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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Windkraftanlage vom Windmühlen-Prinzip,
welche zur Energieversorgung Verwendung findet.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung auf beliebige Windkraftanlagen anwendbar
ist, werden ihre Merkmale sowie die ihr zugrunde liegende Problematik
in Bezug auf eine Windkraftanlage mit einer großen Bauart beschrieben.
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Derartige
Windkraftanlagen sind dazu geeignet, einen anteiligen Strombedarf
für alle
Verbraucher abzudecken. In der Zukunft werden diese auch über die
Hydrolyse von Wasser neben Sauerstoff zur Erzeugung von Wasserstoff
dienen, der mittels Brennstoffzellen in Kraftfahrzeugen über hierin
erzeugten Strom die bisherigen Antriebsmittel Benzin, Diesel oder
Erdgas ersetzen wird. Ferner ist für die derzeitig Erdöl- und Erdgas
produzierenden Länder, die
zurzeit auf keinem hochtechnisierten Niveau leben, unter anderem
die Installation höherer
Kapazitäten
an Windkraft-Großanlagen
aus den Einnahmen ihrer Erdöl-
und Erdgasgeschäfte
heraus eine wichtige Frage zur Erhaltung ihrer zukünftigen
Existenz, wenn die Rohstoffquellen versiegt sind.
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Weltweit
haben sich bisher Windräder
mit horizontaler Achse durchgesetzt, die meist drei Rotorblätter bzw.
Rotorflügel
am Rotor tragen, der die durch Windkraft erzeugte Energie an schließend in das
kleine Maschinenhaus mit Getriebe, Bremsvorrichtung, Generator und
Steuereinrichtungen liefert. Die Anlagen sind über einen Drehkranz auf Masten stationiert
und werden über
Steuerungseinrichtungen betrieben.
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Die
jetzigen drei-flügeligen
Windkraftanlagen werden angesichts der Überproduktion an Strom aus Atomkraftwerken
und solchen mit fossilen Heizstoffen nur zu einem geringen Anteil
ausgenutzt, das heißt,
nach Forderung der Stromverteiler zeitweise abgeschaltet, obwohl
genügend
Windkraft vorhanden wäre.
Bereits heute wäre
es notwendig, das gesamte Energieangebot aus Windkraftanlagen abzunehmen,
in Speicheranlagen zeitweise zu speichern oder in Energieträger, wie
beispielsweise Wasserstoff, zu überführen. Die
bisherige Verfahrensweise sollte bei Vorhandensein der Windkraft-Großanlagen überwunden
sein, denn angesichts des drohenden Endes der Welt-Ressourcen an
Kohle und Kohlenwasserstoffen sollte die Verwendung von Kohle, Erdöl und Erdgas
zur thermischen Nutzung auch in Kraftfahrzeugen dringend durch Weltkonventionen
verboten und das Verbot auch durchgesetzt werden, damit die chemische
Industrie der Welt und das Hüttenwesen
noch über
längere
Zeit über
diese wichtigen Rohstoffe verfügen
können.
Erst dann wird Strom aus alternativen und regenerativen Energien
die wichtigste Stromquelle werden. Windkraft-Großanlagen der vorgenanten Größe können bei
der notwendigen Neuordnung des Welt-Energiekonsums und deren Umsetzung
als eine wichtige Stützsäule dienen.
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Zwar
leisten die derzeit in Deutschland existierenden Windkraftanlagen
eine beachtliche Stromerzeugung, aber insgesamt beträgt die Höhe der durch
alternative Energien (Wind, Wasser, Sonne) erzeugte Strom nur etwa
10% des gesamten volkswirtschaftlichen Stromverbrauchs.
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Bei
den drei-flügeligen
Windkraftanlagen gemäß dem Stand
der Technik hat sich die Tatsache als nachteilig herausgestellt,
dass diese drei-flügeligen Windkraftanlagen
eine geringe Leistungsfähigkeit aufweisen,
da die Flügel
eine dem Wind ausgesetzte Fläche
von lediglich etwa 60 qm nutzen.
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Im
Stand der Technik findet sich der Ansatz zur Lösung dieses Problems, die Leistungsfähigkeit der
drei-flügeligen
Windkraftanlagen dadurch zu erhöhen,
dass die Maße
der Rotorflügel
in Länge
und Breite erhöht
werden.
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An
diesem Ansatz hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt,
dass die derzeitigen Verbundwerkstoffe wie Glasfaser und Kunstharz
es nicht zulassen, die Maße
der Rotorflügel
erheblich zu erhöhen,
da eine Gewichtszunahme mit den Anforderungen an die Stabilität konkurriert
und diese nachteilig beeinflusst oder sogar ausschließt. Die
Möglichkeit,
die Rotorflügel
für eine
erhöhte
Aufnahme von Windkraft dort zu verbreitern, wo sie gemäß dem Stand
der Technik eher einen spitzförmigen
Verlauf einnehmen, scheitert ebenfalls an den Stabilitätsanforderungen,
da auch in diesem Fall mit einer erheblichen Gewichtszunahme zu
rechnen ist.
