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Windkraftanlagen wandeln die regenerative Energie des Windes in elektrische Energie um. Aufgrund der höheren und stetigeren Windgeschwindigkeit in größeren Höhen sind die Stromentstehungskosten in der Regel um so kleiner je höher und größer die Anlage ist. Ab einer bestimmten Bauhöhe steigt jedoch bei den bekannten Horizontalläufern der Aufwand für Transport und Montage stark an, da die einzelnen Bauelemente in Ihrem Gewicht oder Höhe an die Grenzen der Transport- und Montagemöglichkeiten stoßen. Auch die Fliehkräfte innerhalb der Rotorblätter sowie deren Belastungen aus der Gewichtskraft, welche auf die Rotorblätter je nach Stellung in unterschiedliche Richtungen wirkt, lässt eine weitere Größenzunahme nur bedingt zu. Die bekannten Bauweisen für Vertikalläufer sind kaum geeignet diese Windkraftanlagen in sehr großer Größe auszuführen. Generell gilt das der konstruktive Aufwand für das Tragwerk, welches die großen horizontalen Lasten zum Boden ableiten muss, mit steigender Höhe überproportional wächst.
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Ziel der Erfindung ist es eine Windkraftanlage zu entwickeln, deren konstruktiver Aufwand möglichst gering ist, die einfach in gut zu transportierenden Einzelteilen zu fertigen ist, große bauliche Höhen ermöglicht und dabei einen hinreichend guten Wirkungsgrad erzielt. Der Anteil der mechanisch beanspruchten und damit wartungsintensiven Teile wie Lager, Getriebe etc. soll minimiert werden. Die dynamischen Lastwechsel sollen möglichst gering sein.
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Erreicht wird dies durch eine Windkraftanlage mit folgenden Aufbau: Ein unterer, auf einem kreisrunden Auflager (3) drehbar gelagerter Ring (1) bildet die Basis der Windkraftanlage. Daran schließt sich ein vorzugsweise doppelt gekrümmtes Netz aus Streben (2) an, dessen Maschen als Dreiecksmaschen ausgebildet sind. Die stehenden Streben (2b) haben eine aerodynamisch ausgebildete Querschnittsform wie sie z. B. bei H-Darrieus Anlagen verwendet wird und die bei entsprechender Rotation um die zentrale vertikale Achse bei Wind zu einer Vortriebskraft führt. Die Windlasten werden also nicht über einen zentralen Masten zum Boden geleitet, sondern über das Netzgittertragwerk zum ringförmigen Auflager (3). Ein derartiges Tragwerk ist äußerst materialeffizient, da das aus der Horizontalkraft entstehende Biegemoment nicht über statisch uneffiziente Biegeträger abgeleitet wird, sondern über hauptsächlich mit Normalkraft beanspruchte Streben nach unten geführt wird. Die Knicklänge der Streben (2) ist dabei im Vergleich zu den Gesamtdimensionen relativ gering. Hierdurch können sie sehr leicht ausgeführt werden. Die Gesamtbaumasse ist verhältnismäßig klein. Alle Einzelteile sind leicht zu transportieren, auch bei Strukturen die z. B. deutlich höher als 100 m sind. Die Streben (2) können über ihre gesamte Länge einen gleichbleibenden Querschnitt aufweisen was einfachere Fertigungsmethoden wie beispielsweise das Extrudieren ermöglicht.
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Die Form dieses Netzgittertragwerkes kann zylindrisch sein. Es ist jedoch vorteilhaft es zweifach gekrümmt auszubilden. Dies hat folgende Vorteile: Erstens: Die Lastabtragung eines zweifach gekrümmten Netzgittertragwerks ist effizienter als bei einfacher Krümmung. Zweitens: Der Durchmesser der Struktur in größerer Höhe ist größer als der vom Basisring. Damit ist die Geschwindigkeit am Basisring kleiner als im oberen Teil was günstig für die Reibungsverluste der Lagerung bzw. die Windausbeute ist. Die Querschnittsform der Gesamtstruktur kann so gebildet sein, das in Ähnlichkeit zum vorherrschendem Windprofil der Durchmesser mit der Höhe zunächst stark, später weniger stark zunimmt. Hierdurch kann erreicht werden das das Verhältnis von lokaler Windgeschwindigkeit zur lokalen Rotationsgeschwindigkeit auch bei großen Bauhöhen von über 100 m annähernd gleich bleibt.
