DE102009007812B4

DE102009007812B4 - Windkraftanlage mit windschlüpfiger Profilierung

Info

Publication number: DE102009007812B4
Application number: DE102009007812.6A
Authority: DE
Inventors: Matthias Köstner
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2009-02-06
Filing date: 2009-02-06
Publication date: 2019-05-02
Anticipated expiration: 2029-02-07
Also published as: DE102009007812A1; WO2010088933A2; WO2010088933A3

Abstract

Windkraftanlage (1) mit einem starren Turm (2), der an seinem oberen Ende eine drehbar am Turm (2) gelagerte Windturbine (3) mit einem Propeller (4) trägt und in einem sich an die Windturbine (3) anschließenden und mit dieser verbundenen Bereich (8) eine windschlüpfrige Profilierung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (8) den Turm (2) U-förmig umschließt, wobei ein offener Bereich (13) des Bereiches (8) auf der Leeseite des Bereiches (8) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem Turm, der an seinem oberen Ende eine Windturbine mit einem Propeller bzw. Rotorblättern trägt.
Aus der DE 28 04 711 A1 ist bereits eine Windkraftanlage mit festem Turm und drehbarer Kanzel bzw. Windturbine bekannt. Es wurde erkannt, dass sich am Turm eine Schattenzone mit veränderter Strömung ausbildet, was zu Vibrationen am Propeller führt. Diese Vibrationen werden auch weiter auf die den Propeller tragende Nabe übertragen. Zur Abhilfe wird vorgeschlagen, ein schraubenförmig um den Turm gewundenes Leitblech anzubringen, das die Strömung in positiver Weise beeinflusst. Eine windschlüpfrige und drehbare Ausbildung des Turmes wird als zu aufwendig verworfen.
GB 2 353 825 A stellt eine vollständige oder teilweise Ummantelung oder Verkleidung um einen kreisförmigen Turm bereit, die so geformt ist, dass ein sich nähernder Luftstrom mehr zu einer Seite als zu der anderen abgelenkt wird. Diese Ummantelung kann sich frei um die vertikale Achse des Turms drehen und ist an der Turbinengondel befestigt, so dass sie sich mit dieser dreht, wenn sie giert, um sich zur Windrichtung hin auszurichten.
JP 2003 - 49 761 A schlägt eine Windkraftanlage vor, dessen Laufschaufel mit stromlinienförmiger Umfangsseite ist durch Kugellager am oberen und unteren Ende drehbar an dem Teil des Auflagers befestigt ist, der einer weiteren Laufschaufel der Windkraftanlage gegenüberliegt. Infolgedessen dreht sich die Laufschaufel so, dass das spitze Ende immer stromabwärts gerichtet ist, wodurch der gegen das Auflager blasende Wind glatt entlang der Laufschaufel strömt, um das Entstehen von Wirbeln und ein Abfallen der Windgeschwindigkeit an der stromabwärtigen Seite des Auflagers zu verhindern, das zu einer Verminderung der Windgeschwindigkeit führen könnte.
Ein sehr hoher Turm gemäß DE 10 2005 008 843 A1 hat einen festen kreisförmigen Kern, der auf einem kreisförmigen Sockel mit großem Durchmesser ruht. Der Turm hat eine frei bewegliche, sich verjüngende Hülse, die sich vom Sockel bis nahe an die Mastspitze erstreckt. Die Hülse ist eine Windfahne und bietet dem ankommenden Wind ein stromlinienförmiges Profil. Die Hülse ist eine modulare Baugruppe mit horizontalen Rippen.
DE 10 2005 033 600 B3 betrifft einen Turm für eine Windenergieanlage mit einem als Fachwerkturm ausgebildeten unteren Turmabschnitt, welcher zumindest an seinem oberen Ende einen polygonförmigen Querschnitt aufweist, und einem als Rohr ausgebildeten oberen Turmabschnitt, welcher an seinem unteren Ende eine an den polygonförmigen Querschnitt des unteren Turmabschnittes angepasste Querschnittsform und an seinem oberen Ende eine kreisförmige Querschnittsform aufweist.
DE 736 454 A offenbart ein von einem zweiteilig ausgebildeten Mastgerüst, dessen Oberteil gegenüber dem Unterteil beweglich angeordnet ist, getragenes Windkraftwerk, dessen Obermast in senkrechter Richtung verschiebbar am Untermast gelagert ist, wobei an dessen Fuß eine Grube vorgesehen ist, in die der untere Teil des Obermasts eingefahren werden kann.
