüblicher
Elemente in bewährter
Technik ergibt sich so eine kostengünstige Bauart.
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Das äußere Tragelement
kann beispielsweise mit Hilfe eines oder mehrerer ringförmiger Gestelle,
z.B. aus einem gebogenen Rundrohr erstellt werden. Denkbar wäre auch
ein rohrförmiges
Tragelement, das beispielsweise zylinderförmig oder kegelstumpfförmig ausgebildet
sein kann. Wesentlich ist die ringsum laufende Möglichkeit, an dem Tragelement
Auftriebselemente zu befestigen, die sich nach innen erstrecken
und gegebenenfalls die Lagerung des Rotors sowie die Kopplung mit
dem Stromgenerator über
ein solches Tragelement umfangseitig und nach Möglichkeit im bodennahen Bereich
vorzunehmen.
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Das äußere Tragelement
kann beispielsweise aus zwei oder mehreren, ein- oder mehrteiligen Ringelementen,
die über
Quer- und/oder Diagonalverstrebungen gerüstartig miteinander verbunden sind,
gebildet werden.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung wird das äußere Tragelement rohrförmig mit
geschlossener Mantelfläche
ausgebildet. Dies hat strömungstechnisch
den Vorteil, dass alle Luft, die die Eingangsöffnung dieses Tragelements
passiert, effektiv an den Auftriebselementen vorbeigeleitet wird,
ohne dass ein Teil der Strömung
wirkungslos nach außen
abgelenkt wird, wie dies bei freistehenden Auftriebselementen der
Fall ist.
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Eine
geschlossene Mantelfläche
kann dabei beispielsweise durch ein Rohr als Tragelement bewirkt
werden. Es ist jedoch ebenso möglich,
ein offenes Gestell mit einer umfangseitigen Bespannung, beispielsweise
aus Folie oder Tuch, insbesondere Segeltuch zu versehen, um die
genannten Vorteile zu erzielen.
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Vorteilhafterweise
wird ein rohrförmig
geschlossenes Tragelement eingangsseitig mit einer trichterförmigen Querschnittserweiterung
versehen, um Windströmungen
mit größerem Durchmesser durch
den Rotor zu führen.
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Eine
erfindungsgemäße Windkraftanlage wird
Vorteilhafterweise auf einem Sockelelement aufgebaut, auf dem das äußere Tragelement
drehbar gelagert werden kann. Ein solches Sockelelement kann wiederum
als Ständerkonstruktion
mit Quer- und/oder
Diagonalversteifungen nach Art eines Baugerüsts ausgeführt werden. Derartige Konstruktionen sind
bei geringem Eigengewicht von hoher Steifigkeit. Gegebenenfalls
können
sie auch in Einzelteilen transportabel ausgeführt werden, die vor Ort zusammengesetzt
werden.
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Vorzugsweise
wird das Sockelelement drehbar ausgeführt. Die Drehachse wäre in diesem
Fall vertikal ausgerichtet, so dass der Rotor an unterschiedliche
Windrichtungen angepasst werden kann. Die drehbare Lagerung des
Sockelelementes könnte beispielsweise
in einem Drehkranz über
Wälzkörper stattfinden,
wodurch hohe Kräfte
wesentlich günstiger
aufgenommen werden können,
als in einer zentralen Drehachse.
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Durch
die Lagerung des Rotors im unteren Bereich kann ein solches Sockelelement
im Gegensatz zu dem hohen schmalen Turm herkömmlicher Windkraftanlagen mit
einer breiten Stellfläche
versehen werden. Durch die entsprechende Querausdehnung ist die
Lagerung des Rotors wesentlich vereinfacht, wobei sowohl bei der Überleitung
von Kippmomenten des Rotors auf das Sockelelement als auch bei der Überleitung
solcher Kräfte
oder Momente in das Fundament eine wesentlich höhere Belastbarkeit im Vergleich
mit herkömmlichen
Windkraftanlagen unter wesentlich geringerem Aufwand realisierbar
ist.
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Bei
einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage
können
auch mehrere Auftriebselemente mit einem axialen Versatz angeordnet
werden, um eine möglichst
vollständige
Ausnutzung der im Rotorquerschnitt zur Verfügung stehenden Windenergie
zu gewährleisten.
