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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windkraftanlage vom Windmühlen-Prinzip, welche zur Energieversorgung Verwendung findet.
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Obwohl die vorliegende Erfindung auf beliebige Windkraftanlagen anwendbar, werden ihre Merkmale sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf eine Windkraftanlage mit einer großen Bauart beschrieben.
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Derartige Windkraftanlagen sind dazu geeignet, einen anteiligen Strombedarf für alle Verbraucher abzudecken. In der Zukunft werden diese auch über die Hydrolyse von Wasser neben Sauerstoff zur Erzeugung von Wasserstoff dienen, der mittels Brennstoffzellen in Kraftfahrzeugen über hierin erzeugten Strom die bisherigen Antriebsmittel Benzin, Diesel oder Erdgas ersetzen wird. Ferner ist es für die derzeitig Erdöl- und Erdgas produzierenden Länder, die zurzeit auf keinem hochtechnisierten Niveau leben, unter anderem die Installation höherer Kapazitäten an Windkraft-Großanlagen aus den Einnahmen ihrer Erdöl- und Erdgasgeschäfte heraus eine wichtige Frage zur Erhaltung und zum Ausbau ihrer zukünftigen Existenz, wenn die Rohstoffquellen versiegt sind.
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Weltweit haben sich bisher Windräder mit horizontaler Achse durchgesetzt, die meist drei Rotorblätter bzw. Rotorflügel am Rotor tragen, der die durch Windkraft erzeugte Energie anschließend in das kleine Maschinenhaus mit Getriebe, Bremsvorrichtung, Generator und Steuereinrichtungen liefert.
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Die Anlagen sind über einen Drehkranz auf Masten stationiert und werden über Steuerungseinrichtungen betrieben.
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Die jetzigen drei-flügeligen Windkraftanlagen werden angesichts der Überproduktion an Strom aus Atomkraftwerken und solchen mit fossilen Heizstoffen nur zu einem geringen Anteil ausgenutzt, das heißt, nach Forderung der Stromverteiler zeitweise abgeschaltet, obwohl genügend Windkraft vorhanden wäre. Bereits heute wäre es notwendig, das gesamte Energieangebot aus Windkraftanlagen abzunehmen, in Speicheranlagen zeitweise zu speichern oder in Energieträger, wie beispielsweise Wasserstoff, zu überführen. Die bisherige Verfahrensweise sollte bei Vorhandensein der Windkraft-Großanlagen überwunden sein, denn angesichts des drohenden Endes der Welt-Ressourcen an Kohle und Kohlenwasserstoffen sollte die Verwendung von Kohle, Erdöl und Erdgas zur thermischen Nutzung auch in Kraftfahrzeugen dringend durch Weltkonventionen vorzeitig verboten und das Verbot auch durchgesetzt werden, damit die chemische Industrie der Welt und das Hüttenwesen noch über längere Zeit über diese wichtigen Rohstoffe verfügen kann. Erst dann wird Strom aus alternativen und regenerativen Energien die wichtigste Stromquelle werden. Windkraft-Großanlagen der vorgenannten Größe können bei der notwendigen Neuordnung des Welt-Energiekonsums und deren Umsetzung als eine wichtige Stützsäule dienen.
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Zwar leisten die derzeit in Deutschland existierenden Windkraftanlagen eine beachtliche Stromerzeugung, aber insgesamt beträgt die Höhe der durch alternative Energien (Wind, Wasser, Sonne) erzeugte Strom nur etwa 16% des gesamten volkswirtschaftlichen Stromverbrauchs.
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Bei den drei-flügeligen Windkraftanlagen gemäß dem Stand der Technik hat sich die Tatsache als nachteilig herausgestellt, dass diese drei-flügeligen Windkraftanlagen eine geringe Leistungsfähigkeit aufweisen, da die Flügel eine dem Wind ausgesetzte Fläche von lediglich etwa 60 qm nutzen. Ferner ist die Leistungsfähigkeit durch die von den Flügeln überstrichene Kreisfläche begrenzt. Die bisher verwendeten Aufbauten von Windkraftanlagen begrenzen die Länge der Flügel und damit die überstrichene Kreisfläche aufgrund einer maximalen Beanspruchbarkeit bzw. Tonnage verwendeter Materialien für die Flügel.
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Im Stand der Technik findet sich der Ansatz zur Lösung dieses Problems, die Leistungsfähigkeit der drei-flügeligen Windkraftanlagen dadurch zu erhöhen, dass die Maße der Rotorflügel in Länge und Breite erhöht werden.
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An diesem Ansatz hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt, dass die derzeitigen Verbundwerkstoffe wie Glasfaser und Kunstharz es nicht zulassen, die Maße der Rotorflügel erheblich zu erhöhen, da eine Gewichtszunahme mit den Anforderungen an die Stabilität konkurriert und diese nachteilig beeinflusst oder sogar ausschließt. Die Möglichkeit, die Rotorflügel für eine erhöhte Aufnahme von Windkraft dort zu verbreitern, wo sie gemäß dem Stand der Technik eher einen spitzförmigen Verlauf einnehmen, scheitert ebenfalls an den Stabilitätsanforderungen, da auch in diesem Fall mit einer erheblichen Gewichtszunahme zu rechnen ist.
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Somit ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Windkraftanlage mit einer erhöhten Leistungsfähigkeit auf Grund erhöhter Aufnahme von Windkraft gegenüber den Ansätzen gemäß dem Stand der Technik zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Windkraftanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Demgemäß weist die Windkraftanlage folgendes auf:
Die vorliegende Windkraftanlage umfasst zumindest eine Rotoreinheit, mit mehreren Rotorflügeln, welche jeweils an der Rotoreinheit für einen kreisförmigen Umlauf drehbar gelagert sind; und zumindest ein Luftleitelement, welches in einer im Wesentlichen konischen Gestaltung einen äußeren Einlassbereich und einen Übergabebereich aufweist; wobei der Übergabebereich des zumindest einen Luftleitelements von der Außenseite her an einen Bereich angrenzt, welcher von den umlaufenden radialen Enden der Rotorflügel gebildet wird. Der Übergabebereich des zumindest einen Luftleitelements ist mit einem Kopplungselement gekoppelt, welches in Bezug auf die Rotorachse der Rotoreinheit drehfest angeordnet ist.
