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Die
Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einer im Wesentlichen
senkrecht zur Windrichtung angeordneten Rotationsachse, einem sich
um diese Rotationsachse drehenden ringförmigen Rotor sowie
einer um die Rotationsachse drehbaren Windeinleiteinrichtung.
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Eine
derartige Windkraftanlage ist aus der
DE 203 08 705 U1 bekannt.
Dabei handelt es sich um eine Windkraftanlage mit vertikal angeordneter
Windradachse, einer Windradabdeckung als Wetterschutz, einer Windfahne
und zwei schwenkbaren Windleitbahnen. An der Abdeckung ist ein großes Vordach
angebracht und die Windradabdeckung ist komplett mit einem Drehkranz über
Pfeiler starr verbunden. Mit Hilfe der Windfahne stellt sich die
Windradabdeckung gegen die Windrichtung ein.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, die aus der
DE 203 08 705 U1 bekannte
Windkraftanlage zu verbessern. Insbesondere soll die Effizienz der
Windkraftanlage gesteigert werden.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patenanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der
Patentansprüche 2 bis 32.
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Erfindungsgemäß ist
eine Windkraftanlage mit einer im Wesentlichen senkrecht zur Windrichtung
angeordneten Rotationsachse, einem sich um diese Rotationsachse
drehenden ringförmigen Rotor sowie mindestens einer Windeinleiteinrichtung
vorgesehen. Die Rotationsachse ist dabei bevorzugt vertikal angeordnet.
Der Rotor weist Rotorblätter auf. Die Windeinleiteinrichtung
ist so ausgebildet, dass sie einen Wind einfängt und so
auf die Rotorblätter leitet, dass der Wind die Rotorblätter
im Wesentlichen rund um den Rotor, vorzugsweise in eine Drehrichtung
des Rotors, mit dem Wind beaufschlagt und dadurch den Rotor in eine
Drehbewegung versetzt oder eine bestehende Drehbewegung aufrechterhält. Durch
diese Maßnahme wird vermieden, dass die Windenergie nur
auf einer Seite der Rotationsachse des Rotors ausgenutzt wird, während
sich der Rotor auf der dieser Seite gegenüberliegenden
Seite entgegen einem Luftwiderstand drehen muss. Das Einfangen des
Winds durch die Windeinleiteinrichtung kann durch kiemenartig angeordnete
Luftleitflächen, insbesondere Luftleitbleche, erfolgen.
Die Luftleitflächen können dabei im Verhältnis
zum Rotor oberhalb, unterhalb, tangential und/oder in Bezug auf
die Windrichtung frontal angeordnet sein. Um eine bessere Zugänglichkeit
der Windkraftanlage für den Wind zu erreichen, kann diese
erhöht, vorzugsweise auf Stelzen, insbesondere mindestens
drei Stelzen, angeordnet sein.
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Der
Rotor oder die Rotorblätter des Rotors der erfindungsgemäßen
Windkraftanlage ist/sind an der von der Rotationsachse wegweisenden
Außenseite mittels eines außen am Rotor oder an
den Rotorblättern angeordneten ersten Außenrings
und auf der zur Rotationsachse hinweisenden Innenseite des Rotors
mittels eines innen am Rotor oder an den Rotorblättern
angeordneten Innenrings gelagert. Durch diesen Aufbau ist es möglich,
einen Rotor in einer Größe, beispielsweise mit
einem Rotordurchmesser von 20 m bis über 50 m, bereitzustellen,
welche das Erbringen einer deutlich höheren elektrischen
Leistung als mit herkömmlichen Windkraftanlagen ermöglicht.
Diese Leistung kann bei der erfindungsgemäßen
Windkraftanlage mit nur einem Generator oder wenigen Generatoren
erbracht werden. Weiterhin ermöglicht es die erfindungsgemäße
Windkraftanlage, diese Leistung auf einer geringeren Fläche zu
erzeugen. Herkömmliche Windkraftanlagen sind im Gegensatz
dazu nicht so effizient, weil sie pro Anlage jeweils einen Generator
mit verhältnismäßig geringer Leistung
benötigen und gleichzeitig eine Vielzahl derartiger Windkraftanlagen
auf einer verhältnismäßig großen
Fläche angeordnet werden muss, um eine gewünschte
Gesamtleistung zu erreichen.
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Der
erste Außenring und/oder der Innenring der erfindungsgemäßen
Windkraftanlage kann/können aus Segmenten zusammengesetzt
sein. Dadurch ist der Aufwand der Herstellung derartiger Ringe verhältnismäßig
gering.
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Die
bei einer herkömmlichen Windkraftanlage mit senkrechter
Rotationsachse übliche zentrale Welle, mit welcher der
Rotor fest verbunden ist und die üblicherweise der drehbaren
Lagerung und der Kraftübertragung dient, kann bei der erfindungsgemäßen
Windkraftanlage entfallen. Mit zunehmender Größe
des Rotors würde der Aufwand für eine derartige
Lagerung des Rotors so stark zunehmen, dass dadurch die Größe
des Rotors beschränkt werden würde. Dies ist jedoch
beim erfindungsgemäßen Rotor durch dessen Lagerung
mittels Innen- und Außenringen nicht der Fall. Die Lagerung
des Rotors bei der erfindungsgemäßen Windkraftanlage
kann darüber hinaus so gestaltet sein, dass sie im Gegensatz
zu der Lagerung mittels einer zentralen Welle ein geringes Auswandern
des Rotormittelpunkts von der idealen Rotationsachse des Rotors
toleriert. Ein solches Auswandern kann beispielsweise durch eine
ungleichmäßige Beaufschlagung mit Wind verursacht werden.
Vorzugsweise ist die Lagerung jedoch so gestaltet, dass der Rotor
dann wieder in seine Idealposition zurückgedrückt
wird.
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Der
Rotor, die Rotorblätter und die Windeinleiteinrichtung
können so ausgebildet sein, dass der Wind nach dem Beaufschlagen
der Rotorblätter über ein keine Rotorblätter
aufweisendes Inneres des Rotors und/oder über eine Oberseite,
Außenseite und/oder Unterseite abgeleitet wird.
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Bevorzugt
ist die Windeinleiteinrichtung, insbesondere mittels eines außen
an der Windeinleiteinrichtung angeordneten zweiten Außenrings,
um die Rotationsachse drehbar oder schwenkbar gelagert. Dadurch
ist ein einfaches Ausrichten der Windeinleiteinrichtung möglich,
um dadurch den Wind möglichst effizient auf den Rotor zu
leiten.