Um eine Windenergieerzeugungsvorrichtung mit verbesserter Wirtschaftlichkeit und windstabiler Leistung bereitzustellen, ist am oberen Ende eines Turms gemäß JP S59- 147 879 A eine Hubvorrichtung in horizontal drehbarer Weise installiert, um die Windenergieerzeugungseinheit nach oben und unten zu heben. Dies soll die Sicherheit der Windenergieanlage bei starkem Wind verbessern und einfache Wartungsarbeiten ermöglichen. Ein abschnittsweise fischförmiges Drehelement ist so an dem Turm angebracht, dass es mit Wind horizontal gedreht wird, wodurch das Zerstörungsmoment des Turms reduziert werden soll.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftanlage zu schaffen, die Vibrationen am Propeller zumindest reduziert.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den Turm so auszubilden, dass er in einem sich an die Windturbine anschließenden Bereich eine windschlüpfrig Profilierung aufweist. Überraschenderweise wurde festgestellt, dass es nicht notwendig ist, den kompletten Turm stromlinienförmig bzw. windschlüpfrig auszubilden, wie dies im Stand der Technik als zu aufwendig beschrieben ist. Auf diese Weise ist der Aufwand zum Bau einer derartigen Windkraftanlage vermindert, denn für den verbleibenden Turmbereich, insbesondere aber für den fußseitigen Anschlussbereich des Turmes an ein Fundament, können standardisierte Bauteile verwendet werden, deren Herstellung erprobt und daher kostengünstig möglich ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
So soll sich die windschlüpfrige Profilierung im Wesentlichen auf den vom Propeller überstrichenen Bereich erstrecken. Dies ist der Bereich, der den größten Einfluss auf die Strömungsverhältnisse am Propeller hat.
Weiter wird vorgeschlagen, den Turm starr, d.h. nicht drehbar, auszubilden und die Windturbine am Mast drehbar zu lagern. Bei dieser Ausführung ist die windschlüpfrige Profilierung an der Windturbine angeordnet und dreht sich mit dieser mit. Auf diese Weise ist die Profilierung stets optimal zur Anströmung ausgerichtet, ohne dass hierfür zusätzliche Maßnahmen notwendig sind. Wie weiter vorgeschlagen wird, kann der profilierte Bereich auch so stabil ausgebildet sein, dass die Lagerung zwischen Turm und Windturbine im Bereich des profilierten Bereiches erfolgt. Auf diese Weise lassen sich vorteilhafte Lagerkonzepte mit großer Basislänge (Abstand zwischen den Lagern) verwirklichen.
Zur Ausbildung des profilierten Bereiches wird vorgeschlagen, dass dieser den Turm U-förmig umschließt, wobei die Öffnung auf der Leeseite zu liegen kommt. Diese Ausbildung des profilierten Bereiches reduziert einerseits den Bauaufwand und erlaubt andererseits einen Zugang zum Turm auch bei montiertem profilierten Bereich. Durch die leeseitige Anordnung der Öffnung beeinflusst diese nicht die Strömung an der Luvseite des profilierten Bereiches, so dass der Einfluss auf die Strömung im Bereich des Propeller vernachlässigbar ist.
Alternativ wird vorgeschlagen, dass der profilierte Bereich den Turm vollständig umschließt. Diese Konstruktion ist besonders steif und daher zur Anordnung der zuvor beschriebenen Lagerkonzepte besonders geeignet.
Als weitere Alternative wird vorgeschlagen, den profilierten Bereich so auszubilden, dass der Turm nur bereichsweise, nämlich auf der Luv- und der Leeseite umschlossen ist. Die Seitenbereiche des Turmes bilden bei dieser Ausführung gleichzeitig die Seitenbereiche des profilierten Bereiches. Diese Ausführung ist besonders leicht bauend und vorzugsweise dann anzuwenden, wenn der profilierte Bereich nicht tragend ausgebildet sein soll.
Die Erfindung ist nachstehend anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung der Strömungsverhältnisse am Turm einer Windkraftanlage,
2 eine teilweise geschnittene Darstellung einer Windkraftanlage nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
3 einen Schnitt nach der Linie III-III,
4 eine teilweise geschnittene Darstellung einer Windkraftanlage nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,
5 einen Schnitt nach der Linie V-V,
6 eine teilweise geschnittene Darstellung einer Windkraftanlage nach einem dritten Ausführungsbeispiel und
7 einen Schnitt nach der Linie VI-VI.

