DE102007016756A1

DE102007016756A1 - Windkraftanlage mit horizontal liegender Welle und drehendem Turm zur Kraftübertragung

Info

Publication number: DE102007016756A1
Application number: DE102007016756A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Gernandt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-04-07
Filing date: 2007-04-07
Publication date: 2008-10-09
Also published as: DE102007057919A1

Abstract

Bei den derzeitigen Windkraftanlagen sind Generatoren bzw. Getriebe und Generatoren auf einer Plattform auf der Turmspitze drehend angeordnet. Die Fundament- und Turmkonstruktion muss diese Gewichte berücksichtigen. Zusätzlich ist der Service- und Montageaufwand erhöht. Die Kraftübertragung von der horizontal liegenden Rotorwelle (2) erfolgt über ein Winkelgetriebe (5) direkt auf die Turmspitze (4), so dass sich der ganze Turm (4) in Leichtkonstruktion in einem speziell ausgeführten Fußlager (9) in Bodennähe dreht. Im Übergang vom festen zum drehenden Turmbereich wird der Ringgenerator (10/11) oder ein Getriebe/Generator angeordnet. Adapterhalterungen (4b, 4d, 3f) am Turm dienen dem Greifen eines von außerhalb des Turms stehenden Krans, um bei mittleren oder kleineren Windkraftanlage-Leistungen die gesamte Anlage in die Waagrechte zu legen. Das Verfahren vereinfacht die Energieerzeugung durch Windkraft. Die Schwerkraft der Anlage wird in Bodennähe verlagert. Die im drehenden Turm entstehende Schwingmasse kann für die Verbesserung der Stromgüte genutzt werden. Der Großteil der Servicearbeiten erfolgt in Bodennähe.