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Ferner
findet sich im Stand der Technik der Ansatz, die Anzahl der Rotorflügel zu erhöhen, um die
Leistungsfähigkeit
auf Grund einer erhöhten
Aufnahme von Windkraft zu steigern.
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An
diesem Ansatz hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt,
dass auf Grund des großen
Durchmessers der Fußplatte
der Rotorblätter lediglich
eine begrenzte Anzahl, im Allgemeinen drei Rotorflügel, auf
dem Rotor anbringbar sind. Eine Vergrößerung des Rotors lassen die
derzeitigen Modelle keinesfalls zu.
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Die
Druckschrift
DE 100
14 426 A1 beschreibt eine Windenergieanlage mit einem Rotor und
einem den Rotor umschließenden
Ringelement, in welchem die radial äußeren Rotorblattspitzen beweglich
gelagert sind.
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In
der Druckschrift
DE
37 18 954 A1 wird eine Propelleranordnung beschrieben,
welche einen in einem offenen, zylinderartigen Gehäuse angeordneten
Propeller aufweist, dessen Flügelspitzen über einen
Außenring
miteinander verbunden sind. Der Propeller ist über den Außenring in dem Gehäuse gelagert.
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Das
Dokument
FR 2 394 689
A1 beschreibt eine Windenergieanlage mit einem Rotor, an
welchem Rotorblätter
in radialer Richtung angebracht sind. Die radial äußeren Rotorblattspitzen
der Rotorblätter
sind wiederum an einem Ringelement befestigt, welches über eine
Antriebseinrichtung in eine Drehbewegung ansteuerbar ist.
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Die
Druckschrift
DE 202
13 062 U1 offenbart eine Windkraftanlage, bei welcher die
einzelnen Rotorblätter
in radialer Richtung starr mit einem Außenring für eine Drehung um die Achse
gelagert sind.
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Somit
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Windkraftanlage
mit einer erhöhten
Leistungsfähigkeit
auf Grund erhöhter
Aufnahme von Windkraft gegenüber
den Ansätzen
gemäß dem Stand
der Technik zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Windkraftanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Jeder
Rotorflügel
ist vorzugsweise an dem distalen Lagerabschnitt im Bereich des Ringträger-Elementes
mit einer Feder-Einrichtung für
eine elastische Aufhängung
gekoppelt, wobei die Feder-Einrichtung eine radial nach außen gerichtete Zugspannung
des jeweils zugeordneten Rotorflügels bewirkt.
Vorzugsweise ist die Federkraft der Feder-Einrichtungen jeweils
geeignet einstellbar. Somit wird eine elastische Lagerung der Rotorflügel in radialer
Richtung ermöglicht,
sodass hinsichtlich möglicher
Längenveränderungen
auf Grund von Winddruck- und Temperaturschwankungen die Rotorflügel eine
gewisse Durchbiegung erfahren können.
Um derartigen Durchbiegungen entgegen zu wirken, üben die
Feder-Elemente jeweils auf das zugeordnete Rotorblatt bzw. auf die
zugeordneten Rotorflügel eine
maßvolle
und regelbare Zugspannung aus.
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Es
wird somit ein stabiler federelastischer Lagerabschnitt für das distale
Ende der Rotorflügel bzw.
der Rotorflügel-Köpfe geschaffen, wobei diese für einen
Umlauf auf einer Kreisbahn um die Rotoreinheit drehbar gelagert
sind. Aufgrund der zusätzlichen
federelastischen Lagerung der distalen Enden der Rotorflügel durch
das Ringträger-Element
können
die einzelnen Rotorflügel
mit einer größeren Länge, einer
größeren Breite
und einem erhöhten
Gewicht ausgebildet werden. Ferner können mehrere Rotorflügel mit
verschmälerten
ausgebildeten proximalen Enden mit der Rotoreinheit verbunden werden,
da die Rotoreinheit im Gegensatz zum Stand der Technik nicht das
gesamte Gewicht der Rotorflügel
aufnehmen muss, und somit ein verjüngter Lagerabschnitt ausreicht.
Insbesondere kann die Breite der gemäß dem Stand der Technik spitz
auslaufenden distalen Enden der Rotorflügel um ein Vielfaches vergrößert werden,
wobei gleichzeitig die Zahl der Rotorflügel erheblich, beispielsweise
um das 20-fache, erhöht
werden kann. Durch die auf einer Kreisbahn beweglich gelagerten
und geführten
Rotorflügel-Enden
durch das feststehende Ringträger-Element
werden die Gewichtskräfte
der einzelnen Rotorflügel
von der Rotoreinheit auf das Ringträger-Element verlagert.