Solche in axialer Richtung aufeinanderfolgenden Auftriebselemente
können
dabei ortsfest miteinander, z.B. über eine gemeinsame zentrale
in axialer Richtung verlaufende Nabe verbunden werden. Denkbar wäre jedoch
insbesondere bei geschlossener Mantelfläche des äußeren Tragelementes auch eine
Variante, bei der zwei Rotoren mit dementsprechend zwei Tragelementen
in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind, die beispielsweise
auch gegenläufig
rotieren können,
um den durch den vorderen Rotor in der Luftströmung erzeugten Drall auszunutzen.
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Ein
weiterer Vorteil zweier oder mehrerer gegenläufig rotierender Rotoren besteht
in der gegenseitigen Kompensation des Drehimpulses der Rotoren,
wodurch z.B. die Ausrichtung der Vorrichtung in die Windrichtung
durch Drehung um eine rechtwinklig zur Rotorachse stehende Drehachse
erleichtert wird.
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Die
Lagerung mehrerer Rotoren mit unterschiedlichen äußeren Tragelementen ist dabei
ohne weiteres auch in einem gemeinsamen Sockelelement denkbar.
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In
dem Sockelelement können
darüber
hinaus alle für
den Betrieb der Windkraftanlage erforderlichen Baukomponenten, insbesondere
der Stromgenerator, Umformereinrichtungen, usw. mit günstiger Schwerpunktslage
nah am Fundament der Windkraftanlage angebracht werden.
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Bei
einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage
benötigen
die Fundamente zwar einen größeren Durchmesser
als bei heutigen Anlagen, dies bedeutet jedoch auch, dass sie bei
gleichem Kippmoment nicht so tief gegründet werden müssen.
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Kurze
Böen haben
wegen des relativ großen Trägheitsmoments
des sich drehenden Rotors keine Leistungsspitzen zur Folge, so dass
der erzeugte Strom damit sehr netzverträglich ist.
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Durch
die Möglichkeit,
die Segel in der beschriebenen Weise zu reffen, kann die Anlage
sowohl bei geringem Wind mit niedrigem Drehmoment angefahren als
auch bei stärkerem
Wind in der Leistung begrenzt werden. Insbesondere kann die Nennleistung
durch Reffen bei jeder Windstärke
oberhalb der sogenannten Nennwindstärke erzeugt werden. Die Anlage
muss bei Sturm nicht abgeschaltet werden und kann mit kleinster
Segelfläche
noch die Nennleistung erzeugen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der
Figuren nachfolgend näher
erläutert.
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Im
Einzelnen zeigen
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1 eine
perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
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2 eine
perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsvariante und
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3 eine
perspektivische Darstellung einer dritten Ausführungsvariante der Erfindung.
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In
der Darstellung gemäß 1 ist
eine Windkraftanlage 1 erkennbar, die einen Ständer 2 als Sockelelement
und einen Rotor 3 umfasst.
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Der
Rotor 3 ist mit einer zylindrischen Rohrwand 4 als äußeres Tragelement
versehen, wobei im Innenraum Segel 6 als Auftriebselemente
befestigt sind.
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Die
Segel 6 sind an Stagen 7 befestigt, die an einem
Ende an der Rohrwand 4 und im Zentrum des Rotors 3 mit
einer Nabe 8 verbunden sind. Im rückwärtigen Bereich des Innenraums 5 sind
Streben 9 in gleicher Anordnung wie die Stage 7 angebracht, um
die Nabe 8 zu halten und den Rotor 3 insgesamt zu
versteifen.
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Die
Segel 6 sind am hinteren Ende 10 auf nicht näher dargestellte
Weise über
Schote, die über Rollen
oder dergleichen an der Rohrwand 4 geführt werden können, gehalten
und gespannt, womit wie o.a. der Anstellwinkel und die Wölbung verstellbar
ist.
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Die
Nabe weist eine Spitze 11 auf, die für einen geringen Luftwiderstand
der Nabe 8 sorgt, um die zentral einströmende Luft möglichst
ohne Verwirbelungen in den Wirkungsbereich der Segel 6 zu
leiten.
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Die
Stage 7 können
wie aus der Segelschifffahrt bekannt als Rollstage ausgebildet werden,
so dass die Segel 6 durch Aufrollen auf den Stagen 7 gerefft
werden können.
Auf diese weise ist eine Anpassung an die äußeren Betriebsbedingungen,
z.B. an die Windstärke,
Drehgeschwindigkeit des Rotors, usw. möglich.