Description

Einleitung
Die nachstehend ausgeführte Erfindung ist anwendbar bei der Energiegewinnung durch Windkraft. In frühere Zeit gab es schon vertikal und horizontal laufende Windräder. Durchgesetzt haben sich heute dreiblättrige Rotoren mit horizontal liegender Rotorwelle, die ein Getriebe und ein Generator antreiben oder als Ringgenerator auf der Rotorwelle sitzen. Das Ganze sitzt auf einer Plattform mit Schutzgehäuse (Gondel) und ist drehbar auf einem Turm als konischem Gittermast oder konischem Röhrenmast aus Stahl oder Beton aufgesetzt. Die Rotoren und die Plattform werden automatisch oder geregelt in den Wind gedreht. Die auf den Turm einwirkenden Kräfte werden in ein Betonfundament eingeleitet. Im Turmfuß ist meist die Stromweiterleitung vom Generator sowie die Steuerelektronik untergebracht.
Bei einer älteren Windradanlage mit mehreren Rotorblättern und horizontaler Rotorwelle, die auf einem Gittermast sitzt, wird die Kraftableitung über ein Winkelgetriebe von der Rotorwelle auf eine im Inneren des Gittermastes mehrfach gelagerten vertikalen Welle zum Fuß des Gittermastes geführt, wo mittels Generator, Pumpe oder Direktantrieb Nutzenergie gewonnen wird. Diese Anlagentypen wurden über Windfahnen in den Wind gedreht (Anlage 2 + 3)
Bei größerer Leistung und höheren Masten war das System der vertikalen Kraftableitung mittels Welle zum Fuß des Mastes nicht mehr technisch handhabbar. Die Gondelgewichte wurden bei höherer Leistung immer größer bei höherem Turm.
Bei den derzeitigen Windanlagen mit horizontaler Rotorwelle wird die Getriebe/Generator- und Ringgeneratorkonstruktion angewendet.
Während die Rotorwelle ein Getriebe und dieses den Generator antreibt, die auf einer Plattform montiert sind, sind bei dem Ringgenerator die Generatorpole auf der Rotorwelle konstruktiv angeordnet, die Statorwicklungen aber mit der Plattform konstruktiv verbunden. Die Leistungskabel werden jeweils innerhalb des Mastes zu den Schaltschränken geführt. Die gesamte Plattform ist begehbar und mit einer Haube überdacht. Plattform, Maschinen und Haube ergeben die Gondel, die je nach Konstruktion 50% und mehr des auf der Turmspitze angeordneten Gesamtgewichts ausmacht. Von diesem Gewicht sind die Auslegungen der oberen Drehverbindung des Turmes, des Fundamentes und der Montagegeräte abhängig. Von der Gondel mit Getriebe/Generator bzw. Ringgenerator geht eine weitreichende Geräuschimmission aus.
Wenn Störungen in dem Bereich Getriebe/Generator bzw. Ringgeneratoren und den Kabelableitungen nach unten zu bearbeiten sind, müssen die Serviceleute auf die Turmspitze steigen, was zeitaufwendig ist und unter Einhaltung von Sicherheitsbedingungen ablaufen muss. Bei Austausch von Maschinenteilen müssen oft die kompletten Einheiten zur Erde transportiert werden, so daß man dazu übergeht, Bordkrane an der Turmspitze fest zu installieren.
Die Erfindung kehrt im Prinzip zu der bekannten Kraftableitung von der Rotorwelle über eine Kraftumleitung mittels Getriebe und innenliegender Welle nach unten zum Fuß des Turmes zurück. Sie benutzt aber den Rohrmast anstelle der innenliegenden Welle, um die Drehung und Kraft des Rotors nach unten zu übertragen. Dazu muss der Turm am Turmfuß gelagert sowie die Plattform auf der Turmspitze schwimmend gelagert und mit einer Windfahne versehen sein.
Beschreibung
Die Idee ist, den Turm zur Drehung und Kraftübertragung von oben nach unten zu nutzen und das Gewicht am Turmkopf sowie die Geräuschemission zu reduzieren. Bei den ersten Windrädern wurde die Windkraft über ein Kegelgetriebe oder Kurbelbetrieb und eine stehende Welle nach unten zu einer Pumpe, Generator oder Mühle geführt bei fest stehendem Turm.
