DE102007060477A1

DE102007060477A1 - Vorrichtung zum Erzeugen von Wärmeenergie aus Windenergie

Info

Publication number: DE102007060477A1
Application number: DE102007060477A
Authority: DE
Inventors: Stephan Obser; Harald Hoffeld; Bernhard Schust
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2009-06-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Wärmeenergie aus Windenergie mit den folgenden Merkmalen: - mit einer Windenergieanlage, umfassend eine Windturbine mit einem Turbinenrotor; - mit einem mit dem Turbinenrotor in Triebverbindung stehenden hydrodynamischen Retarder, umfassend einen Rotor und einen Stator, die beide mit Schaufeln versehen sind und die einen torusförmigen Arbeitsraum miteinander bilden; - mit einem Flüssigkeitskreislauf, umfassend eine Mediumzuleitung und eine Mediumableitung zwischen dem Retarder sowie Wärmeverbrauchern.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Energieerzeugung aus Windenergie.
Die Beheizung von Gebäuden beansprucht einen hohen Anteil der Energie, die von einer modernen Volkswirtschaft verbraucht wird. Zur Beheizung gehört nicht nur die Raumheizung, sondern auch die Warmwasseraufbereitung. Dabei ist man bestrebt, soweit wie möglich Wärmeenergie mit anderen Mitteln als mit fossilen Brennstoffen zu erzeugen. Eine dieser erneuerbaren Energiequellen ist die Windenergie, die zunehmend genutzt wird. Diese wird in elektrische Energie umgewandelt, die ihrerseits in Wärmeenergie umgesetzt werden kann.
Zum Umsetzen der mechanischen Energie der Windenergieanlage in elektrische Energie bedarf es außer der Windturbine eines Generators, in der Regel außerdem eines zwischen den Rotor der Windturbine und den Generator geschalteten Getriebes. Somit ist ein erheblicher baulicher Aufwand erforderlich. Der genannte Umsetzungsvorgang ist außerdem verlustbehaftet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit welcher Windenergie mit wesentlich geringerem Aufwand in Wärmeenergie umgesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Demgemäß wird ein hydrodynamischer Retarder vorgesehen, der mit der Windturbine einer Windenergieanlage in Triebverbindung steht. Ein solcher Retarder ist beispielsweise aus der Fahrzeugtechnik bekannt. Siehe zum Beispiel DE 10 2007 029 018 A1 . Der Retarder umfasst einen Rotor und einen Stator. Diese sind beide mit Schaufeln versehen und bilden miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum. Der Arbeitsraum ist von einer Flüssigkeit durchströmt. Die Flüssigkeit strömt mit geringer Temperatur durch einen Einlass in den Arbeitsraum, und verlässt diesen wiederum mit einer erhöhten Temperatur. Die erwärmte Flüssigkeit wird sodann zu einem Verbraucher geleitet, beispielsweise in ein Gebäude, in ein Gewächshaus oder zu einem anderen Ort, an welchem die Wärme abgegeben wird.
Idealerweise wird der Retarder derart angeordnet, dass er vom Rotor der Windturbine unmittelbar angetrieben werden kann, das heißt ohne Zwischenschaltung eines Getriebes. In diesem Falle wird er am besten in die Gondel einer Windenergieanlage integriert. Da der Transport von Wärme in Form von Warmwasser schwieriger ist als der Transport elektrischer Energie, müssen wärmeerzeugende Windenergieanlagen gemäß der Erfindung möglichst nahe beim Verbraucher stehen.
Befindet sich der Retarder gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in der Gondel einer Windenergieanlage, so kann ein Leitungssystem vorgesehen werden. Das Leitungssystem ist im Mast der Windenergieanlage verlegt. In den Kreislauf ist einerseits der Arbeitsraum des Retarders geschaltet, andererseits der Wärmeverbraucher, oder ein Zwischenbehälter. Eine Rücklaufleitung führt im Mast vom Vorratsbehälter oder vom Wärmeverbraucher zum Arbeitsraum des Retarders, und eine Rücklaufleitung für erhitztes Medium führt zurück vom Arbeitsraum des Retarders zum Wärmeverbraucher. In den Kreislauf kann eine Pumpe geschaltet werden. Es ist aber auch denkbar, den Retarder als einziges Förderorgan zu nutzen, da dieser eine Pumpwirkung ausübt.
Eine weitere Möglichkeit der Realisierung der Erfindung besteht in Folgendem: Es wird eine Pumpe vorgesehen, die sich in unmittelbarer Nähe des Turbinenrotors befindet und die mit diesem in Triebverbindung steht. Die Pumpe befindet sich in einem Mediumkreislauf, der wiederum durch den Mast der Windturbine hindurchläuft. Der Retarder befindet sich ebenfalls im Mediumkreislauf. Er ist jedoch gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung räumlich außerhalb des Mastes der Windturbine angeordnet. Die Umwandlung von mechanischer Energie in Wärmeenergie findet somit nicht in der Gondel, sondern von dieser entfernt statt. Dies hat den Vorteil, dass auf dem Transportwege des Mediums von der in der Gondel angeordneten Pumpe zum Retarder keine Wärmeverluste entstehen.
Die Vorteile, die sich aus der Erfindung ergeben, sind vielfältig:

