DE102012000377A1

DE102012000377A1 - Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102012000377A1
Application number: DE201210000377
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-01-12
Filing date: 2012-01-12
Publication date: 2013-07-18

Abstract

Es wird eine Windkraftanlage (1) vorgeschlagen, die über einen Turm (3) verfügt, an dessen oberen Turmende (4) ein Rotorträger (13) angeordnet ist, der einen um eine Rotorachse (23) verdrehbaren Rotor (16) trägt. Zur Vorgabe unterschiedlicher Arbeitspositionen ist der Rotorträger (13) im Rahmen einer Ausrichtbewegung (26) um eine bezüglich der Rotorachse (23) und der Vertikalen (27) geneigte Ausrichtachse (15) dreheinstellbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage, mit einem Turm, an dessen oberen Turmende ein Rotorträger angeordnet ist, an dem ein durch Windkraft in Rotation um eine durch den Rotorträger vorgegebene Rotorachse versetzbarer Rotor drehbar gelagert ist und der zur Veränderung der Ausrichtung der Rotorachse in unterschiedlichen Arbeitspositionen positionierbar ist.
Eine aus der DE 35 16 821 A1 bekannte Windkraftanlage dieser Art enthält einen am Kopfende eines Turms angeordneten Arbeitskopf, der einen Rotorträger bildet, an dem ein mit Flügeln versehener Rotor um eine Rotorachse verdrehbar gelagert ist. Der Rotor ist durch Windkraft in Rotation versetzbar, so dass in Verbindung mit einem zugeordneten Generator eine Nutzung der Windenergie möglich ist. Der Arbeitskopf bzw. Rotorträger ist um eine mit der Hochachse des Turms zusammenfallende vertikale Drehachse verdrehbar, um ihn und den von ihm getragenen Rotor entsprechend der Windrichtung in jeweils eine optimale Arbeitsposition zu verdrehen. Der Wirkungsgrad dieser Windkraftanlage ist bei horizontaler Windrichtung am besten, während er bei fallenden oder steigenden Winden stark beeinträchtigt wird.
Aus der DE 28 25 061 C2 ist ein Windrad bekannt, bei dem zur Optimierung des Wirkungsgrades die Möglichkeit besteht, die Flügel des Rotors relativ zur Rotornabe zu verdrehen.
Die DE 87 07 901 U1 offenbart eine Sturmschutzvorrichtung für Windanlagen, bei der die Überladung eines Generators dadurch verhindert wird, dass der einen Rotor tragende obere Endabschnitt eines Masts aufgrund eines in den Mast integrierten elastischen Kipplagers abkippen kann und sich bei Nachlassen des Windes selbsttätig wieder aufrichtet.
In der DE 25 46 884 A1 wird eine Windturbine beschrieben, deren Flügel einzeln schwenkbar an einer Nabe gelagert sind, um eine Überlastsicherung zu bewirken.
Aus der DE 103 16 004 A1 ist ein Lager bekannt, mit dem in einer Windenergieanlage relativ zueinander zu verdrehende Komponenten drehbar aneinander lagerbar sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zu treffen, die eine Optimierung des Wirkungsgrades insbesondere in Verbindung mit nicht horizontalen Winden ermöglichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist in Verbindung mit den eingangs genannten Merkmalen vorgesehen, dass der Rotorträger zur Vorgabe unterschiedlicher Arbeitspostionen im Rahmen einer Ausrichtbewegung um eine bezüglich der Rotorachse und der Vertikalen geneigte Ausrichtachse dreheinstellbar ist, derart, dass sich bei der Ausrichtbewegung die räumliche Ausrichtung der Rotorachse dreidimensional verändert.
Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, den Rotor sehr variabel in Bezug auf Winde auszurichten, die eine von der horizontalen Richtung abweichende Windrichtung haben und bei denen es sich beispielsweise um fallende oder steigende Winde handelt. Insbesondere bei Anlagenstandorten auf Kuppen oder Hügeln sind häufig Fallwinde oder Aufwinde anzutreffen, die bei den bisher üblichen Windkraftanlagen nur mit einem geringen Bruchteil ihrer Energie nutzbar sind. Dadurch, dass erfindungsgemäß die räumliche Ausrichtung der Rotorachse dreidimensional veränderbar ist, indem der die Rotorachse definierende Rotorträger um die in besonderer Weise geneigte Ausrichtachse verdreht wird, kann auch solchen Windbedingungen Rechnung getragen werden, indem die Rotorachse gleich wie die ankommenden nicht-horizontalen Winde ausrichtbar ist. Ungeachtet der besonderen Ausrichtmöglichkeit kann die Windkraftanlage selbstverständlich auch für waagerechte Winde eingesetzt werden. Der Einsatzbereich insgesamt hängt davon ab, wie groß der für die Ausrichtbewegung zur Verfügung gestellte Drehwinkel ist, wobei es als optimal angesehen wird, wenn die Arbeitspositionen bis hin zu einer Arbeitsposition mit vertikal ausgerichteter Rotorachse vorgebbar sind.
