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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine zweistufige 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 anschließend 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
kann. 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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Zudem
ist es aus der DE 10 2004 020 835 A1 bekannt, eine Windkraftanlage
mit einer zentralen Rotoreinheit, einem Ringträger-Element, welches die zentrale
Rotoreinheit konzentrisch umgibt, und mit mehreren Rotorflügeln auszustatten,
welche jeweils an der Rotoreinheit und an dem Ringträger-Element für einen
kreisförmigen
Umlauf drehbar gelagert sind. Die Rotorflügel sind dabei zusätzlich jeweils
an Lagerabschnitten an der Rotoreinheit und an dem Ringträger-Element
um ihre Längsachsen
drehbar gelagert und zur Verstellung durch Steuereinrichtungen im Bereich
dieser Lagerabschnitte synchron ansteuerbar.
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Die
Anzahl der Flügel
und somit die Aufnahme von Windenergie ist hierbei jedoch durch
den Umfang und somit durch den Aufnahmebereich der Rotoreinheit
begrenzt, da die Lagerung der proximalen Enden der Rotorflügel auf
der Rotoreinheit einen vorbestimmten Platzbedarf beanspruchen.
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Ferner
ist aus der
DE 100
03 385 A1 eine Windenergieanlage bekannt, die zwei hintereinander angeordnete
Rotoren aufweist, von denen der erste Rotor, der vor dem zweiten
Rotor angeordnet ist, einen kleineren Durchmesser aufweist als der
zweite Rotor.
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Somit
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Windkraftanlage
mit einer erhöhten
Leistungsfähigkeit
aufgrund erhöhter
Aufnahme von Windkraft gegenüber
den Ansätzen
gemäß dem Stand
der Technik zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
zweistufige Windkraftanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Die
der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht darin,
dass die zweistufige Windkraftanlage eine erste Windkrafteinheit,
welche eine erste Rotorachse, ein erstes die erste Rotorachse konzentrisch
umlaufendes Ringträger-Element und
erste Rotorflügel
aufweist, welche jeweils an der ersten Rotorachse und dem ersten
Ringträger-Element
für einen
kreisförmigen
Umlauf drehbar gelagert sind; und eine zweite Windkrafteinheit umfasst, welche
eine zweite Rotorachse, ein zweites die zweite Rotorachse konzentrisch
umlaufendes inneres Ringträger-Element,
ein zweites das zweite innere Ringträger-Element konzentrisch umlaufendes äußeres Ringträger-Element
und zweite Rotorflügel
aufweist, welche jeweils mit der zweiten Rotorachse koppelbar und
an dem zweiten inneren Ringträger-Element
und an dem zweiten äußeren Ringträger-Element
für einen
kreisförmigen
Umlauf drehbar gelagert sind; wobei das zweite innere Ringträger-Element
der zweiten Windkrafteinheit einen gleich großen oder etwas größeren Durchmesser aufweist
als das erste Ringträger-Element
der ersten Windkrafteinheit und konzentrisch sowie benachbart zu
diesem angeordnet ist.
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Somit
weist die vorliegende Erfindung gegenüber den Ansätzen gemäß dem Stand der Technik den
Vorteil auf, dass durch die zweistufige Ausgestaltung der Windkraftanlage
die größere zweite Windkrafteinheit
eng benachbart zur kleineren ersten Windkrafteinheit für eine vorteilhafte
Bauraumausgestaltung ausgebildet werden kann, wobei bei der größeren zweiten
Windkrafteinheit aufgrund des vergrößerten umfänglichen Aufnahmebereichs für die zweiten
Rotorflügel
die Anzahl an zweiten Rotorflügeln
erheblich vergrößert werden
kann, wodurch die Energieaufnahme erheblich gesteigert wird.
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Ferner
kann der Durchmesser der gesamten Windkraftanlage erhöht werden,
ohne dass ein Stabilitätsproblem
auftritt, da die zweiten Rotorflügel
der zweiten Windkrafteinheit analog zur ersten Windkrafteinheit
stabil zwischen zwei Ringträger-Elementen gelagert
werden.
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Somit
können
durch die vorliegende Erfindungsidee Windkraftanlagen mit größeren Durchmessern
erreicht werden, wobei die einzelnen Rotorflügel für einen Umlauf auf einer Kreisbahn
um die jeweils zugeordneten Rotorachsen drehbar gelagert sind. Durch
die zusätzliche
Lagerung der distalen Enden der einzelnen Rotorflügel durch
das jeweils zugeordnete Ringträger-Element können die
einzelnen Rotorflügel
mit einer größeren Länge, einer
größeren Breite
und einem erhöhten
Gewicht ausgebildet werden. Ferner können mehrere Rotorflügel mit
verschmälert
ausgebildeten proximalen Enden vorgesehen 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 im Allgemeinen spitz auslaufenden distalen Enden der
Rotorflügel
um ein Vielfaches vergrößert werden,
wobei gleichzeitig die Zahl der Rotorflügel erheblich erhöht werden
kann. Durch die jeweils auf einer Kreisbahn beweglich gelagerten
und geführten
Rotorflügelenden
durch die jeweils zugeordneten feststehenden Ringträger-Elemente werden die
Gewichtskräfte
der einzelnen Rotorflügel
von der Rotoreinheit bzw. den zugeordneten Rotorachsen auf die jeweils
zugeordneten Ringträger-Elemente
vorteilhaft verlagert.
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Insgesamt
kann somit das Windkraftaufkommen durch die erfindungsgemäße zweistufige
Windkraftanlage mit jeweils endseitiger Flügellagerung optimal ausgelastet
werden.
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In
den Unteransprüchen
finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der
im Anspruch 1 angegebenen zweistufigen Windkraftanlage.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung weisen die erste Rotorachse der ersten
Windkrafteinheit und die zweite Rotorachse der zweiten Windkrafteinheit
eine gemeinsame Drehachse auf. Vorzugsweise umgibt die zweite Rotorachse
der zweiten Windkrafteinheit die erste Rotorachse der ersten Windkrafteinheit
hülsenartig,
wobei die zweite Rotorachse und die erste Rotorachse, beispielsweise mittels
eines Kugellagers, relativ zueinander und unabhängig voneinander drehbar gelagert
sind. Durch diese erweiterte Achse entstehen somit zwei voneinander
unabhängige
Windkrafteinheiten, welche aufgrund der gemeinsa men Achsenanordnung
kompakt bzw. dicht nebeneinander angeordnet werden können. Dies
stellt einen Vorteil bei der Konstruktion und dem Platzbedarf der
zweistufigen erfindungsgemäßen Windkraftanlage
dar.