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Bei der vorliegenden Windkraftanlage ist es mit Hilfe des zumindest einen Luftleitelements auf technisch einfache Art und Weise möglich, die der Rotoreinheit zugeführte Menge an Luft bzw. Wind und anschließende Kraft je Rotorflügel zu erhöhen. Im Gegensatz zu der bekannten Vorgehensweise zur Steigerung des Energieertrags bei einer Windkraftanlage mittels Erhöhung der Länge der einzelnen Rotorflügel, bei der es, wie vorstehend erwähnt, Grenzen aufgrund der verfügbaren Werkstoffe gibt, geht die vorliegende Erfindung einen anderen Weg, indem mit Hilfe des zumindest einen Luftleitelements der Rotoreinheit zusätzlicher Wind zugeführt bzw. angestaut werden kann, dessen Energie abgeschöpft werden kann. Der Einsatz des Luftleitelements bewirkt, dass sich ein anströmender breiterer Luftstrom vor der Rotoreinheit nach dem Passieren des Luftleitelements durch die Rotorflügel drängen muss, wobei sich deren Drehzahl erhöht und somit mehr elektrische Leistung aus der Windkraftanlage gewonnen werden kann.
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Bestehende Windkraftanlagen lassen sich im Rahmen des sogenannten Repowerings dieser Windkraftanlagen, insbesondere für die dreiflügeligen Turmwindräder, mit dem vorliegenden Luftleitelement problemlos nachrüsten, wodurch deren abgegebene elektrische Leistung signifikant gesteigert werden kann, so dass die Kosten für die Nachrüstung für den Betreiber der Windkraftanlage innerhalb eines überschaubaren Zeitraums kompensiert werden und danach aufgrund der erhöhten eingespeisten elektrischen Leistung die Wirtschaftlichkeit der Windkraftanlage verbessert ist. Das vorgeschlagene Luftleitelement eignet sich dabei für das Repowering von bestehenden Windkraftanlagen, die entweder an Land oder auf See errichtet wurden und erfordern jeweils eine unterschiedliche Art der Nachführung des Luftleitelements in Abhängigkeit von jeder jeweils vorherrschenden Windrichtung. Alternativ dazu kann bei dem Entwurf von neuen Windkraftanlagen bei einer vorgegebenen elektrischen Leistung die Größe der Rotorflügel verringert werden, wodurch die Herstellungskosten für die Windkraftanlage spürbar gesenkt und gleichzeitig die Wirtschaftlichkeit der Windkraftanlage erhöht werden.
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In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der vorliegenden Erfindung.
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Das zumindest eine Luftleitelement kann eine geschlossene Oberfläche besitzen, wobei diese dann entlang der Umfangsrichtung des zumindest einen Luftleitelements nicht von einer Ausnehmung oder einer Öffnung unterbrochen ist. Bevorzugt ist bei dem zumindest einen Luftleitelement der Durchmesser des äußeren Einlassbereichs größer als der Durchmesser des Übergabebereichs. Sofern das zumindest eine Luftleitelement aus einem formfesten Werkstoff besteht, können des Weiteren entlang von dessen Umfangsrichtung an seiner Außenseite Verstärkungsrippen angeordnet sein, welche bevorzugt in vertikaler Richtung verlaufen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Windkraftanlage kann das zumindest eine Luftleitelement um eine Achse verschwenkbar sein, welche von der Rotorachse der Rotoreinheit verschieden ist. Somit lässt sich das zumindest eine Luftleitelement zusammen mit der Rotoreinheit um eine Schwenkachse verschwenken, um somit das Luftleitelement und die Rotoreinheit jederzeit in Bezug auf die aktuelle Windrichtung ausrichten zu können, so dass die eingefangene Windkraft jeweils ein maximal mögliche Antriebskraft für die Rotoreinheit bereitstellen kann.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Windkraftanlage kann das zumindest eine Luftleitelement ein elastischer Schlauch sein, welcher entlang seiner Längsachse jeweils beabstandet zueinander eine Vielzahl von Stützringen aufweist. Eine solche Gestaltung des zumindest einen Luftleitelements ist besonders in Verbindung mit dreiflügeligen Turmwindrädern in herkömmlicher Bauart vorteilhaft, da dann das Luftleitelement als ein trichterförmiger Gewebeschlauch ausgebildet werden kann, dessen Material relativ preiswert ist, wobei insbesondere ein langlebiger Kunststoff (wie zum Beispiel aus PVC), ein Gewebe aus Pflanzenfasern (wie zum Beispiel aus Bambus oder Hanf) oder ein Gewebe aus Kohlenstofffasern verwendet werden kann. Besonders bevorzugt sind hierbei Werkstoffe, welche zudem möglichst windundurchlässig sind. Des Weiteren sollte der Werkstoff eine möglichst glatte Oberfläche aufweisen. Alternativ dazu kann auch ein dünnes Blech mit einer entsprechenden Oberflächenbehandlung zur Vermeidung von Korrosion oder ein korrosionsbeständiger Werkstoff (wie zum Beispiel Aluminium oder eine nichtrostende Edelstahllegierung) verwendet werden.
