DE102010009435A1

DE102010009435A1 - Windkraftanlage mit reduziertem Turmschatteneffekt

Info

Publication number: DE102010009435A1
Application number: DE102010009435A
Authority: DE
Inventors: Roland Dr. 10243 Stoer
Original assignee: Windnovation Engineering Solutions 10243 GmbH; WINDNOVATION ENGINEERING SOLUTIONS GmbH
Current assignee: Windnovation Engineering Solutions 10243 GmbH; WINDNOVATION ENGINEERING SOLUTIONS GmbH
Priority date: 2010-02-22
Filing date: 2010-02-22
Publication date: 2011-08-25

Abstract

Beschrieben wird eine Windkraftanlage mit reduziertem Turmschatteneffekt bestehend aus einem auf einem Fundament 2 stehenden Turm mit Turmaußenwand 1, einer Gondel 3 und einem Rotor mit einer horizontalen Rotorachse sowie Rotorblättern 4. Die Windkraftanlage wird als Leeläufer betrieben (Downwind-Turbine). Durch die auf der Turmaußenwand 1 angeordnete, den Turm umlaufende Spirale 6 in Form einer vollständig ausgebildeten Erhöhung wird der Turm strömungstechnisch optimiert. Die Spirale 6 umläuft den Turm im oberen Turmbereich auf einem Höhenabschnitt, der bis zum 1,25 fachen der Rotorblattlänge (L) beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit Turm, Gondel, horizontaler Rotorachse und Rotor mit Rotorblättern, der insbesondere als Leeläufer betrieben wird (Downwind-Turbine).
Bei einem Leeläufer befindet sich der Rotor auf der dem Wind abgewandten Seite des Turmes. Das hat den Vorteil, dass zumindest bei kleinen Anlagen auf einem Windnachführmechanismus verzichtet werden kann.
Leeläufer haben den weiteren Vorteil, dass die Gefahr einer Rotorblatt-Berührung mit dem Turm deutlich geringer ist, jedoch konnten sie sich bei großen Anlagen nicht durchsetzen, da es zu Unstetigkeiten in der Rotordrehzahl, zu mechanischen Schwingungs-Erscheinungen und zu elektrischen Schwankungen kommt, wenn ein Rotorblatt den Windschatten des Turmes durchquert und dabei kurz das Antriebsdrehmoment schwankt.
Die Hersteller bieten verschiedene Turmhöhen und Turmvarianten an. Stahltürme in geschlossener Bauweise bestehen entweder aus verschraubten oder miteinander verschweißten Stahlsegmenten. Betontürme werden sowohl in Gleitschalbauweise als auch in Fertigteilbauweise (Aufeinandersetzen von vorgefertigten Elementen) hergestellt. Ein Verfahren zur Errichtung einer Windenergieanlage ist in der DE 28 23 525 B1 beschrieben. Hier wird ein am Boden um den Turm herum gebautes Maschinenhaus am Turm nach oben gehievt.
Aus der DE 198 32 921 A1 ist weiter eine Turmkonstruktion bekannt, die eine Metallaußenschale, eine Metallinnenschale, eine zwischen Außen- und Innenschale angeordnete Betonschale sowie Verbindungsträgerelemente zur Bildung einer tragenden Verbundkonstruktion aus Betonschale und wenigstens einer der Metallschalen aufweist.
Daneben sind noch Gittermasten als Turmvariante bekannt, für die die vorliegende Erfindung jedoch nicht unmittelbar relevant ist.
Eine der wesentlichen Ursachen für die eingangs genannten mechanischen Schwingungserscheinungen und elektrischen Schwankungen besteht darin, dass bei einem umströmten wenig stromlinienförmigen Festkörper sich am hinteren Teil des Festkörpers Wirbel ausbilden, die eine Folgeerscheinung des Ablösens von Wirbeln sind, wobei dieses Ablösen eine Spur hinterlässt, die als Karman'sche Wirbelstraße bekannt und durch Turbulenzen gekennzeichnet ist (vgl. DE 44 06 214 B4 ). Dieses Ablösen von Wirbeln und die Bildung von Wirbelstraßen wirken sich in ungünstiger Weise auf die Drücke um den Turm herum aus.
Für einen umströmten Festkörper mit einem auf der Rückseite stumpfen Rumpf wird in der DE 44 06 214 B4 deshalb vorgeschlagen, eine ringförmige Vertiefung auf der Rückseite vorzusehen, die in der Lage ist, Wirbel aufzunehmen und so ein Ablösen der Wirbel zu erschweren. Auf einen Turm übertragen bedeutet dies, dass der Turm selbst um seine Achse drehbar sein müsste, denn die Rückseite, wo derartige Vertiefungen vorzusehen wären, verändert sich ja stetig in Abhängigkeit von der Windrichtung.
Auf das Problem des Turmschatteneffektes geht auch die DE 20 2008 006 322 U1 ein. Wird ein Rotorblatt durch den Bereich des Windschattens des Turmes geführt, so nimmt das Rotorblatt in diesem Bereich weniger Energie auf, was dazu führt, dass die Leistung am Generator kurzzeitig absinkt. Durch diesen Turmschatteneffekt nimmt somit die Generatorleistung jedes mal ab, wenn ein Rotorblatt im Bereich des Windschattens des Turmes ist. Als Lösung wird hier die Erfassung von Betriebsparametern vorgeschlagen, um über daraus ermittelbare Steuergrößen ausgleichend zu wirken. Hier wird somit nicht das Problem gelöst, sondern die Auswirkungen sollen kompensiert werden.