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Gemäß einer
weitern bevorzugten Weiterbildung sind die zweiten Flügel der
zweiten Windkrafteinheit mit ihren proximalen Enden jeweils auf
einem gemeinsamen Trägerring
angeordnet, welcher in dem zweiten inneren Ringträger-Element
drehbar gelagert ist. Für
eine Verbindung des Trägerrings
mit der zweiten Rotorachse sind vorzugsweise mehrere Kreuzspeichen
vorgesehen, beispielsweise vier Kreuzspeichen, welche zwischen der
zweiten Rotorachse und dem Trägerring
für eine
Kopplung der zweiten Rotorflügel über den
zugeordneten Trägerring
mit der zweiten Rotorachse angebracht sind. Dadurch wird eine Unabhängigkeit
der äußeren Windkrafteinheit
von der inneren Windkrafteinheit auf einfache und kostengünstige Weise
geschaffen, wobei die beiden Windkrafteinheiten auf ein gemeinsames Achslager
und eine gemeinsame Drehachse vorteilhaft zurückgreifen.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
weist die Windkraftanlage mehrere Säulen auf, welche entweder direkt
oder über
weitere Verbindungstreben indirekt mit den einzelne Ringträger-Elementen
verbunden sind, so dass die einzelnen Ringträger-Elemente jeweils in einer
stabilen Position gehalten werden.
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Vorzugsweise
wird das erste Ringträger-Element
der ersten Windkrafteinheit durch Stützstreben feststehend ausgebildet,
welche mit den Säulen
fest verbunden sind. Dadurch wird eine stabile Stützkonstruktion
geschaffen. Das selbe gilt für
das zweite innere Ringträger-Element,
welches vorzugsweise ebenfalls über
Stützstreben
getragen wird, welche mit den Säulen
verbunden sind. Das zweite äußere Ringträger-Element,
jedoch auch das zweite innere Ringträger-Element, kann beispielsweise direkt
an den Säulen
befestigt und von diesem getragen werden. Es ist für einen
Fachmann offensichtlich, dass die Säulenkonstruktion für eine lagestabile
Stützung der
einzelnen Ringträger-Elemente
beliebig ausgebildet und mit beliebigen Säulen sowie Verstrebungen ausgestattet
sein kann.
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Nach
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
weist die Windkraftanlage äußere geneigte
Stützsäulen und
innere senkrechte Trägersäulen auf,
welche jeweils mit ihren bodenseitigen Fußenden in einer zugeordneten
kreisförmigen,
beispielsweise zweispurigen Innenbahn mittels Doppelradsätzen für eine Drehung
der Windkraftanlage um ihre vertikale Achse führbar gelagert sind. Wie oben bereits
erläutert,
sind an den einzelnen Stützsäulen bzw.
Trägersäulen zusätzliche
Stützstreben
für die Ringträger-Elemente
vorgesehen. Dadurch kann die Windkraftanlage bezüglich der aktuellen Windrichtung
optimal ausgerichtet werden. Vorzugsweise ist eine innere senkrechte
Trägersäule vorgesehen,
welche das gemeinsames Achslager für die erste Rotorachse und
die zweite Rotorachse aufweist.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind mehrere erste Energieabnahmestellen im Bereich der distalen
Enden der ersten Rotorflügel
an dem ersten Ringträger-Element
vorgesehen. Ferner sind vorzugsweise mehrere zweite Energieabnahmestellen
im Bereich der distalen Enden der zweiten Rotorflügel an dem
zweiten äußeren Ringträger-Element
angeordnet. Beispielsweise kann eine Energieabnahme über eine
jeweils zugeordnete Bolzenkette erfolgen. Die jeweiligen Energieabnahmestellen
werden beispielsweise im Bereich der Lagerbereiche der jeweils zugeordneten
Stützsäulen bzw.
Verstrebungen angebracht.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
erfolgt eine alternative oder zusätzliche Energieabnahme über die
erste Rotorachse und/oder die zweite Rotorachse, beispielsweise durch
eine Sperrung des Freilaufs zwischen der ersten Rotorachse und den
ersten Rotorflügeln
und/oder durch eine Sperrung des Freilaufs zwischen der zweiten
Rotorachse und den zugeordneten Kreuzspeichen, welche wiederum mit
den zweiten Rotorflügeln über den
Trägerring
gekoppelt sind.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist ein zusätzlicher
Stabilisierungsring zum Schutz des ersten Ringträger-Elementes der ersten Windkrafteinheit
und/oder des zweiten inneren Ringträger-Elementes der zweiten Windkrafteinheit
vorgesehen, welcher beispielsweise durch die Säulen oder durch seitliche Verstrebungen,
die wiederum mit den Säulen
verbunden sind, getragen wird. Dadurch wird eine stabile Lagerung
des ersten Ringträger-Elementes
bzw. des zweiten inneren Ringträger-Elementes
gewährleistet.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die ersten Rotorflügel zusätzlich jeweils
an Lagerabschnitten an der ersten Rotorachse und an dem ersten Ringträger-Element
um ihre Längsachsen
drehbar gelagert und zur Verstellung durch mindestens eine Steuereinrichtung
im Bereich dieser Lagerabschnitte synchron ansteuerbar. Analog sind
die zweiten Rotorflügel
zusätzlich
jeweils an Lagerabschnitten an dem zweiten inneren Ringträger-Element
und an dem zweiten äußeren Ringträger-Element um ihre Längsachsen
drehbar gelagert und zur Verstellung durch mindestens eine zugeordnete Steuereinrichtung
im Bereich dieser Lagerabschnitte synchron ansteuerbar. Vorzugsweise
ist eine einzelne, jeweils den Rotorflügeln zugeordnete oder eine gemeinsame
Steuereinrichtung zur synchronen Steuerung der ersten und/oder der
zweiten Flügel vorgesehen.
Dadurch kann eine Verkippung oder Verkeilung bzw. eine gegenphasige
Verstell-Ansteuerung der angesteuerten Rotorflügel vermieden werden, da eine
synchronisierte Ansteuerung für
eine Winkelverstellung der einzelnen Rotorflügel durch beispielsweise eine
gemeinsame Steuereinrichtung gewährleistet
wird.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist jeder erste Rotorflügel an dem
distalen Lagerabschnitt an dem ersten Ringträger-Element und jeder zweite
Rotorflügel
an dem distalen Lagerabschnitt an dem zweiten äußeren Ringträger-Element mit
jeweils einer Federeinrichtung für
eine elastische Aufhängung
gekoppelt, welche jeweils eine radial nach außen gerichtet Zugspannung des
jeweils zugeordneten Rotorflügels
bewirkt. Vorzugsweise ist die Federkraft der Feder-Einrichtungen
jeweils geeignet einstellbar. Somit wird eine elastische Lagerung der
ersten und zweiten Rotorflügel
in radialer Richtung ermöglicht,
so dass hinsichtlich möglicher
Längenveränderung
aufgrund von Winddruck- und Temperaturschwankungen die Rotorflügel eine
gewisse Durchbiegung erfahren können.