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Vorzugsweise
weist die Windeinleiteinrichtung oder die Windkraftanlage eine Windfahne und/oder
einen Stellmotor zum Ausrichten der Windeinleiteinrichtung entsprechend
der Windrichtung auf. Bei der Windfahne handelt es sich um eine
Fläche, welche um die Rotationsachse oder eine weitere Rotationsachse
so drehbar montiert ist, dass sie sich, wie bei einem Wetterhahn,
entsprechend der Windrichtung so ausrichtet, dass sie dem Wind den
geringstmöglichen Widerstand entgegensetzt. Die Fläche
kann beispielsweise durch ein Blech oder durch einen mit einem Gewebe
bespannten Rahmen bereitgestellt werden. Die Windfahne kann direkt
an der Windeinleiteinrichtung angebracht oder mechanisch, z. B. über
einen Mitnehmer, damit verbunden sein. Dann kann sie die Windeinleiteinrichtung
entsprechend der Windrichtung ausrichten. Da dies jedoch bei schwachem
Wind oft nur ungenügend funktioniert, ist es vorteilhaft,
wenn zusätzlich zu oder anstatt der Windfahne ein Stellmotor
vorhanden ist, mit dem dann die Windeinleiteinrichtung ausgerichtet werden
kann. Sofern ein Stellmotor vorhanden ist, ist vorzugsweise auch
eine Windmesseinrichtung vorhanden, welche die Windrichtung und
ggf. auch die Windstärke erfasst und den Stellmotor entsprechend der
erfassten Windrichtung und ggf. Windstärke steuert. Bei
der Windmesseinrichtung kann es sich auch um die Windfahne handeln,
welche mit Sensoren zur Erfassung von deren Stellung ausgestattet
ist, so dass dadurch der Stellmotor in Abhängigkeit von
der Stellung der Windfahne gesteuert werden kann.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn weiterhin eine, vorzugsweise um die Rotationsachse
drehbare oder schwenkbare, Windausleiteinrichtung vorgesehen ist,
durch welche der aus dem Rotor abgeleitete Wind in der Windrichtung
aus der Windkraftanlage herausgeleitet werden kann. Die Windausleiteinrichtung
kann mittels eines außen an der Windausleiteinrichtung
angeordneten dritten Außenrings gelagert sein. Die Windausleiteinrichtung
kann durch denselben Stellmotor oder dieselbe Windfahne ausgerichtet werden,
welche auch die Windeinleiteinrichtung entsprechend der Windrichtung
ausrichtet. Dies kann beispielsweise durch einen an der Windeinleiteinrichtung
oder der Windfahne vorhandenen Mitnehmer erfolgen. Dadurch kann
vermieden werden, dass der auszuleitende Wind entgegen dem außerhalb
der Windkraftanlage herrschenden Wind ausgeleitet wird. Wenn die
Ausleitung in Richtung des äußeren Winds erfolgt,
wird die Effizienz der Anlage dadurch erhöht, dass am Austritt
der Windausleiteinrichtung durch den außerhalb der Windkraftanlage
herrschenden Wind ein Unterdruck entsteht und so der Wind aus der
Windkraftanlage herausgesaugt wird. Es ist auch möglich,
dass die Windausleiteinrichtung eine weitere Windfahne und/oder
die Windausleiteinrichtung oder die Windkraftanlage einen weiteren
Stellmotor zum Ausrichten der Windausleiteinrichtung entsprechend
der Windrichtung aufweist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Rotor durch die Windeinleiteinrichtung,
die Windausleiteinrichtung oder eine zusätzlich vorhandene
Abschirmeinrichtung vor einer direkten Beaufschlagung mit dem die
Windkraftanlage umgehenden Wind abgeschirmt. Dadurch kann sichergestellt
werden, dass die Rotorblätter nur durch den durch die Windeinleiteinrichtung
eingeleiteten Wind beaufschlagt und nicht durch zusätzlichen
Wind gebremst werden. Die Effizienz der Windkraftanlage wird dadurch
gesteigert. Weiterhin kann deren Sicherheit gesteigert werden, weil
beispielsweise bei Stark wind ein Einleiten von Wind in die Windkraftanlage
durch die Windeinleiteinrichtung reduziert oder sogar abgestellt
werden kann. Es ist dadurch möglich, die in die Windkraftanlage
eingeleitete Windmenge so zu steuern, dass eine Beschädigung,
beispielsweise durch Sturm, Hagel oder sonstiges Unwetter, vermieden
werden kann. Weiterhin kann die Anlage dadurch vor Verschmutzung
geschützt werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der eingefangene
Wind bevor er auf den Rotor geleitet wird, bevorzugt von der Windeinleiteinrichtung,
in Teilwinde aufgeteilt, welche die Rotorblätter an verschiedenen
Positionen des Rotors beaufschlagen. Dadurch kann eine im Wesentlichen gleichmäßige
Beaufschlagung des Rotors mit Wind in seinem gesamten Umfang gewährleistet
werden, weil dadurch der Tatsache Rechnung getragen werden kann,
dass ein stark umgeleiteter Wind durch die Umleitung an Windenergie
verliert. Ein stark umzuleitender Teilwind kann dabei einen größeren
Anteil vom insgesamt eingeleiteten Wind darstellen als ein nahezu
direkt auf den Rotor geleiteter Wind. Dadurch kann die Windkraftanlage
auch bei einem starken Wind betrieben werden, ohne dass der Rotor
dadurch Schaden nimmt, weil keine ungleichmäßige und
sehr starke Beaufschlagung des Rotors an einer Stelle erfolgt. Die
Belastung der gesamten Windkraftanlage kann dadurch deutlich verringert
und ihre Effizienz wegen der möglichen Nutzung auch bei
starkem Wind gesteigert werden. Die erfindungsgemäße Windkraftanlage
kann bei Windverhältnissen betrieben werden, bei welchen
herkömmliche Windkraftanlagen abgeschaltet werden müssen.
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Bevorzugt
sind die Rotorblätter bei der erfindungsgemäßen
Windkraftanlage so ausgebildet oder montiert, dass ein Winkel der
Rotorblätter zur Rotationsachse verstellbar ist. Dadurch
ist eine weitere Anpassung an die Windverhältnisse und
dadurch eine gesteigerte Effizienz der Windkraftanlage möglich, so dass
die Windkraftanlage sowohl bei sehr schwachem als auch sehr starkem
Wind noch effizient betrieben werden kann. Technisch kann die Verstellbarkeit
beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die Rotorblätter
um radial im Rotor verlaufende Längsachsen der Rotorblätter
schwenkbar montiert sind. Auf der Achse kann jeweils ein Zahnrad
montiert sein, welches in eine sich mit dem Rotor mitdrehende Verzahnung
in Form eines Zahnkranzes eingreift. Durch eine Veränderung
der Stellung des Zahnkranzes im Verhältnis zum Rotor ändert
sich dann auch die Stellung sämtlicher der Rotorblätter.
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Die
Windkraftanlage kann mindestens einen ersten Stromgenerator oder
mindestens einen Kompressor aufweisen, welcher durch den Rotor angetrieben
wird.
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Vorzugsweise
ist der erste Außenring scheibenförmig ausgebildet
und weist einen, insbesondere auf oder unter dem ersten Außenring,
senkrecht dazu angeordneten ringförmig umlaufenden Kamm auf.
Der erste Außenring ist zwischen einer Vielzahl von auf
und unter dem ersten Außenring angeordneten ersten Rollen
geführt. Der Kamm ist zwischen einer Vielzahl von auf der
zur Rotationsachse hinweisenden Seite und der von der Rotationsachse
wegweisenden Seite des Kamms angeordneten zweiten Rollen geführt.
Die ersten Rollen und die zweiten Rollen sind in einer Vielzahl
von Rollenhaltern drehbar angeordnet. Die Rollenhalter sind so gelagert,
dass sie jeweils um eine Ruheposition herum schwingen können.
Dadurch kann eine Lagerung eines großen Rotors mit technisch
relativ einfachen Mitteln gewährleistet werden, weil der
erste Außenring und insbesondere der erste Außenring
mit dem Kamm, segmentweise aufgebaut werden kann. Der erste Außenring
und der ringförmig umlaufende Kamm kann aus Segmenten zusammengesetzt
sein. Der Kamm und der erste Außenring bzw. die den Kamm
und den ersten Außenring bildenden Segmente können
einstückig ausgebildet sein. Der Kamm kann aber auch separat
von dem ersten Außenring an geordnet sein. Das Vorsehen
einer Vielzahl von Rollenhaltern ermöglicht es, einzelne
Rollenhalter bei Beschädigung oder zu Wartungszwecken auszutauschen,
ohne dass dadurch der Betrieb der Anlage stark beeinträchtigt
werden würde. Die Rollenhalter können beispielsweise
durch Federn freischwingend aufgehängt sein und in ihrer
Position gehalten werden, so dass diese ausgelenkt und durch Federzug
und Federdruck wieder in ihre Ruheposition gedrängt werden
können. Es ist auch möglich, dass der Rollenhalter
in einer ersten Schiene geführt wird, innerhalb derer er
in vertikaler Richtung um eine Ruheposition herum schwingen kann
und dass diese erste Schiene in einer senkrecht zur ersten Schiene
stehenden zweiten Schiene geführt ist, so dass diese um
eine weitere Ruheposition herum in radialer Richtung schwingen kann.
Zur Begrenzung der Schwingung können Puffer aus einem elastischen
Material vorgesehen sein, die jeweils einen Anschlag bilden.