– Retarder sind als Serienprodukte äußerst preisgünstig, verglichen mit den Kosten von Getrieben oder Generatoren.
– Die aufwendige elektrische Steuerung von stromerzeugenden Anlagen entfällt; dies kann insbesondere bei Kleinanlagen prozentual bedeutend sein.
– Eine Sicherung gegen Überdrehzahl lässt sich durch eine Fliehkraftkupplung in Verbindung mit einer zweiten Stufe des Retarders oder einem zweiten Retarder leicht realisieren. Dadurch wird der Rotor der Windturbine in den Stellbereich gebracht.
– Wird der Retarder in der Gondel angeordnet, so ist das Gesamtgewicht der Gondel viel geringer, als wenn sich ein Generator und gegebenenfalls ein Getriebe in der Gondel befinden; hierdurch verringern sich Schwingungsprobleme.
– Der Retarder bedarf so gut wie keiner Wartung, im Gegensatz zu einem Generator und zu einem Getriebe.
– Es entstehen keine Geräusche durch den Generator und durch das Getriebe; dies bedeutet, dass eine erfindungsgemäße Anlage in unmittelbarer Nähe eines zu beheizenden und gegebenenfalls bewohnten Gebäudes angeordnet werden kann.
– Die Wärmeenergie in Form von Warmwasser ist relativ billig zu lagern.
– Die Lebensdauer ist hoch.