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Zusätzlich können durch
die drehbare Lagerung an den Lagerabschnitten sowohl an der Rotoreinheit
als auch an dem Ringträger-Element
für eine Verstellung
der Rotorflügel
um ihre Längsachsen
die einzelnen Rotorflügel
einzeln, jedoch als Einheit, gezielt graduell synchron verstellt
werden, da eine synchronisierte Ansteuerung durch die in der Rotoreinheit
gemeinsam vorgesehene Steuereinheit und die im Bereich des Lagerabschnitts
an dem Ringträger-Element
jeweils vorgesehene Steuereinrichtung gewährleistet ist. Somit wird beispielsweise
eine Verkippung oder Verkeilung bzw. eine gegenphasige Verstell-Ansteuerung
der angesteuerten Rotorflügel vermieden.
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Eine
Windkraftanlage gemäß der vorliegenden
Erfindung weist demnach gegenüber
den drei-flügeligen
Windkraftanlagen gemäß dem Stand der
Technik den Vorteil auf, dass die Rotorflügel eine dem Wind ausgesetzte
Fläche,
abhängig
von der verwendeten Rotor-Blattzahl, von in etwa 20.000 bis 30.000
qm und somit das 300- bis 500-fache der ausgenutzten Windfläche gemäß dem Stand
der Technik besitzen. Somit ist die Leistungsfähigkeit der gesamten Windkraftanlage
gegenüber
dem Stand der Technik erheblich erhöht.
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In
den Unteransprüchen
finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der
im Anspruch 1 angegebenen Windkraftanlage.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist das Ringträger-Element
als ringförmige
Hohlschienen-Anordnung für
ein Umschließen
der distalen Enden der Rotorflügel
ausgebildet. Vorteilhaft ist auf beiden Seiten der ringförmigen Hohlschienenanordnung
jeweils eine endlose Rollenkette in jeweils einer Hohlschiene für eine Führung der
Rotorflügel vorgesehen.
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Vorzugsweise
sind die distalen Enden der Rotorflügel jeweils über ein
Verbindungs-Element mit einem Brücken-Element
gekoppelt, wobei sich das Brücken-Element
mit beiden Rollenketten der ringförmigen Hohlschienenanordnung
für eine
synchrone Führung
der Rotorflügel
an beiden Seiten der Hohlschienenanordnung im Eingriff befindet.
Beispielsweise nimmt das Verbindungs-Element die jeweils zugeordnete
Feder-Einrichtung
für die
Vorspannung des jeweils zugeordneten Rotorflügels auf, wobei das Verbindungs-Element
teleskopartig ausgebildet sein muß. Vorzugsweise ist das Verbindungs-Element jeweils drehbar
für eine
Verstellung das Anstellwinkels des zugeordneten Rotorflügels an
dem zugeordneten Brücken-Element
angebracht. Für
eine Verstellung des Anstellwinkels der einzelnen Rotorflügel ist vorzugsweise
im Bereich des distalen Lagerabschnitts jeweils eine äußere Steuereinrichtung
vorgesehen, um das zugeordnete Verbindungs-Element für eine Verstellung der Rotorflügel zu drehen.
Alternativ können
die Rotorflügel
im Bereich des distalen Lagerabschnitts auch eine gemeinsame Steuereinrichtung,
beispielsweise eine Steuerkette, für eine synchrone Verstellung
der Rotorflügel
durch synchrones Drehen der Verbindungs-Elemente aufweisen.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
ragen die proximalen Enden der Rotorflügel in die Rotoreinheit hinein
und weisen eine Verzahnung auf, wobei ein gemeinsames Steuerzahnrad
mit allen Verzahnungen der proximalen Enden der Rotorflügel der
Art gleichmäßig gekoppelt
ist, dass eine synchrone Verstellung der Rotorflügel bei Ansteuerung des gemeinsamen
Steuerzahnrads erfolgt. Dabei wird das gemeinsame Steuerzahnrad vorzugsweise
durch eine gemeinsame innere Steuereinrichtung angesteuert. Vorzugsweise
sind die innere und die äußeren Steuereinrichtungen
der Art miteinander gekoppelt, dass aufeinander synchronisierte
Steuersignale an die jeweiligen Verstellantriebe geliefert werden
können,
um eine synchrone Verstellung der Rotorflügel an beiden Lagerabschnitten zu
gewährleisten.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
weist die Windkraftanlage mehrere Säulen auf, welche an dem Ringträger-Element
angreifen und dieses in einer stabilen Position halten, sodass das
Ringträger-Element
durch die Säulen feststehend
ausgebildet ist. Vorzugsweise sind äußere geneigte Stützsäulen und
innere senkrechte Trägersäulen vorgesehen,
welche jeweils mit ihren bodenseitigen Fuß-Enden in einer zugeordneten
kreisförmigen,
beispielsweise zweispurigen Schienenbahn mittels Doppelrad-Sätzen für eine Drehung
der Windkraftanlage um ihre vertikale Achse führbar gelagert sind.