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Der
Innenring ist vorzugsweise scheibenförmig ausgebildet,
wobei der Innenring zwischen einer Vielzahl von auf und unter dem
Innenring angeordneten dritten Rollen geführt ist. Der
Innenring kann einen, vorzugsweise auf oder unter dem Innenring, senkrecht
dazu angeordneten ringförmig umlaufenden weiteren Kamm
aufweisen, wobei der weitere Kamm zwischen einer Vielzahl von auf
der zur Rotationsachse hinweisenden Seite und der von der Rotationsachse
wegweisenden Seite des weiteren Kamms angeordneten vierten Rollen
geführt ist. Die dritten und ggf. vierten Rollen sind in
einer Vielzahl von weiteren Rollenhaltern drehbar angeordnet, wobei
die weiteren Rollenhalter so gelagert sind, dass sie jeweils um
eine weitere Ruheposition herum schwingen können. Der Innenring
und der weitere Kamm können aus Segmenten zusammengesetzt sein.
Der Innenring und der weitere Kamm bzw. die den Innenring und den
weiteren Kamm bildenden Segmente können einstückig
ausgebildet sein, so dass der weitere Kamm direkt mit dem Innenring
verbunden ist. Die weiteren Rollenhalter ermöglichen in Kom bination
mit dem weiteren Kamm eine zusätzliche Stabilisierung der
Position des Rotors um eine gewünschte Position herum.
Auch die weiteren Rollenhalter lassen sich zur Reparatur oder zur
Wartung ohne großen Aufwand und ohne eine starke Beeinträchtigung
des Betriebs der Windkraftanlage austauschen. Die erfindungsgemäße
Windkraftanlage ist damit sehr wartungs- und reparaturfreundlich.
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Die
Rollenhalter und/oder die weiteren Rollenhalter können
durch Druck und/oder Zugfedern und/oder hydraulische und/oder pneumatische
Federelemente in ihrer Ruheposition gehalten werden. Die hydraulischen
und/oder pneumatischen Federelemente können während
des Betriebs auch dynamisch geregelt werden, beispielweise indem
Sensoren stets die Position des Rotors erfassen und bei einer Abweichung
von der gewünschten Position durch eine entsprechende Regelung
der Federelemente der Abweichung von dieser Position entgegenwirken.
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Die
Rollenhalter und/oder die weiteren Rollenhalter können
anstatt der ersten, zweiten, dritten und vierten Rollen auch Kugeln
zur Lagerung aufweisen. Eine solche Lagerung mittels Kugeln erlaubt beim
Auftreten entsprechender Kräfte ein seitliches Auswandern
des Rotors und eine Zurückdrängen des Rotors in
seine Idealposition.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung weisen/weist der erste Außenring,
der Innenring, der Kamm und/oder der weitere Kamm jeweils eine Verzahnung
auf, in die mindestens ein Zahnrad eingreift, über welches
der erste Stromgenerator oder Kompressor angetrieben wird. Durch
diese Konstruktion braucht der erste Stromgenerator oder der Kompressor
bzw. das damit verbundene Getriebe nicht so ausgestaltet zu sein,
dass er/es durch das Gewicht des Rotors verursachte Kräfte
aufnehmen muss. Diese Elemente der erfindungsgemäßen
Windkraftanlage können daher einfacher und kostengünstiger
aufgebaut sein.
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Insbesondere
ermöglicht die Bauweise der erfindungsgemäßen
Windkraftanlage die Verwendung von Standardbauteilen für
den ersten Stromgenerator, den Kompressor oder das ggf. mit dem
ersten Stromgenerator oder Kompressor verbundenen Getriebe.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist der erste Stromgenerator
so ausgebildet, dass er auch als Elektromotor betrieben werden kann,
der über das Zahnrad den Rotor in eine Drehbewegung versetzen
oder den sich drehenden Rotor bremsen kann. Alternativ kann mindestens
ein Elektromotor vorhanden sein, der über ein weiteres
Zahnrad in die Verzahnung eingreifen und den Rotor in eine Drehbewegung
versetzen oder den sich drehenden Rotor bremsen kann. Ist bei schwachem
Wind der durch die Lagerung des ersten Außenrings und des
Innenrings bedingte Reibungswiderstand zu groß, um durch
die vorhandene Windkraft überwunden zu werden, kann der
Rotor durch den Elektromotor oder den als Elektromotor betriebenen
ersten Stromgenerator in eine Drehbewegung versetzt und dadurch
der anfängliche Reibungswiderstand überwunden
werden. Die Drehbewegung des Rotors kann dann durch den schwachen
Wind aufrechterhalten werden. Der erste Stromgenerator und/oder der
Elektromotor kann ggf. auch eingesetzt werden, um den Rotor zu bremsen,
sofern durch starken Wind eine zu hohe Drehzahl erreicht wird oder
aus irgendwelchen Gründen eine Unwucht auftritt. Alternativ oder
zusätzlich kann die erfindungsgemäße
Windkraftanlage eine, insbesondere am ersten Außenring oder
am Innenring angreifende, Bremse aufweisen, um die Drehbewegung
des Rotors bei Bedarf bremsen oder stoppen zu können.
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Vorzugsweise
sind/ist der Elektromotor und/oder der Stromgenerator oder Kompressor
am Rollenhalter und/oder weiteren Rollenhalter angeordnet. Dadurch
vollziehen diese Bauteile jede Bewegung des Rotors und damit des
Rollenhalters bzw. des weiteren Rollenhalters mit und es sind keine Maßnahmen
erfor derlich, um bei veränderlicher Position des Rotors
eine ununterbrochene Kraftübertragung zum Elektromotor,
ersten Stromgenerator oder Kompressors sicherzustellen. Eine Leitung,
mit welcher durch den Kompressor komprimiertes Gas weitergeleitet
wird, muss in diesem Fall flexibel sein. Derartige Leitungen sind
im Stand der Technik bekannt.
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Vorzugsweise
ist an dem ersten Außenring oder dem Innenring ein Stellmotor
zur Verstellung des Winkels zwischen mindestens einem der Rotorblätter
und der Rotationsachse angeordnet.
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Bevorzugt
ist bei einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage
mit mindestens einem Kompressor mindestens ein Druckgasspeicher
vorgesehen, in welchen durch den mindestens einen Kompressor verdichtetes
Gas, insbesondere Luft, bis zu dessen weiterer Verwendung geleitet
wird. Verdichtetes Gas stellt eine günstige Speichermöglichkeit
für die Windenergie dar. Die Windenergie kann so jederzeit
abgerufen und verlustfrei gespeichert werden.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Windkraftanlage weist die Windkraftanlage einen turmartigen Aufbau
auf. Mehrere der Rotoren und genauso viele der Windeinleiteinrichtungen
sind dabei, vorzugsweise mit einer gemeinsamen Rotationsachse, übereinander
angeordnet. Die Rotoren können dabei vollständig
im Inneren des turmartigen Aufbaus angeordnet sein. Die Windeinleiteinrichtungen
sind dann außen am turmartigen Aufbau angeordnet, um dort
den Wind einzufangen und ins Innere des turmartigen Aufbaus und
dort auf die Rotorblätter zu leiten. Es ist jedoch auch
möglich, dass zumindest ein Teil der Rotoren auch außerhalb des
turmartigen Aufbaus so angeordnet ist, dass beispielsweise die Rotorblätter
außen um den turmartigen Aufbau herumlaufen. Eine Vor richtung
zur Lagerung des Innenrings kann dabei an einer Außenwand des
turmartigen Aufbaus angeordnet sein.
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Bei
einem turmartigen Aufbau ist es möglich, eine Turmhöhe
von bis zu 400 Metern mit etwa 30 außerhalb des turmartigen
Aufbaus angeordneten Rotoren zu realisieren. Der Abstand zwischen
den Rotoren kann dabei jeweils ca. zehn Meter betragen. Dabei wird
zwischen den Rotoren eine laminare Luftströmung ermöglicht,
welche eine effizientere Ausnutzung der Energie des Windes ermöglicht,
als eine turbulente Luftströmung. Durch die beim Drehen übereinander
angeordneter Rotoren in dem turmartigen Aufbau entstehenden Kräfte
wird der turmartige Aufbau stabilisiert. Die stabilisierende Wirkung
ist um so größer, je stärker der Wind
und damit die Drehgeschwindigkeit der Rotoren ist.