Um derartigen Durchbiegungen entgegen zu wirken, üben die
Feder-Einrichtungen
jeweils auf das zugeordnete Rotorblatt bzw. auf die zugeordneten
Rotorflügel
eine maßvolle
und regelbare Zugspannung aus.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist das erste Ringträger-Element
und das zweite äußere Ringträger-Element jeweils als ringförmige Hohlschienen-Anordnung
für ein
Umschließen
der jeweils zugeordneten distalen Enden der ersten bzw. zweiten
Rotorflügel
ausgebildet. Vorteilhaft ist auf beiden Seiten der jeweiligen ringförmigen Hohlschienen-Anordnung
jeweils eine endlose Rollenkette in jeweils einer Hohlschiene für eine Führung der
jeweils zugeordneten Rotorflügel
vorgesehen.
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Das
zweite innere Ringträger-Element
kann ebenfalls vorzugsweise als ringförmige Hohlschienen-Anordnung
für eine
Aufnahme des zugeordneten Trägerrings
ausgebildet sein, wobei der Trägerring
in der Hohlschienen-Anordnung für
ein Umlaufen desselben gelagert ist. An dem Ringträger sind
wiederum die einzelnen zweiten Rotorflügel befestigt.
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Vorzugsweise
sind die distalen Enden der ersten und zweiten Rotorflügel jeweils über ein
Verbindungs-Element mit einem Brücken-Element
gekoppelt, wobei sich das Brücken-Element
mit den jeweils zugeordneten beiden Rollenketten der ringförmigen Hohlschienen-Anordnung
für eine
synchrone Führung
der jeweiligen Rotorflügel
an beiden Seiten der Hohlschienen-Anordnung im Eingriff befindet. Beispielsweise
nimmt das jeweilige Verbindungs-Element die jeweils zugeordnete
Federeinrichtung für die
Vorspannung des jeweils zugeordneten Rotorflügels auf, wobei das Verbindungs-Element
teleskopartig ausgebildet sein kann. Vorzugsweise ist das Verbindungs-Element
jeweils drehbar für
eine Verstellung des 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, wie oben bereits erläutert
wurde. Alternativ kann auch eine gemeinsame Steuereinrichtung, beispielsweise
eine Steuerkette, für
eine synchrone Verstellung der jeweiligen Rotorflügel durch
synchrones Drehen der Verbindungs-Elemente vorgesehen sein.
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Nach
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
weisen die ersten Flügel
der ersten Windkrafteinheit und die zweiten Flügel der zweiten Windkrafteinheit
jeweils eine Flügellänge von
in etwa 25 bis 100 m auf. Die erste Windkrafteinheit weist beispielsweise
bis in etwa 200 erste Rotorflügel
und die zweite Windkrafteinheit bis in etwa 700 zweite Rotorflügel auf.
Es ist für
einen Fachmann offensichtlich, dass die Länge, die Breite, die Anzahl
sowie weitere Parameter beliebig geändert und den jeweiligen Anforderungen
angepasst werden können.
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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, zweistufigen Windkraftanlage
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
schematische Draufsicht auf die bodenseitige Anordnung von Stütz- und
Trägersäulen zum
Tragen der zweistufigen Windkraftanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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3 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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4 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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5 eine
rechtsseitige Querschnittsansicht der Windkraftanlage aus 1 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 Hohlschienen-Anordnung
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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7 eine
Vorderansicht eines Kreis-Teilausschnitts einer im Bereich der Rollenkette
zugeordneten Energieabnahmestelle gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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8 eine
Vorderansicht einer erfindungsgemäßen, zweistufigen Windkraftanlage
gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; und
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9 eine
Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie II-II aus 8.
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1 illustriert
eine Vorderansicht einer zweistufigen Windkraftanlage gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 ersichtlich
ist, besteht die Windkraftanlage gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
aus einer ersten Windkrafteinheit 1 und einer benachbart
zu dieser angeordneten zweiten Windkrafteinheit 2.
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Die
erste Windkrafteinheit 1 bildet den kleineren, inneren
Anteil der Windkraftanlage und besteht aus einer ersten Rotorachse 3,
welche von einem Lager 4 einer vorzugsweise senkrechten
Trägersäule 5 drehbar
aufgenommen wird. Die erste Rotorachse 3 bildet eine Rotoreinheit
für die
erste Windkrafteinheit 1.
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Ferner
ist ein bezüglich
der horizontalen Achse der ersten Rotorachse 3 konzentrisch
angeordnetes erstes Ringträger-Element 6 vorgesehen, welches
in der Vorderansicht gemäß 1 gestrichelt
dargestellt ist, da ein später
zu beschreibender Stabilisierungsring 17 aus Sicht von
vorne vor diesem angeordnet ist. Das erste Ringträger-Element 6 ist
vorzugsweise als ringförmige
Hohlschienen-Anordnung ausgebildet, wie weiter unten ausführlicher beschrieben
wird.
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Zwischen
der ersten Rotorachse 3 und dem ersten Ringträger-Element 6 sind
eine Vielzahl an ersten Rotorflügeln 7 nebeneinander
die erste Rotorachse 3 umlaufend angebracht. Die ers ten
Rotorflügel 7 sind
vorzugsweise jeweils über
einen Lagerabschnitt im Bereich der ersten Rotorachse 3 und über einen
Lagerabschnitt im Bereich des ersten Ringträger-Elementes 6 an
diesen gelagert. Vorzugsweise sind die proximalen Enden der ersten
Rotorflügel 7 mit
der ersten Rotorachse 3 derart koppelbar, dass ein Leerlaufbetrieb
und eine Sperrung des Leerlaufbetriebs für beispielsweise eine Energieabnahme über die
erste Rotorachse 3 möglich
sind. Die ringförmige
Schienenanordnung bzw. das erste Ringträger-Element 6 umschließt vorzugsweise
ferner die distalen Enden aller ersten Rotorflügel für eine stabile Lagerung derselben.
Auf die distale Lagerung der ersten Rotorflügel wird weiter unten unter
Bezugnahme auf 6 detaillierter eingegangen.
