DE102011119776A1

DE102011119776A1 - Windenergieanlage mit horizontaler Rotorachse und mit unten liegendem Antrieb

Info

Publication number: DE102011119776A1
Application number: DE102011119776A
Authority: DE
Inventors: Horst Bendix; Jürgen Peschke; Klaus Hofmann
Original assignee: SIEMAG TECBERG GROUP GmbH
Current assignee: SIEMAG TECBERG GROUP GmbH
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2013-06-06
Also published as: WO2013079698A1; CN104114861B; CN104114861A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage für große Bauhöhen und Megawattleistungen mit horizontaler Rotorwelle und mit unten liegendem Antrieb, bei der der gesamte Turm (2) mit seinen Rotorflügeln (6) in den Wind gedreht wird. Das in Nabenhöhe mit den Rotorflügeln (6) aus dem Wind gewonnene Drehmoment wird über die Rotornabe mit seiner Drehzahl auf eine obere Seiltreibscheibe (11), die auf der Rotorwelle angeordnet ist und über einen, dieser Leistung entsprechenden mehrteiligen Seiltrieb verfügt, in den Bereich des Turmfußes nach unten übertragen. Im Turmfuß wird eine zweite Seiltreibscheibe (12) auf eine Plattform (13) des gesamten Antriebes, die zugleich als Spanngewicht dient, aufgebaut. Oberhalb der Plattform (13) erhält jeder Seilstrang einzeln eine Seilspannvorrichtung, da jedes Seil minimale Längendifferenzen besitzen kann. Von der unteren Seiltreibscheibe (12) aus, die auch als Getriebe ausgeführt sein kann, wird der Antriebsstrang entweder zweifach nach beiden Seiten oder einfach nach einer Seite zu einem getriebelosen Generator oder zur Anordnung Getriebe/Generator weitergeführt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage für große Bauhöhen und Megawattleistungen mit horizontaler Rotorachse und mit unten liegendem Antrieb, bei der der gesamte Turm mit den Rotorflügeln in den Wind gestellt wird.
Stand der Technik
Windenergieanlagen mit horizontaler Rotorachse führen das durch den Wind über die Rotorflügel erzeugte Drehmoment in der Regel in Nabenhöhe auf der drehbaren Gondel über eine horizontale Antriebswelle entweder über ein Getriebe auf die Generatorwelle oder im Falle eines getriebelosen Antriebes je nach Bauart direkt auf den Rotor oder Stator des Generators. Diese traditionelle Bauweise ist in 1 dargestellt und wird am Anfang des Ausführungsbeispieles näher beschrieben
Sie bringt mit sich, dass alle Energie erzeugenden und Energie fortleitenden Antriebsteile in der Nähe der Rotorachse, also der Nabenhöhe der Windenergieanlage liegen.
Aus der Druckschrift DE 20 2009 009 517 U1 ist weiterhin eine Windenergieanlage mit horizontaler Achse und mit drehbarem Turm bekannt, wobei die Aufgabe dieser Erfindung darin besteht, den Drehantrieb für die Gondel anders und einfacher zum Drehen des Turmes nach unten zu verlegen.
Aus dem Standardwerk der Fachliteratur über Windenergieanlagen: Erich Hau, Springer-Verlag 2008, Grundlagen, Technik, Einsatz von Windkraftanlagen; und Siegfried Heier, Windkraftanlagen 2009, Verlag Vieweg und Teuber; sind darüber hinaus Lösungen über untenliegende Antriebe für kleinere Windenergieanlagen mit horizontaler Rotorachse bekannt, die über einen Kegeltrieb an der Rotorwelle in Nabenhöhe die Antriebsleistung über eine starre Welle durch den Turm nach unten führen und im Turmfuß entweder das Getriebe mit dem Generator in vertikaler Anordnung oder durch einen weiteren Kegeltrieb der Generator in horizontaler Lage angeordnet ist. Diese Art der Kraftübertragung von der oberen Rotorwelle zur unteren Generatorwelle ist nur bei Windenergieanlagen begrenzter Bauhöhen und Leistungen wirtschaftlich anwendbar.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, die Folgewirkungen der in Nabenhöhe zunehmenden Eigenmassen und Abmessungen für immer größer werdende, ausgeführte Windenergieanlagen auf das Schwingungssystem, die Standsicherheit und die Festigkeit des Systems nachhaltig einzudämmen; weiterhin die zunehmenden Aufwendungen für die Montage und Teilung dieser größer und schwerer werdenden Bauteile in immer größerer Nabenhöhe zu begrenzen und die Übereinstimmung der Hebezeuganforderungen für die Montage sowie die Möglichkeiten für Hersteller und Dienstleister zu fördern, alle Aufgaben des Service, der Wartung und erforderlicher Unterhaltungsmaßnahmen mit wesentlich geringerem Aufwand und Risiko am Turmfuß zu beherrschen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Antriebskonzept der Windenergieanlage völlig neu aufgebaut wird und die entscheidenden masseintensiven Bauteile des Antriebsstranges von der drehbaren Gondel in Nabenhöhe nach unten in den Turmfuß verlagert werden. In Nabenhöhe auf dem Turm verbleibt nur noch die Lagerung der Rotorwelle mit der Rotornabe samt Rotorflügeln. Eine drehbare Gondel ist nicht erforderlich und auch nicht mehr vorgesehen, da die gesamte Windenergieanlage mit dem Turm über dem Fundament drehbar gelagert und mit dem zugehörigen Drehantrieb in den Wind gestellt wird. Das in Nabenhöhe mit den Rotorflügeln aus dem Wind gewonnene Drehmoment wird über die Rotornabe mit seiner Drehzahl auf eine obere Seiltreibscheibe, die auf der Rotorwelle angeordnet ist, und über einen dieser Leistung entsprechenden mehrteiligen Seiltrieb verfügt, in den Bereich des Turmfußes nach unten übertragen.
Im Turmfuß wird die zweite Seiltreibscheibe auf eine Plattform des gesamten Antriebes, die zugleich als Spanngewicht dient, aufgebaut. Oberhalb der Plattform erhält jeder Seilstrang einzeln eine Seilspannvorrichtung, da jedes Seil minimale Längendifferenzen besitzen kann. Von der Lagerung der zweiten Seiltreibscheibe aus wird der weitere Antriebsstrang entweder zweifach nach jeder Seite oder einfach nach einer Seite angeordnet.
Der gesamte Turm einschließlich der oberen und unteren Antriebsteile ist auf dem Fundament mittels einer geeigneten Drehverbindung drehbar gelagert und wird – wie bisher die Gondel auf dem Turm – nunmehr als Turm ohne Gondel und mit Antriebssystem im Turmfuß automatisch in den Wind gestellt.
Der Vorteil der Erfindung liegt in der Verlegung des Antriebsstranges von der Nabenhöhe in den Turmfuß