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Vorzugsweise
sind bei einem turmartigen Aufbau auch genauso viele Windausleiteinrichtungen und/oder
Abschirmungen wie Rotoren vorgesehen. Weiterhin können
genauso viele erste Stromgeneratoren oder Kompressoren wie Rotoren
vorgesehen sein. Sofern Kompressoren vorgesehen sind, ist es vorteilhaft,
wenn für jeden der Kompressoren einer der Druckgasspeicher
vorgesehen ist. Dadurch kann in einzelnen Druckgasspeichern ein
im Bedarfsfall abrufbarer höherer Gasdruck realisiert werden
als bei nur einem gemeinsamen Druckgasspeicher.
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Dabei
ist es besonders vorteilhaft, wenn mindestens einer der Druckgasspeicher
gasleitend mit einer Gaseinlassseite von einem der Kompressoren verbunden
ist. Dadurch kann der Kompressor bereits von einem anderen Kompressor
vorkomprimiertes Gas weiter komprimieren, so dass dadurch ein höherer
Druck aufgebaut werden kann, als wenn dieser Kompressor nicht vorkomprimiertes
Gas komprimieren würde. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
sind mehrere Kompressoren und Druckgasspeicher so hintereinandergeschaltet,
dass, abgesehen vom ersten Kompres sor der Reihe, jeder der Kompressoren vorkomprimierte
Luft weiter komprimiert. Dadurch kann ein sehr hoher Druck aufgebaut
werden. Zur Zwischenspeicherung des komprimierten Gases kann mindestens
ein weiterer Druckgasspeicher vorgesehen sein.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung kann das Gas um zumindest einen,
vorzugsweise jeden, der Druckgasspeicher oder der weiteren Druckgasspeicher
durch eine dazu jeweils zusätzlich vorhandene Bypass-Leitung
mit dazu gehörendem Ventil herumgeführt werden.
Dadurch kann der Druckgasspeicher, um den das Gas herumgeführt
wird, beispielsweise zu Wartungs- oder Reparaturzwecken, aus dem
System entnommen werden, ohne dass das restliche System in dieser
Zeit außer Betrieb genommen werden muss.
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Vorzugsweise
ist eine Mehrzahl von Strängen vorgesehen, die jeweils
von einer Mehrzahl der Druckgasspeicher oder einer Mehrzahl der
Druckgasspeicher und der weiteren Druckgasspeicher gebildet sind,
wobei die Druckgasspeicher oder die Druckgasspeicher und die weiteren
Druckgasspeicher eines Strangs in Reihe gasleitend miteinander verbunden
sind. ”In Reihe” bedeutet dabei, dass jeder der
Druckgasspeicher und der weiteren Druckgasspeicher an einer Gaseinlassseite
nur mit einem der Kompressoren oder einem anderen der Druckgasspeicher
oder der weiteren Druckgasspeicher gasleitend verbunden ist und
an einer Gasauslassseite nur mit einem anderen der Kompressoren
oder einem weiteren der Druckgasspeicher oder der weiteren Druckgasspeicher
oder direkt oder indirekt mit einem Sammelbehälter gasleitend
verbunden ist. Weitere gasleitende Verbindungen sind in den Strängen
und zwischen den Strängen nicht vorgesehen.
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Vorzugsweise
wird durch das unter Druck stehende Gas, welches in dem Druckgasspeicher oder
dem weiteren Druckgasspeicher gespeichert ist, direkt oder über
eine Sammelleitung und/oder über einen Sammelbehälter
ein zweiter Stromgenerator angetrieben. Bei der Sammelleitung kann
es sich um eine Leitung handeln, welche gasleitend mit mehreren
der Druckgasspeicher und/oder mehreren der weiteren Druckgasspeicher
verbunden ist. Die Sammelleitung kann in den Sammelbehälter
münden. Vorteilhaft ist, dass durch die Speicherung der
Windenergie durch unter Druck stehendes Gas unabhängig
davon Strom erzeugt werden kann, ob gerade Wind vorhanden ist oder
nicht. Weiterhin kann dadurch, die Leistung des zweiten Stromgenerators
unabhängig von einer schwankenden Windstärke konstant
gehalten werden. Durch Nutzung oder Erzeugung von Temperaturunterschieden
zwischen den Druckgasspeichern kann in dem Druckgasspeicher, in
dessen Richtung sämtliche der Ventile das Gas passieren
lassen, ein höherer Druck als in den anderen Druckgasspeichern
erzeugt werden. Dadurch kann von diesem Druckgasspeicher kurzfristig
mehr Leistung abgerufen werden, als von den anderen Druckgasspeichern.
Um eine möglichst hohe Energieeffizienz zu erreichen erfolgt
nur eine geringe Erwärmung bzw. Abkühlung benachbarter
Druckgasspeicher. Wenn eine Vielzahl der Reihen der Druckerspeicher
vorgesehen ist, stellen diese einen großen Energiespeicher
dar. Bei Windmangel können die Druckgasspeicher in einer
durch den jeweiligen Gasdruck vorgegebenen Reihenfolge entleert
werden, wobei der Druckgasspeicher mit dem höchsten Druck
zuerst entleert wird. Gleichzeitig kann in Druckgasspeichern, in
denen ein niedrigerer Gasdruck herrscht weiterhin Gasdruck aufgebaut
werden.
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Sind
elektrisch steuerbare Ventile vorgesehen, kann deren Steuerung automatisch
erfolgen. Auch die Erwärmung bzw. Abkühlung benachbarter Druckgasspeicher
kann automatisch gesteuert werden. Beispielsweise können
benachbarte Druckgasspeicher automatisch erwärmt bzw. abgekühlt
werden bis Drucksensoren in diesen Druckgasspeichern das Erreichen
einer vorgegebenen Druckdifferenz messen. Durch das Erreichen der Druckdifferenz wird
ein Öffnen des Ventils und dadurch ein Druckausgleich ausgelöst.
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Bei
schwankender Windstärke mit kurzfristig sehr starkem Wind
hat das beschriebene System den Vorteil, dass durch die Reihe der
Druckgasspeicher ein großer Puffer zur Verfügung
steht, der auch einen sich schnell aufbauenden großen Gasdruck
aufnehmen kann, sodass die durch den starken Wind bereitgestellte
Energie nicht verloren geht.
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Der
zweite Stromgenerator kann durch das unter Druck stehende Gas mittels
einer Druckgas-Turbine, einem Druckgas-Kolbenmotor oder einem weiteren
Rotor mit außen angeordneten Düsen, die beim Ausstoßen
des Gases einen Rückstoß erzeugen und den weiteren
Rotor dadurch in eine Drehbewegung versetzen oder eine bestehende Drehbewegung
aufrechterhalten, angetrieben werden. Der weitere Rotor kann dabei
ebenso wie der Rotor an der Außenseite mittels eines vierten
Außenrings und auf der zu dessen Rotationsachse hinweisenden
Innenseite mittels eines weiteren Innenrings gelagert sein. Das
Gas kann zentral über ein, insbesondere ölgespeistes,
Drucklager in den weiteren Rotor eingeleitet werden. Die außen
am weiteren Rotor angeordneten Düsen können dadurch
mit dem unter Druck stehenden Gas versorgt werden, während
das Drucklager gleichzeitig den weiteren Rotor reibungsarm lagert.