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Beispielsweise
sind in etwa 200 erste Rotorflügel 7 mit
einer Längserstreckung
von etwa 95 bis 100 m in der ersten Windkrafteinheit vorgesehen
und um die erste Rotorachse 3 derart drehbar gelagert, dass
die ersten Rotorflügel 7 eine
durch das erste Ringträger-Element 6 definierte
Kreisbahn umlaufen.
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Wie
in 1 ferner ersichtlich ist, weist die Windkraftanlage
eine zweite Windkrafteinheit 2, wie oben bereits erläutert, auf,
welche den größeren, äußeren Bestandteil
der Windkraftanlage bildet.
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Die
zweite Windkrafteinheit 2 besteht aus einer zweiten Rotorachse 9,
welche, wie insbesondere in 5 ersichtlich
ist, die erste Rotorachse 3 hülsenartig umgibt, wobei die
erste Rotorachse 3 und zweite Rotorachse 9 beispielsweise über Kugellager derartig
miteinander gekoppelt sind, dass sich die erste Rotorachse 3 und
die zweite Rotorachse 9 unabhängig voneinander und relativ
zueinander drehen können.
Durch eine derartige erweiterte Rotorachse wird eine unabhängige Drehung
der ersten und zweiten Rotorflügel
um eine gemeinsame Drehachse auf einfache und kostengünstige Weise
gewährleistet.
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Die
zweite Windkrafteinheit 2 weist ferner ein zweites, inneres
Ringträger-Element 10,
welches die zweite Rotorachse 9 konzentrisch umgibt und
als ringförmige
Hohlschienen-Anordnung ausgebildet ist, und ein zweites äußeres Ringträger-Element 11 auf,
welches wiederum das zweite innere Ringträger-Element 10 konzentrisch
umgibt und ebenfalls vorzugsweise als ringförmige Hohlschienen-Anordnung
ausgebildet ist.
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Analog
zur ersten Windkrafteinheit 1 umschließt die ringförmige Schienenanordnung
des zweiten äußeren Ringträger-Elementes 11 die
distalen Enden aller zweiten Rotorflügel 12.
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Wie
in 1 ferner ersichtlich ist, sind die zweiten Rotorflügel 12 mit
ihren proximalen Enden an einem nicht dargestellten Trägerring
befestigt, der in der Hohlschienen-Anordnung des zweiten inneren Ringträger-Elementes 10 drehbar
gelagert ist. Für eine
drehbare Kopplung der zweiten Rotorflügel 12 mit der zweiten
Rotorachse 9, sind Kreuzspeichen, beispielsweise vier jeweils
im 90°-Winkel
zueinander angeordnete Kreuzspeichen, mit der zweiten Rotorachse 9 und
mit dem den distalen Enden der zweiten Rotorflügel 12 zugeordneten
Trägerring
gekoppelt.
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Beispielsweise
sind in etwa bis zu 700 zweite Rotorflügel 12 zwischen dem
zweiten inneren Ringträger-Element 10 und
dem zweiten äußeren Ringträger-Element 11 mit
einer jeweiligen Länge
von in etwa 95 bis 100 m vorgesehen. Die zweiten Rotorflügel 12 umlaufen
somit eine durch die zweiten Ringträger-Elemente 10 und 11 vorgegebene
Kreisbahn.
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Wie
zudem in 1 illustriert ist, ist die Windkraftanlage
mit den beiden Windkrafteinheiten 1 und 2 derart
aufgebaut, dass die ersten Rotorflügel 7 der ersten,
inneren Windkrafteinheit 1 eine erste Kreisbahn umlaufen
und die zweiten Rotor flügel 12 der
zweiten, äußeren Windkrafteinheit 2 eine
zweite Kreisbahn umlaufen, wobei die beiden Kreisbahnen aus Sicht
von vorne derart konzentrisch übereinander
angeordnet sind, dass das proximale Ende der zweiten Rotorflügel 12 auf
dem distalen Ende der ersten Rotorflügel 7 in etwa aufbaut.
Somit baut sich die größere, äußere Windkrafteinheit 2 dicht
an der inneren, kleineren ersten Windkrafteinheit 1 auf
und es wird eine kompakte Bauweise einer zweistufigen Windkraftanlage
realisiert, bei welcher das erste, äußere Ringträger-Element 6 der
ersten Windkrafteinheit 1 einen Durchmesser aufweist, welcher
gleich groß oder
vorzugsweise etwas größer ist
als der Durchmesser des zweiten, inneren Ringträger-Elementes 10 der
zweiten Windkrafteinheit 2.
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Der
Umfang des Lagerbereichs für
die proximalen Enden der zweiten Rotorflügel 12, d.h. der Umfang
des zweiten, inneren Ringträger-Elementes 10 beträgt beispielsweise
ca. 620 m, und der Umfang des zweiten, äußeren Ringträger-Elementes 11 beträgt ungefähr beispielsweise
1200 m, so dass die Anzahl der gelagerten Flügel erheblich vergrößert werden
kann, beispielsweise auf in etwa 700 zweite Rotorflügel 12,
wie oben bereits erläutert,
welche jeweils an ihren Enden in etwa 1 m breit sind und somit gut
gelagert werden können.
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Die
oben genannten vier Kreuzspeichen 13 dienen einer Beibehaltung
einer mit der ersten Windkraftanlage 1 gemeinsamen Drehachse,
da die vier Kreuzspeichen 13 die Kopplung zwischen der
Drehachse und den einzelnen zweiten Rotorflügeln 12 über den
Trägerring 8 bewerkstelligen.
Die oben bereits erwähnte
Doppelachse bzw. erweiterte Achse, bestehend aus der ersten Rotorachse 3 und
der zweiten Rotorachse 9, wobei die zweite Rotorachse 9 die
erste Rotorachse 3 hülsenartig
und drehbar gelagert umgibt, bildet eine gemeinsame Drehachse sowohl
für die
erste Windkrafteinheit 1 als auch für die zweite Windkrafteinheit 2.
Somit wurde eine erweiterte Drehachse vorgese hen, welche aus den
beiden voneinander unabhängigen
und relativ zueinander drehbaren Rotorachsen 3 und 9 aufgebaut
ist und durch das gemeinsame Lager 4 der Trägersäule gelagert
wird.
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2 illustriert
eine schematische Draufsicht auf die Windkraftanlage und insbesondere
auf die bodenseitige Anordnung von Stütz- und Trägersäulen gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Wie
aus 1 und 2 ersichtlich ist, wird das
Gebilde bestehend aus ersten und zweiten Rotorachsen 3, 9,
Ringträger-Elementen 6, 10 und 11 und
Rotorflügeln 7 und 12 durch
ein Säulensystem getragen.