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Da das zumindest eine Luftleitelement in seiner Gestaltung als elastischer Schlauch nicht selbsttragend ist, muss dessen gewünschte konische Gestalt durch den Einsatz von (regelmäßig) beanstandet angeordneten Stützringen sichergestellt werden, welche vorzugsweise in Inneren des Luftleitelements angeordnet und mit diesem verbunden sind. Alternativ dazu können die Stützringe auch im Bereich der äußeren Oberfläche des Luftleitelements angeordnet und mit dieser verbunden sein. Je nach axialer Länge des elastischen Schlauchs können diese Stützringe in einem Abstand von beispielsweise 1 bis 2 Meter zueinander angeordnet sein.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Windkraftanlage können die Vielzahl von Stützringen aus Bambusstäben oder Aluminiumrohren bestehen. Insbesondere die Verwendung von Bambusstäben erlaubt eine kostengünstige Stabilisierung des schlauchförmigen Luftleitelements, wobei diese zudem aus einem ökologisch vorteilhaften Werkstoff bestehen. Der Stützring wird dabei von einer Vielzahl von einzelnen Bambusstäben zusammengesetzt, solange bis der gewünschte Durchmesser des Stützringes erreicht ist. Die Verwendung von (dünnen) Aluminiumrohren für die Stützringe ist besonders vorteilhaft für Windkraftanlagen, bei denen ein langer und wartungsarmer Einsatz der Stützringe im Vordergrund steht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann bei der Windkraftanlage das zumindest eine Luftleitelement mit der Rotoreinheit derart gekoppelt sein, dass sowohl das zumindest eine Luftleitelement als auch die Rotoreinheit synchron in Abhängigkeit von der aktuellen Windrichtung nachgeführt werden. Da moderne Windkraftanlagen für die optimale Ausbeutung des aktuell verfügbaren Winds derart ausgerichtet werden, dass die überstreifte Fläche der Rotorflügel jeweils senkrecht zur Windrichtung steht, ist bei der vorliegenden Windkraftanlage ebenfalls vorgesehen, dass das zumindest eine Luftleitelement zusammen mit dem Rotoreinheit synchron nachgeführt wird. Hierbei ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass der äußere Einlassbereich des Luftleitelements im Falle eines elastischen Gewebeschlauchs sowie gegebenenfalls weitere Abschnitte in Richtung des Übergabebereichs von diesem auf einem zweigleisigen Schienenkörper je nach der Stellung der Rotoreinheit synchron mit dieser um die Windkraftanlage umlaufen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung kann bei der Windkraftanlage die Länge des Luftleitelements größer als der Durchmesser desjenigen Kreises sein, welcher von den umlaufenden radialen Enden der Rotorflügel gebildet wird. Insbesondere bei dreiflügeligen Turmwindrädern nach herkömmlicher Bauart kann somit ein elastischer Gewebeschlauch für das Luftleitelement verwendet werden, dessen Länge den Durchmesser desjenigen Kreises übertrifft, welcher von den umlaufenden radialen Enden der Rotorflügel gebildet wird. Je länger bei einem derartigen Aufbau des Luftleitelements dieses ist, desto mehr zusätzliche Windkraft kann von einem solchen kegelstumpfförmigen Luftleitelement der Rotoreinheit zugeführt werden, wodurch die abgegebene elektrische Leistung signifikant gesteigert werden kann. Alternativ dazu kann die Länge des Luftleitelements jedoch auch kürzer als der vorstehend erwähnte Durchmesser sein, falls die Umgebung einer bestehenden Windkraftanlage nicht genügend Platz für das Nachrüsten eines mit der Rotoreinheit umlaufenden Luftleitelements mit der zuvor beschriebenen Länge bietet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann bei der Windkraftanlage der äußere Einlassbereich des Luftleitelements derart ausgebildet sein, dass dieser einen unveränderlichen Querschnitt aufweist und derart gelagert ist, dass dessen Mittelpunkt im Wesentlichen im Bereich der Längsachse der Rotoreinheit angeordnet ist. Insbesondere bei dreiflügeligen Turmwindrädern nach herkömmlicher Bauart muss das als elastischer Gewebeschlau ausgebildete Luftleitelement ständig in seiner Arbeitsposition gehalten werden, wobei der Mittelpunkt des äußeren Einlassbereich des Luftleitelements im Wesentlichen im Bereich der Längsachse der Rotoreinheit angeordnet ist, so dass die zusätzliche Windkraft symmetrisch auf die von den umlaufenden Rotorflügeln überstreifte Fläche zugeführt wird. Hierfür ist es vorgesehen, dass der äußere Einlassbereich an vorzugsweise drei Stützen in die vorstehend beschriebene Arbeitsposition bzw. Arbeitshöhe gebracht wird, sowie derart gelagert ist, dass dieser in einem vorbestimmten Abstand um den Turm der Windkraftanlage auf Schienen(körpern) umlaufen kann.
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Der Übergabebereich des Luftleitelements wird bei dieser Konfiguration drehbar an dem Turm der Windkraftanlage befestigt, wobei dessen vertikale Arbeitsposition in Bezug auf die Rotoreinheit jeweils unverändert bleibt. Je nach Länge des Luftleitelements ist zwischen dessen äußeren Einlassbereich und seinem Übergabebereich noch zumindest eine weitere Lagerstelle für das Luftleitelement vorgesehen, wobei hierfür insbesondere eine mehrteilige Spannvorrichtung verwendet werden kann, welche zusammen mit der Rotoreinheit umlaufen kann.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung kann bei der Windkraftanlage das Kopplungselement ein äußeres Ringträger-Element vorgesehen sein, welches die Rotoreinheit zentrisch umgibt, wobei der Übergabebereich des zumindest einen Luftleitelements luftdicht mit dem äußeren Ringträger-Element verbunden ist. Sofern eine Windkraftanlage eine zusätzliche Flügellagerung in Form eines Ringträgers-Elements aufweist, wie sie beispielsweise in der Patentanmeldung
DE 10 2004 020 835 A1 offenbart ist, dann kann der Übergabebereich des Luftleitelements luftdicht mit dem äußeren Ringträger-Element verbunden sein, wodurch eine besonders einfache Befestigung des Luftleitelements an der Windkraftanlage möglich ist. Hierbei kann in besonders vorteilhafter Art und Weise das zumindest eine Luftleitelement aus einem formfesten Werkstoff bestehen, wobei dessen Übergabebereich für die möglich einfache luftdichte Verbindung mit dem äußeren Ringträger-Element ausgebildet sein kann. Sofern das Luftleitelement luftdicht mit der Windkraftanlage, und insbesondere mit dem äußeren Ringträger-Element, verbunden werden kann, dann lässt sich die zusätzliche Windkraft durch das Luftleitelement ohne die Strömungsverluste aufgrund von Leckageluftströmen zwischen dem äußeren Ringträger-Element und dem Übergabebereich des Luftleitelements auf die Rotorflügel übertragen, wodurch ein besonders wirtschaftlicher Betrieb der Windkraftanlage ermöglicht wird.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann bei der Windkraftanlage das zumindest eine Luftleitelement in dessen Umfangsrichtung eine wellenförmige Gestaltung aufweisen. Sofern das zumindest eine Luftleitelement aus einem formfesten Werkstoff besteht, dann lässt sich mittels der gewellten bzw. wellenförmigen Gestaltung des zumindest einen Luftleitelements in dessen Umfangsrichtung eine zusätzliche Stabilität des Luftleitelements in Hinblick auf dessen Verformung aufgrund der daran angreifenden Windkräften erreichen. Die Amplitude der Wellenform ist dabei jedoch derart zu wählen, dass ein Auftreten von Verwirbelungen im Übergabebereich vermieden wird, welche die Wirkung der zusätzlichen Windkraft auf die umlaufenden Rotorflügel beeinträchtigen könnten.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel kann sich das zumindest eine Luftleitelement von seinem äußeren Einlassbereich zu dem Übergabebereich hin verjüngen. Damit kann das zumindest eine Luftleitelement eine Gestaltung in der Art eines Trichters annehmen, welcher seinen durchströmten Querschnitt in Richtung der Rotorflügel der Rotoreinheit hin verringert, so dass bei der vorliegenden Windkraftanlage die Strömungsgeschwindigkeit des zugeführten Luftstroms insbesondere im Übergabebereich im Vergleich zu einer Windkraftanlage ohne das vorliegende Luftleitelement erhöht ist.