Dadurch, dass der Rotor stets optimal zur Windrichtung eingestellt werden kann, lässt sich die Windkraftanlage mit sehr hohem Wirkungsgrad betreiben. Durch die erfindungsgemäße Möglichkeit zur dreidimensionalen Ausrichtung der Rotorachse kann außerdem die im Betrieb der Anlage auftretende Lärmemission zum Positiven beeinflusst werden. Die Flügel der von vorne angeströmten Rotoren neigen bei sehr starker Windkraft zum Durchbiegen, so dass sich ihr Abstand zum Turm verringert, was eine erhöhte Lärmentwicklung zur Folge hat. Diesem Effekt kann durch eine Veränderung der Ausrichtung der Rotorachse entgegengewirkt werden, indem eine Schrägstellung vorgenommen wird, durch die der Abstand zwischen dem Turm und den vor dem Turm vorbeistreichenden Rotorflügel vergrößert wird. Auf diese Weise kann die Lärmemission selbst bei starken Winden gering gehalten werden.
Die erfindungsgemäße Windkraftanlage kann überall dort eingesetzt werden, wo auch heute schon konventionelle Windkraftanlagen errichtet werden. Ihre besonders vorteilhafte Wirkung entfaltet die Windkraftanlage bei Aufstellung an exponierten Orten, an denen häufig Winde mit einem vertikalen Windrichtungsanteil anzutreffen sind, beispielsweise auf Hügeln, Kuppen oder Bergen. Als weitere bevorzugte Standorte sind Hangkanten, Skilifte, Küstengewässer, Strommasten, Uferböschungen oder über Hochhäusern mit Klimaanlagen liegende Bereiche zu nennen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Als besonders zweckmäßig wird angesehen, wenn die Ausrichtachse bezüglich der Horizontalen um 45° geneigt ist. Dies ermöglicht einen symmetrischen Ausbau mit einfach zu beherrschenden konstruktiven Randbedingungen. Allerdings kann die Windkraftanlage auch mit anderen Neigungswinkeln der Ausrichtachse realisiert werden, wobei der Neigungswinkel zweckmäßigerweise in einem Bereich von je einschließlich zwischen 25° und 50° liegt.
Prinzipiell kann die Ausrichtachse derart realisiert werden, dass sie mit Abstand neben der Rotorachse vorbeiläuft. Um die strukturelle Belastung der vorhandenen Lagerungen so gering wie möglich zu halten und um gleichförmige Ausrichtbewegungen zu ermöglichen, die auch softwaremäßig gut beherrschbar sind, wird es jedoch vorgezogen, die Rotorachse und die Ausrichtachse derart zu platzieren, dass sie sich in einem als Zentralpunkt bezeichenbaren Punkt treffen. Wenn hier der Rotorträger die Ausrichtbewegung ausführt, bewegt sich die Rotorachse entlang der Mantelfläche eines gedachten Kegels mit kreisförmiger Grundfläche. Das Rotationszentrum des Rotors liegt hierbei zweckmäßigerweise stets auf der die Kegel-Grundfläche umgrenzenden Kreislinie.
Zweckmäßigerweise wird die Windkraftanlage so ausgelegt, dass die Rotorachse in einer Grund-Arbeitsposition des Rotorträgers eine nur minimale oder keine Neigung bezüglich der Horizontalen aufweist und ausgehend hiervon stufenlos in Arbeitspositionen mit steiler stehender Rotorachse positionierbar ist, insbesondere bis zu einer maximalen Arbeitsposition des Rotorträgers, in der die Rotorachse zumindest annähernd und vorzugsweise genau vertikal ausgerichtet ist.