Vorzugsweise sind sechs äußere Stützsäulen 14,
d.h. zwei seitliche kürzere
Stützsäulen und
vier schräg
versetzte längere
Stützsäulen vorgesehen,
welche von einem bodenseitigen Lagerabschnitt schräg in Richtung
des äußeren zweiten
Ringträger-Elementes 11 verlaufen
und an geeigneten Stellen, insbesondere an dem zweiten äußeren Ringträger-Element 11 fest
montiert sind, beispielsweise am horizontalen äußersten Umfangsrand des zweiten äußeren Ringträger-Elementes 11.
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Ferner
sind beispielsweise zwei Trägersäulen 15,
welche sich in vertikaler Richtung von einem bodenseitigen Lagerabschnitt
erstrecken und ebenfalls an geeigneten Stellen vorzugsweise des
zweiten äußeren Ringträger-Elementes 11 für eine Lagerung desselben
befestigt sind, ebenfalls an dem horizontal äußersten Umfangsrand des zweiten äußeren Ringträger-Elementes 11 fest
angebracht, wie in 1 ersichtlich. Von den einzelnen
Stützsäulen 14 bzw.
Trägersäulen 15 können zusätzliche
Verstrebungen 16 in Richtung der einzelnen Ringträger-Elemente,
insbesondere des zweiten inneren Ringträger-Elementes 10 und
des ersten Ringträger-Elementes 6,
verlaufen und an diesen für
eine stabile Lagerung derselben jeweils fest angebracht sein.
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Vorzugsweise
ist ein unter Bezugnahme auf 1 bereits
erläuterter,
zusätzlicher
Stabilisierungsring 17 vorgesehen, der beispielsweise durch zugeordnete
Verstrebungen 16 getragen wird und der einer Stütze bzw.
stabilen Montage, Schutz und Lagerung des ersten Ringträger-Elementes 6 und/oder
des zweiten inneren Ringträger-Elementes 10 dient.
In 1 ist der Stabilisierungsring 17 aus Sicht
von vorne dargestellt, wobei die zumindest teilweise dahinter liegenden
Ringträger-Elemente 6 und 10 teilweise
gestrichelt dargestellt sind.
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Ferner
weist das Gebilde gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
eine senkrecht verlaufende Standsäule 5 mit zugeordneter
Drehscheibe 5a auf, welche sich ausgehend von einer bodenseitigen
Lagerung in vertikaler Richtung bzgl. der Ringträger-Elemente 6 und 11 mittig
erstreckt und zumindest das Lager 4, wie oben bereits erläutert, zur
Aufnahme der ersten Rotorachse 3 und der zweiten Rotorachse 9 aufweist.
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Die
Standsäule 5 kann
neben der Lagerung der Rotorachsen 3 und 9 auch
einer Anbringung insbesondere der zweiten Ringträger-Elemente 10 und 11 sowie
speziell vorgesehener Energieabnahmestellen, welche im Folgenden
detaillierter beschrieben werden, dienen. Das zweite äußere Ringträger-Element 11 kann
beispielsweise zusätzlich
durch Verstrebungen gestützt
werden, welche von der Standsäule 5 oder
von den zugeordneten Stützsäulen 14 bzw.
Trägersäulen 15 getragen
werden.
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Die
Windkraftanlage bzw. die einzelnen Ringträger-Elemente 6 und 11 sind
derart über
das Säulensystem,
bestehend aus den Säulen 5, 14 und 15 sowie
Verstrebungen 16 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 14 in
einer ersten kreisför migen, äußeren Spezial-Schienenbahn 18 und
die beiden Trägersäulen 15 in
einer zweiten, dazu konzentrisch verlaufenden inneren Spezial-Schienenbahn 19 geführt und
gelagert, was unter Bezugnahme auf die 3 und 4 im
Folgenden näher
erläutert
wird.
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3 illustriert
eine Schnittansicht entlang der Längsrichtung der Spezial-Schienenbahn 18 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung und 4 eine Schnittansicht
entlang der Querrichtung der Spezial-Schienenbahn 18 in 3. Wie
aus den 2 bis 4 ersichtlich
ist, sind die Stützsäulen 14 vorzugsweise
auf Doppelradsätzen 20 angeordnet,
welche auf der zugeordneten zwei-spurigen Spezial-Schienenbahn 18 laufen,
wobei die Spezial-Schienenbahn 18 beispielsweise in einem
bodenseitigen Fundament verankert ist. Die Spezial-Schienenbahn 19 gleicht
der in 3 dargestellten Spezial-Schienenbahn 18. Die Trägersäulen 15 sind
ebenfalls vorzugsweise auf Doppelradsätzen angeordnet, welche auf
der zweispurigen Spezial-Schienenbahn 19 laufen, wobei
die Spezial-Schienenbahn 19 beispielsweise
im bodenseitigen Fundament verankert ist.
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Obwohl
in den Figuren das Lagerungs- und Führungsprinzip anhand einer
Säule exemplarisch dargestellt
ist, ist dieses Prinzip auch auf die übrigen Säulen bzw. Träger analog
anwendbar.
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Die
sechs äußeren Stützsäulen 14 und
zwei Trägersäulen können beispielsweise
auf der äußeren Spezial-Schienenbahn 18 und
innere Spezialschienen-Bahn 19 bewegt werden, so dass insgesamt eine
Drehung der Windkraftanlage um ihre vertikale Achse erfolgt. Dabei
ist die mittige Standsäule 5 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 Träger schienenpaare eingreifen.
Dazu befindet sich zwischen dem Schienenpaar ein Schacht und darüber beispielsweise
ein Antriebsmotor mit Getriebe und Bremse. Durch einen Antrieb der äußeren sechs Stützsäulen 14 können beispielsweise
die beiden Trägersäulen 15 mit
angetrieben werden, so dass diese vorteilhaft keine eigene Antriebs-Einheit
benötigen.
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5 illustriert
eine rechtsseitige Querschnittsansicht der Windkraftanlage gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel,
jedoch ohne Berücksichtigung
von Stützsäulen 14 und
Trägersäulen 15, aus
Gründen
der Übersichtlichkeit.
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Wie
in 5 ersichtlich ist, weist die senkrechte Standsäule 5 ein
Lager 4 auf, welches vorzugsweise etwas oberhalb der Mitte
der Standsäule 5 vorgesehen
ist. Das Lager 4 dient, wie oben bereits erläutert, einer
Aufnahme der ersten Rotorachse 3, welche die innere Rotorachse
bildet, und der zweiten Rotorachse 9, welche die äußere, hülsenartige
Rotorachse der erweiterten Gesamtachse 3, 9 bildet.