Bei der neuen Idee würde der Rotor 1 mit Nabe 2 oben auf dem Turm „schwimmend" gelagert 6.
Über ein Kegelrad 5 sowie ein weiteres Kegelrad 5a mit Umkehrritzel 5c und auf dem Turm sitzendem Zahnkranz 5b erfolgt die Kraftübertragung auf den Turm 4 als große Hohlwelle, die unten speziell gelagert 9 sein muss. Eine autoaktiv ausrichtende Windnachführung 14 ist notwendig, die eventuell mit einem frequenzgesteuerten Gebläse 15 in der Windfahne 14 ausgerüstet ist. Die Blattverstellung und Windmessung kann wie z. Zt. eingesetzt werden.
Die Stromzuführung für die Gondel und Feststellbremsen sowie Azimutverstellung usw. erfolgt über Schleifringe von unten. Die NS-Steuerung für Blattverstellung, Bremse, Gebläse usw. ist in einem kleinen Schrank in der Gondel untergebracht – die Ansteuerung erfolgt über Infrarot – bzw. Funksteuerung von unten bzw. einer zweiten Schleifringübertragung.
Der Turm muss oberhalb der Fundament- und Fußkonstruktion in einem kombinierten Lager gehalten werden zur Aufnahme der Axiallast, der Radiallast bzw. den Momenten aus Rotorkraft und Windlasten, sowie gegebenenfalls des Lastspieles beim Schwenken.
Ein Ringgenerator 10 + 11 kann im Turminneren unten im Bereich der Lagerkonstruktion eingebaut werden, wobei die Rotorpole 10 im Turminneren sich drehen und die Statorwindungen 11 fest stehen oder umgekehrt. Ein weiteres Bremssystem muss vorgesehen werden. Am Turmfuß kann aber anstelle des Ringgenerators auch ein weiterer Zahnkranz und Kegelrad mit Getriebe und Generator angesetzt sein. Die Stromableitung und Steuerung erfolgt wie z. Zeit, aber direkt zu den unterhalb des Lagers bzw. Ringgenerators stehenden Schaltschränken.
Auf Grund des geringeren Gondelgewichts sowie einer Leichtkonstruktion des Turmes 4 ist eine Schwenkung der gesamten Anlage realisierbar zur Verbesserung der Montage und der Servicearbeiten. Ein für diesen Vorgang speziell erstellter Montagekran mit Adapter-Greifer kann für mehrere gleichartige Windkraftanlagen vorgehalten werden.
Figur
Es handelt sich um eine dreiblättrige Windkraftanlage mit den Rotoren 1, die auf einer fest horizontalen Rotorwelle 2 in zwei Lager 3 gelagert und auf einer Plattform 7 befestigt sind. Die Plattform 7 ist auf dem Turm 4 mittels eines Speziallagers 6 drehend gelagert.
Eine entsprechend ausgelegte Windfahne 14 + 14a ist mit der Plattform 7 fest verbunden und steuert den Rotor 1 in den Wind. Bei höherer Leistung soll ein frequenzgesteuertes Gebläse 15 am Ende der Windfahne 14a die Windrichtungsstellung erzeugen.
Die Kraftübertragung von der Rotorwelle 2 auf den zu drehenden Turm 4 wird in dieser Figur mittels zwei auf der Rotorwelle 2 kraftschlüssig befestigten Zahnrädern 5 + 5a im Abstand von 180 Grad des Zahnkranzes übertragen, wobei zwischen dem Zahnrad 5 und 5a den Zahnkranz 5b, der mit dem Turm 4 verbunden ist, ein Umkehrzahnrad 5c lose mitläuft und zweifach gelagert ist. Die Zahnräder 5, 5a, 5c und der Zahnkranz 5b sind gekapselt und mit einer Ölschmierung versehen. Durch diese Konstruktion wird die Kraftübertragung zweifach in den Turm 4 oben übertragen und die Kraft nach unten in den Turm 4 geleitet. Die Plattform 7 mit den Getriebeteilen 5, 5a, 5b, 5c sowie weitere Anlagenteile, wie z. B. NS-Schaltschrank, RMS-Schrank, evtl. Batterie, Feststellbremse usw. sind durch ein kleines Schutzgehäuse 16 gegen Witterungseinflüsse abgedeckt.