Durch motorische Antriebsmittel der Windkraftanlage lässt sich die Ausrichtbewegung des Rotorträgers gezielt hervorrufen. Mittels eines Windrichtungsmessers lässt sich die Windrichtung einschließlich eventueller horizontaler und vertikaler Richtungsanteile erfassen, um anhand der ermittelten Werte die Ausrichtbewegung zwecks wunschgemäßer Positionierung der Rotorachse hervorzurufen. Möglich ist hierbei sogar ein kontinuierlicher Ausrichtvorgang, bei dem die Arbeitsposition des Rotorträgers ständig an sich wechselnde Windrichtungen anpassbar ist.
Die Windkraftanlage ist vorzugsweise so aufgebaut, dass der Rotorträger unabhängig von der Ausrichtbewegung zusätzlich im Rahmen einer Einstell-Drehbewegung um eine vertikale Drehachse verdrehbar ist, um eine bestmögliche Ausrichtung hinsichtlich der horizontalen Windrichtung zu ermöglichen. Vorzugsweise kann durch diese Verdrehbarkeit ein Windrichtungsbereich von 360 Grad abgedeckt werden. Der Rotorträger ist in diesem Fall Bestandteil eines bezüglich des Turms um die genannte vertikale Drehachse dreheinstellbaren Arbeitskopfes, wobei die vertikale Drehachse zweckmäßigerweise mit einer vertikal ausgerichteten Hochachse des Turms zusammenfällt.
Die Bauart des Turms ist im Übrigen grundsätzlich beliebig. Er kann beispielsweise als Gittermast oder als Stahlrohrturm oder Betonturm realisiert werden.
Zum gezielten Hervorrufen der Einstell-Drehbewegung des Arbeitskopfes ist die Windkraftanlage zweckmäßigerweise mit hierfür geeigneten motorischen Antriebsmitteln ausgestattet. Deren Funktionsprinzip kann das gleiche sein wie dasjenige der für die Ausrichtbewegung verantwortlichen Antriebsmitteln.
Bevorzugt ist die Windkraftanlage so ausgelegt, dass die Ausrichtbewegung des Rotorträgers und die Drehbewegung des Arbeitskopfes unabhängig voneinander ausführbar sind und dadurch insbesondere auch sich überlagernde Bewegungen möglich sind.
Betrachtet man einen als Zentralpunkt bezeichenbaren Schnittpunkt zwischen der Rotorachse und der Ausrichtachse, so kann dieser Zentralpunkt je nach gewünschter Auslegung auf der vertikalen Drehachse des Arbeitskopfes liegen oder diesbezüglich beabstandet angeordnet sein. Die erstgenannte Variante empfiehlt sich vor allem dann, wenn ein mit dem Rotor antriebsmäßig gekoppelter elektrischer Generator an einer bezüglich des Rotorträgers separaten Tragstruktur befestigt ist, die um die vertikale Drehachse verdrehbar an dem Turm gelagert ist und an der ihrerseits, um die Ausrichtachse verdrehbar, der bezüglich der Tragstruktur separate Rotorträger drehgelagert ist.
Die an zweiter Stelle genannte Variante der Platzierung des Zentralpunktes empfiehlt sich dann, wenn der Generator nicht direkt an der bezüglich des Turms verdrehbaren Tragstruktur, sondern an dem bezüglich der Tragstruktur zur Ausrichtung der Rotorachse drehbar gelagerten Rotorträger angeordnet ist.
Eine Integration des Generators mit dem Rotorträger ist vor allem bei kleineren Baugrößen der Windkraftanlage empfehlenswert. Bei größeren Windkraftanlagen, die entsprechend größere Generatoren benötigen, ist es hingegen vorteilhaft, wenn der Generator die Ausrichtbewegung des Rotorträgers nicht mitmacht und ortsfest an der Tragstruktur befestigt ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegend Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage in einer Seitenansicht,
2 die Windkraftanlage aus 1, wobei strichpunktiert eine veränderte Arbeitsposition des Rotorträgers gezeigt ist,
3 eine Draufsicht auf die Windkraftanlage aus 2, mit Blickrichtung gemäß Pfeil III aus 2,
4 einen bevorzugten konstruktiven Aufbau der in 1 bis 3 illustrierten Windkraftanlage, wobei der Turm extrem verkürzt und der Rotor nur unvollständig gezeigt ist, insgesamt größtenteils schematisch und teilweise aufgebrochen illustriert, und
5 in einer der 4 entsprechenden Darstellungsweise eine Windkraftanlage alternativen Aufbaus, wobei wie in 4 in durchgezogenen Linien eine Grund-Arbeitsposition des Rotorträgers und gestrichelt eine diesbezüglich um die Ausrichtachse verdrehte Arbeitsposition mit vertikal orientierter Rotorachse gezeigt ist.