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Gemäß einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform können bei der Windkraftanlage eine zweite Rotoreinheit mit einem um dessen zweite Rotorachse umlaufendes zweites Ringträger-Element vorgesehen sein, und die erste Rotoreinheit kann ein die erste Rotorachse konzentrisch umlaufendes erstes inneres Ringträger-Element aufweisen, wobei das erste innere Ringträger-Element der ersten Rotoreinheit einen gleich großen oder einen etwas größeren Durchmesser als das zweite Ringträger-Element aufweist und konzentrisch sowie benachbart zu diesem angeordnet ist. Des Weiteren kann im Bereich zwischen dem ersten inneren Ringträger-Element und dem zweiten Ringträger-Element ein zweites Luftleitelement vorgesehen sein.
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Der Einsatz der vorliegenden Luftleitelemente ist ebenfalls bei mehrstufigen Windkraftanlagen möglich, wobei der Aufbau und Funktionsweise von solchen Anlangen beispielsweise in der Patentschrift
DE 10 2005 023 120 B3 offenbart ist. So ist bei derartigen Windkraftanlagen gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass das zumindest eine Luftleitelement im Bereich von einem ersten äußeren Ringträger-Element, welches die erste Rotoreinheit konzentrisch umgibt, angeordnet und mit diesem verbunden ist. Allerdings gibt es im Hinblick auf höherstufige Anlagen (insbesondere mehr als zwei Stufen) bei der Herstellung und in diesem Zusammenhang den Kosten für ein umlaufendes Luftleitelement Grenzen, so dass bei diesen Anlagen die technischen Möglichkeiten zur Verlängerung der Windleitplanken zu erweitern wären.
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Des Weiteren gibt es bei mehrstufigen Anlagen mit einem Luftleitelement in Trichterform eine besondere Verwendung in der Art einer talfüllenden Anlage, wie sie besonders vorteilhaft im Bereich von kanalförmigen geologischen Strukturen (bspw. Canons in USA oder China) anzutreffen sind, wobei in diesen in der Regel nur eine einzige Windrichtung vorherrscht. Derartige Windkraftanlagen sind des Weiteren eine zusätzliche Attraktion für Besichtigungen und bieten zusätzlich die Möglichkeit der verbesserten Wirtschaftlichkeit, wenn an einer solchen Anlage Besucherplattformen installiert werden. Alternativ dazu kann eine solche Anlage auch an langen Stränden aufgebaut werden, da an einem solchen Standort der Wind zumeist vom Meer her weht.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das zweite Luftleitelement eine rotationssymmetrische Gestaltung aufweisen. Die Gestaltung des zweiten Luftleitelements hängt davon ab, ob das erste innere Ringträger-Element und das zweite Ringträger-Element gemeinsam feststehend oder gegeneinander umlaufend sind. In ersten Fall kann das zweite Luftleitelement eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Gestaltung, insbesondere in der Art eines spitzen Keils bzw. als dazwischen liegende keilförmige Leitplanke aufweisen, welcher die äußere Oberfläche der beiden beteiligten Ringträger-Elemente mit seinem größeren Ende überlappt. Wenn bei einer mehrstufigen Windkraftanlage die Flügel von angrenzenden Rotoreinheiten in der gleichen Richtung umlaufen, dann können sich deren Spitzen auch ohne Probleme überlappen.
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Gemäß einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das zweite Luftleitelement einen ersten Luftleitkörper und einen zweiten Luftleitkörper aufweisen, wobei der erste Luftleitkörper mit der ersten Rotoreinheit und der zweite Luftleitkörper mit der zweiten Rotoreinheit gekoppelt ist.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel können sich der erste Luftleitkörper und der zweite Luftleitkörper im Betrieb relativ zueinander um die Rotorachse der ersten Rotoreinheit bewegen. Ist das zweite Luftleitelement mittels zweier separater Bauteile, nämlich der beiden Luftleitkörper, ausgebildet, so können deren freie Enden jeweils aufeinander zulaufen und dabei insbesondere eine kegelförmige Gestaltung aufweisen. Die freien Enden der beiden Luftleitelemente sind dabei in radialer Richtung nur gering voneinander beabstandet, sowie jeweils an einem der beteiligten Ringträger-Element befestigt sind, so dass sie gegeneinander umlaufen können.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden in den Figuren der Zeichnung illustriert und detaillierter in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung näher erläutert. Von den Figuren zeigt
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1 eine seitliche Ansicht einer vorliegenden einstufigen Windkraftanlage mit einem konischen Luftleitelement;
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2A eine Ansicht der Vorderseite einer weiteren vorliegenden zweistufigen Windkraftanlage mit mehreren Luftleitelementen;
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2B eine seitliche Ansicht der zweistufigen Windkraftanlage gemäß 2A;
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3 eine seitliche Teilschnittansicht eines herkömmlichen dreiflügeligen Turmwindrads mit einem vorliegenden Luftleitelement in der Art eines elastischen Gewebeschlauchs;
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4 eine schematische Ansicht eines herkömmlichen dreiflügeligen Turmwindrads mit einem vorliegenden Luftleitelement in der Art eines elastischen Gewebeschlauchs mit einer ersten Lagerungsvorrichtung für selbigen; und
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5 eine schematische Ansicht des herkömmlichen dreiflügeligen Turmwindrads gemäß 4 mit einer zweiten Lagerungsvorrichtung für das Luftleitelement.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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Bezugnehmend auf 1 und 2 soll nun der grundlegende Aufbau der vorliegenden Windkraftanlage mit zumindest einem Luftleitelement aus einem formfesten Werkstoff beschrieben werden.