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Der
Ständer 2 umfasst
einen Drehkranz 12, auf dem ein Traggerüst 13 über Laufrollen 14 drehbar um
eine senkrecht zur Ebene des Drehkranzes 12 stehende Drehachse
V gelagert ist, um den Rotor in Windrichtung zu drehen. Das Traggerüst 13 umfasst Stiele 15 sowie
Quer- und Diagonalverstrebungen 16, 17, so dass
sich die gewünschte
Steifigkeit bei geringem Material und Fertigungsaufwand ergibt.
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An
den Stielen 15 sind Lagerelemente 18 angebracht,
die die Rohrwand 4 des Rotors 3 umgreifen. Die
Lagerelemente 18 werden bevorzugt als Wälzlager, insbesondere Rollenlager
ausgebildet. Durch diese Art der Lagerung ist der Rotor 3 um
die zentrale Achse Z drehbar, wobei keine starren Bauelemente in
den Windströmungsquerschnitt
des Rotors 3 hineinragen.
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Die
erfindungsgemäße Bauform
der Windkraftanlage 1 ermöglicht es, einen vergleichsweise niedrigen
Ständer 2 mit
großer
Auflagefläche
zu verwenden, so dass eine konstruktiv leicht zu verwirklichende
stabile Lagerung des Rotors 3 möglich ist. Der Rotor 3 ist
seinerseits mit äußerst geringem
Materialaufwand und somit mit geringem Gewicht bei großem Windströmungsquerschnitt
herstellbar. Durch die Verwendung von Segeln 6 als Auftriebselemente
ergibt sich eine äußerst kostengünstige und bewährte Methode
zur Ausnutzung der Windkraft, die darüber hinaus durch Reffung der
Segel auf leichte Weise steuerbar ist.
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Bei
der erfindungsgemäßen Bauart
ist ein Abgriff der mechanischen Leistung des Rotors 3 an der
Außenseite
bzw. der Rohrwand 4 möglich,
beispielsweise über
eines oder mehrere der Lagerelemente 18 oder über ein
nicht näher
dargestelltes separates Kraftübertragungselement.
Andere Komponenten, beispielsweise Steuereinheiten oder Stromgeneratoren
können
problemlos in oder an dem Ständer 2 angebracht
werden.
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Die
Windkraftanlage 19 gemäß 2 entspricht
im Wesentlichen der Windkraftanlage 1 gemäß 1.
Abweichend ist nunmehr jedoch die zentrale Nabe 20 mit
einem deutlich vergrößerten Umfang
ausgebildet, wodurch ein größerer zentraler Teilbereich
des Windströmungsquerschnitts verschlossen
wird. Die als Luftleitelement geformte Spitze 21 der Nabe 20 dient
dazu, den achsennahen Wind weiter nach außen zu lenken, wo er mit größerem Drehmoment
auf die Segel 6 wirken kann. Die Nabe ist so geformt, dass
der gesamte Windströmungsquerschnitt
von den Segeln 6 genutzt werden kann.
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Die
Windkraftanlage 22 gemäß 3 entspricht
wiederum in wesentlichen Teilen den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen.
Abweichend ist nunmehr keine zentrale Nabe vorhanden. Die Stage 23, 24 sind
im Zentrum 25 unmittelbar miteinander verbunden.
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In
einer Weiterbildung dieser Ausführungsform
werden die Stage drehbar so im Zentrum 25 miteinander verbunden,
dass eine Rollreffung möglich ist.
Die Rollstage 23, 24 können durch entsprechende Formgebung,
beispielsweise durch Verwendung von entsprechenden Rohren, die erforderliche
Steifigkeit aufweisen oder aber auch über Verspannungen oder Verstrebungen
(nicht dargestellt) stabilisiert werden:
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- 1
- Windkraftanlage
- 2
- Ständer
- 3
- Rotor
- 4
- Rohrwand
- 5
- Innenraum
- 6
- Segel
- 7
- Stag
- 8
- Nabe
- 9
- Streben
- 10
- hinteres
Ende
- 11
- Spitze
- 12
- Drehkranz
- 13
- Traggerüst
- 14
- Laufrollen
- 15
- Stiel
- 16
- Querverstrebung
- 17
- Diagonalverstrebung
- 18
- Lagerelemente
- 19
- Windkraftanlage
- 20
- Nabe
- 21
- Spitze
- 22
- Windkraftanlage
- 23
- Stag
- 24
- Stag
- 25
- Zentrum