Die insgesamt mit Bezugsziffer 1 bezeichnete Windkraftanlage ist in der aus der Zeichnung ersichtlichen Gebrauchsstellung mit vertikaler Ausrichtung auf einem ausreichend tragfähigen Untergrund errichtet und verfügt an ihrem unteren Endbereich über ein Fundament 2, mittels dem sie im Erdreich verankert ist. Alle nachfolgenden Ausführungen beziehen sich auf die am Einsatzort errichtete Gebrauchsstellung der Windkraftanlage 1.
Die Windkraftanlage 1 enthält einen auf dem Fundament 2 aufrecht stehenden sogenannten Turm 3, der auch als Mast bezeichnet werden könnte. Er verfügt exemplarisch über eine Rohrstruktur. Abweichend von der illustrierten zylindrischen Gestaltung könnte er sich zu seinem oberen Turmende 4 hin auch konisch verjüngen.
Der Turm 3 des Ausführungsbeispiels hat eine im Folgenden als Hochachse 5 bezeichnete Längsachse, die vertikal ausgerichtet ist.
Im Bereich des oberen Turmendes 4 ist an dem Turm 3 ein Arbeitskopf 6 installiert, der in Übereinstimmung mit häufig bei Windkraftanlagen verwendeten Begriffen auch als „Gondel” bezeichnet werden könnte.
Vorzugsweise schließt sich der Arbeitskopf 6 an die vertikal nach oben orientierte obere Stirnseite des Turmes 3 an.
Der Arbeitskopf 6 ist an dem Turm 3 um eine vertikale Drehachse 7 verdrehbar gelagert. Diese vertikale Drehachse 7 fällt vorzugsweise mit der Hochachse 5 des Turms 3 zusammen. Die von dem Arbeitskopf bezüglich des Turms 3 um die vertikale Drehachse 7 ausführbare Drehbewegung sei im Folgenden als Einstell-Drehbewegung 8 bezeichnet und ist in der Zeichnung durch einen Doppelpfeil illustriert.
Die Möglichkeit zur Ausführung der Einstell-Drehbewegung 8 ist nicht zwingend erforderlich, jedoch äußerst vorteilhaft.
Der Arbeitskopf 6 enthält zwei relativ zueinander bewegbare Hauptkomponenten in Gestalt einer Tragstruktur 12 und eines Rotorträgers 13. Die Tragstruktur 12 bildet die Schnittstelle zum Turm 3. Mit ihr ist der Arbeitskopf 6 an dem Turm 3 zur Ausführung der Einstell-Drehbewegung 8 drehgelagert.
Der Rotorträger 13 ist eine bezüglich der Tragstruktur 12 separate Komponente und an der Tragstruktur 12 drehbar gelagert. Die dazu verwendeten Drehlagermittel 14 definieren eine im Folgenden als Ausrichtachse 15 bezeichnete Drehachse. Wenn der Rotorträger 13 bezüglich der Tragstruktur 12 ortsfest fixiert ist, können beide Hauptkomponenten gemeinsam als Arbeitskopf 6 um die vertikale Drehachse 7 verdreht werden.
Der Rotorträger 13 trägt einen nur stilisiert angedeuteten Rotor 16 mit einer Rotornabe 17 und bevorzugt mehrere von der Rotornabe 17 wegragende Rotorflügeln 18. Bevorzugt weist der Rotor 16 drei mit Winkelabständen von 120 Grad zueinander angeordnete Rotorflügel 18 auf.
Mittels einer Lagereinrichtung 22 ist der Rotor 16 an dem Rotorträger 13 drehbar gelagert. Die hierbei durch die Lagereinrichtung 22 vorgegebene Drehachse des Rotors 16 sei im Folgenden als Rotorachse 23 bezeichnet.
Die durch einen Pfeil angedeutete Rotation 24 des Rotors 16 wird durch die Energie des die Rotorflügel 18 anströmenden Windes hervorgerufen.
Dem Rotorträger 13 sind motorische Antriebsmittel 25 zugeordnet, die eine Dreheinstellung des Rotorträgers 13 bezüglich der Tragstruktur 12 ermöglichen, wobei die hierbei von dem Rotorträger 13 ausgeführte Drehbewegung als Ausrichtbewegung 26 bezeichnet sei und in der Zeichnung durch einen Doppelpfeil illustriert ist. Die Ausrichtachse 15 bildet hierbei die Drehachse für die Ausrichtbewegung 26.