Die Düsen des weiteren Rotors können etwa 10 m
vom Mittelpunkt des weiteren Rotors entfernt sein.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Windkraftanlage kann an mindestens einen, vorzugsweise an jeden,
vorhandenen Kompressor oder ersten Stromgenerator ein weiterer Kompressor
oder dritter Stromgenerator angekoppelt werden. ”Angekopppelt” bedeutet
dabei, dass von dem Rotor, welcher bereits den Kompressor oder ersten
Stromgenerator antreibt, jeweils eine kraftschlüssige Verbindung zum
weiteren Kompressor oder dritten Stromgenerator hergestellt wird,
so dass der weitere Kompressor oder dritte Stromgenerator ebenfalls
durch diesen Rotor angetrieben wird. Dadurch kann bei einem Überangebot
an Wind die Drehzahl des Rotors verringert werden. Dies ermöglicht
auch die Ausnutzung der Energie von Wind zur Stromerzeugung, der
so stark ist, dass übliche Windkraftanlagen dabei abgeschaltet
werden müssen.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung weist zumindest ein Teil der Rotorblätter
jeweils einen Flüssigkeitsbehälter auf, der mit
Flüssigkeit gefüllt werden kann. Flüssigkeit
kann aus einem Vorratsbehälter oder einer an ein Leitungsnetz
angeschlossenen Wasserleitung in den Flüssigkeitsbehälter
gefüllt werden. Dadurch kann die Schwungmasse des Rotors und
damit die in dem sich drehenden Rotor gespeicherte kinetische Energie
erhöht werden. Diese Maßnahme ist insbesondere
bei stark schwankendem Windaufkommen vorteilhaft, um auch bei sich
zwischendurch abschwächenden Winden eine gleichmäßige
Rotordrehzahl zu erreichen.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird ein bei einem turmartigen
Aufbau in der Windkraftanlage durch einen Kamineffekt entstehender
Luftstrom zum Antrieb mindestens eines zusätzlichen Rotorblätter
aufweisenden Rotors, der seinerseits einen vierten Stromgenerator
oder zusätzlichen Kompressor antreibt, genutzt. Die Kaminwirkung kann
dabei durch das Gasansaugen der bereits vorhandenen Kompressoren
und durch den Gasausstoß der Druckgas-Turbine, des Druckgas-Kolbenmotors oder
des weiteren Rotors mit Düsen am Fuß des turmartigen
Aufbaus sowie durch den Druckunterschied zwischen dem unteren und
dem oberen Ende des turmartigen Aufbaus bewirkt werden. Der vom
vierten Stromgenerator erzeugte Strom kann zur Deckung eines Eigenenergiebedarfs
der erfindungsgemäßen Windkraftanlage genutzt
werden.
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Vorzugsweise
ist mindestens einer der Druckgasspeicher oder der weiteren Druckgasspeicher
in Kompartimente unterteilt, die jeweils gasleitend über
ein weiteres Ventil miteinander verbunden sind. Dabei ist das weitere
Ventil entweder ein elektrisch steuerbares Ventil oder es ist als
Einwegeventil ausgebildet, das unter Druck stehendes Gas nur in Richtung
des geringeren Gasdrucks passieren lässt. Bei Vorhandensein
mehrerer als Einwegeventil ausgebildeter weiterer Ventile lassen
sämtliche dieser weiteren Ventile das Gas nur in Richtung
eines der Kompartimente passieren. Das Kompartiment, in dessen Richtung
das Gas transportiert und in welchem der höchste Druck
aufgebaut werden kann, kann an einem Ende des Druckgasspeichers
angeordnet sein. Dabei wird in dieses Kompartiment nur von einer
Seite her Gas eingeleitet.
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Mindestens
eines der Kompartimente weist eine Vorrichtung zum Heizen oder Kühlen
oder zum abwechselnden Heizen und Kühlen des darin enthaltenen
Gases, insbesondere ein Peltierelement, auf. Dadurch kann der Druck
in einem der Kompartimente ohne mechanische Mittel verändert
werden. Durch Erhöhen des Drucks in einem der Kompartimente mittels
Temperaturerhöhung ist ein Transport von Gas durch das
weitere Ventil in ein anderes der Kompartimente, in welchem ein
geringerer Gasdruck herrscht, möglich. Durch das Kühlen
des in einem der Kompartimente enthaltenen Gases kann dessen Druck
verringert werden. Auch dadurch kann der Druck zwischen zwei benachbarten
Kompartimenten so verändert werden, dass durch das weitere
Ventil ein Gastransport stattfindet. Nach Erreichen eines Druckausgleichs
zwischen zwei benachbarten Kompartimenten wird das weitere Ventil
wieder geschlossen oder es schließt, falls es als Einwegeventil
ausgebildet ist, selbstständig. Anschließend kann
zwischen dem Kompartiment, in welches auf diese Weise Gas transportiert
worden ist, und einem weiteren benachbarten Kompartiment des Druckgasspeichers wiederum
durch Erzeugen einer Temperaturdifferenz ein solcher Druckunterschied
erzeugt werden, dass dadurch ein Gastransport und ein Druckaufbau
erfolgt. Durch eine Vielzahl von Kompartimenten in einer Reihe kann
so langsam und mit relativ geringem Energieaufwand unter relativ
hohem Druck stehendes Gas zum Antrieb des zweiten Stromgenerators bereitgestellt
werden. Dadurch kann die Effizienz der Windkraftanlage gesteigert
werden. Besonders effizient kann eine solche Anlage arbeiten, wenn
zum Heizen des in einem der Kompartimente enthaltenen Gases Sonneneinstrahlung
ausgenutzt wird, beispielsweise indem in Sonnenkollektoren gesammelte Wärme
jeweils zu unterschiedlichen der Kompartimente geleitet wird.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele
sowie der Zeichnungen veranschaulicht. Es zeigen:
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1 eine
schematische Teilschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen
Windkraftanlage mit einer Windeinleiteinrichtung, einem Rotor und
einer Windausleiteinrichtung,
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2 eine
schematische Darstellung des in 1 dargestellten
Rotors der Windkraftanlage in Aufsicht,
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3 eine
schematische Darstellung der Lagerung des Rotors mittels des ersten
Außenrings in Aufsicht,
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4 eine
schematische Schnittdarstellung eines Ausschnitts der in 3 dargestellten
Lagerung, wobei der Schnitt entlang der Linie A-A geführt ist,
-
5 eine
schematische Schnittdarstellung eines Ausschnitts der Lagerung des
Rotors mittels des Innenrings der erfindungsgemäßen
Windkraftanlage,
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6a schematische
Darstellungen einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage
mit mehreren Rotoren, mehreren hintereinandergeschalteten Kompressoren,
Druckgasspeichern und weiteren Druckgasspeichern, einer Sammelleitung,
einem Sammelbehälter und einem Stromgenerator,
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6b eine
schematische Schnittdarstellung eines Kompartimente aufweisenden
Druckgasspeichers,
-
7a eine
schematische Darstellung eines Sammelbehälters, eines weiteren
Rotors mit außen angeordneten Düsen zur Erzeugung
eines Rückstoßes, eines Getriebes und eines Stromgenerators,
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7b eine
schematische Teilschnittdarstellung eines Ausschnitts aus 7a mit
im Sammelbehälter angeordnetem gasdichten Lager des weiteren Rotors,
-
7c eine
schematische Darstellung des weiteren Rotors in Aufsicht und
-
8 eine
schematische Teilschnittdarstellung einer turmartig aufgebauten
erfindungsgemäßen Windkraftanlage.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Windkraftanlage mit einem
zentralen Turm 10 sowie einer Windeinleiteinrichtung 12 mit
einer Windfahne 14 sowie darauf angeordneten Windeinleitkiemen 16.
Die Windeinleiteinrichtung 12 ist drehbar um die Rotationsachse 18 in
hier nicht dargestellten Lagern angeordnet. Die Windeinleiteinrichtung 12 schützt
den Rotor 21 auch vor die Windkraftanlage umgebendem Wind 22.
Weiterhin sind ein dem Schutz vor Verschmutzung und Regen dienender
Schutzring 19 und eine mit der Windeinleiteinrichtung 12 verbundene Windausleiteinrichtung 20 vorhanden,
welche den vom Rotor 21 abgeleiteten Wind 22 über
Windausleitkiemen 24 in Windrichtung ausleitet. Durch das
Ausleiten des Windes 22 in Windrichtung wird durch den außen
an der Windeinleiteinrichtung 12 entlangströmenden
Wind 22 im Inneren der Windkraftanlage ein Sog erzeugt,
welcher die Ausnutzung der Windkraft weiter unterstützt.
Der Rotor 21 weist einen ersten Außenring 28 mit
einem senkrecht dazu angeordneten Kamm 30 und einen Innenring 32 mit
einem senkrecht dazu angeordneten weiteren Kamm 34 auf.
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2 zeigt
den Rotor mit den Rotorblättern 26, dem ersten
Außenring 28, dem senkrecht dazu unterhalb des
ersten Außenrings 28 angeordneten Kamm 30,
dem Innenring 32 und dem senkrecht dazu unterhalb des Innenrings 32 angeordneten
weiteren Kamm 34 in Aufsicht. Die Pfeile stellen den Wind 22 außerhalb
des Rotors 21 sowie den durch die Windeinleiteinrichtung 12 umgeleiteten
Wind 22, wie er auf die Rotorblätter 26 trifft,
dar.