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Die
erste Rotorachse 3 ist über
einen Ringträger 8 mit
dem ersten Rotorflügel 7 gekoppelt,
wobei beispielsweise eine Vorrichtung zum Sperren eines Leerlaufs
zwischen dem ersten Rotorflügel 7 und der
ersten Rotorachse 3 vorgesehen ist (nicht dargestellt).
Die Funktion der Sperrung des Leerlaufs wird weiter unten ausführlicher
beschrieben.
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Die
ersten Rotorflügel 7,
wie in 5 dargestellt ist, sind somit an der ersten Rotorachse 3 zwischen
der Rotorachse 3 und dem ersten Ringträger-Element 6 angeordnet
und drehbar gelagert. Zur Stützung
insbesondere des ersten Ringträger-Elementes 6 weist
die Windkraftanlage vorzugsweise den zusätzlichen Stabilisierungsring 17 auf,
wie oben ebenfalls bereits erwähnt
worden ist. Der Stabilisierungsring 17 wird wiederum über geeignete
Verstrebungen 16 getragen.
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Wie
in 5 ferner ersichtlich ist, ist die äußere, zweite
Rotorachse 9 mit den Kreuzspeichen 13 gekoppelt,
wobei beispielsweise vier jeweils in einem Winkel von 90° zueinander
angeordnete Kreuzspeichen 13 angeordnet sind. Die Kreuzspeichen 13 verlaufen
von der zweiten Rotorachse 9 in Richtung des zweiten, inneren
Ringträger-Elementes 10 und
sind über
einen Trägerring
(nicht dargestellt) mit den zweiten Rotorflügeln 12 gekoppelt.
Analog zur ersten Windkrafteinheit ist eine Einrichtung zum Sperren des
Leerlaufs zwischen den Kreuzspeichen 13 und der zweiten
Rotorachse 9 für
eine Energieabnahme an der zweiten Rotorachse 9 vorgesehen.
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Wie
in 5 ferner ersichtlich ist, ist die zweite Windkrafteinheit 2 aus
Sicht von vorne vorzugsweise direkt hinter der ersten Windkrafteinheit 1 für eine kompakte
Bauweise der gesamten Windkraftanlage angeordnet, wobei die zweiten
Rotorflügel 12 in
radialer Richtung vorzugsweise erst dort beginnen, wo die ersten
Rotorflügel 7 bereits
enden. Somit wird die zur Verfügung
stehende Windenergie optimal in einem inneren Bereich durch die
erste Windkrafteinheit 1 und in einem äußeren Bereich durch die äußere Windkrafteinheit 2 ausgenutzt.
Beide Windkrafteinheiten 1 und 2 sind jedoch durch
eine gemeinsame Drehachse definiert, wobei der ersten Windkrafteinheit 1 eine
nach vorne verlängerte
innere Rohrachse (erste Rotorachse 3) und der zweiten Windkrafteinheit 2 die
sich darum hülsenartig
vorgesehene zweite Rotorachse 9 zugeordnet ist. Somit können sich
die erste Windkrafteinheit 1 und die zweite Windkrafteinheit 2 dicht
nebeneinander und unabhängig
voneinander auf ihren jeweiligen Achsen bzw. Achshülsen, die
beispielsweise unterschiedlich stark ausgebildet sind, drehen und
Energie in elektrischen Strom umwandeln.
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Eine
Energieabnahme kann vorzugsweise, wie oben bereits kurz erläutert, über die
jeweils zugeordneten Rotorachsen 3 und 9 erfolgen.
Beispielsweise ist im Bereich der ersten Rotorachse 3 eine erste
Energieabnahmeeinrichtung 21 angeordnet, welche für den Fall
einer Sperrung des Leerlaufs zwischen der ersten Rotorachse 3 und
den ersten Rotorflügeln 7 Rotationsenergie
der Rotationsachse 3 abnimmt und entsprechend in elektrische
Energie umwandelt.
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Auf
analoge Weise ist im Bereich der zweiten Rotorachse 9 vorzugsweise
eine zweite Energieabnahmeeinrichtung 22 vorgesehen, welche
bei einer Sperrung des Leerlaufs zwischen der zweiten Rotorachse 9 und
den Kreuzspeichen 13 bzw. den damit gekoppelten zweiten
Rotorflügeln 12 Rotationsenergie
der zweiten Rotorachse 9 abnimmt und auf geeignete Weise
in elektrischen Strom umwandelt.
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Es
ist für
einen Fachmann offensichtlich, dass mehrere derartiger Energieabnahmeeinrichtungen
an geeigneten Abnahmestellen vorgesehen sein können. Beispielsweise können die
ersten und zweiten Energieabnahmeeinrichtungen 21, 22 ebenfalls durch
die Standsäule 5 bzw.
durch das Lager 4 gestützt
werden.
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Alternativ
oder zusätzlich
ist eine Energieabnahme über
die jeweiligen Bolzenketten der ersten Windkrafteinheit 1 und
der zweiten Windkrafteinheit 2 möglich, was im Folgenden unter
Bezugnahme auf die 6 und 7, insbesondere 7,
näher erläutert wird.
In diesem Fall sind die Energieabnahmeeinrichtungen vorzugsweise
in dem Bereich der Stützkonstruktion,
d.h. im Bereich geeignet zugeordneter Säulen vorgesehen.
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Da
das erste Ringträger-Element 6 aufgrund des
geringeren Umfangs für
die Energieabnahmeeinrichtungen weniger Bauraum aufweist als das
zweite äußre Ringträger-Element 11,
können
vorzugsweise die Energieabnahmestellen für die zweite Windkrafteinheit 2 im
Bereich des zweiten äußeren Ringträger-Elementes 11 und
die Energieabnahmeeinrichtungen für die erste Wind krafteinheit 1 im
Bereich der ersten Rotorachse 3 vorgesehen sein. Es ist
für einen Fachmann
offensichtlich, dass eine beliebige Kombination von Anordnungen
von Energieabnahmestellen möglich
ist, wobei zusätzliche
Energieabnahmen über
die zugeordneten Rotorachsen bzw. über zugeordnete Energieabnahmeeinrichtungen
im Bereich der einzelnen Rotorflügel
möglich
sind.
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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 der Ringträger-Elementes 6, 11 näher erläutert.
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Wie
in 6 ersichtlich ist, ist das distale Ende 23 jedes
Rotorflügels 7, 12 vorzugsweise
mit einem Verbindungs-Element 24 gekoppelt, welches beispielsweise
aus teleskopartig relativ gegeneinander verschiebbaren Zylindern,
welche vorzugsweise mittels einer oder mehrerer Gleitschieneneinrichtungen 25 gegeneinander
axial verschiebbar und radial nicht gegeneinander verdrehbar gelagert
sind, besteht und eine Federeinrichtung 26, beispielsweise eine
Spiralfeder, derart aufweist, dass die Rotorflügel 7, 12 unter
einer Zugspannung in radialer Richtung nach außen gerichtet gelagert werden.