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1 zeigt eine einstufige Windkraftanlage, welche aus einer Rotoreinheit 1, einem äußeren Ringträger-Element 8 als ein Koppelungselement und einer Vielzahl von Rotorflügeln (nicht dargestellt) besteht, welche durch ein Säulensystem getragen sind. Vorzugsweise, wie in 1 ersichtlich ist, sind sechs äußere Stützsäulen, d.h. zwei seitliche kürzere Stützsäulen 21 und vier schräg versetzte längere Stützsäulen 20, welche von einem bodenseitigen Lagerabschnitt schräg in Richtung des äußeren Ringträger-Elementes 8 verlaufen, an geeigneten Stellen an dem äußeren Ringträger-Element 8 fest montiert, beispielsweise am horizontal äußersten Umfangsrand des äußeren Ringträger-Elementes 8. Ferner sind beispielsweise zwei Trägersäulen 22, welche sich in vertikaler Richtung von einem bodenseitigen Lagerabschnitt erstrecken und ebenfalls an geeigneten Stellen des äußeren Ringträger-Elementes 8 für eine Lagerung desselben befestigt sind, ebenfalls an dem horizontal äußersten Umfangsrand des äußeren Ringträger-Elementes 8 fest angebracht. Zusätzlich ist beispielsweise eine Standsäule 23 vorgesehen, welche sich ausgehend von einer bodenseitigen Lagerung in vertikaler Richtung bezüglich des äußeren Ringträger-Elementes 8 mittig erstreckt und an dem unteren Schnittpunkt und dem oberen Schnittpunkt mit dem äußeren Ringträger-Element 8 sowie mit einem Gehäuseabschnitt der Rotoreinheit 1 befestigt ist.
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Die Windkraftanlage bzw. das äußere Ringträger-Element 8 ist derart über das Säulensystem, bestehend aus den Säulen 20, 21, 22 und 23, bodenseitig gelagert, dass sich die Windkraftanlage um ihre vertikale Achse in einem Kreis bewegen kann, um somit die Anordnung gemäß der augenblicklich vorherrschenden Windrichtung für eine optimale Ausnutzung der Windkraft auszurichten. Dazu sind beispielsweise die sechs äußeren Stützsäulen 20, 21 in einer ersten kreisförmigen Spezial-Schienenbahn (nicht dargestellt) und die zwei Trägersäulen 22 in einer zweiten dazu konzentrisch synchron verlaufenden inneren Spezial-Schienenbahn (nicht dargestellt) geführt und gelagert.
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Des Weiteren weist die vorliegende Windkraftanlage zwei Energie-Abnahmestellen 24 auf, welche zur Energie-Abnahme beispielsweise ein Getriebe, eine Bremse, einen Generator sowie Steuerungs-Aggregate aufweist.
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Ein Luftleitelement 3 aus einem formfesten Werkstoff, insbesondere aus einem korrosionsfesten metallischen Werkstoff oder einem witterungsbeständigen Kunststoff, ist fest an dem äußeren Ringträger-Element 8 befestigt und bildet gemeinsam mit diesem eine luftdichte Verbindung. Das Luftleitelement 3 kann keine Dreh- bzw. Schwenkbewegung in Bezug auf die Rotorachse der Rotoreinheit 1 ausführen. Des Weiteren weist das Luftleitelement 3 eine Gestaltung in der Art eines Kegelstumpfes auf, dessen Enden jeweils offen sind. Das Luftleitelement 3 weist zudem an einer Öffnungsseite einen äußeren Einlassbereich 4 auf, welcher sich in Richtung des äußeren Ringträger-Elements 8 verjüngt und in einen Übergabebereich 5 mündet, welcher im Wesentlichen mit dem äußeren Umfang des äußeren Ringträger-Elements 8 identisch ist. Das Luftleitelement 3 weist vorzugsweise eine geschlossene Oberfläche auf, so dass die zusätzliche Windkraft ohne nennenswerte Verluste auf die Rotorflügel übertragen werden kann. Der Wind W tritt dabei in das Luftleitelement 3 von oben kommend ein.
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Zur besseren Abstützung des Luftleitelements 3 an dem äußeren Ringträger-Element 8 ist zudem am Umfang des äußeren Ringläufer-Elements 8 eine Vielzahl von vorzugsweise vertikal angeordneten Streben (nicht dargestellt) vorgesehen, so dass ein Umknicken des Luftleitelements 3 unter dem Einfluss der Windkraft verhindert werden kann.
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2A und
2B zeigen den Aufbau einer weiteren vorliegenden zweistufigen Windkraftanlage mit mehreren Luftleitelementen, wobei ein erstes Luftleitelement
3 und ein zweites Luftleitelement
10 zum Einsatz kommt. Die vorliegende Windkraftanlage umfasst eine erste Rotoreinheit
1 und eine zweite Rotoreinheit
9, die jeweils auf einer separaten Rotorwelle drehbar angeordnet sind, wobei die beiden Rotorwellen um dieselbe, d.h. eine gemeinsame Rotorachse
26 umlaufen. Die beiden Rotorwellen sind an dem Gehäuse (nicht dargestellt) der Windkraftanlage gelagert. Der Aufbau der beiden Rotoreinheiten
1,
9 sowie deren Anbindung an das zugehörige Gehäuse wird detailliert zum Beispiel in der Patentschrift
DE 10 2005 023 120 B3 beschrieben und stellt keine erfindungswesentliche Offenbarung dar.