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Im
Betrieb wird die Windeinleiteinrichtung 12 durch den auf
die Windfahne 14 treffenden Wind 22 so ausgerichtet,
dass der Wind 22 durch die Windeinleitkiemen 16 eingefangen
wird. Der Wind 22 wird in der Windeinleiteinrichtung 12 aufgeteilt
und so umgeleitet, dass er die Rotorblätter 26 im
Wesentlichen rund um den Rotor 21 von der Oberseite her
in Drehrichtung des Rotors 21 mit Wind 22 beaufschlagt
und dadurch den Rotor 21 in eine Drehbewegung versetzt oder
eine bestehende Drehbewegung aufrechterhält. Das Beaufschlagen
der Rotorblätter 26 des Rotors 21 mit
Wind 22 und die Richtung der Beaufschlagung ist in 2 durch
die den Wind 22 darstellenden Strömungspfeile
verdeutlicht. Nach Beaufschlagen der Rotorblätter 26 tritt
der Wind 22 auf der Unterseite des Rotors 21 aus
und wird von der Windausleiteinrichtung 20 aus der erfindungsgemäßen
Windkraftanlage ausgeleitet.
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3 zeigt
die Lagerung der Rotorblätter 26 mittels des Außenrings 28.
Auf dem Außenring 28 befinden sich Stellmotoren 36 zum
Verstellen der Neigung der Rotorblätter 26. Der
Außenring 28 ist zwischen oberhalb und unterhalb
des Außenrings 28 angeordneten ersten Rollen 38 geführt.
Auf der Unterseite des Außenrings 28 ist ein senkrecht
zum Ring rundum verlaufender Kamm 30 angeordnet. Der Kamm 30 ist
zwischen zweiten Rollen 40 geführt. Die ersten
Rollen 38 und die zweiten Rollen 40 sind am Rollenhalter 42 angeordnet.
Der Rollenhalter 42 ist seinerseits im Rollenhalterlager 44 um
eine Ruheposition herum schwingbar gelagert. Der Außenring 28 ist
zwischen auf und unter dem Außenring 28 angeordneten
ersten Rollen 38 geführt. Der Kamm 30 ist zwischen
zweiten Rollen 40 geführt, die auf der zu der
Rotationsachse 18 hinweisenden Seite und der von der Rotationsachse 18 wegweisenden
Seite des Kamms 30 angeordnet sind. Die ersten Rollen 38 und die
zweiten Rollen 40 sind in einer Vielzahl von Rollenhaltern 42 drehbar
angeordnet. Die Rollenhalter 42 sind jeweils in einem Rollenhalterlager 44 vertikal schwingbar
zwischen Zug- und Druckfedern angeordnet. Zur Verminderung der Reibung
in dem Rollenhalterlager 44 können darin zusätzliche
Rollen oder Gleitlager vorgesehen sein. Das Rollenhalterlager 44 ist
mittels weiterer Zug- und Druckfedern radial schwingbar gelagert.
Auch dazu können zusätzliche Rollen oder Gleitlager
zur Verminderung der Reibung vorgesehen sein. Die Rollenhalter 44 sind
rings um den Rotor 21 angeordnet, so dass der Rotor 21 dadurch
sowohl radial als auch vertikal in einer Ruheposition gehalten wird.
Die möglichen Schwingungen können hydraulisch
und/oder pneumatisch gedämpft sein. Anstatt der Zug- und
Druckfedern kann auch durch eine hydraulische und/oder pneumatische
Regelung ein Ausschwingen von einer Ruheposition und ein Rückkehren
in diese Ruheposition ermöglicht werden.
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4 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung der in 3 dargestellten
Lagerung, wobei der Schnitt entlang der Linie A-A geführt
ist. Der Außenring 28 ist zwischen den ersten
Rollen 38 und der Kamm 30 zwischen den zweiten
Rollen 40 geführt. Die ersten Rollen 38 und
die zweiten Rollen 40 sind jeweils drehbar in dem Rollenhalter 42 gelagert.
Der Kamm 30 weist auf seiner Außenseite einen
Zahnkranz 41 auf. In den Zahnkranz 41 greift ein
Zahnrad 43 ein, welches über eine Welle von einem
auf dem Rollenhalter 42 angeordneten Elektromotor 45 angetrieben
werden kann. Eine vom Elektromotor 45 bewirkte Drehbewegung
des Zahnrades 43 versetzt über den Zahnkranz 41 den
Rotor 21 in eine Drehbewegung und kann dadurch helfen,
den beim Einsetzen der Drehung des Rotors 21 vorhandenen
Reibungswiderstand zu überwinden. Der Rollenhalter 42 ist
in dem Rollenhalterlager 44 mittels der ersten gedämpften
Federn 46 vertikal schwingbar gelagert. Zur Verminderung
der Reibung bei der Schwingung ist ein erstes Rollenlager 50 vorgesehen.
Das Rollenhalterlager 44 ist zwischen den zweiten gedämpften Federn 48 schwingbar
gelagert. Zur Verminderung der Reibung bei der Schwingung sind hier
ein zweites Rollenlager 52 und ein drittes Rollenlager 54 vorgesehen.
Zur Begrenzung des radialen Ausschwingens ist ein erster Puffer 56 vorgesehen.
Der Rotor 21 ist über eine Vielzahl von Rollenhaltern 42 und
Rollenhalterlagern 44 auf einer Plattform 58 angeordnet.
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Die
Rotorblätter 26 sind zwischen dem Innenring 32 und
dem Außenring 28 schwenkbar gelagert und in einer
durch einen an dem Außenring angeordneten Stellmotor 36 eingestellten
Position fixiert.
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5 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung der Lagerung des Rotors 21 mittels
eines Innenrings 32, die im Prinzip analog zu der Lagerung mittels
des Außenrings 28 aufgebaut ist. Der Innenring 32 ist
scheibenförmig ausgebildet. Auf der Unterseite des Innenrings 32 ist
senkrecht dazu ein ringförmig umlaufender weiterer Kamm 34 vorgesehen.
Der Innenring 32 ist zwischen auf und unter dem Innenring 32 angeordneten
dritten Rollen 62 geführt. Der weitere Kamm 34 ist
zwischen vierten Rollen 64 geführt, die auf der
zur Rotationsachse 18 hinweisenden Seite und der von der
Rotationsachse 18 wegweisenden Seite des weiteren Kamms 34 angeordnet
sind. Die dritten Rollen 62 und vierten Rollen 64 sind
in einer Vielzahl weiterer Rollenhalter 66 drehbar angeordnet.
Die weiteren Rollenhalter 66 sind so gelagert, dass sie
jeweils um eine weitere Ruheposition herum schwingen können.
Die vertikale und die radiale Schwingung wird dabei durch dritte
gedämpfte Federn 68 und vierte gedämpfte
Federn 70 gewährleistet. Zur Verminderung der
Reibung bei der Schwingung sind ein viertes Rollenlager 80,
ein fünftes Rollenlager 82 und ein sechstes Rollenlager 84 vorgesehen.
Weiterhin ist ein zweiter Puffer 72 zur Begrenzung der
radialen Schwingung vorgesehen.
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Der
weitere Kamm 34 weist auf seiner Innenseite einen weiteren
Zahnkranz 74 auf. In den weiteren Zahnkranz 74 greift
ein weiteres Zahnrad 76 ein, welches über eine
Welle mit einem auf dem weiteren Rollenhalter 66 angeordneten
Kompressor 78 verbunden ist. Eine Drehbewegung des weiteren
Zahnkranzes 74 bewirkt eine Drehbewegung des weiteren Zahnrads 76 und
der Welle, durch welche der Kompressor 78 angetrieben wird.
Der Kompressor ist über eine hier nicht dargestellte flexible Druckleitung mit
einem Druckgasspeicher 86 verbunden. Die Anordnung des
Kompressors 78 am weiteren Rollenhalter 66 hat
den Vorteil, dass der Kompressor 78 sämtliche
Auslenkungen des Rotors 21 aus seiner zentrierten Position
mitmacht und dadurch kein komplizierter, die Auslenkungen ausgleichender
Kraftübertragungsmechanismus erforderlich ist. Durch die schwingbare
Lagerung des Rotors 21 wird erreicht, dass temperaturbedingte
Maßänderungen der verwendeten Materialien, Toleranzen
und durch den Wind 22 einwirkende Kräfte so ausgeglichen
werden, dass kein Bauteil der Windkraftanlage dadurch Schaden nimmt.