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Vorteilhaft
sind Sensor-Einrichtungen vorgesehen, welche die Verstellungen und
Verdrehungen der einzelnen Rotorflügel, den störungsfreien Lauf der Rollenketten,
die Funktion der Energie-Abnahmestellen, die Funktionsfähigkeit
der verwendeten Antriebsmotoren, Antriebszahnräder etc. überwachen und gegebenenfalls
ein Warnsignal ausgeben bzw. einen Notstopp-Mechanismus für ein Anhalten der
Windkraftanlage aktivieren.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
weist die Windkraftanlage mehrere, vorzugsweise vier, Energieabnahmestellen
auf, welche im Bereich der distalen Enden der Rotorflügel an dem Ringträger-Element
vorgesehen sind. Vorzugsweise sind die Energieabnahmestellen im
Bereich der Lagerbereiche der Stützsäulen an
dem Ringträger-Element
vorgesehen.
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Im
Folgenden werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung näher erläutert. Von
den Figuren zeigen:
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1 eine
Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Seitenansicht der Windkraftanlage gemäß 1;
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3 eine
schematische Draufsicht auf die bodenseitige Anordnung von Stütz- und
Trägersäulen gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
Schnittansicht in Längsrichtung einer
zweispurigen Schienenbahn für
eine Führung und
Lagerung der Säulen-Fußenden gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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5 eine
Schnittansicht in Querrichtung einer zweispurigen Schienenbahn für eine Führung und
Lagerung der Säulen-Fußenden gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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6 eine
Vorderansicht, teilweise im Schnitt, eines distalen Rotorflügel-Endes
mit zugeordnetem Lagerabschnitt und Brücken-Element in der Hohlschienenanordnung
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; und
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7 eine
Vorderansicht eines Kreis-Teilausschnitts einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage
mit zugeordneter Abnahmestelle gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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In
den Figuren der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche
oder funktionsgleiche Komponenten.
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1 illustriert
eine Vorderansicht einer Windkraftanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung.
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Wie
in 1 ersichtlich ist, besteht die Windkraftanlage
gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
aus einer mittig angeordneten Rotoreinheit 1 und einem
dazu bezüglich
der horizontalen Achse der Rotoreinheit 1 konzentrisch
angeordneten Ringträger-Element 2,
welches vorzugsweise als ringförmige
Hohlschienenanordnung ausgebildet ist, wie weiter unten ausführlicher
beschrieben werden wird. Zwischen der Rotoreinheit 1 und
dem Ringträger-Element 2 ist
eine Vielzahl an Rotorflügeln 3 angebracht,
wobei die Rotorflügel 3 jeweils über einen Lagerabschnitt
im Bereich der Rotoreinheit 1 an der Rotoreinheit 1 und über einen
Lagerabschnitt im Bereich des Ringträger-Elementes 2 an
dem Ringträger-Element 2 gelagert
sind. Die ringförmige
Schienenanordnung bzw. das Ringträger-Element 2 umschließt vorzugsweise
ferner die distalen Enden 30 aller Rotorflügel 3.
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Beispielsweise
sind zwischen 60 und 100 Rotorflügel 3 an
der Rotoreinheit 1 in sich drehbar befestigt, sodass bei
einer Drehung der Rotoreinheit 1 die Rotorflügel 3 eine
auf der durch das Ringträger-Element 2 definierte
Kreisbahn umlaufen. Dabei sind die proximalen Fuß-Enden 31 der Rotorflügel 3 mit
einer Verzahnung (nicht dargestellt) versehen, wobei die Rotorflügel 3 über ein
gemeinsames Steuerzahnrad alle Zahnkränze der Rotorflügel-Füße gleichmäßig erfasst
und durch beispielsweise eine gemeinsame Steuereinrichtung (nicht
dargestellt) um die Längsachse
der Rotorflügel 3 in
vorgegebener Richtung und um einen vorbestimmten Anstellwinkel verstellbar
gelagert sind. Dies wird weiter unten ausführlicher beschrieben werden.
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2 illustriert
eine Seitenansicht einer Windkraftanlage gemäß 1 und 3 eine
schematische Draufsicht auf eine bodenseitige Anordnung von Säulen gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung. Anhand der 1, 2 und 3 soll
im Folgenden das Trägersystem
der Windkraftanlage gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung näher
erläutert werden.
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Wie
in den Figuren ersichtlich ist, wird das Gebilde, bestehend aus
Rotoreinheit 1, Ringträger-Element 2 und
Rotorflügeln 3 durch
ein Säulensystem
getragen. Vorzugsweise, wie in 3 ersichtlich
ist, sind sechs äußere Stützsäulen 4,
d.h, zwei seitliche kürzere
Stützsäulen 4a und
vier schräg versetzte
längere
Stützsäulen 4b,
welche von einem bodenseitigen Lagerabschnitt schräg in Richtung
des Ringträger-Elementes 2 verlaufen,
an geeigneten Stellen an dem Ringträger-Element 2 fest
montiert, beispielsweise am horizontal äußersten Umfangsrand des Ringträger-Elementes 2.