Die in 1 dargestellte Windkraftanlage 1 nach dem Stand der Technik besteht aus einem Turm 2, der an seiner Spitze eine Windturbine 3 mit einem hier dreiflügeligen Propeller 4 trägt. Der Turm 2 ist in konventioneller Weise als nach oben konisch zulaufendes Rohr ausgebildet. Die Windturbine 3 trägt in ihrem Inneren, nicht dargestellt, in bekannter Weise ein Übersetzungsgetriebe, das mit einer Nabe 5 des Propellers 4 verbunden ist, und einen ausgangsseitig am Getriebe angeflanschten Generator zur Stromerzeugung. Darüber hinaus sind die notwendigen elektrischen Steuereinrichtungen zur Steuerung der Anlage vorgesehen, die auch einen Stellmechanismus zur Ausrichtung der Windturbine 3 in Strömungsrichtung aufweisen können, sofern die Ausrichtung der Windturbine 3 nicht durch ihre äußere Form und insbesondere durch (hier nicht gezeigte) Windleitelemente erfolgt.
Die schematisch durch Pfeile dargestellte Strömung 6 bildet an der Vorderseite des Turmes 2 eine Stauströmung 7 aus, in der die Strömungsverhältnisse, insbesondere Strömungsrichtung und Strömungsgeschwindigkeit, gegenüber der ungestörten Strömung verändert sind. Wenn die Blätter des Propellers 4 diesen Staubereich 7 durchlaufen, verändert sich die auf die Blätter des Propellers 4 wirkende, aus der Strömung 6 resultierende Kraft, was zu Vibrationen im Propeller 4 führt. Diese Vibrationen übertragen sich über die Nabe 5 auch auf das Getriebe und insbesondere die ebenfalls nicht dargestellte Lagerung der Nabe 5. Dies führt entweder zu vorzeitiger Ermüdung des Propellers 4 oder der Lagerung der Nabe 5 oder muss durch entsprechend stärkere Dimensionierung ausgeglichen werden. Die Vibrationen äußern sich ferner als Störung in der Umdrehungsgeschwindigkeit des Propellers und werden auf diesem Wege auch in das Getriebe übertragen, wo sie zu Schäden an der Getriebeverzahnung und -lagerung führen können.
Die in 2 dargestellte, erfindungsgemäße Windkraftanlage weist daher einen als Verkleidung ausgebildeten windschlüpfrig (hier stromlinien- bzw. tropfenförmig) profilierten Bereich 8 auf, der sich, ausgehend von der Windturbine 3, um den Turm 2 herum erstreckt. Wie im Schnitt nach 3 dargestellt, ist die Verkleidung 8 mit dem Turm 2 nicht verbunden, sondern zu diesem drehbar gehalten. Die Verkleidung 8 wird aber so gedreht, dass ihre Vorderseite 9 stets luvseitig ausgerichtet ist und mithin in Richtung des Propellers 4 zeigt. Hierzu ist die Verkleidung 8 mit der Windturbine 3 verbunden und folgt damit stets den Drehbewegungen der Windturbine 3.
Bei entsprechender Auslegung der Verkleidung 8 kann diese als tragendes Teil ausgebildet sein und die Windturbine 3 tragen. In diesem Falle ist es möglich, den Turm 2 entsprechend kürzer zu gestalten, so dass er nur noch ein Stück weit in die Verkleidung 8 hineinragt. Zwischen Turm 2 und der Innenseite der Verkleidung 8 sind in diesem Falle Lagerelemente 10 vorgesehen, die über eine Basislänge L1 beabstandet zueinander angeordnet sind.