Der Rotor ist über eine Vielzahl von Rollenhaltern 42,
Rollenhalterlagern 44, weiteren Rollenhaltern 66 und
weiteren Rollenhalterlagern 67 auf einer Plattform 58 an
der Außenseite einer Außenwand 60 des
Turms 10 rings um den Turm 10 herum montiert.
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6a zeigt
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Windkraftanlage mit turmartigen Aufbau. Dargestellt ist die Außenwand 60 des
Turms 10 mit der untersten und der obersten Plattform 58.
Dazwischenliegende Plattformen sind nicht dargestellt. Jede Plattform 58 trägt
einen der Rotoren 21 der erfindungsgemäßen
Windkraftanlage. An jedem der Rotoren 21 sind eine Vielzahl
von durch die Rotoren 21 angetriebenen Kompressoren 78 vorgesehen.
Einer der Kompressoren 78 ist jeweils dargestellt. Weitere
Kompressoren 78 sind nur gestrichelt angedeutet. Der Kompressor 78 der
untersten Ebene weist eine Ansaugöffnung 88 auf.
Die von diesem Kompressor komprimierte Luft wird über eine
Druckgasleitung 90 in einen Druckgasspeicher 86 gepumpt.
Die komprimierte Luft wird über eine Druckgasleitung 90 einem
Kompressor 78 auf der darüber liegenden Plattform 58 zugeführt,
welcher die komprimierte Luft weiter verdichtet und in einen weiteren
hier nicht dargestellten Druckgasspeicher 86 pumpt. Auf
der obersten Plattform 58 wird dem Kompressor 78 bereits
relativ hochkomprimierte Luft zugeführt, welche diese weiter
verdichtet und in den letzten Druckgasspeicher 86 dieser
Reihe von Kompressoren 78 und Druckgasspeichern 86 pumpt.
Von diesem Druckgasspeicher 86 wird die komprimierte Luft über
eine Druckgasleitung 90 in weitere Druckgasspeicher 94 zur
Zwischenspeicherung geleitet. Jeder Druckgasspeicher 86 und
weiterer Druckgasspeicher 94 kann durch eine Bypass-Leitung 96 umgangen
werden. Dazu ist in Richtung der strömenden Luft jeweils
vor und nach jedem Druckgasspeicher 86 bzw. weiteren Druckgasspeicher 94 jeweils
ein Absperrventil 92 vorgesehen. Jeder Druckgasspeicher 86 und
jeder weitere Druckgasspeicher 94 kann durch Absperren
der Absperrventile 92 und Umgehung über die Bypass-Leitung 96 zu
Wartungszwecken ausgebaut oder ausgetauscht werden, ohne dass der
Betrieb der erfindungsgemäßen Windkraftanlage
dazu unterbrochen werden müsste. Im Normalbetrieb sind
die in jeder der Bypass-Leitungen 96 vorgesehenen Absperrventile 92 geschlossen,
während sie zur Umgehung der Druckgasspeicher 86 und weiteren
Druckgasspeicher 94 geöffnet werden. Bei dem turmartigen
Aufbau sind jeweils übereinanderliegende Kompressoren 78 und
Druckgasspeicher 86 in Reihe geschaltet und für
jeden dieser Reihen ist auf jeder Plattform 58 jeweils
ein weiterer Druckgasspeicher 94 zur Zwischenspeicherung
der Luft vorgesehen. Von den weiteren Druckgasspeichern 94 gelangt
die komprimierte Luft über Gasleitungen 90 in eine
Sammelleitung 98 und von dieser in den Sammelbehälter 100.
Aus Sicherheitsgründen kann der Sammelbehälter 100 eine
abgerundete Form aufweisen und beispielsweise halbkugelförmig
ausgebildet sein. Der Sammelbehälter 100 kann
aus Stahl oder Stahlbeton bestehen.
-
Von
dem Sammelbehälter 100 wird die Luft in einen
weiteren Rotor 102 mit außen angeordneten Düsen 103,
die beim Ausstoßen der unter Druck stehenden Luft einen
Rückstoß erzeugen und den Rotor dadurch in eine
Drehbewegung versetzen und die Drehbewegung aufrechterhalten, geleitet.
Der weitere Rotor 102 ist über einen weiteren
Außenring 104 mit einem zusätzli chen
Kamm 105 gelagert. Der weitere Rotor 102 treibt über
ein zwischengeschaltetes Getriebe 106 einen Stromgenerator 108 an.
Durch die Speicherung der Druckluft ist eine Stromerzeugung unabhängig
davon möglich, ob gerade Wind zur Verfügung steht
oder nicht.
-
Die
auf jeder der Plattformen 58 vorhandenen Kompressoren 78 und
weiteren Kompressoren 78 können je nach vorhandener
Windstärke an- oder abgekoppelt werden. Dadurch kann die
Windkraftanlage in folgenden Zuständen betrieben werden:
- – Bei Starkwind sind sämtliche
Kompressoren 78 angekoppelt und pumpen Luft in die Druckgasspeicher 86.
- – Bei mittlerer Windstärke ist nur ein Teil
der Kompressoren 78 angekoppelt und pumpen Luft in die gasleitend
damit verbundenen Druckgasspeicher 86.
- – Bei schwachem Wind sind nur wenige Kompressoren 78 angekoppelt
und pumpen Luft in die gasleitend damit verbundenen Druckgasspeicher 86.
- – Bei sehr schwachem Wind oder kurzfristiger Windstille
sind keine Kompressoren 78 angekoppelt und die Rotoren 21 werden,
sofern es erforderlich ist, durch die Elektromotoren 45 auf
geringer Drehzahl gehalten, so dass zum Anfahren der Rotoren 21 kein
Reibungswiderstand überwunden werden muss.
-
Der
in 6b dargestellte Druckgasspeicher 86 weist
sieben Kompartimente 110 auf. Es können aber auch
mehr oder weniger Kompartimente vorgesehen sein. Ein solcher Druckgasspeicher 86 kann anstelle
von mindestens einem der Druckgasspeichers 86 oder der
weiteren Druckgasspeichers 94 eingesetzt werden.
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Ein
solcher Druckgasspeicher 86 kann auch jeden der Druckgasspeicher 86 oder
der weiteren Druckgasspeicher 94 ersetzen. Er kann aus
einem Stahlzylinder bestehen, welcher beispielsweise fünf bis
acht Meter lang sein und einen Durchmesser von 0,5 bis 1 Meter aufweisen
kann. Vor und nach dem Druckgasspeicher ist jeweils ein Absperrventil 92 vorgesehen.
Jedes der Kompartimente 110 ist mit einer Druckmesseinrichtung 112 ausgestattet.
Jedes der Kompartimente 110 ist darüber hinaus
an einem Gaseinlass und einem Gasauslass, welcher sich entweder
zwischen zwei der Kompartimente 110 oder am Übergang
zur Druckgasleitung 90 befindet, mit einem Einwegeventil 114 ausgestattet.
Sämtliche Einwegeventile 114 lassen das Gas bzw.
die Luft nur in eine für alle der Einwegeventile 114 gleiche
Richtung passieren. Die Einwegeventile 114 können
entweder elektronisch gesteuert sein oder rein mechanisch funktionieren.
-
In
jedem der Kompartimente 110 ist ein hier nicht dargestelltes
Mittel zum geregelten Heizen und/oder Kühlen der darin
enthaltenden Luft bzw. des darin enthaltenen Gases, zum Beispiel
ein Peltierelement, enthalten. Durch Erzeugen einer Temperaturdifferenz
zwischen benachbarten Kompartimenten 110 kann dadurch ein
Gastransport durch das Einwegeventil 114 hindurch von einem
Kompartiment 110 in das nächste und so allmählich
auch ein Druckaufbau erfolgen. Die Funktion des in 6b dargestellten
Druckgasspeichers ist wie folgt: Ausgehend von einer einheitlichen
Temperatur in benachbarten Kompartimenten 110 wird in einem
Kompartiment 110, z. B. dem ersten Kompartiment 110,
eine Temperatur leicht erhöht und/oder im nachfolgenden
Kompartiment 110, z. B. dem zweiten Kompartiment 110, leicht
reduziert. Dadurch wird ein Druckunterschied zwischen beiden Kompartimenten 110 erzeugt. Durch Öffnen
des Einwegeventils 114 wird ein Druckausgleich bewirkt.