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Die erste Rotoreinheit 1 weist an ihrem radialen Ende ein äußeres Ringträger-Element 8 als ein Kopplungselement auf, welches konzentrisch zu der Rotorachse 26 angeordnet ist. Vorzugsweise ist das äußere Ringträger-Element 8 angeordnet. An dem äußeren Ringträger-Element 8 ist ein (erstes) Luftleitelement 3 angeordnet, welches eine rotationssymmetrische Gestaltung in der Art eines Kegelstumpfes aufweist und aus einem formfesten Werkstoff mit einer vorzugsweisen geschlossenen Oberfläche besteht. Hierfür kann beispielweise ein Blech aus einer Aluminiumlegierung oder einem nichtrostenden (Edel)Stahl verwendet werden. Alternativ kann das erste Luftleitelement 3 zwar ebenfalls eine kegelstumpfförmige Gestaltung aufweisen, allerdings ist dabei dessen Umfangsfläche gewellt bzw. wellenförmig ausgebildet.
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Das erste Luftleitelement 3 ist drehfest in Bezug auf die Rotorachse 26 der ersten Rotoreinheit 1 mit dem Ringträger-Element 8 verbunden.
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Das erste Luftleitelement 3 weist einen äußeren Einlassbereich 4 sowie einen Übergabebereich 5 auf, wobei sich das Luftleitelement 3 von dem äußeren Einlassbereich 4 zu dem Übergabebereich 4 hin verjüngt. Der Übergabebereich 4 ist mit dem äußeren Ringträger-Element 8 luftdicht verbunden, so dass keine Leckageströme zwischen diesen beiden Bauteilen austreten können, welche die verbesserte Wirtschaftlichkeit der Windkraftanlage aufgrund des vorliegenden ersten Luftleitelements 3 verringern würden.
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Das erste Luftleitelement 3 wird von einem Stützgerüst 25 in seiner Position gehalten, wobei das Stützgerüst 25 sowohl mit dem ersten Luftleitelement 3 als auch mit dem äußeren Ringträger-Element 8 in Kontakt steht. Das Stützgerüst 25 weist entlang seines Umfangs eine Vielzahl von insbesondere regelmäßig beabstandet angeordneten Trägern (nicht dargestellt) auf, welche die von der Windkraft in das erste Luftleitelement 3 eingeleiteten Kräfte in das äußere Ringträger-Element 8 übertragen bzw. in dieses einleiten.
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Die erste Rotoreinheit 1 weist im Bereich des inneren radialen Endes seiner Rotorflügel 2 ein erstes inneres Ringträger-Element 12 auf, das konzentrisch zu der Rotationsachse 26 angeordnet ist und zusammen mit den Rotorflügeln 2 der Rotoreinheit 1 umläuft.
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Die zweite Rotoreinheit 9 weist im Bereich von seinem radialen Ende ein zweites Ringträger-Element 11 auf, welches konzentrisch zu der zweiten Rotoreinheit 9 angeordnet ist.
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Bei der dargestellten Ausführungsform der zweistufigen Windkraftanlage läuft das erste innere Ringträger-Element 12 während des Betriebs um, so dass das zweite Luftleitelement 10 aus zwei Bauteilen gebildet wird, nämlich dem ersten Luftleitkörper 10a und dem zweiten Luftleitkörper 10b, welche getrennt voneinander sind.
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Im Bereich von einer Außenseite des ersten inneren Ringträger-Elements 12 ist der erste Luftleitkörper 10a angeordnet, welcher eine keilförmige Gestaltung aufweist, welche sich mit zunehmendem Abstand von dem ersten inneren Ringträger-Element 12 verjüngt und bis zu einem vorbestimmten Abstand von diesem weg erstreckt. Im Bereich von einer Außenseite des zweiten Ringträger-Elements 11 ist der zweite Luftleitkörper 10b angeordnet, welcher eine keilförmige Gestaltung aufweist, welche sind mit zunehmendem Abstand von dem zweiten Ringträger-Element 11 verjüngt und sich bis zu einem vorbestimmten Abstand von diesem weg erstreckt. Die beiden Luftleitkörper 10a, 10b bestehen jeweils aus einem formfesten Werkstoff und sind im Bereich ihrer freien Ende in radialer Richtung um einen vorbestimmten Abstand, welcher vorzugsweise sehr gering ist, beabstandet. Das zweite Luftleitelement 10 sorgt zusammen mit dem ersten Luftleitelement 3 für eine Verengung der anströmenden Luft in Richtung auf die beiden Rotoreinheiten 1, 9, wodurch die Geschwindigkeit der anströmenden Luft erhöht und somit die Kraft auf die jeweiligen Rotorflügel vergrößert wird.
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Falls das erste innere Ringträger-Element 12 im Betrieb keine Relativbewegung gegenüber dem zweiten Ringträger-Element 11 durchführt, so kann das zweite Luftleitelement 10 auch einstückig in der Art eines spitzen Keils ausgebildet sein, wobei dieser derart angeordnet und dimensioniert ist, dass sein größeres Ende jeweils die äußere Oberflächen des zweites Ringträger-Elements 11 und des inneren Ringträger-Elements 12 bedeckt.
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3 zeigt schematisch in einer seitlichen Teilschnittansicht ein herkömmliches dreiflügeliges Turmwindrad mit einem Luftleitelement in der Art eines elastischen Gewebeschlauchs 3, welcher eine signifikante Zunahme der Windkraft im Bereich der Rotorflügel 2 bewirkt. Die Windkraftanlage besteht aus einer Rotoreinheit 1 mit drei Rotorflügeln 2, die sternförmig um die Rotationsachse 26 der Rotoreinheit 1 angeordnet sind. Die Rotoreinheit 1 ist drehbar an einem Turmmast 13 gelagert, so dass die Rotoreinheit 1 in Richtung der jeweils vorherrschenden Windrichtung ausgerichtet werden kann.