Dadurch sind die einzelnen Rotorflügel 7, 12 jeweils
elastisch mit dem jeweils zugeordneten Ringträger-Element 6, 11 über das
die Federeinrichtung 26 aufweisende Verbindungs-Element 24 derart
gekoppelt, dass auf die Rotorflügel 7, 12 wirkende
Zugkräfte
aufgrund beispielsweise einer zu starken Windkraft von den Feder-Einrichtungen 26 jeweils
aufgenommen werden können,
wodurch ein Schutz der ringträgerseitigen Aufhängung gewährleistet
wird. Die Federeinrichtung 26 ist beispielsweise als Druckfeder
unter einer festen Rotorflügelkopfabdeckung 27 angeordnet.
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Wie
in 6 ferner ersichtlich ist, ist ein Stellmotor 28 für einen
Antrieb eines Gewindestempels 29 bzw. einer Gewinde spindel
vorgesehen. Der Gewindestempel 29 ragt durch eine Bohrung
unterhalb der Auflage einer Halsplatte und der Bohrung durch die
Rotorflügelkopfplatte
hindurch und kann sich frei bewegen. In einer Stempelfußplatte 30 sitzt der
Gewindestempel 29 mit seinem Gewindeteil in dem Gewinde
der Stempelfußplatte 30 frei
drehbar. Die lose Stempelfußplatte 30 wird
beispielsweise mittels zwei Nuten am Drehen in der Hülse gehindert, kann
sich jedoch durch eine Drehung des Gewindestempels 29 in
der Zylinderhülse
auf- und abwärtsbewegen.
Der untere Teil der Federanlage muß sich bei Druckänderungen
auf die Federeinrichtung 26 durch Verstellen der Vorrichtung
oder durch eine Winddruckveränderung
zumindest etwas auf- oder abwärtsbewegen
können,
in Richtung zu der festen Auflage durch die Stempelhalsplatte. Die
Federeinrichtung 26 übt
hierbei den unterschiedlichen Druck auf die Unterseite des Rotorflügelkopfes
aus.
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Eine
Steuereinrichtung 31, 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
erste Ringträger-Element 6 sowie
das zweite äußere Ringträger-Element 11 sind
jeweils vorzugsweise als ringförmige
Brückenkonstruktion ausgebildet,
in welcher zwei randseitige Hohlschienen 32 mit endlos
laufenden Rollenketten ausgebildet sind, welche über eine Brückenanordnung 33 miteinander
verbunden sind. Die Brückenanordnung 33 ist
vorzugsweise auf zwei randseitigen Hohlschienen 32 innerhalb
der Ringträger-Elemente 6, 11,
beispielsweise auf endlos laufenden Rollenketten, gelagert, wobei
das Verbindungs-Element 24 vorzugsweise jeweils mittig
an der zugeordneten Brückenanordnung 33 angebracht
ist.
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Die
beispielsweise ringförmig
ausgebildeten Ringträger-Element 6, 11 tragen
jeweils somit vorzugsweise auf jeder Seite jeweils eine in einer
randseitigen Hohlschiene 32 laufende Rollenkette mit integrierten
Plasterollen, welche durch die Brückenanordnung 33 miteinander
verbunden sind. Die Plasterollen 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 Bestandteil der Rollenketten sein und in den
Führungs-
bzw. Hohlschienen 32 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 33 miteinander
verbunden. Dabei ist die Brückenanordnung 33 über die
zugeordneten Plasterollen 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 24 ist ferner an der Brückenanordnung 33 derart
angebracht, dass eine Drehung des Verbindungs-Elementes 24 und damit der
Rotorflügel 7, 12 um
ihre jeweiligen Längsachsen
bewerkstelligt werden kann. Eine derartige Verstellung des Verbindungs-Elementes 24 bzw.
der Rotorflügel 7, 12 kann
mittels einer Steuereinrichtung 31 ausgeführt werden,
welche mit dem Verbindungs-Element 24 gekoppelt ist.
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An
dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass anstatt der Steuereinrichtungen 31,
von denen jeweils eine einem der Rotorflügel 7 bzw. 12 zugeordnet
ist, jeweils eine gemeinsame Steuereinrichtung, beispielsweise eine
Steuerkette oder eine der gesamten Windkraftanlage zugeordnete gemeinsame Steuereinrichtung
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 7 bzw. 12 sowohl
an dem Lagerabschnitt im Bereich der jeweiligen distalen und proximalen
Lagerungen sind die äußeren Steuereinrichtungen 31 und
eine in der Windkrafteinheit 1 und 2 vorgesehene
innere Steuereinheit (nicht dargestellt) derart miteinander verbindbar,
dass synchronisierte Ansteuersignale für eine synchrone Verstellung
des Anstellwinkels der einzelnen Rotorflügel 7 bzw. 12 gewährleistet
ist. Somit können
Verkeilungen einzelner Rotorflügel 7 bzw. 12 bei
einer Verstellung um die Längsachse
verhindert werden, welche daraus resultieren würden, dass ein Rotorflügel am proximalen
Ende nicht synchron mit dem distalen Ende verstellt werden würde.
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Somit
ist jeder Rotorflügel 7 bzw. 12 jeweils vorteilhaft
mittels einer zugeordneten Federeinrichtung 26 zuggefedert
und mittels einem jeweils zugeordneten Verbindungs-Element 24 um
seine Längsachse
drehbar an dem zugeordneten Ringträger-Element 6 bzw. 11 derart
aufgehängt,
dass sich die Rotorflügel 7 bzw. 12 zusätzlich zu
ihrer möglichen
Verstellung um ihre Längsachsen
relativ zu dem Ringträger-Element
in einer Kreisbahn bewegen können.
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Somit
werden die Rotorflügel 7, 12 sowohl
an den 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 26 ist jeweils in dem zugeordneten zylindrischen
Verbindungs-Element 24 mit einer vorbestimmten Federkraft
eingebaut, wobei durch beispielsweise eine Stellschraube die Federkraft
der Federeinrichtung 26 auf den erforderlichen Druck eingestellt
werden kann und die Druckkraft als Zugkraft auf den jeweils zugeordneten
Rotorflügel 7, 12 zur
Wirkung bringt.