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Der untere Ring muss sowohl Kräfte aus dem Netzgitter aufnehmen und ableiten als auch die Rotationsbewegung ermöglichen. Hierbei sind verschiedene Ausführungsvarianten denkbar: Eine Lagerung auf Rollen bzw. Schienen erscheint zwar möglich jedoch recht aufwendig und wartungsintensiv. Eine Lagerung durch ein magnetisches Feld ist zwar auch aufwendig, jedoch bietet dies die Vorteile von sehr geringen Reibungsverlusten und eine nahezu wartungsfreie Konstruktion. In Bezug auf Herstellungskosten am günstigsten erscheint es den Ring als Schwimmkörper auszubilden und diesen z. B. auf Wasser schwimmen zu lassen. Die Windlasten verursachen dabei eine gewisse Schrägstellung des Systems und damit ein unterschiedliches Eintauchen des Ringes je nach anliegenden Kräften. Die Auftriebskraft bzw. Gewichtskraft kann somit eine Reaktionskraft auf das durch die Windbelastung erzeugte Moment bilden. Dabei muss jedoch die Horizontalkraft über geeignete Auflager abgeleitet werden. Dies kann vorzugsweise über einen zentralen Drehpunkt (5) erzielt werden. Dieser sollte sinnvollerweise so gestaltet werden, das er alle Horizontalkräfte, nicht jedoch wesentliche Vertikalkräfte oder Biegemomente aufnehmen kann. Die Horizontalkräfte können entweder über eine steife Konstruktion vom Basisring zum Mittelpunkt geführt werden oder über eine Schar zugbeanspruchter Elemente (6) wie z. B. Seile entsprechend dem Prinzip des Speichenrades. Letzteres führt dazu das die Knick- bzw. Beullänge des Ringes stark reduziert wird und dieser dem entsprechend leicht ausgeführt werden kann. Dieses Prinzip des zentralen Haltepunktes kann, muss jedoch nicht für einen magnetisch gelagerte Basisring verwendet werden, da dieser auch magnetisch horizontal gehalten werden könnte.
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Bei Ausbildung des Basisringes als drehbarer Schwimmkörper entstehen gerade bei höheren Geschwindigkeiten Verluste durch den Strömungswiderstand. Der Schwimmkörper sollte also idealerweise als Rotationskörper mit glatter Oberfläche gebildet werden, dessen mit dem Wasser in Berührung kommende Oberfläche möglichst gering ist. Um die Kontaktfläche von Schwimmkörper und Wasser zu verringern kann die Querschnittsform des Ringes abgeflacht und ein Luftkissen unter dem Schwimmkörper erzeugt werden indem nach unten geöffnete Kammern (10) mit Druckluft befüllt werden. Um die Stabilität des Basisringes gegenüber Kippmomenten zu gewährleisten ist es dabei von Nöten, das die nach unten geöffneten Kammern (10) voneinander durch Schotte (9) getrennt sind, so das sich unterschiedliche Luftdrücke in den einzelnen Kammern (10) ausbilden können die eine Rückstellkraft auf das Kippmoment bei einer Schrägstellung bilden können. Eine derartige Konstruktion kann die Reibungsverluste stark verringern, gleichzeitig bietet es aber auch die Möglichkeit durch Entfernen der Druckluft die Rotationsbewegung zu bremsen, was bei sehr starken Wind vorteilhaft sein kann. Hierbei können die die einzelnen Kammern trennende Schotten (9) einen starken Strömungswiderstand bilden. Auch die Anordnung von Widerstandsflächen am Basisring, die nur bei Entfernen des Luftkissens durch ein dadurch verursachtes tieferes Eintauchen des Basisringes in Kontakt zum Wasser kommen, kann ein preiswerter Bremsmechanismus sein. Vorteilhaft ist, das die Windkraftanlage bei sehr hohen Windgeschwindigkeiten mit einer derartigen Bremsanlage nicht wie sonst üblich bis zum vollständigen Stillstand abgebremst werden muss, sondern in leicht abgebremsten Modus weiterhin Windenergie umwandeln kann.
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Die Energieumwandlung der Windenergie in elektrische oder anderweitig nutzbare mechanische Energie erfolgt entsprechend den bekannten Methoden am günstigsten direkt am Basisring. Eine Installation von Getriebe, Steuereinheiten oder Generatoren in großer Höhe ist damit nicht notwendig was sehr vorteilhaft ist. Ein am zentralen Mittelpunkt angeordneter Generator mit entsprechendem Getriebe ist zwar prinzipiell möglich, die höhere Geschwindigkeit des Basisrings lässt jedoch ein Abgreifen der Energie am Basisring wirtschaftlicher erscheinen. Hierfür gibt es eine Vielzahl von möglichen Ausführungsvarianten. So können Räder oder auf Zahnschienen laufende Zahnräder an dem Basisring ansetzten und so einen üblichen Generator antreiben. Sinnvoll erscheint die Ausbildung von mehreren solcher Energieentnahmeeinrichtungen (4), so das zur Wartung einzelne abgekoppelt werden können während das System mit den verbleibenden Energieentnahmeeinrichtungen weiter betrieben wird. Hierzu können die an den Basisring angreifenden Räder oder Rädergruppen auf schwenkbaren Auslegerarmen (7) angebracht sein, die eine Abkopplung ermöglichen und auch seitliche und vertikale Bewegungen des Ringes ausgleichen können ohne das Zwangskräfte entstehen. Die Auslegerarme (7) verlaufen dabei vorzugsweise in der Richtung der Rückstellkraft der Energieentnahmeeinrichtungen. Auch die Anordnung einer komplett ringförmigen Energieabnahmeeinrichtung, welche auf dem Basisring sitzt, ist denkbar. Die Elemente die die sich ergebende Rückstellkraft aufnehmen, sollten ebenfalls so ausgebildet sein, das sich keine Zwangskräfte bei lateralen Bewegungen z. B. infolge von thermischen Ausdehnungen oder Fertigungstoleranzen ergeben.