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Das vorliegende Luftleitelement ist in der Art eines elastischen Gewebeschlauchs 3 ausgebildet, welcher sich von einem äußeren Einlassbereich 4 hin zu einem Übergabebereich 5 erstreckt, wobei der elastische Gewebeschlauch 3 als ein im Wesentlichen rotationssymmetrisches Bauteil ausgebildet ist, welches jedoch keine selbsttragenden Eigenschaften besitzt. Die Oberfläche des elastischen Gewebeschlauchs 3 ist geschlossen, so dass der eintretende Wind von dem äußeren Einlassbereich 4 ohne nennenswerte Leckageströme zu dem Übergabebereich 5 geleitet werden kann.
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Der elastische Gewebeschlauch 3 besitzt eine im Wesentlichen kegelstumpfförmige Gestaltung dessen Enden jeweils für den Ein- bzw. Austritt der Luft offen sind, wobei der Durchmesser D2 des äußeren Einlassbereichs 4 größer als der Durchmesser D1 des Übergabebereichs 5 ist. Der Durchmesser D1 des Übergabebereichs 5 entspricht im Wesentlichen dem Durchmesser desjenigen Kreises, welcher von dem gesamten Raum den umlaufenden äußeren Enden der Rotorflügel 2 beschrieben bzw. gebildet wird. In einer beispielhaften Windkraftanlage kann der Durchmesser D2 des äußeren Einlassbereichs 4 140 Meter betragen, und der Durchmesser D1 des Übergabebereichs 5 kann 70 Meter betragen. Der elastische Gewebeschlauch 3 besitzt zudem eine axiale Länge L1, welche sich von dem äußeren Einlassbereich 4 bis zu dem Übergabebereich 5 erstreckt, und beispielsweise 5 bis 10 Meter betragen kann (Darstellung der Länge L1 im Vergleich zur tatsächlichen Länge aus Gründen der Veranschaulichung hier nicht maßstabsgerecht gewählt). Je nach Platzangebot des Standorts der Windkraftanlage kann diese jedoch entsprechend verkürzt oder sogar verlängert werden.
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Der elastische Gewebeschlauch 3 besteht vorzugsweise aus einem relativ preiswerten und luftdichten Werkstoff, wobei je nach Standort der Windkraftanlage beispielsweise ein Gewebe aus Bambusfasern oder ein witterungsbeständiger Kunststoff, insbesondere PVC, oder ein Gewebe aus Kohlenstofffasern verwendet werden kann.
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Damit der elastische Gewebeschlauch 3 seine kegelstumpfförmige Gestalt annehmen kann, sind entlang dessen Länge L1 eine Vielzahl von Stützringen 6, 7 vorgesehen, welche jeweils den lokalen Durchmesser des elastischen Gewebeschlauchs 3 festlegen, so dass dessen gewünschte konische Gestalt entsteht. Die Stützringe 6, 7 können bei der vorliegenden Ausführungsform des elastischen Gewebeschlauchs 3 entlang dessen Länge L1 regelmäßig beabstandet angeordnet sein, wobei je nach Windverhältnissen am Standort der Windkraftanlage die Abstände zwischen zwei benachbarten Stützringen entsprechend zu wählen sind. Die Stützringe 6, 7 sind jeweils im Bereich der inneren Umfangsfläche des elastischen Gewebeschlauchs 3 angeordnet und mit diesem verbunden und bestehen beispielsweise aus zusammengefügten Bambusstäben oder (dünnen) Aluminiumrohren. Im Bereich des äußeren Einlassbereich 4 und des Übergabebereich 5 ist jeweils ein Stützring angeordnet, wobei ein Stützring 27 als Kopplungselement zum Anbinden des Luftleitelements 3 an die Windkraftanlage vorgesehen ist. Der Stützring 27 bzw. das ist drehfest in Bezug auf die Rotorachse 26 der Rotoreinheit 1 angeordnet.
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Der Übergabebereich 5 des elastischen Gewebeschlauchs 3 ist mit dem drehbaren Gehäuse der Rotoreinheit 1 und dem Turmmast 13 mithilfe einer Befestigungsvorrichtung 14 derart verbunden, dass dieser immer konzentrisch zu der Rotationsachse der Rotoreinheit 1 ist, und sich synchron mit der Bewegung der Rotoreinheit 1 bewegen kann. Die Vielzahl von Stützringen 6, 7 zwischen dem äußeren Einlassbereich 4 sowie das Kopplungselement 27 vor dem Übergangbereich 5 werden in ihrer jeweiligen vertikalen Position von einer Aufspannvorrichtung 17 gehalten, wobei diese auf Schienenkörpern 15, 16 um den Turmmast 13 konzentrisch umläuft und von einem Antrieb (nicht dargestellt) angetrieben wird, und somit den elastischen Gewebeschlauch 3 synchron mit der Bewegung der Rotoreinheit 1 in Abhängigkeit von der aktuellen Windrichtung bewegt, wobei der elastische Gewebeschlauch 3 jeweils seine konzentrische Ausrichtung zu der Rotationsachse 26 der Rotorflügeln 2 beibehält.
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4 zeigt eine schematische Ansicht eines herkömmlichen dreiflügeligen Turmwindrads mit einem Luftleitelement in der Art eines elastischen Gewebeschlauchs mit einer ersten Lagerungsvorrichtung für selbige. Der Aufbau des elastischen Gewebeschlauchs ist im Wesentlichen identisch mit demjenigen von 3, so dass lediglich ergänzende Ausführungen gemacht werden. Der Gewebeschlauch ist über jeweils einen unteren und einen oberen Halterungsarm 28 mit dem Turmmasten 13 gekoppelt, wobei dieser jeweils einen Umlaufring 30 aufweist, so dass sich das Luftleitelement je nach der vorherrschenden Windrichtung um den feststehenden Turmmasten 13 drehen kann. Die Länge der Kopplungsarme 28 beträgt vorzugsweise zwischen 5 m und 10 m. Die Anbindung des Luftleitelements an eine Rotoreinheit 43, welche drei Flügel 2 aufweist, erfolgt mittels eines inneren Trichterrings 31, welcher ebenfalls jeweils mit den Umlaufringen 30 gekoppelt ist. Das freie Ende des Luftleitelements bildet ein äußerer Trichterring 32. Der Durchmesser des inneren Trichterrings 31 beträgt vorzugsweise zwischen 40 m bis 70 m. Der Durchmesser des äußeren Trichterrings 32 beträgt vorzugsweise zwischen 80 m bis 140 m.