Die Ausrichtachse 15 ist sowohl bezüglich der Rotorachse 23 als auch bezüglich der Vertikalen 27 geneigt. Die Vertikale 27 fällt beim Ausführungsbeispiel mit der vertikalen Drehachse 7 zusammen.
Im Rahmen der Ausrichtbewegung 26 kann der Rotorträger 13 einschließlich des ortsfest an ihm angeordneten Rotors 16, bevorzugt stufenlos, in unterschiedlichen Arbeitspositionen positioniert werden. Aufgrund der besonderen Schrägstellung der Ausrichtachse 15 bewirkt die Ausrichtbewegung 26 eine dreidimensionale Veränderung der räumlichen Ausrichtung der Rotorachse 23. Insbesondere verändert sich die Ausrichtung der Rotorachse 23 in sowohl vertikaler als auch, diesbezüglich überlagert, horizontaler Richtung.
In der Zeichnung ist in durchgezogenen Linien eine Grund-Arbeitsposition des Rotorträgers 13 illustriert, in der die Rotorachse 23 in der Horizontalen 28 verläuft. Grundsätzlich kann die Rotorachse 23 jedoch so an dem Rotorträger 13 definiert sein, dass sie in der Grund-Arbeitsposition auch eine andere Ausrichtung hat und insbesondere eine geringfügige Neigung bezüglich der Horizontalen 28 aufweist, derart, dass sie nach außen in Richtung zum Rotor 16 geringfügig ansteigt.
In 4 und 5 ist gestrichelt eine beim Ausführungsbeispiel mögliche maximale Arbeitsposition des Rotorträgers 13 illustriert, in der die Rotorachse 23 vertikal orientiert ist. Der bezüglich der Horizontalen 28 hierbei von der Rotorachse 23 eingenommene Neigungswinkel „NH” beträgt in diesem Fall 90 Grad.
In den 2 und 3 ist exemplarisch mit Doppelpunkten strichpunktiert eine Zwischen-Arbeitsposition des Rotorträgers 13 gezeigt, in der der bezüglich der Horizontalen 28 eingenommene Neigungswinkel „NH” der Rotorachse 23 ein spitzer Winkel ist und beispielsweise bei etwa 30 Grad liegt. Aufgrund des Umstandes, dass die Ausrichtbewegung 26 mit einer dreidimensionalen Ausrichtungsveränderung der Rotorachse 23 verbunden ist, ist die Rotorsachse 23 in der Zwischen-Arbeitsposition bezüglich einer Bezugs-Vertikalebene 32, in der sich die Rotorachse 23 in der Grund-Arbeitsposition erstreckt, überdies um einen gewissen Neigungswinkel „NV” horizontal verdreht, wobei dieser Neigungswinkel „NV” beim Ausführungsbeispiel ein spitzer Winkel ist, der etwa gleich groß ist wie der bezüglich der Horizontalen eingenommenen Neigungswinkel „NH”.
Die vorstehenden Erläuterungen machen deutlich, dass durch eine einfache Veränderung der Arbeitsposition des Rotorträgers 13 mittels Ausführung einer rotativen Ausrichtbewegung 26 die Ausrichtung der Rotorachse 23 optimal hinsichtlich der Windrichtung ausrichtbar ist. Insbesondere besteht dadurch die Möglichkeit, den Rotor 16 auch dann voll in den ankommenden Wind zu stellen, wenn die Windrichtung bezüglich der Horizontalen 28 geneigt ist und beispielsweise ein Fallwind oder ein Aufwind ist.
Allen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass der bezüglich der Horizontalen eingenommene Ausrichtwinkel „NA” der Ausrichtachse 15 45° beträgt. Es kann allerdings auch ein hiervon abweichender Neigungswinkel „NA” gewählt werden, insbesondere ein Winkel von 30°. Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn sich der Neigungswinkel „NA” der Ausrichtachse in einem Winkelbereich von 25° bis 50° befindet.