Bei nachträglicher Anordnung der Verkleidung 8 an eine bestehende Windkraftanlage kann es auch vorgesehen sein, dass die Verkleidung 8 selbstständig drehbar auf dem Mast 2 gelagert ist und mit der Windturbine 3 nicht verbunden ist. In diesem Falle ist ein separater Antrieb für die Verkleidung 8 vorzusehen, der aktiv (Motor) oder passiv (z.B. Windleitelement) ausgebildet sein kann. In jedem Fall ist sicherzustellen, dass auch im Störungsfall des Antriebs die Verkleidung 8 über ihre Vorderseite (in 3 ist dies von links) angeströmt wird.
Das in 4 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich dadurch, dass die Verkleidung 8 zweiteilig ausgebildet ist und aus den beiden Verkleidungselementen 8' und 8" besteht, die an der Unterseite der Windturbine 3 gehalten sind. Das erste Verkleidungselement 8' ist dabei luvseitig und das zweite Verkleidungselement 8" leeseitig zum Mast 2 angeordnet. Die an den Seiten 12 der Verkleidung 8 gebildeten seitlichen Lücken werden durch die Oberfläche des Mastes 2 ausgefüllt, der hier als Teil der Verkleidung 8 wirkt. Zur Stabilisierung der Verkleidungselemente 8' und 8" sind, im Ausführungsbeispiel an zwei Stellen, die Verkleidungselemente 8' und 8" über schmale Stege 12 gegeneinander abgestützt.
Bei dem in 6 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel ist die Verkleidung 8 U-förmig ausgebildet, wobei ein offener Bereich 13 der Verkleidung 8 leeseitig ausgerichtet ist. Über den Bereich 13 ist der Mast 2 auch im montierten Zustand der Verkleidung 8 zugänglich.
7 zeigt schließlich als viertes Ausführungsbeispiel eine Variante des in 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiels. Auch hier ist die Lagerung im unteren Bereich der Verkleidung 8 angeordnet und der Turm 2 ist entsprechend kürzer ausgebildet. Der sich an die Windturbine 3 anschließende obere Bereich der Verkleidung 8 ist als flaches, aerodynamisches Profil im Sinne einer noch weitergehenden Reduzierung der Anströmung ausgebildet. Dieser obere Bereich der Verkleidung 8 erstreckt sich über die Länge L2 und geht dann in einen hohlen unteren Bereich der Verkleidung 8 über, der innenseits den Turm 2 aufnimmt und mit diesem über Lagerelement 10 verbunden ist.
Eine Länge L2 des windschlüpfrig ausgestalteten Bereichs der Verkleidung 8 ist in allen Ausführungsbeispielen so bemessen, dass sie 50 % bis 100 % des Radius des Propellers 4 entspricht.

Claims

Windkraftanlage (1) mit einem starren Turm (2), der an seinem oberen Ende eine drehbar am Turm (2) gelagerte Windturbine (3) mit einem Propeller (4) trägt und in einem sich an die Windturbine (3) anschließenden und mit dieser verbundenen Bereich (8) eine windschlüpfrige Profilierung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (8) den Turm (2) U-förmig umschließt, wobei ein offener Bereich (13) des Bereiches (8) auf der Leeseite des Bereiches (8) angeordnet ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (8) innerhalb einer vom Propeller (4) überstrichenen Fläche vorgesehen ist.
Windkraftfanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Lagerelemente (10) zur drehbaren Lagerung der Windturbine (3) zwischen dem Bereich (8) und dem Turm (2) angeordnet sind.
Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (8) den Turm (2) vollständig umschließt.
Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (8) den Turm (2) bereichsweise umschließt, wobei der Bereich (8) sowohl die Luv- als auch die Leeseite überdeckt.