Der Turm 4 ist vorzugsweise konisch und sollte in Leichtbauweise erstellt sein. Er ist besteigbar. Der Turmfuß besteht aus dem Fundament 13, dem ersten feststehenden Segment 4a mit Tür zur Aufnahme der Schaltschränke 12 und der übrigen zentralen Infrastruktur, dem zweiten feststehenden Segment 4b zur Aufnahme des Generatorstators 11, dem überlappenden drehbaren Segment 4c zur Aufnahme des Fußlagers 9 und dem dritten drehbaren Segment 4d für die Halterungskonstruktion 10a des Generatorpols 10. Die Fußlagerung 9 kann auch in das zweite oder dritte Segment integriert sein.
Die Turmsegmente 4b, 4d und gegebenenfalls 4f können außen eine Adapterfläche für Greifzangen aufweisen.
Für die Beurteilung der Patentfähigkeit in Betracht gezogene Druckschriften
Fest stehende, vertikale Masten, um die drehende Vertikalrotoren meist zweifach gelagert sind, gibt es in verschiedenen Konstruktionen. So dreht sich eine Schaufelturbine nach DE 10 2005 029 478 A1 um den Mast, und auf der Mastspitze sitzt ein übliches horizontal gelagertes Windrad mit Getriebe und Generator. Am unteren Ende der Schaufelturbine ist ein Generator angeordnet. Hier ist der Turm statisch.
Ein drehender Turm mit unten liegendem und oben liegendem Lager ist in der DE 196 15 795 A1 beschrieben, jedoch überträgt der Turm nicht die Drehung des Rotors und nicht die Kraft. Er dient der Windausrichtung.
Bei der DE 199 50 103 C2 dreht sich ein vertikales Windrad mit einem rotierenden Kraft übertragenden Grundkörper (Welle) und treibt am Mastfuß über ein Winkelgetriebe Generatoren an. Die Kräfte der Flügel werden in die drehende Welle direkt eingeleitet, und die Übersetzung zu den Generatoren erfolgt durch ein Getriebe.
Die Welle ist gleichzeitig der Träger für die Flügel, und die Drehzahl wird durch die Flügel und den anströmenden Wind vorgegeben, sodass ein Winkelgetriebe am Wellenfuß die für die Generatoren notwendige Drehzahl übersetzt wird.
In einem fest stehenden Rohrmast wird nach der DE 100 24 044 A1 die Drehung bzw. Kraft eines Rotors mit horizontaler oder vertikaler Achse mittels eines Winkelgetriebes bzw. einer Kurbelwelle an einen im Fuß des Mastes befindlichen Kompressor mit Getriebe geleitet. Dieser Übertragungsweg ist mit älteren Windrädern vergleichbar.
In der DE 38 42 026 A1 wird ein Turm u. a. für Windkraftanlagen aus GFK oder KFK vorgeschlagen. Zur Übertragung von Signalen zwischen Bauteilen innerhalb eines Kraftwerkes sieht die DE 10 2005 028 416 A1 Funkadapter vor. Ein Funkadapter wird nicht benötigt, da es sich um eine einlinige Übertragungsstrecke handelt.
Bei der DE 20 2005 009 164 U1 sitzen ein oder mehrere Permanent-Magnet-Generatoren im unteren Bereich eines Vertikalachsen-Windrad-Systems, wobei die Ankerwicklungen an der fest stehenden Achse und die Pole an der Rotationsachse angeordnet sind. Dieses Prinzip wird dem Grunde nach auch bei einem bekannten Ringgenerator angewendet.
Eine Kleinwind-Kraftanlage mit horizontaler Rotorwelle ist in der DE 202 17 522 U1 beschrieben, wobei der Rotor, Rotorwelle, Getriebe, Generator auf einer Trägereinheit sitzt und diese mit dem Mast fest verbunden ist. Der Mast sitzt in einer am Fuß befindlichen Sockelhülse, drehbar gelagert. In etwa 2/3 der Masthöhe erfolgt eine Seilabspannung mittels drehbarer Abspannhülse. Des weiteren ist der Mast in einer im Sockelbereich vorhandenen Mastgabel schwenkbar.
Die Drehung des Mastes erfolgt nur für die Einstellung in die Windrichtung. Eine am Boden verankerte Windeneinrichtung mit einer Umlenkrolle an der drehbaren Abspannhülse dient gleichzeitig der Maststand-Stabilität sowie zum Schwenken des Mastes.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102005029478 A1 [0020]
- DE 19615795 A1 [0021]
- DE 19950103 C2 [0022]
- DE 10024044 A1 [0024]
- DE 3842026 A1 [0025]
- DE 102005028416 A1 [0025]
- DE 202005009164 U1 [0026]
- DE 20217522 U1 [0027]