Allen Ausführungsbeispielen ist die vorteilhafte Maßnahme gemeinsam, dass sich die Rotorachse 23 und die Ausrichtachse 15 in einem als Zentralpunkt 33 bezeichneten gemeinsamen Punkt treffen. In diesem Fall verändert sich bei der Ausrichtbewegung 26 die Ausrichtung der Rotorachse 23 dahingehend, dass sie stets durch diesen Zentralpunkt 33 hindurchgeht und im Übrigen entlang der Mantelfläche eines eine kreisförmige Grundfläche aufweisenden Kegels wandert, dessen Kegelspitze in dem Zentralpunkt 33 liegt.
Der Zentralpunkt 33 liegt beim Ausführungsbeispiel der 1 bis 4 zugleich auf der vertikalen Drehachse 7. Abweichend hiervon ist der Zentralpunkt 33 aber auch so plazierbar, dass er mit Querabstand zu der vertikalen Drehachse 7 angeordnet ist. Dies ist beim Ausführungsbeispiel der 5 der Fall. Dort ist die Anordnung so getroffen, dass der Schnittpunkt „S” der vertikalen Drehachse 7 mit der Horizontalen 28 zwischen dem Zentralpunkt 33 und dem Rotor 16 liegt. Dies bedeutet auch, dass in der gestrichelt angedeuteten maximalen Arbeitsposition des Rotorträgers 13 dessen Rotorachse 23 im Falle der 5 parallel versetzt zu der Drehachse 7 verläuft, während sie beim Ausführungsbeispiel der 1 bis 4 mit der Drehachse 7 zusammenfällt.
Die 4 und 5 zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen für die zur Drehlagerung des Rotorträgers 13 an der Tragstruktur 12 verwendeten Drehlagermittel 14. Die Drehlagermittel 14 enthalten hier eine ortsfest an der Tragstruktur 12 angeordnete Lagerscheibe 34 mit kreisförmigem Umriss und einen diese Lagerscheibe 34 außen umgreifenden, ortsfest an dem Rotorträger 13 angeordneten Drehkranz 35. Zwischen der Lagerscheibe 34 und dem Drehkranz 35 befindet sich eine bevorzugt abgedichtete Wälzlagereinrichtung 36, die eine Drehbewegung des Drehkranzes 35 bezüglich der Lagerscheibe 34 ermöglicht und sowohl axiale als auch radiale Kräfte aufzunehmen vermag. Die Drehachse des Drehkranzes 35 definiert die Ausrichtachse 15.
Bevorzugt in gleicher Weise wie diese Drehlagermittel 14 aufgebaute, in der Zeichnung zur Vereinfachung schematisch nur als Wälzlager symbolisierte weitere Drehlagermittel 37 sind zwischen den Turm 3 und die Tragstruktur 12 zwischengeschaltet und bewirken deren relative Drehlagerung zur Ausführung der Einstell-Drehbewegung 8.
Die zum Hervorrufen der Ausrichtbewegung 26 dienenden motorischen Antriebsmittel 25 enthalten bevorzugt einen als Getriebemotor ausgebildeten Elektromotor 38, der an der Tragstruktur 12 befestigt ist und der ein an seiner Abtriebswelle befestigtes Abtriebsritzel 42 aufweist. Dieses Abtriebsritzel 42 kämmt mit der Innenverzahnung eines drehfest an dem Rotorträger 13 und insbesondere an dessen Drehkranz 35 angeordneten Zahnkranzes 43.
Durch gesteuerte Betätigung des Elektromotors 38 kann der mit dem Abtriebsritzel 42 in Eingriff stehende Zahnkranz 43 rotativ angetrieben werden, um somit die Ausrichtbewegung 26 hervorzurufen. Bei dem Elektromotor 38 handelt es sich beispielsweise um einen Schrittmotor oder um einen Servomotor. Die erforderlichen Betätigungssignale empfängt der Elektromotor 38 von einer schematisch angedeuteten elektronischen Steuereinrichtung 44, die von einem nicht gezeigten, bevorzugt dreidimensional arbeitenden Windrichtungsmesser stammende Signale verarbeiten kann, um den Rotorträger 13 in einer vorbestimmten Weise auszurichten. Jedenfalls kann auf diese Weise die Ausrichtbewegung 26 gezielt hervorgerufen werden, um den Rotorträger 13 bzw. die Rotorachse 23 gezielt in der momentan bestmöglichen Arbeitsposition zu positionieren.