In der DE 299 12 737 U1 werden bei einem Leeläufer sichelförmig gekrümmte Rotorblätter vorgeschlagen. Dadurch ist eine völlige Abschirmung des Rotorblattes nicht möglich, so dass der Mast- oder Turmschatten nur einen geringen Einfluss auf die Generatorleistung hat.
Auch in der DE 102 12 467 A1 wird auf das Problem der verringerten Strömungsgeschwindigkeit des Windes im Mast- bzw. Turmnachlauf eingegangen und auf Abschattungseffekte und ablösende Wirbel verwiesen, die die Effizienz der Windenergieausnutzung mindern.
Zur Lösung des Problems wird zumindest ein oberer Mast- bzw. Turmabschnitt, der sich im Bereich des Rotationsfeldes des Rotors befindet, strömungsgünstig ausgebildet. Als strömungsgünstig sind konkret ein linsenförmiger oder tropfenförmiger Querschnitt des Mastes bzw. Turmes benannt.
Eine vollständig ungestörte Ausströmung des Rotors mit einem Mast bzw. Turm soll erst dann erreicht werden, wenn in Windrichtung gesehen im Bereich des Rotationsfeldes der Mast bzw. Turm eine prismatische Form besitzt.
Ferner wird auf die Möglichkeit verwiesen, den ganzen Mast bzw. Turm mit einem strömungsgünstigen Profil zu versehen.
Voraussetzung für das Ausnutzen eines derartig ausgebildeten Mast- bzw. Turmprofiles ist es, dass der Mast bzw. Turm oder der Abschnitt im Bereich des Rotationsfeldes der Rotorblätter selbst drehbar um seine Achse gelagert sein muss. Das ist ein wesentlicher Nachteil.
Ein weiterer Nachteil der beschriebenen technischen Lösungen ist, dass sie nur bei Neubauten infrage kommen.
Aufgabe der Erfindung ist es, insbesondere für einen Leeläufer die Abschattungseffekte und das Ablösen von Wirbeln insbesondere bei feststehenden Türmen oder Masten von Windkraftanlagen deutlich zu reduzieren.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1, vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß wird bei einer Windkraftanlage bestehend aus einem Turm, einer Gondel und einem Rotor mit einer horizontalen Rotorachse sowie Rotorblättern zur Reduzierung des Turmschatteneffektes vorgeschlagen, dass auf oder in der Turmaußenwand mindestens eine den Turm umlaufende Spirale in Form einer vollständig oder abschnittsweise ausgebildeten Erhöhung oder Ausnehmung oder einer Kombination aus Erhöhung und Ausnehmung angeordnet ist. Die Erhöhung oder Ausnehmung oder einer Kombination aus Erhöhung und Ausnehmung folgt somit einer Schraubenline (Helix) auf oder in der Turmaußenwand.
Es hat sich gezeigt, dass insbesondere durch eine derartige Umwicklung des Turmes die die Belastung auslösende Wirbelschleppe (Karman'sche Wirbelstrasse) in der Weise beeinflussbar ist, dass sich statt einer unkontrollierten Wirbelablösung eher stochastische Wirbelablösungen von definierten und abgeschwächten Wirbeln ergeben, die zudem in Richtung Gondel abgelenkt werden. Diese Ablenkung erfolgt somit in einen weniger schädlichen Bereich, da der Rotor in Gondelnähe ohnehin fast wirkungslos ist und die Rotorstruktur dort aufgrund struktureller Forderungen so stark dimensioniert ist, dass Fatiguebelastungen aufgrund aerodynamischer Kräfte kaum eine Rolle spielen.
In weiterer Ausgestaltung der Windkraftanlage ist vorgesehen, dass die Spirale eine Doppelspirale (Doppelhelix) ist. Die beiden Spiralen können gleich ausgebildet sein, bestehend aus Erhöhungen oder aus Ausnehmungen. Ebenso ist es möglich, dass die Kombination aus spiralförmiger Erhöhung und Ausnehmung aus parallel zueinander verlaufenden Spiralen gebildet ist.
Eine andere Ausführung sieht vor, dass die Kombination aus spiralförmiger Erhöhung und Ausnehmung Bestandteil einer Spirale ist, indem die Ausnehmung auf der vollen Spirallänge oder abschnittsweise jeweils stirnseitig in der Erhöhung angeordnet ist.
Bevorzugt werden bei aus einer Erhöhung bestehenden Spiralen Stege genutzt, deren Mittellinie mit der Turmaußenwand einen Winkel α zwischen 70–110° bilden, vorzugsweise 90°. Derartige Stege weisen bevorzugt einen rechteckförmigen oder einen trapezförmigen Querschnitt auf. Die Stege können dabei auch einen Anschlussflansch zur Befestigung an der Turmaußenwand aufweisen.
Als erfolgversprechend haben sich Steghöhen (s) im Bereich von 5–20% des Turmdurchmessers (d) gemessen im Bereich, der von den Rotorblättern bestrichen wird, erwiesen, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt sein soll.
Soll die Spirale als Rinne ausgebildet werden, ist vorzugsweise ein halbkreisförmiger Querschnitt vorzusehen.
Die Steigung der Spirale bezogen auf die Turmachse beträgt zwischen 0,8 und 1,2, vorzugsweise 1. Die Steigung berechnet sich dabei als k = h/2πr