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Das Halten und Nachführen des Luftleitelements erfolgt mit Hilfe einer Stützvorrichtung, welche aus einem ersten Stützträger 38, einem zweiten Stützträger 41, Streben 44, einer Verfahrvorrichtung 40, sowie Motoren 39 der Verfahrvorrichtung gebildet wird. Der erste Stützträger 38 und der zweite Stützträger 41 sind mit dem unteren Halterungsarm 28 des Luftleitelements gekoppelt, wobei der erste Stützträger 38 zugleich mit dem äußeren Trichterring 32 gekoppelt ist. Der erste Stützträger 38 ist über die jeweils seitlich angeordneten Streben 44 mit der Verfahrvorrichtung 40 gekoppelt. Die Verfahrvorrichtung 40 weist eine gekrümmt Gestalt auf, die über die Motoren 39 auf einer kreisförmigen Ringbahn 42 um den Turmmasten 13 konzentrisch auf Schienen (nicht dargestellt) umläuft, so dass das Luftleitelement von der Verfahrvorrichtung 40 über die Stützvorrichtung in die jeweils vorherrschende Windrichtung ausgerichtet und verfahren werden kann. Die Verfahrvorrichtung 40 kann zum Beispiel über Lichtsensoren (nicht dargestellt) ein- und ausgeschaltet werden.
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Die Konfiguration der Stützvorrichtung für das Luftleitelement als eine erd- und säulengebundene Halterung eignet sich besonders für Einsatzorte des Turmwindrads, bei denen die das Turmwindrad umgebende Fläche sich gar nicht oder kaum für eine land- bzw. forstwirtschaftliche Nutzung eignet, so dass kaum Pflegebedarf zur Freihaltung diese Fläche besteht. Voraussetzung für die Errichtung eines Turmwindrads an solchen Standorten ist jedoch eine Aussicht auf eine hohe erziehbare Energieleistung, so dass sich die zusätzlichen Kosten für die Stützvorrichtung möglichst schnell amortisieren.
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5 zeigt eine schematische Ansicht des herkömmlichen dreiflügeligen Turmwindrads gemäß 4 mit einer zweiten Lagerungsvorrichtung für das Luftleitelement. Im Unterschied zu der Konfiguration gemäß 4 entfällt zur Nachführung des Luftleitelements 36 die Verfahrvorrichtung. Stattdessen erfolgt die Anbindung des Luftleitelements 36 an den Turmmasten 13 über jeweils einen unteren und oberen Kopplungsarm 28, die jeweils senkrecht zu dem Turmmasten 13 verlaufen und mit dem äußeren Trichterring 32 gekoppelt sind. Der obere Kopplungsarm 28 kann auch gegenüber der Horizontalen geneigt sein. Der obere Kopplungsarm 28 ist über eine Verlängerung 45 mit dem Turmmasten 13 gekoppelt, welche die Anbindung des Luftleitelements 36 an den Turmmasten 13 für den Bereich oberhalb des inneren Trichterrings 31 weiterführt. Die Drehung des Luftleitelements um den Turmmasten 13 wird wiederum mit Hilfe von Umlaufringen 30 realisiert, die an dem Turmmasten 13 angeordnet und mit dem Luftleitelement 36 und dem beiden Kopplungsarmen 28 gekoppelt sind. Die Länge der Kopplungsarme 28 beträgt vorzugsweise zwischen 5 m und 10 m. Der Durchmesser des inneren Trichterrings 31 beträgt vorzugsweise zwischen 35 m bis 65 m. Der Durchmesser des äußeren Trichterrings 32 beträgt vorzugsweise zwischen 70 m bis 130 m.
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Diese Konfiguration erlaubt die Realisierung einer Windkraftanlage in der Art einer reinen Säulenhalterung, welche vorzugsweise über Wasser bzw. auf dem Meer verwendet werden kann. Des Weiteren eignet sich die reine Säulenhalterung auch für Standorte, die in bereits landwirtschaftlich genutzten Gebieten liegen, so dass der Flächenverbrauch durch die Windkraftanlage möglichst gering sowie die Auswirkungen des Betriebs der Anlage auf die Bewirtschaftung der umgebenden Fläche ebenfalls möglichst gering ist. BEZUGSZEICHENLISTE
| 1 | Rotoreinheit |
| 2 | Rotorflügel |
| 3 | Luftleitelement |
| 4 | Äußerer Einlassbereich |
| 5 | Übergabebereich |
| 6, 7 | Stützringe |
| 8 | Äußeres Ringträger-Element |
| 9 | Zweite Rotoreinheit |
| 10 | Zweites Luftleitelement |
| 10a, 10b | Luftleitkörper |
| 11 | Zweites Ringträger-Element |
| 12 | Erstes inneres Ringträger-Element |
| 13 | Turmmast |
| 14 | Befestigungsvorrichtung |
| 15, 16 | Schienenkörper |
| 17 | Aufspannvorrichtung |
| 20, 21 | Stützsäulen |
| 22 | Trägersäulen |
| 23 | Standsäule |
| 24 | Energie-Abnahmestellen |
| 25 | Stützgerüst |
| 26 | Rotorachse |
| 27 | Kopplungselement |
| 28 | Oberer bzw. unterer Kopplungsarm |
| 30 | Umlaufring |
| 31 | Innerer Trichterring |
| 32 | Äußerer Trichterring |
| 35 | Stabilisierungsring |
| 36 | Gewebeschlauch |
| 38 | Erster Stützträger |
| 39 | Motoren |
| 40 | Verfahrvorrichtung |
| 41 | Zweiter Stützträger |
| 42 | Ringbahn |
| 43 | Rotoreinheit |
| 44 | Streben |
| 45 | Verlängerung |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004020835 A1 [0025]
- DE 102005023120 B3 [0029, 0048]