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Bei einer magnetischen Lagerung des Basisringes ergibt sich die Möglichkeit direkt im magnetsichen Auflager die mechanische Rotationsenergie in elektrische Energie umzuwandeln ähnlich oder gleich dem bekannten Verfahren einer Magnetschwebebahn im Bremsmodus.
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Das Netz aus Streben (2) kann auf zwei prinzipielle Bauweisen erzeugt werden, die im Bauwesen für Netzkuppeln bekannt sind. Dreiecksmaschen aus je drei drucksteifen Streben oder Vierecksmaschen aus je vier drucksteifen Streben mit einer oder zwei Auskreuzungen durch zugbelasteten Streben (2c) wie Seile oder Zugstäbe, was letztendlich auch wieder zu einer Dreiecksmasche führt. In beiden Varianten wird über die Dreiecksbildung ein Netz erzeugt das in der Fläche verrautungssteif ist. Diese Verrautungssteifheit ist maßgeblich für die effiziente Lastabtragung. Die zugbelasteten Streben (2c) sind in der Regel so stark vorgespannt, das die Zugvorspannung im Gebrauch nicht vollständig abgebaut wird.
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Bei sehr hohen und relativ schlanken Anlagen kann es sinnvoll sein auf einer oder mehreren Ebenen radiale vorgespannte Seile anzuordnen, die sich auf der Zentrumsachse treffen. Dieses Bauprinzip, welches bei Speichenrädern verwendet wird, erhöht recht effizient die räumliche Steifheit des Netzgitters.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- drehbar gelagerter Ring
- 2
- Strebe
- 2a
- horizontale Strebe
- 2b
- stehende Strebe
- 2c
- zugbelastete Strebe
- 3
- ringförmiges Auflager
- 4
- Energieentnahmeeinrichtung
- 5
- zentraler Drehpunkt
- 6
- zugbeanspruchtes Element
- 7
- Auslegerarm
- 8
- Damm
- 9
- Schotte
- 10
- nach unten geöffnete Kammer
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1 stellt einen Vertikalschnitt durch die Rotationsachse einer Ausführungsvariante dar. Die Streben (2) bilden Dreiecksmaschen wodurch eine Lastabtragung aus dem Netzgitter zum drehbar gelagerten Ring (1) effizient erzielt wird. Dieser leitet die Vertikallasten z. B. über eine magnetische Lagerung auf das ringförmige Auflager (3) und die horizontalen Lasten über z. B. zugbeanspruchte Elemente (6) zum zentralen Drehpunkt (5).
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2 stellt eine Aufsicht auf eine Ausführungsvariante aus 1 dar.
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3 stellt eine isometrische Untersicht einer Ausführungsvariante mit einem drehbaren Schwimmkörper als Basisring (1) dar. Der Basisring besitzt einzelne, nach unten geöffnete Kammern (10) welche durch Schotten (9) voneinander getrennt sind. Das Auflager des Basisrings und die Energieentnahmeeinrichtungen sind nicht dargestellt.
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4 stellt einen Ausschnitt aus einem Netzgitter mit dreieckig Maschen dar.
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5 stellt einen Ausschnitt aus einem Netzgitter mit durch zugbeanspruchte Streben (2c) wie Seile oder dünne Zugstangen ausgekreutzte Vierecksmaschen dar.
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6 stellt einen Ausschnitt aus einem Netzgitter mit durch zugbeanspruchte Streben (2c) doppelt ausgekreutzte Vierecksmaschen dar.
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7 stellt eine isometrische Ansicht einer Ausführungsvariante mit einem grobmaschigen Netz dar. Das Netz besteht aus druck- und biegesteifen Streben (2a und 2b) die viereckige Maschen bilden, welche durch vorgespannte zugbelastete Seile (2c) diagonal ausgesteift werden. Schematisch dargestellt sind auch vier Energieentnahmeeinrichtungen (4), welche über je einen Auslegerarm (7) gehalten werden. Die Lagerung erfolgt z. B. als Schwimmkörper in einem durch einen Damm (8) künstlich angelegtem Wasserbecken. Auch ein Aufbau in einem Binnensee oder Meer erscheint denkbar, wenngleich in diesem Fall die Konstruktion auf die Belastungen aus Wellengang ausgelegt und für den zentralen Drehpunkt ein entsprechendes Auflager gebildet werden muss.