k: = Steigung
h: = Ganghöhe
r: = Turmradius

Bezogen auf die Turmhöhe sollte die Spirale mindestens im oberen Turmbereich ausgebildet sein, vorzugsweise auf einem Höhenabschnitt, der der Rotorblattlänge (L) entspricht oder der bis zum 1,25 fachen der Rotorblattlänge (L) beträgt.
Anhand der Zeichnungen soll die Anordnung und Ausbildung der den Turmschatteneffekt reduzierenden Spirale erläutert werden.
Es zeigen:
1 Turm mit Helix
2 Spirale als Steg mit Rechteckprofil
3 Spirale als Steg mit Trapezprofil
4 Spirale als Steg mit Anschlussprofil
5 Spirale als Rinne und
6 Spirale als Rinne-Steg-Kombination.
1 zeigt eine Windkraftanlage mit reduziertem Turmschatteneffekt bestehend aus einem auf einem Fundament 2 stehenden Turm mit Turmaußenwand 1, einer Gondel 3 und einem Rotor mit einer horizontalen Rotorachse sowie Rotorblättern 4. Die Windkraftanlage wird als Leeläufer betrieben (Downwind-Turbine), wie durch die Windrichtung 5 angedeutet wird.
Durch die auf der Turmaußenwand 1 angeordnete, den Turm umlaufende Spirale 6 in Form einer vollständig ausgebildeten Erhöhung wird der Turm strömungstechnisch optimiert. Die Spirale 6 umläuft den Turm im oberen Turmbereich auf einem Höhenabschnitt, der bis zum 1,25 fachen der Rotorblattlänge (L) beträgt.
Die Spirale 6 ist als Steg ausgebildet, wobei die Steghöhe (s) in einem Bereich von 5–20% des Turmdurchmessers (d) gemessen im Bereich, der von den Rotorblättern 4 bestrichen wird, liegt.
Die Ganghöhe, also die Strecke, um die sich die Spirale 6 bezogen auf die Turmachse bei einer vollen Umdrehung nach oben bewegt, beträgt um 3d.
In 2 bis 6 werden vorteilhafte Ausführungen der Spirale 6 dargestellt.
Die in 2 dargestellte Spirale 6 ist als Steg 6.1 mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildet, dessen Mittellinie mit der Turmaußenwand 1 einen Winkel α zwischen 70–110° bildet, vorzugsweise 90°.
In 3 weist die als Steg 6.2 ausgebildete Spirale 6 einen trapezförmigen Querschnitt auf.
Bei der als Steg ausgebildete Spirale 6 gemäß 4 ist ein Anschlussflansch an dem eigentlichen Steg angeordnet, der zur Befestigung an der Turmaußenwand 1 dient. Zweckmäßigerweise kann ein solcher Steg 6.3 aus einem Winkelprofil hergestellt sein.
In 5 ist die Spirale 6 eine Rinne 6.4 mit vorzugsweise halbkreisförmigem Querschnitt in der Turmaußenwand 1. Diese Ausführung ist sicher Neubauten vorbehalten, während die anderen Ausführungen auch zur Nachrüstung eingesetzt werden können.
Letztlich wird mit 6 eine Ausführung vorgestellt, bei der eine Kombination aus spiralförmiger Erhöhung und Ausnehmung Bestandteil einer Spirale 6.5 ist, indem die Ausnehmung auf der vollen Spirallänge oder abschnittsweise jeweils stirnseitig in der Erhöhung angeordnet ist.
Bezugszeichenliste