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7 illustriert
eine schematische Ansicht eines Teilausschnitts eines Bereiches
eines der Ringträger-Elemente 6 bzw. 11 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Wie in 7 in Verbindung
mit den 1 und 5 ersichtlich
ist, weist die Windkraftanlage mehrere dritte Energie-Abnahmeeinrichtungen 34 auf,
welche zur Energie-Abnahme beispielsweise ein Getriebe, eine Bremse,
einen Generator sowie Steuerungs-Aggregate aufweisen.
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Vorzugsweise
sind mehrere Energie-Abnahmestellen, beispielsweise vier Abnahmestellen,
statisch günstig
im Bereich der seitlichen Stütz-Konstruktion
im Bereich des zweiten äußeren Ringträger-Elementes 11 bzw.
im distalen Endbereich 23 der Rotorflügel 12 angeordnet.
Beispielsweise können die
vier Energie-Abnahmestellen 34, wie in 1 ersichtlich
ist, symmetrisch bezüglich
der horizontalen Achse der Windkraftanlage im Bereich der Lagerpunkte
zwischen den Trägersäulen 15 und
dem zweiten äußeren Ringträger-Element 11 angeordnet
sein. Eine Energie-Abnahme erfolgt beispielsweise mittels einer
halbstarren Bolzenkette 35, welche alle distalen Enden
der Rotorflügel 12 überspannt.
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Eine
Positionierung der dritten Energie-Abnahmestellen 34 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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Das
oben ausführlich
erläuterte
Prinzip der Energieabnahme ist exemplarisch bezüglich der zweiten Windkrafteinheit 2 erläutert worden.
Es ist für einen
Fachmann offensichtlich, dass dieses Prinzip auf analoge Weise auf
die erste Windkrafteinheit 1 und das erste Ringträger-Element 6 mit
samt ersten Rotorflügel 7 angewendet
werden kann.
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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 überwachen, 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 7, 12 besitzen
beispielsweise die Form von gleichschenkligen Dreiecken, wobei sich
die Spitzen, die etwa einen Winkel von 10° aufweisen, an der Rotoreinheit
befinden. Die Rotorflügel 7, 12 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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Wie
oben bereits erläutert
kann die erste Windkrafteinheit in etwa 100 bis 200 oder 250 Flügel und
die zweite Windkrafteinheit bis zu 700 Flügel aufweisen. Der Durchmesser
der ersten Windkrafteinheit kann beispielsweise 220 m und der Umfang
somit 691 m betragen. Der innere Ringträger der zweiten Windkrafteinheit
kann dieselben Maße
aufweisen oder etwas größer ausgebildet
sein. Der gesamte Durchmesser der zweiten Windkrafteinheit kann
beispielsweise 445 m und sein Umfang somit 1398 m betragen.
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Im
Folgenden wird anhand der 8 und 9 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung näher
erläutert,
wobei 8 eine Vorderansicht einer zweistufigen Windkraft anlage und 9 eine
Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie II-II aus 8 gemäß dem weiteren
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung illustrieren.
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Wie
in den 8 und 9 ersichtlich ist, sind gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel zum
Tragen des ersten Ringträger-Elementes 6 der ersten
Windkrafteinheit 1 und der zweiten Ringträger-Elemente 10 und 11 sowie
des Stabilisierungsrings 17 vier Verstrebungen 16 vorgesehen,
die von den Trägersäulen abzweigen,
so dass ein stabiles System gewährleistet
wird.
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Wie
in 9 in Querschnittsansicht ersichtlich ist, dienen
die Verstrebungen 16 einer Lagerung des ersten Ringträger-Elementes 6,
der zweiten Ringträger-Elemente 10 und 11 sowie
des Stabilisierungsrings 17, wie oben bereits erläutert wurde. Während für den Fall
der ersten Windkrafteinheit 1 der Stabilisierungsring 17 lediglich
derart breit gehalten werden kann, dass er die ersten Rotorflügel 7 bei Ruhestellung
nicht behindert, da in diesem Fall die ersten Rotorflügel 7 die
volle Breite aufbringen, trifft dies für die zweite Windkrafteinheit 2 nicht
zu, da die maximale Breite der zweiten Rotorflügel 12 vorzugsweise
kleiner ist als die Breite des zweiten äußeren Ringträger-Elementes 11.
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Während die
zu den Windanlagen gewandte Seite vor allem in Bereich der Verstrebungen 16,
des Stabilisierungsrings 17 keine glatte Ebene ist, kann die
dem Wind zugewandte Seite als einheitlicher hoher Kamm mit Windleitfunktion
ausgestaltet werden. Zudem kann dem System eine höhere Stabilität verliehen
werden, durch die Ausgestaltung der Seitenarme von der Grundform
eines T-Trägers
dieses Kamms. Trotz der vertikalen Anbringung der Seitenarme bzw.
der quer verlaufenden Verstrebungen 16 erscheint die T-trägerartige
Ausbildung für
die Stabilität
des gesamten Systems nützlich.
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Die
erweiterte Achse weist beispielsweise einen Durchmesser von 40 m
und somit einen Umfang von in etwa 126 m auf. Die Breite der proximalen
und distalen Enden der jeweiligen Flügel ist somit an die gewählte Anzahl
an Rotorflügel
anzupassen, wobei bei einer vergrößerten Anzahl, beispielsweise
von 200 ersten Rotorflügeln
auf 250 erste Rotorflügel,
die Breite der proximalen Enden entsprechend zu verringern ist.
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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 zu 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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Die
technologische Auslastung aller geschaffenen Freiräume durch
Windkraftanlagenteile gemäß der erfindungsgemäßen zweistufigen
Windkraftanlage mit endseitiger Flügellagerung führt zu einer
optimalen Auslastung des Windkraftaufkommens.
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Beispielsweise
können
sich in den drei inneren Trägersäulen 5 und 15 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 rech nen. Wenn derartige Windkraftanlagen zukünftig etwa
400 der jetzigen Windräder
ersetzen, könnte
die derzeitige Gesamtzahl von Windrädern erheblich reduziert werden,
um die gleiche elektrische Leistung zu erhalten. Die Gesamtkosten
für den Ersatz
von 14.000 der Windkraftanlagen gemäß dem Stand der Technik, die
etwa 21 Milliarden Euro betragen, würde für obige Großanlagen auch nur zum Teil verbraucht
werden.
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Das
Gebilde aus zwei in- bzw. aneinandergefügten Windkrafteinheiten, die
sowohl ihre eigenen Rotorachsen besitzen als auch eigene Ringträger-Elemente
für die
jeweiligen Flügelenden
und die Rotorbrücken
mit Rollenlager für
die Spannvorrichtung der einzelnen Flügel wird beispielsweise von
jeweils zugeordneten Steuereinrichtungen oder von einer gemeinsamen
Steuereinrichtung gesteuert.