Ferner sind beispielsweise zwei Trägersäulen 5, welche sich
in vertikaler Richtung von einem bodenseitigen Lagerabschnitt erstrecken
und ebenfalls an geeigneten Stellen des Ringträger-Elementes 2 für eine Lagerung desselben
befestigt sind, ebenfalls an dem horizontal äußersten Umfangsrand des Ringträger-Elementes 2 fest
angebracht. Zusätzlich
ist beispielsweise eine Standsäule 6 vorgesehen,
welche sich ausgehend von einer bodenseitigen Lagerung in vertikaler Richtung
bezüglich
des Ringträger-Elementes 2 mittig
erstreckt und an dem unteren Schnittpunkt und dem oberen Schnittpunkt
mit dem Ringträger-Element
sowie mit einem Gehäuseabschnitt
der Rotoreinheit 1 befestigt ist.
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Die
Windkraftanlage bzw. das Ringträger-Element 2 ist
derart über
das Säulensystem,
bestehend aus den Säulen 4, 5 und 6,
bodenseitig gelagert, dass sich die Windkraftanlage um ihre vertikale
Achse in einem Kreis bewegen kann, um somit die Anordnung gemäß der augenblicklich
vorherrschenden Windrichtung für
eine optimale Ausnutzung der Windkraft auszurichten. Dazu sind beispielsweise
die sechs äußeren Stützsäulen 4 in
einer ersten kreisförmigen
Spezial-Schienenbahn 8 und
die zwei Trägersäulen 5 in
einer zweiten dazu konzentrisch verlaufenden inneren Spezial-Schienenbahn
geführt
und gelagert, was unter Bezugnahme auf die 4 und 5 im
Folgenden näher
erläutert
wird.
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4 zeigt
eine Schnittansicht entlang der Längsrichtung einer Spezial-Schienenbahn 8 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung und 5 eine Schnittansicht
entlang der Querrichtung der Spezial-Schienenbahn 8 in 4. Wie
aus den 4 und 5 ersichtlich
ist, sind die Stützsäulen 4 und
die Trägersäulen 5 vorzugsweise jeweils
auf Doppelradsätzen 7 angeordnet,
welche auf den zugeordneten zwei-spurigen Spezial-Schienenbahnen 8 laufen,
wobei die Spezial-Schienenbahnen 8 beispielsweise in einem
bodenseitigen Fundament verankert sind.
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Obwohl
in den Figuren das Lagerungs- und Führungsprinzip anhand einer
Stützsäule 4 exemplarisch
dargestellt ist, ist dieses Prinzip auch auf die übrigen Stützsäulen 4 und
auf die Trägersäulen 5 analog
anwendbar.
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Die
sechs Stützsäulen 4 können beispielsweise
auf der äußeren Spezial-Schienenbahn 8 bewegt
werden, sodass insgesamt eine Verdrehung der Windkraftanlage um
ihre vertikale Achse erfolgt. Dabei ist die mittige Standsäule 6 vorzugsweise
auf einer Drehscheibe oder dergleichen angeordnet. Das störungsfreie
In-Bewegung-Setzen der Windkraftanlage erfolgt beispielsweise über Zahnräder, die
von unten in die Zahnprofile der Tragschienenpaare greifen. Dazu
befindet sich zwischen den Schienenpaaren ein Schacht und darüber beispielsweise
ein Antriebsmotor mit Getriebe und Bremse. Durch einen Antrieb der
sechs Stützsäulen 4 können beispielsweise
die zwei Trägersäulen 5 mit
angetrieben werden, sodass diese keine eigene Antriebs-Einheit benötigen.
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Unter
Bezugnahme auf 6, welche eine schematische
Ansicht, teilweise im Schnitt, eines Teilausschnitts eines distalen
Rotorflügel-Endes
mitsamt Aufhängung
illustriert, wird im Folgenden die Lagerung und Führung der
distalen Rotorflügel-Enden
in dem Bereich des Ringträger-Elementes 2 näher erläutert.
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Wie
in 6 ersichtlich ist, ist das distale Ende 30 jedes
Rotorflügels 3 vorzugsweise
mit einem Verbindungs-Element 9 gekoppelt, welches beispielsweise
aus teleskopartig relativ gegeneinander verschiebbaren Zylindern,
welche vorzugsweise mittels einer oder mehrerer Gleitschieneneinrichtungen 15 gegeneinander
axial verschiebbar und radial nicht gegeneinander verdrehbar gelagert
sind, besteht und eine Federeinrichtung 10, beispielsweise
eine Spiralfeder, derart aufweist, dass die Rotorflügel 3 unter
einer Zugspannung in radialer Richtung nach außen gerichtet gelagert werden.