Für die Dreheinstellung des Arbeitskopfes 6 bezüglich des Turmes 3, also zur Ausführung der Einstell-Drehbewegung 8, ist die Windkraftanlage 1 mit weiteren motorischen Antriebsmitteln 45 ausgestattet, die in der Zeichnung nur schematisch angedeutet sind und die bevorzugt den grundsätzlich gleichen Aufbau haben wie die weiter oben schon erwähnten motorischen Antriebsmitteln 25. Auch die weiteren motorischen Antriebsmittel 45 sind an die elektronische Steuereinrichtung 44 angeschlossen. Vorteilhafterweise ist die elektronische Steuereinrichtung 44 so ausgelegt, dass sie die beiden motorischen Antriebsmittel 25, 45 unabhängig voneinander ansteuern kann und die Möglichkeit besteht, die Ausrichtbewegung 26 und die Einstell-Drehbewegung 8 unabhängig voneinander zu veranlassen und auch mit zeitlicher Überlagerung.
Der Arbeitskopf 6 ist zweckmäßigerweise mit einem elektrischen Generator 46 ausgestattet, der mit dem Rotor 16 antriebsmäßig verbunden ist, um aus der Windenergie elektrische Energie zu erzeugen. Der Generator 46 kann wahlweise ortsfest an der Tragstruktur 12 oder ortsfest am Rotorträger 13 angeordnet sein.
Das Ausführungsbeispiel der 1 bis 4 zeigt die an der Tragstruktur 12 angeordnete Variante, bei der der Generator 46 somit die Ausrichtbewegung des Rotorträgers 13 nicht mitmacht. Da bei dieser Variante der den Rotor 16 mit dem Generator 46 verbindende Antriebsstrang 47 einen abknickenden Längsverlauf hat, ist es zweckmäßig, zur Begrenzung des Knickwinkels auf eine dahingehende Ausrichtung des Generators 46 zurückzugreifen, bei der die als Generator-Drehachse 48 bezeichnete Drehachse der Generator-Eingangswelle 49 mit der Ausrichtachse 15 zusammenfällt. Der sich bei der Ausrichtbewegung 26 verändernde Knickwinkel des Antriebsstranges 47 wird insbesondere durch ein Doppel-Kreuzgelenk 53 kompensiert.
Ist der Generator 46, wie beim Ausführungsbeispiel der 5 der Fall, am Rotorträger 13 angeordnet, macht er dessen Ausrichtbewegung 26 mit. In diesem Fall kann auf einen kostengünstigen und wenig verschleißanfälligen geradlinigen Antriebsstrang 47 zur Verbindung des Rotors 18 mit dem Generator 46 zurückgegriffen werden. Der Generator 46 ist hier insbesondere so ausgerichtet, dass seine Generator-Drehachse 48, also die Drehachse seiner Generator-Eingangswelle 49, mit der Rotorachse 23 zusammenfällt.
Die beispielhafte beschriebene Windkraftanlage 1 kann für waagerechte, schräge und auch für senkrechte Winde eingesetzt werden. Sie ist vorzugsweise mit einem Windrichtungsmesser ausgestattet, der dreidimensional die aktuelle Windrichtung erfasst, also sowohl den horizontalen als auch den vertikalen Richtungsanteil. Derartige Windrichtungsmesser sind problemlos verfügbar und werden derzeit beispielsweise bei der Windrichtungsmessung an Skisprungschanzen im Zusammenhang mit Skisprungwettbewerben eingesetzt. Auf Basis der vom Windrichtungsmesser gelieferten Messwerte wird der Rotor 16 unter Vermittlung der elektronischen Steuereinrichtung 44 winkelmäßig ausgerichtet. Mithin kann die Windkraftanlage 1 praktisch alle erdenklichen Windrichtungen abdecken. Im Rahmen der Einstell-Drehbewegung 8 können alle Winde mit Windrichtungen von Null bis 360 Grad bezüglich der vertikalen Drehachse 7 eingestellt werden. Mittels der Ausrichtbewegung 26 können exemplarisch alle Windrichtungen von der Waagerechten bis zur Senkrechten eingestellt werden.
Die Windkraftanlage kann sowohl so betrieben werden, dass der Rotor 16 von seiner Vorderseite her angeströmt wird, als auch mit entgegengesetzter Windrichtung, also einer rückseitigen Anströmung. Zweckmäßigerweise kann zwischen diesen beiden Betriebsweisen auch gewechselt werden, wobei man einer Drehrichtungsänderung des Rotors 16 insbesondere dadurch Rechnung trägt, dass man bei einem als Gleichstromgenerator ausgebildeten Generator den Ankerstromkreis umpolt.