Claims

Windkraftanlage zur Erzeugung von elektrischer Energie mittlerer Leistung mit einem horizontal gelagerten Rotor auf einem um 90 Grad schwenkbaren konischen Turm, der einen Ringgenerator bzw. ein Getriebe und Generator antreibt und der Rotor mittels einer Windfahne autoaktiv in den Wind gedreht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehung und Kraft der horizontalen Rotorwelle (2) mittels eines Getriebes (5, 5a–5c) auf den Turmkörper (4) übertragen wird, der oben an der Turmspitze und unten am Turm je ein leistungsstarkes für die vertikalen-, radialen- und Kippkräfte ausgelegtes Lager (6 + 9) aufweist und ein Ringgenerator (10 + 11) oder ein Getriebe mit Generator unten im Unterteil des Turmes (4) zwischen fest stehendem Turmfuß und drehendem Turm zur Stromerzeugung eingebaut ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Turm (4) in leichter, ausgewuchteter, rotationssymmetrischer Konstruktion die Axial/Windlasten- und Torsionskräfte aufnimmt und aus mehreren fest stehenden (4a + 4b) und drehenden (4c + 4d) Sektionen besteht für die Unterbringung der Schaltanlagen (12), den Generator-Stator (11), dem unteren Lager (9), der Halterung für den Generator-Rotor (10a) sowie dem Generator-Rotor und dem aufgehenden drehenden Turm (4e) mit dem oben liegenden Lager (6).
Windkraftanlage nach Anspruch 1 + 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe zur Drehung und Kraftübertragung von der Rotorwelle (2) auf den Turmkörper (4) vorzugsweise mittels eines Ritzels (5) auf den mit dem Turmkörper verbundenen Zahnkranz (5b) überträgt und eine zweite Krafteinleitung über ein ebenfalls auf der Rotorwelle (2) sitzenden Ritzel (5a) auf ein loses mit laufendem Zahnrad (5c) auf den Zahnkranz (5b), aber um 180 Grad versetzt, einwirkt und das ganze Getriebe (5, 5a–5c) gekapselt ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklung (11) des Ringgenerators auf den Innenumfang des Turmsegmentes (4b) verteilt angeordnet sind und die Rotorpole (10) in Turmachse mit entsprechendem Luftspalt gegenüber angeordnet und an einem Rotationskörper (10a) befestigt sind, der wiederum mit dem Turmsegment (4d) des Turmes (4) innen befestigt ist, und der in der Turmachse einen kreisrunden Durchlass aufweist. Die Kabelverbindungen zu elektrischen/elektronischen Bauteilen sowie den Schaltschränken können auf kurzen Abständen verlegt werden.
Windraftanlage nach Anspruch 1 + 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluft für die Schaltschränke (12), den Generator (10 + 11) und das Getriebe (5 + 5a–5c) durch an die Innenwand des Turmes (4) angebrachte Lüfterflügelstummel (17) in einem Höhenabstand und versetzt (spiralförmig) angebracht sind und die Kühlluft über Jalousien mit Filterplatten im 1. Segment (4a) des Turmes (4) an geeigneter Stelle ansaugen und in der Gondel (16) ausblasen.
Windkraftanlage nach Anspruch 1 + 2, dadurch gekennzeichnet, dass gegenüber der Steigleiter, die im Inneren vom Turmfuß nach oben führt, die Niederspannungskabel und evtl. Steuerkabel in 190 Grad versetzt im Innern des Turmes (4) verlaufen. Notwendige Ausgleichsgewichte werden an der Seite angebracht, wo es erforderlich ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende der Windfahne (14) im sog. Höhenruder (14a) ein vertikal eingebautes, je nach Drehrichtung blasendes Gebläse, durch Frequenzsteuerung so von einem Windrichtungsgeber gesteuert wird, dass die Windfahne (14 + 15) den Rotor (1) in die günstigste Windposition dreht.
Windkraftanlage nach Anspruch 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass im unteren Bereich des Turmes (4) die Außenmäntel der Segmente (4b + 4d) als Adapter verstärkt sind, damit ein entsprechendes Fahrzeug mit zwei die Segmente (4b + 4d) umspannenden Zangen die Segmente (4b + 4d) kraftschlüssig greift, so dass die Schwenkung des Turmes (4) mit Rotor (1) und Gondel (16) um 90 Grad um einen Drehpunkt, der am Segment (4b) kraftschlüssig verbunden ist, oder sich an der Tragkonstruktion des Fahrzeuges befindet, in die Horizontale gelegt werden kann. Bei größeren Windkraftanlagen ist ein dritter Adapter im 2/3 Höhenbereich des Turmes (4) und eine dritte Zange vorgesehen, wobei die zweite und dritte Zange eine konstruktive Verbindung aufweisen, die durch Hydraulikzylinder den Turm (4) schwenken lässt.