1: Turmaußenwand
2: Fundament
3: Gondel
4: Rotorblätter
5: Windrichtung
6: Spirale
6.1: Spirale als Steg mit Rechteckprofil
6.2: Spirale als Steg mit Trapezprofil
6.3: Spirale als Steg mit Anschlussprofil
6.4: Spirale als Rinne
6.5: Spirale als Rinne-Steg-Kombination
d: Turmdurchmesser im Bereich der Rotorblätter
L: Rotorblattlänge
s: Steghöhe

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 2823525 B1 [0004]
DE 19832921 A1 [0005]
DE 4406214 B4 [0007, 0008]
DE 202008006322 U1 [0009]
DE 29912737 U1 [0010]
DE 10212467 A1 [0011]

Claims

Windkraftanlage mit reduziertem Turmschatteneffekt bestehend aus einem Turm, einer Gondel und einem Rotor mit einer horizontalen Rotorachse sowie Rotorblättern, dadurch gekennzeichnet, dass auf oder in der Turmaußenwand (1) mindestens eine den Turm umlaufende Spirale (6) in Form einer vollständig oder abschnittsweise ausgebildeten Erhöhung oder Ausnehmung oder einer Kombination aus Erhöhung und Ausnehmung angeordnet ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination aus spiralförmiger Erhöhung und Ausnehmung aus parallel zueinander verlaufenden Spiralen (6) gebildet ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination aus spiralförmiger Erhöhung und Ausnehmung Bestandteil einer Spirale (6) ist, indem die Ausnehmung auf der vollen Spirallänge oder abschnittsweise jeweils stirnseitig in der Erhöhung angeordnet ist.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spirale (6) eine Doppelspirale ist.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spirale (6) als Steg (6.1, 6.2) ausgebildet ist, dessen Mittellinie mit der Turmaußenwand (1) einen Winkel α zwischen 70–110° bildet, vorzugsweise 90°.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die als Steg (6.1, 6.2) ausgebildete Spirale (6) einen rechteck- oder einen trapezförmigen Querschnitt aufweist.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die als Steg ausgebildete Spirale (6) einen Anschlussflansch zur Befestigung an der Turmaußenwand (1) aufweist.
Windkraftanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mit einem Anschlussflansch versehene Steg (6.3) durch ein Winkelprofil gebildet ist.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Steghöhe (s) in einem Bereich von 5–20% des Turmdurchmessers (d) gemessen im Bereich, der von den Rotorblättern (4) bestrichen wird, beträgt.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spirale (6) eine Rinne (6.4) mit vorzugsweise halbkreisförmigem Querschnitt ist.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung der Spirale (6) bezogen auf die Turmachse zwischen 0,8 und 1,2, vorzugsweise 1 beträgt.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Spirale (6) mindestens im oberen Turmbereich ausgebildet ist, vorzugsweise auf einem Höhenabschnitt, der der Rotorblattlänge (L) entspricht oder der bis zum 1,25 fachen der Rotorblattlänge (L) beträgt.
Verwendung mindestens einer auf oder in der Turmaußenwand 1 den Turm umlaufenden Spirale 6 in Form einer vollständig oder abschnittsweise ausgebildeten Erhöhung oder Ausnehmung oder einer Kombination aus Erhöhung und Ausnehmung gemäß einem der vorgenannten Ansprüche zur Reduzierung des Turmschatteneffekts bei einer als Leeläufer betriebenen Windkraftanlage.