Beim Öffnen des Einwegeventils 114 wird das Heizen
bzw. Kühlen beendet. Nach Erreichen des Druckausgleichs schließt
das Einwegeventil 114 selbstständig. Anschließend
wird zwischen dem nachfolgenden Kompartiment 110 und einem diesem
Kompartiment 110 nachfolgenden Kompartiment 110,
z. B. dem dritten Kompartiment 110, wiederum ein Druckunterschied
erzeugt und die Luft bzw. das Gas anschließend durch Druckausgleich weitergeleitet.
Dadurch kann der Druck in kleinen Stufen unabhängig vom
Vorhandensein von Wind 22 erhöht werden.
-
7a zeigt
den bereits in 6a dargestellten Sammelbehälter 100,
den weiteren Rotor 102 mit außen angeordneten
Düsen 103, dem weiteren Außenring 104 und
dem zusätzlichen Kamm 105 zur Lagerung des weiteren
Rotors 102, das Getriebe 106 und den 3-Phasen-Stromgenerator 108.
In diesen weiteren Rotor 102 wird die unter Druck stehende Luft
zentral eingespeist, welche dann durch die außen am weiteren
Rotor 102 angeordnete Düsen 103 austritt
und dabei einen eine Drehbewegung des weiteren Rotors 102 bewirkenden
Rückstoß erzeugt.
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7b zeigt
den Sammelbehälter 100 mit einem darin angeordneten ölgespeisten
drehbaren gasdichten Drucklager, durch welches die Luft in den weiteren
Rotor 102 übertritt. Der weitere Rotor 102 ist über
ein Getriebe mit dem 3-Phasen-Stromgenerator 108 verbunden.
Das Drucklager besteht aus einem stationären Lagerring 116,
auf welchem drehbar verzahnt ein Druckaufnahmekörper 118 gelagert
ist. In den Zwischenraum zwischen dem Lagerring 116 und dem
Druckaufnahmekörper 118 mündet mindestens eine Öldruckleitung 120.
Beim Betrieb wird permanent Öl 121 mittels der Ölpumpe 122 mit
hohem Druck in diesen Zwischenraum gepumpt und dadurch eine Gasabdichtung
bei gleichzeitig reibungsarmer Lagerung bewirkt. Das Öl 121 fließt über
die Ölrückflussleitung 124 zurück
in den Öltank 126. Die Luft entweicht aus dem
Sammelbehälter 100 über eine Hohlachse 128 in
einen hier teilweise im Schnitt dargestellten Sammelraum 130 in
der Mitte des weiteren Rotors 102, von dem aus jeweils
eine weitere Druckgasleitung 132 zu jeder der Düsen 103 führt.
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7c zeigt
den in 7b dargestellten weiteren Rotor 102 in
einer Aufsicht auf einen Schnitt entlang der in 7b gezeigten
Linie B-B. Dabei ist deutlich der außen umlaufende weitere
Außenring 104 mit dem zusätzlichen Kamm 105 zu
sehen, welcher eine Lagerung des weiteren Rotors 102 mit
in Rollenhaltern gelagerten Rollenlagern in ähnlicher Weise
wie beim Rotor 21 ermöglicht. Die die Düsen 103 tragenden
weiteren Druckgasleitungen 132 sind zur Stabilisierung
mit Drahtseilen 134 verspannt. Die weiteren Druckgasleitungen 132 gehen
von dem zentralen Sammelraum 130 aus, münden jeweils
in den Düsen 103 und sind am weiteren Außenring 104 zur
Lagerung und Stabilisierung fixiert.
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8 zeigt
eine schematische Teilschnittdarstellung einer turmartig aufgebauten
erfindungsgemäßen Windkraftanlage. Dabei sind
ca. 30–40 Rotoren 21 auf der Außenseite
des Turms 10 angeordnet, wovon jeweils nur der oberste
und der unterste angedeutet sind. Auf der Innenseite des Turms 10 befinden
sich zusätzliche Rotoren 136, welche die Energie
der im Inneren durch den Kamineffekt aufsteigenden Luft ausnutzen.
Der Kamineffekt wird verstärkt durch eine eine Windfahne 138 aufweisende sich
stets in Windrichtung ausrichtende Windausleiteinrichtung 140.
Die zusätzlichen Rotoren 136 können an
ihrer jeweiligen Außenseite mittels eines zusätzlichen
Außenrings gelagert werden. Sie treiben jeweils hier nicht
dargestellte Stromgeneratoren an, welche im Wesentlichen der Energieversorgung
der Windkraftanlage selbst dienen. Alternativ können die zusätzlichen
Rotoren 136 eine gemeinsame zentral angeordnete Welle und
darüber einen gemeinsamen Stromgenerator antreiben. Die
aus den Düsen 103 des weiteren Rotors 102 austretenden
Luft kann zur Steigerung des Kamineffekts am Fuße des Turms eingespeist
werden.
-
In
dem Turm 10 sind jeweils eine Vielzahl der hier nicht dargestellten
Druckgasspeicher 86 und der weiteren Druckgasspeicher 94 auf
den jeweils in einer Ebene rundum verlaufenden Gitterrosten 142 angeordnet.
Die Gitterroste 142 dienen auch den Begehen der erfindungsgemäßen
Windkraftanlage zu Wartungszwecken.
-
- 10
- Turm
- 12
- Windeinleiteinrichtung
- 14
- Windfahne
- 16
- Windeinleitkieme
- 18
- Rotationsachse
- 19
- Schutzring
- 20
- Windausleiteinrichtung
- 21
- Rotor
- 22
- Wind
- 24
- Windausleitkieme
- 26
- Rotorblätter
- 28
- Außenring
- 30
- Kamm
- 32
- Innenring
- 34
- weiterer
Kamm
- 36
- Stellmotor
- 38
- erste
Rolle
- 40
- zweite
Rolle
- 41
- Zahnkranz
- 42
- Rollenhalter
- 43
- Zahnrad
- 44
- Rollenhalterlager
- 45
- Elektromotor
- 46
- erste
gedämpfte Feder
- 48
- zweite
gedämpfte Feder
- 50
- erstes
Rollenlager
- 52
- zweites
Rollenlager
- 54
- drittes
Rollenlager
- 56
- erster
Puffer
- 58
- Plattform
- 60
- Außenwand
- 62
- dritte
Rolle
- 64
- vierte
Rolle
- 66
- weiterer
Rollenhalter
- 67
- weiteres
Rollenhalterlager
- 68
- dritte
gedämpfte Feder
- 70
- vierte
gedämpfte Feder
- 72
- zweiter
Puffer
- 74
- weiterer
Zahnkranz
- 76
- weiteres
Zahnrad
- 78
- Kompressor
- 80
- viertes
Rollenlager
- 82
- fünftes
Rollenlager
- 84
- sechstes
Rollenlager
- 86
- Druckgasspeicher
- 88
- Ansaugöffnung
- 90
- Druckgasleitung
- 92
- Absperrventil
- 94
- weiterer
Druckgasspeicher
- 96
- Bypass-Leitung
- 98
- Sammelleitung
- 100
- Sammelbehälter
- 102
- weiterer
Rotor
- 103
- Düse
- 104
- weiterer
Außenring
- 105
- zusätzlicher
Kamm
- 106
- Getriebe
- 108
- Stromgenerator
- 110
- Kompartiment
- 112
- Druckmesseinrichtung
- 114
- Einwegeventil
- 116
- stationärer
Lagerring
- 118
- Druckaufnahmekörper
- 120
- Öldruckleitung
- 121
- Öl
- 122
- Ölpumpe
- 124
- Ölrückflussleitung
- 126
- Öltank
- 128
- Hohlachse
- 130
- Sammelraum
- 132
- weitere
Druckgasleitung
- 134
- Drahtseil
- 136
- zusätzlicher
Rotor
- 138
- weitere
Windfahne
- 140
- weitere
Windausleiteinrichtung
- 142
- Gitterrost
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 20308705
U1 [0002, 0003]