– zur Verbesserung des dynamischen Schwingungssystems der gesamten Windenergieanlage,
– zum Vermeiden der Montage besonders schwerer Bauteile von sehr großen Windenergieanlagen, insbesondere kompletter getriebeloser Antriebe der Megawattklasse wegen des Fehlens von Hebezeugen in den zugehörigen Nabenhöhen,
– im Vermeiden hoher Kosten für das Teilen und Fügen schwerer Bauteile in diesen Höhen aus gleichem Grunde und
– insbesondere in der entscheidenden Verbesserung aller Service- und Unterhaltungsarbeiten am Antriebsstrang durch Anordnung in Flurhöhe.

Ausführungsbeispiel
Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den dazugehörigen Zeichnungen, in denen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Es zeigen:
1 eine Windenergieanlage nach dem Stand der Technik in geschnittener Darstellung als Seitenansicht,
2a eine Windenergieanlage in erfindungsgemäßer Ausführung mit Seiltreibscheibentrieb im Turm in geschnittener Darstellung in Seitenansicht,
2b eine Windenergieanlage in erfindungsgemäßer Ausführung mit Seiltreibscheibentrieb am Turm in geschnittener Darstellung in Seiten- und Rückansicht;
3 eine Windenergieanlage nach 2a in einer um 90° gedrehten Darstellung;
4 den unteren Teil einer Windenergieanlage nach 2a und 3 in standsicherer Ausführung des Turmes durch eine Kreisringbahn als größere Stützbasis anstatt der Drehverbindung, in Seitenansicht;
4a im Grundriss die Übersicht zum unteren Teil einer Windenergieanlage nach 4 mit vierfacher Abstützung auf der Kreisringbahn und
4b im Grundriss die Übersicht zum unteren Teil einer Windenergieanlage nach 4 mit dreifacher Abstützung auf der Kreisringbahn.
Die Windenergieanlage mit horizontal angeordnetem Antriebssystem 7, bestehend aus Kupplung, Getriebe und Generator, in bisher gewohnter Bauweise nach 1 vereint oberhalb des im Fundament 1 verankerten Turms 2 eine kippsichere Drehverbindung 8 mit Drehantrieb. Diese Drehverbindung 8 nimmt eine drehbare Gondel 4 auf, in der in Nabenhöhe 3 alle Funktionsbauteile des Rotorflügelsystems mit Rotornabe 5 und den Rotorflügeln 6 sowie das Antriebssystem 7 mit Lagerung, Kupplung, Getriebe und Generator, und eine Schutzhauskonstruktion 9 angeordnet sind.
Die Summe aller Eigenmassen auf der drehbaren Gondel 4 in Nabenhöhe 3 nimmt mit steigender Nabenhöhe 3 und größeren Rotorflügeldurchmesser 6, insbesondere im Zusammenhang mit dem Bemühen um getriebelose Antriebe im Bereich von Megawattleistungen in Relation zur Turmeigenmasse in solchem Maßstab zu, dass neue Bauweisen der getriebelosen Antriebe und neue konstruktive Anordnungen des gesamten Antriebssystems gesucht werden und zweckmäßig wären.
Die Windenergieanlage mit horizontalem Rotor in erfindungsgemäßer Bauart besitzt nach den 2a, 2b und 3 in Nabenhöhe anstelle der drehbaren Gondel 4 nach 1 einen drehbaren Turm 2. Dazu ist zwischen dem Fuß des Turmes 2 und dem Fundament 1 eine Drehverbindung 16 mit einem Drehwerk angeordnet. Solche Drehwerke sind von anderen Großhebezeugen bekannt und bereiten in der praktischen Ausführung für Windenergieanlagen keine Probleme. Das komplette Antriebssystem ist erfindungsgemäß im oder am Turm neben dem Turmfuß 2a angeordnet.
Am Turmkopf ist die Rotornabe 5 mit den Rotorflügeln 6 drehbar gelagert. Auf der Rotorwelle 10 ist eine obere Seiltreibscheibe 11, 11a verdrehfest angeordnet, über die ein mehrgliedriger Seiltrieb zu einer unteren Seiltreibscheibe 12 geführt wird. Dadurch wird das aus dem Wind über die Rotorflügel 6 gewonnene Drehmoment vertikal zur unteren Seiltreibscheibe 12 übertragen.