Dadurch sind die einzelnen Rotorflügel 3 jeweils elastisch
mit dem Ringträger-Element 2 über das
die Federeinrichtung 10 aufweisende Verbindungs-Element 9 derart
gekoppelt, dass auf die Rotorflügel 3 wirkende
Zugkräfte
aufgrund beispielsweise einer zu starken Windkraft von den Feder-Einrichtungen 10 jeweils
aufgenommen werden können,
wodurch ein Schutz der ringträgerseitigen
Aufhängung
gewährleistet
wird. Die Federeinrichtung 10 ist beispielsweise als Druckfeder
unter einer festen Rotorflügelkopfabdeckung 16 angeordnet.
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Wie
in 6 ferner ersichtlich ist, ist ein Stellmotor 18 für einen
Antrieb eines Gewindestempels 19 bzw. einer Gewindespindel 19 vorgesehen. Der
Gewindestempel 19 ragt durch eine Bohrung unterhalb der
Auflage der Halsplatte 20 und der Bohrung durch die Rotorflügelkopfplatte
hindurch und kann sich frei bewegen. In der Stempelfußplatte 21 sitzt
der Gewindestempel 19 mit seinem Gewindeteil 22 in
dem Gewinde der Stempelfußplatte 21 frei drehbar.
Die lose Stempelfußplatte 21 wird
beispielsweise mittels zwei Nuten am Drehen in der Hülse gehindert,
kann sich jedoch durch eine Drehung des Gewindestempels 19 in
der Zylinderhülse
auf- und abwärtsbewegen.
Der untere Teil der Federanlage muß sich bei Druckänderungen
auf die Federeinrichtung 10 durch Verstellen der Vorrichtung
oder durch eine Winddruckveränderung
zumindest etwas auf- oder abwärtsbewegen
können,
in Richtung zu der festen Auflage durch die Stempelhalsplatte 20.
Die Federeinrichtung 10 übt hierbei den unterschiedlichen
Druck auf die Unterseite des Rotorflügelkopfes aus.
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Die
Steuereinrichtung 12, welche beispielsweise als Gesamtsteuereinrichtung
für alle
Rotorflügelkopfenden
oder als jeweils einem Rotorflügelkopfende
zugeordnete Steuereinrichtung ausgebildet sein kann, steuert die
Zylinderhülse
für eine
Winkelverstellung des Rotorflügelkopfendes
an, wie bereits erläutert
worden ist.
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Das
Ringträger-Element 2 ist
vorzugsweise als ringförmige
Brückenkonstruktion
ausgebildet, in welcher zwei randseitige Hohlschienen 13 mit
endlos laufenden Rollenketten ausgebildet sind, welche über eine
Brückenanordnung 11 miteinander
verbunden sind. Die Brückenanordnung 11 ist
vorzugsweise auf zwei randseitigen Hohlschienen 13 innerhalb
des Ringträger-Elementes 2,
beispielsweise auf endlos laufenden Rollenketten, gelagert, wobei
das Verbindungs-Element 9 vorzugsweise
jeweils mittig an der zugeordneten Brückenanordnung 11 angebracht
ist.
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Das
beispielsweise ringförmige
ausgebildete Ringträger-Element 2 trägt somit
vorzugsweise auf jeder Seite jeweils eine in einer randseitigen
Hohlschiene 13 laufende Rollenkette mit integrierten Plasterollen 13a,
welche durch die Brückenanordnung 11 miteinander
verbunden sind. Die Plasterollen 13a können dabei beispielsweise als
Vollplastrollen oder als Rollen mit einem Hohlkörperkern bestehend aus Stahl
und darüber
vorgesehenem Plastemantel ausgebildet werden. Somit können die
einzelnen Plasterollen 13a Bestandteil der Rollenketten sein
und in den Führungs- bzw. Hohlschienen 13 für ein kreisförmiges Umlaufen
der Anordnung geeignet geführt
werden. Die beiden Rollenketten werden demnach an vorbestimmten
Abständen,
bestimmt durch die Abstände
der einzelnen Flügelköpfe, durch die
jeweils vorgesehene Brückenanordnung 11 miteinander
verbunden. Dabei ist die Brückenanordnung 11 über die
zugeordneten Plasterollen 13a jeweils mit den Rollenketten
verbunden bzw. an diesen angeschraubt, vorzugsweise mittels einer
Verbindung an beiden Seiten einer Plasterolle.
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Um
die Gefahr einer möglichen
Verschmutzung der gekapselten Rollenbahnen-Anlage zu minimieren,
kann bei Betrieb die Anlage mit gefilterter Luft beschickt werden,
wobei die Luft in den Energiestationen hergestellt wird. Somit entsteht
ein Überdruck
in dem Rollbahnsystem zur Verhinderung einer etwaigen Verschmutzung.