Als Arbeitsmedium kommt jegliche Flüssigkeit in Betracht, beispielsweise Wasser oder Öl.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im Einzelnen Folgendes dargestellt:
1 ist eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 zeigt die Gondel der Windenergieanlage gemäß 1 mit darin befindlichem Retarder.
3 zeigt schematisch eine Windenergieanlage gemäß einer zweiten Ausführungsform.
1 zeigt in schematischer Darstellung eine Windenergieanlage 1 sowie ein Gebäude 2. Die Windenergieanlage 1 umfasst eine Gondel 1.1, einen Turbinenrotor 1.2, eine Rotorwelle 1.2.1, Rotorblätter 1.2.2 sowie einen Mast 1.3.
In der Turbinengondel befindet sich ein Retarder 3. Dieser ist in einen Mediumkreislauf geschaltet, genau wie die Verbraucher im Gebäude 2. Der Kreislauf umfasst eine Mediumzuleitung 4.1 sowie eine Mediumableitung 4.2.
In 2 erkennt man wiederum die Gondel 1.1, den Turbinenrotor 1.2 mit seiner Welle 1.2.1 und seinen Rotorblättern 1.2.2.
Der Retarder 3 umfasst einen Rotor 3.1 und einen Stator 3.2. Der Rotor 3.1 des Retarders ist drehfest mit der Welle 1.2.1 des Turbinenrotors verbunden. Der Stator hingegen läuft nicht um. Rotor 3.1 und Stator 3.2 des Retarders sind in bekannter Weise beschaufelt. Die Schaufeln können gegen die Drehachse geneigt angeordnet sein. Rotor 3.1 und Stator 3.2 bilden miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum 3.3.
Der Retarder 3 ist von einem Gehäuse 4 umschlossen und an diesem fixiert. Das Gehäuse 4 steht somit ebenfalls fest. Das Gehäuse 4 ist einerseits an die Mediumzuleitung 4.1 und andererseits an die Mediumableitung 4.2 angeschlossen. Der Arbeitsraum 3.3 des Retarders 3 ist im Betrieb der Windenergieanlage 1 von Medium durchströmt. Als Medium kommen jegliche Flüssigkeiten in Betracht, zum Beispiel Wasser oder Öl.
Die Gondel 1.1 ist mit einem wärmedämmenden Material 5 ausgeschäumt. Das Gehäuse 4 ist somit in das wärmedämmende Material 5 eingebettet.
Die Zuleitung 4.1 und die Ableitung 4.2 sind durch den Mast 1.3 der Windenergieanlage 1 hindurchgeführt. Auf dem Wege zum Gebäude 2 sind sie ebenfalls isoliert.
Anders als in 1 dargestellt, kann die Windenergieanlage 1 auf dem Gebäude 2 montiert sein. Der Mast 3 kann damit eine geringe Baulänge haben, die im Extremfall bis auf Null reduziert wird. Auf diese Weise lassen sich die Länge der Mediumzuleitung 4.1 und der Mediumableitung 4.2 verringern, und damit auch die Wärmeverluste auf dem Transportweg des erwärmten Wassers vom Retarder 3 zu den Verbrauchern im Gebäude 2.
Das Arbeitsmedium muss von den Wärmeverbrauchern im Gebäude 2 zum Retarder 3, und wiederum vom Retarder 3 zu den Wärmeverbrauchern im Gebäude 2 gefördert werden. Der Rotor 3.1 des Retarders 3 wirkt als Pumpe, so dass dessen Förderleistung ausreichen kann. Es ist aber auch denkbar, in den Mediumkreislauf eine Pumpe zu schalten.
Die in 3 dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst wiederum eine Windenergieanlage 1 mit einer Gondel 1.1 und einem Turbinenrotor 1.2. Ein Gebäude 2 enthält einen oder mehrere Wärmeverbraucher, die nicht dargestellt sind.
Anders als bei der Ausführungsform gemäß der 1 und 2 ist der Retarder 3 außerhalb der Windenergieanlage 1 angeordnet. Die Umsetzung von mechanischer in Wärmeenergie erfolgt somit nicht innerhalb der Gondel 1.1.
Die von der Windenergieanlage 1 erzeugte mechanische Energie wird von der Welle 1.2.1 des Turbinenrotors auf einen Winkeltrieb 6 übertragen, und von dort auf eine Welle 7, die das Drehmoment in den Rotor 3.1 des Retarders einleitet.
Retarder 3 befindet sich in einer Wanne 8. Diese ist mit Medium gefüllt. Die Wanne 8 ist über die Zuleitung 4.1 sowie über die Ableitung 4.2 an das Gebäude 3 angeschlossen.
Die Wanne 8 mit dem darin befindlichen Retarder 3 kann sich innerhalb des Gebäudes 2 befinden.
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass der Weg des erwärmten Mediums vom Retarder 3 zum Gebäude 2 und damit zu den Verbrauchern minimiert wird, und somit auch der Wärmeverlust auf dem Übertragungswege.
Die Übertragung des Drehmomentes vom Turbinenrotor auf den Retarderrotor kann mittels einer biegsamen Welle erfolgen.

1: Windenergieanlage
1.1: Gondel
1.2: Turbinenrotor
1.2.1: Turbinenrotorwelle
1.2: Rotorblatt
1.3: Mast
2: Gebäude
3: Retarder
3.1: Rotor
3.2: Stator
3.3: Arbeitsraum
4: Gehäuse
4.1: Mediumzuleitung
4.2: Mediumableitung
5: Wärmedämmung
6: Winkeltrieb
7: Welle
8: Wanne

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 102007029018 A1 [0006]

Claims

Vorrichtung zum Erzeugen von Wärmeenergie aus Windenergie mit den folgenden Merkmalen: 1.1 mit einer Windenergieanlage (1), umfassend eine Windturbine mit einem Turbinenrotor (1.2); 1.2 mit einem mit dem Turbinenrotor (1.2) in Triebverbindung stehenden hydrodynamischen Retarder (3), umfassend einen Rotor (3.1) und einen Stator (3.2), die beide mit Schaufeln versehen sind und die einen torusförmigen Arbeitsraum (3) miteinander bilden; 1.3 mit einem Flüssigkeitskreislauf, umfassend eine Mediumzuleitung (4.1) und eine Mediumableitung (4.2) zwischen dem Retarder (3) sowie Wärmeverbrauchern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Windenergieanlage (1) einen Mast (1.3), eine an dessen oberem Ende drehbar gelagerte Gondel (1.1) sowie den in der Gondel (1.1) gelagerten Turbinenrotor (1.2) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Retarder (3) in der Gondel (1.1) befindet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung des Drehmomentes vom Turbinenrotor (1.2) auf den Retarderrotor (3.1) frei von einem mechanischen Getriebe ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Retarder (3) außerhalb der Windenergieanlage (1) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Übertragung des Drehmomentes vom Turbinenrotor auf den Retarderrotor eine biegsame Welle vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitskreislauf einen Anschluss für Wasser enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitskreislauf einen Anschluss für Öl enthält.