Die untere Seiltreibscheibe 12 kann das Drehmoment ohne weitere Unter- oder Übersetzung direkt auf zwei getriebelose Antriebe 15 auf beiden Seiten der Seiltreibscheibe 12 oder auf einen getriebelosen Antrieb 15 auf einer Seite der Seiltreibscheibe 12 fortleiten.
Die untere Seiltreibscheibe 12 kann auch als eine komplette Antriebseinheit aufgebaut sein, indem im Inneren der Treibscheibe 12 der Stator und Rotor des getriebelosen Generators angeordnet ist. Die untere Seiltreibscheibe 12 und zugehörigen Antriebssystemteile sind gemeinsam auf einer Plattform 13 aufgebaut. Diese Plattform 13 ist mittels gelenkiger Aufhängung oder geeigneten vertikalen Führungen als Spanngewicht für den gesamten Seiltrieb wirksam.
Um zwischen den Drahtseilen des Seiltriebes möglicherweise bestehende Längendifferenzen ausgleichen zu können, werden nach 3 separate, auf jeweils ein Seil wirkende Spannvorrichtungen 14 vorgesehen.
Für den Fall, dass der Generator eine andere Drehzahl erfordert, also kein getriebeloser Antrieb eingesetzt ist, kann die untere Seiltreibscheibe 12 auch als ein- oder mehrstufiges Planetengetriebe ausgeführt sein.
Anstelle der in 2a, 2b und 3 dargestellten kippsicheren Drehverbindung 16 zwischen dem Turm 2 und dem Fundament 1 kann nach 4, 4a und 4b eine standsichere Bauweise mit einer Kreisringbahn gewählt werden, auf der sich der entsprechend ausgeführte Turmfuß 2a mit vier Laufradgruppen oder mit drei Laufradgruppen einschließlich der Fahrantriebe abstützt.
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 202009009517 U1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Erich Hau, Springer-Verlag 2008, Grundlagen, Technik, Einsatz von Windkraftanlagen [0005]
Siegfried Heier, Windkraftanlagen 2009, Verlag Vieweg und Teuber [0005]

Claims

Windenergieanlage mit horizontaler Rotorwelle und unten liegendem Antrieb, bestehend aus einem Turm, der gegenüber dem Fundament in einer kippsicheren Drehverbindung zur Windnachführung gelagert ist, der in Nabenhöhe eine mit Rotorflügeln ausgerüstete horizontale Rotorwelle aufnimmt, eine an die horizontale Rotorwelle angeschlossene, nach unten in den Bereich des Turmfußes führende, mechanische Kraftübertragung besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung der aus dem Wind gewonnenen Leistung von der Rotorwelle (10) in Nabenhöhe (3) durch den Turm (2) oder am Turm (2) von oben nach unten mittels einem endlosen, mehrgliedrigen und mit Spanneinrichtungen (13, 14) versehenen Drahtseiltrieb von einer oberen Seiltreibscheibe (11) nach einer unteren Seiltreibscheibe (12), die innen als Getriebe oder Generator ausgebildet ist, oder auf die mit Getriebe und Generator oder getriebelos gestalteten Generatoren zur Stromerzeugung erfolgt.
Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenfundament (1) mit seiner Eigenmasse und mit dem ein- oder beidseitig der unteren Seiltreibscheibe (12) angeordneten Antrieb derart aufgebaut und gelagert ist als Spanngewicht (13) für den Seiltreibscheibentrieb genutzt wird.
Windenergieanlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mehrgliedrige Drahtseiltrieb zwischen oberer und unterer Seiltreibscheibe (11, 12) zusätzlich zum Spannen des gesamten Triebes nach Anspruch 2 jedes einzelne Drahtseil – wegen möglicher Längendifferenzen der Drahtseile – eine Spannvorrichtung (14) erhält.