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Das
Verbindungs-Element 9 ist ferner an der Brückenanordnung 11 derart
angebracht, dass eine Drehung des Verbindungs-Elementes 9 und damit des Rotorflügels 3 um
seine Längsachse
bewerkstelligt werden kann. Eine derartige Verstellung des Verbindungs-Elementes 9 bzw.
des Rotorflügels 3 kann mittels
einer Steuereinrichtung 12 ausgeführt werden, welche mit dem
Verbindungs-Element 9 gekoppelt ist.
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An
dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass anstatt der Steuereinrichtungen 12,
von denen jeweils eine einem Rotorflügel 3 zugeordnet ist,
eine gemeinsame Steuereinrichtung, beispielsweise eine Steuerkette
vorgesehen werden kann.
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Für die Gesamtzahl
der Rotorflügel
ist diese Bauart in den vorgesehenen Abständen über die gesamte Ringanlage
verteilt. Diese Ringanlage ist vorzugsweise in geeigneter Weise
gegen Verschmutzung durch Überlappung
der Verkleidung im Bereich der sich bewegenden Rotorflügel-Enden
gekapselt.
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Zum
Gewährleisten
einer synchronisierten Verstellung jedes Rotorflügels 3 sowohl an dem
Lagerabschnitt im Bereich des Ringträger-Elementes 2 als
auch an dem Lagerabschnitt im Bereich der Rotoreinheit 1 sind
die äußeren Steuereinrichtungen 12 und
die in der Rotoreinheit 1 vorgesehene innere Steuereinheit
(nicht dargestellt) derart miteinander verbindbar, dass synchronisierte
Ansteuersignale für eine
synchrone Verstellung des Anstellwinkels der einzelnen Rotorflügel 3 gewährleistet
sind. Somit können
Verkeilungen einzelner Rotorflügel 3 bei
einer Verstellung um die Längsachse
verhindert werden, welche daraus resultieren würden, dass ein Rotorflügel 3 am
proximalen Ende 31 nicht synchron mit dem distalen Ende 30 verstellt
werden würde.
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Somit
ist jeder Rotorflügel 3 jeweils
vorteilhaft mittels einer zugeordneten Federeinrichtung 10 zuggefedert
und mittels einem jeweils zugeordneten Verbindungs-Element 9 um
seine Längsachse
drehbar an dem Ringträger-Element 2 derart
aufgehängt, dass
sich die Rotorflügel 3 zusätzlich zu
ihrer möglichen
Verstellung um ihre Längsachsen
relativ zu dem Ringträger-Element 2 in
einer Kreisbahn bewegen können.
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Somit
werden die Rotorflügel 3 sowohl
an den in die Rotoreinheit 2 ragenden Fuß-Enden
als auch an der Aufhängung
im Bereich der Rollenketten-Überbrückung synchron
und winkelmäßig einheitlich
mittels beispielsweise zusammenwirkenden Steuereinrichtungen ausgerichtet,
wie oben bereits erläutert.
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Die
Federeinrichtung 10 ist jeweils in dem zugeordneten zylindrischen
Verbindungs-Element 9 mit einer vorbestimmten Federkraft
eingebaut, wobei durch beispielsweise eine Stellschraube die Federkraft
der Federeinrichtung 10 auf den erforderlichen Druck eingestellt
werden kann und die Druckkraft als Zugkraft auf den jeweils zugeordneten
Rotorflügel 3 zur
Wirkung bringt.
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7 illustriert
eine schematische Ansicht eines Teilausschnitts eines Bereiches
des Ringträger-Elementes 2 gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung. Wie in 7 ersichtlich ist,
weist die Windkraftanlage mindestens eine Energie-Abnahmestelle 14 auf,
welche zur Energie-Abnahme
beispielsweise ein Getriebe, eine Bremse, einen Generator sowie
Steuerungs-Aggregate aufweist.
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Vorzugsweise
sind mehrere Energie-Abnahmestellen, beispielsweise vier Abnahmestellen,
statisch günstig
im Bereich der seitlichen Stütz-Konstruktion
im Bereich des Ringträger-Elementes 2 bzw.
im distalen Endbereich 30 der Rotorflügel 3 angeordnet.
Beispielsweise können
die vier Energie-Abnahmestellen 14, wie in 2 ersichtlich
ist, symmetrisch bezüglich
der horizontalen Achse der Windkraftanlage im Bereich der Lagerpunkte
zwischen den Stützsäulen 4 und
dem Ringträger-Element 2 angeordnet
sein. Eine Energie-Abnahme
erfolgt beispielsweise mittels einer halbstarren Bolzenkette 17,
welche alle distalen Enden der Rotorflügel 3 überspannt.
Zusätzlich
oder alternativ kann ein gleichartiges Energie-Aggregat in der Führungsachse
hinter der Rotoreinheit 1 angeordnet sein.
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Eine
Positionierung der Energie-Abnahmestellen 14 im distalen
Endbereich der Rotorflügel stellt
eine vorteilhafte Anordnung dar, da die Winkelgeschwindigkeit im äußeren Umfangsbereich
der Rotorflügel
zunimmt und die Abmessungen der einzelnen Energie-Abnahmestellen
vergrößert und
effektiver und zahlreicher ausgestaltet werden können.