Nicht dargestellt ist eine Ausführungsform der Windkraftanlage 1, bei der Mittel zur Ausführung der Einstell-Drehbewegung 8 fehlen, so dass der Arbeitskopf 6 bezüglich der Vertikalen 27 nicht verdrehbar ist. In diesem Falle ist der Arbeitskopf 6 unmittelbar von dem Rotorträger 13 gebildet und es erübrigt sich eine zusätzliche Tragstruktur als Bindeglied zwischen dem Rotorträger 13 und dem Turm 3.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3516821 A1 [0002]
DE 2825061 C2 [0003]
DE 8707901 U1 [0004]
DE 2546884 A1 [0005]
DE 10316004 A1 [0006]

Claims

Windkraftanlage, mit einem Turm (3), an dessen oberen Turmende (4) ein Rotorträger (13) angeordnet ist, an dem ein durch Windkraft in Rotation um eine durch den Rotorträger (13) vorgegebene Rotorachse (23) versetzbarer Rotor (16) drehbar gelagert ist und der zur Veränderung der Ausrichtung der Rotorachse (23) in unterschiedlichen Arbeitspositionen positionierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorträger (13) zur Vorgabe unterschiedlicher Arbeitspositionen im Rahmen einer Ausrichtbewegung (26) um eine bezüglich der Rotorachse (23) und der Vertikalen (27) geneigte Ausrichtachse (15) dreheinstellbar ist, derart, dass sich bei der Ausrichtbewegung (26) die räumliche Ausrichtung der Rotorachse (23) dreidimensional verändert.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtachse (15) bezüglich der Horizontalen (28) einen Neigungswinkel (NH) einnimmt, der im Bereich zwischen je einschließlich 25° und 50° liegt, wobei er zweckmäßigerweise mindestens 30° und vorzugsweise 45° beträgt.
Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Rotorachse (23) und die Ausrichtachse (15) in einem Zentralpunkt (33) treffen.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorachse (23) in einer Grund-Arbeitsposition des Rotorträgers (13) eine geringfügige oder keine Neigung bezüglich der Horizontalen (28) aufweist und bei einer maximalen Arbeitsposition des Rotorträgers (13) zumindest annähernd und vorzugsweise genau vertikal ausgerichtet ist.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit motorischen Antriebsmitteln (25) zum gezielten Hervorrufen der Ausrichtbewegung (26) ausgestattet ist.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorträger (13) Bestandteil eines im Rahmen einer Einstell-Drehbewegung (8) insgesamt um eine vertikale Drehachse (7) bezüglich des Turms (3) dreheinstellbaren Arbeitskopfes (6) ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit motorischen Antriebsmitteln (45) zum gezielten Hervorrufen der Einstell-Drehbewegung (8) ausgestattet ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie zum voneinander unabhängigen, insbesondere auch sich überlagernde Bewegungen gestattenden Ausführen der Ausrichtbewegung (26) und der Einstell-Drehbewegung (8) ausgebildet ist, wobei sie zur Steuerung dieser Bewegungen zweckmäßigerweise über eine elektronische Steuereinrichtung (44) verfügt.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein vom Schnittpunkt der Rotorachse (23) und der Ausrichtachse (15) definierter Zentralpunkt (33) auf der vertikalen Drehachse (7) des Arbeitskopfes (6) liegt oder quer beabstandet zu dieser vertikalen Drehachse ⁽ 7 ⁾ angeordnet ist.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitskopf (6) eine an dem Turm (3) zur Ausführung der Einstell-Drehbewegung (8) um die vertikale Drehachse (7) verdrehbar gelagerte Tragstruktur (12) aufweist, an der ihrerseits der Rotorträger (13) zur Ausführung der Ausrichtbewegung (26) um die Ausrichtachse (15) verdrehbar gelagert ist.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (16) mit einem elektrischen Generator (46) antriebsmäßig verbunden ist, der im Bereich des oberen Turmendes (4) angeordnet ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 11 in Verbindung mit Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (46) ortsfest an der Tragstruktur (12) angeordnet ist, wobei er zweckmäßigerweise so ausgerichtet ist, dass seine Generator-Drehachse (48) mit der Ausrichtachse (15) zusammenfällt.
Windkraftanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (46) ortsfest an dem Rotorträger (13) angeordnet ist, wobei er zweckmäßigerweise so ausgerichtet ist, dass seine Generator-Drehachse (48) mit der Rotorachse (23) zusammenfällt.