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Vorzugweise
weist die Windkraftanlage ferner Sensor-Einrichtungen (nicht dargestellt) an
allen wichtigen Funktionsteilen der Anlage auf, welche die Funktionsfähigkeit
bestimmter Bauteile überwacht, wie
beispielsweise die Einstellung der Rotorflügel-Ausrichtung, den Federdruck
der Federeinrichtungen, den störungsfreien
Lauf der Trägerrollenketten,
die Funktion der Generatoren, die Funktionsfähigkeit der Antriebsmotoren
des Fahrgestells, seiner Antriebszahnräder und der Bremsen oder dergleichen.
Ferner kann eine Video-Überwachung
der gesamten Anlage und eine akustische Überwachung nach Stärke und
der Tonsegmente vorgesehen sein. Dadurch besteht die Möglichkeit
einer Fernabfrage aller Daten und einer Weitergabe von Havarie- und Alarmmeldungen
an eine übergeordnete
zentrale Steuereinheit, welche gegebenenfalls ein Warnsignal an
den Betreiber oder einen Notstopp-Mechanismus zum Anhalten der Windkraftanlage
aktiviert.
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Zusätzlich kann
eine zentrale Steuerungsanlage vorgesehen sein, welche Messungen
und Registrierungen von beispielsweise Windrichtung und Windgeschwindigkeit,
Steuerung der einzelnen Stufen der Anfahrprozesse nach Feststellung
der einzelnen Bedingungen automatisch bzw. unter personeller Bedienung
durch Ausrichten der Anlage gegen die Windrichtung und anschließend der
Steuerung der Rotorflügel
aus dem Ruhestand in Betriebsstellungen, Steuerung des Anschubs
der Anlage durch die Generatoren und bei Erreichen der Mindestdrehzahl Schaltung
der Generatoren auf Betrieb vornimmt. Bei planmäßiger oder havariebedingter
Abstellung werden auch die erforderlichen Steuerungsvorgänge eingeleitet,
sodass die Registrierung der erbrachten Energieleistungen, Anzeige,
Sammlung und Registrierung der Meldungen der Sensor-Einrichtungen
an allen wichtigen Funktionsteilen der Anlage auf Funktionsfähigkeit
und der erfolgten Realisierung von Steuerungsbefehlen erfolgt.
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Die
Rotorflügel 3 besitzen
beispielsweise die Form von gleichschenkligen Dreiecken, wobei sich die
Spitzen, die etwa einen Winkel von 10° aufweisen, an der Rotoreinheit
befinden. Die Rotorflügel 3 können dabei
Hohlkörper
von Art der Flügel
von Flugzeugen mit der entsprechenden winddynamischen Formung der
windschneidenden Seiten sein und auch den entsprechenden inneren
Aufbau besitzen.
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Als
Konstruktionsmaterial können
geeignete Leichtmetalle, darunter Titan, dienen, aber auch Verbundwerkstoffe
aus Kunstharzen, Glas- und Kohlenstoff-Fasern. An geeigneten Einsatzorten
können
jedoch alternativ auch spezielle Segel aus Synthese-Fasern mit entsprechenden
Verstärkungen
und der Ausbildung zur aufblasbaren Schläuchen in Tragflügelform
geeignet sein. Je nach der Bauart der Rotorflügel und dem zu erwartenden
Fortschritt in der Solar-Technik können die Rotorflügel auch
dementsprechend ausgerüstet
werden.
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In
den drei inneren Tragsäulen 5 und 6 können sich
Aufzüge
befinden, über
die ein Betreiber zu den Generatoren-Anlagen gelangen kann. Somit schafft
die vorliegende Erfindung eine Windkraftanlage mit erhöhter Leistungsfähigkeit.
Durch Nutzung aller synergistischen Effekte, die in einer wesentlichen Vergrößerung von
Baulänge
und Breite der Rotorblätter,
ihrer Anzahl sowie speziellen Konstruktionsvorteilen einschließlich der
elastischen endseitigen Aufhängung
liegen, wäre
mit einer vergleichsweise höheren
Energie-Ausbeute pro Quadratmeterfläche der Rotorflügel gegenüber den
drei-flügeligen
Anlagen gemäß dem Stand
der Technik zu rechnen. Wenn derartige Windkraftanlagen zukünftig etwa
400 der jetzigen Windräder
ersetzen, könnte
die derzeitige Gesamtzahl von 14.000 Windrädern auf etwa 28 reduziert
werden, um die gleiche elektrische Leistung zu erhalten. Die Gesamtkosten
für den
Einsatz von 14.000 der Windkraftanlagen gemäß dem Stand der Technik, die
etwa 21 Milliarden Euro betragen, würde für obige Anzahl der Großanlagen
auch nur zum Teil verbraucht werden.