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Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit wenigstens einem im Wesentlichen rechtwinklig zur Windrichtung ausgerichteten und um eine vorzugsweise im Wesentlichen vertikale Drehachse rotierenden Rotor, insbesondere H-Darrieus-Rotor, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Vor allem bei kleineren Windkraftkraftanlagen, das heißt bei so genannten Kleinwindkraftanlagen mit einer Leistung kleiner als ca. 50 kW, rotieren die auftrieberzeugenden Flügel um eine vertikale Drehachse. Bei Windkraftanlagen mit im Wesentlichen vertikaler Drehachse hat sich vor allem der so genannte Darrieus-Rotor gegenüber dem Savonius-Rotor aufgrund der höheren Wirkungsgrade weiter verbreitet.
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Bei der klassischen Form des Darrieus-Rotors sind die Flügel bzw. Rotorblätter am oberen und unteren Ende der Drehachse zusammengeführt und an dieser befestigt, wobei diese bogenförmig nach außen ragen. Neben der klassischen Form hat sich vor allem auch der so genannte H-Darrieus-Rotor aus im Wesentlichen geraden, parallel zur Drehachse angeordneten Rotorblättern durchgesetzt, die über Tragarme an der Drehachse befestigt sind. Weiterhin sind auch so genannte Darrieus-Helix-Rotorblätter im Einsatz, wobei die Rotorblätter spiralförmig in Umfangsrichtung gebogene, vertikal stehende Rotorblätter aufweisen, die ein gleichmäßiges Drehmoment generieren.
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Üblicherweise werden 2, 3 oder vereinzelt sogar mehr Flügel bzw. Rotorblätter zur Erzeugung des Drehmomentes eingesetzt, das dann über einen elektrischen Generator in elektrische Leistung umgewandelt wird.
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Entsprechend der Wirkungsweise des vertikalen Windrads hängt die maximal erzeugbare Leistung im Wesentlichen von der Dichte der Luft, das heißt einer Konstante, der umströmten Fläche, das heißt Kreisdurchmesser der Flügel mal Länge der Flügel, sowie der Windgeschwindigkeit in der dritten Potenz ab. Aus verschiedenen Gründen liegt der optimale Wirkungsgrad von vertikalen Windkraftanlagen dann vor, wenn die Umfangsgeschwindigkeit der Flügel ca. dreimal so hoch ist wie die herrschende Windgeschwindigkeit.
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Auf die Flügel bzw. auf die Verstrebungen, das heißt Tragarme der Flügel, wirken Fliehkräfte und Auftriebskräfte. Je nach Ausrichtung der Flügel wirken die Auftriebskräfte in die gleiche Radialrichtung wie die Fliehkräfte oder den Fliehkräften entgegengesetzt. Üblicherweise sind die Fliehkräfte jedoch dominant. Die Tragarme bzw. Verstrebungen, die die Flügel halten, sind aufgrund der wirkenden Fliehkräfte extrem hohen Belastungen ausgesetzt, wobei die Fliehkräfte sowohl vom Gewicht der Flügel als auch vom Teilkreisdurchmesser der Flügel und der Winkelgeschwindigkeit zum Quadrat abhängen.
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In der Dimensionierung einer Windkraftanlage kann folglich ein Zielkonflikt festgestellt werden. Auf der einen Seite ist zur Erlangung einer größtmöglichen Leistung eine größtmögliche Fläche vorzusehen und damit ein möglichst großer Teilkreisdurchmesser verbunden mit einer möglichst großen Flügellänge. Auf der anderen Seite muss infolge der wirkenden Fliehkräfte der Teilkreisdurchmesser und die Masse der Flügel begrenzt werden. So ist eine Leichtbauweise mit entsprechenden Materialen von Vorteil.
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Auch ist es wichtig sicherzustellen, dass die Windkraftanlage eine bestimmte Maximaldrehzahl nicht überschreitet, um die mechanischen Elemente hinsichtlich ihrer Festigkeit nicht zu überlasten. Da die Drehzahl eine direkte Funktion der Windgeschwindigkeit ist und sichergestellt werden muss, dass die Windkraftanlage auch einen so genannten Jahrhundertsturm bzw. eine so genannte Jahrhundertböe sicher übersteht, ist es gemäß entsprechender Sicherheitsvorschriften gefordert, neben einer ersten, insbesondere mechanischen Bremse zusätzlich eine weitere, hiervon unabhängige Möglichkeit vorzusehen, um ein ”Durchgehen” der Windkraftanlage sicher zu vermeiden bzw. diese stillzulegen. Diese von einer mechanischen Bremse unabhängige Möglichkeit wird bislang bei Windkraftanlagen mit Darrieus-Rotor durch eine Überdimensionierung des elektrischen Generators realisiert.
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Nachteilig hierbei ist jedoch, dass mit der Überdimensionierung des elektrischen Generators die Wirtschaftlichkeit der gesamten Anlage reduziert wird. Zudem ist zum Teil eine elektronische Steuerung notwendig, was einerseits mit einem hohen Aufwand und andererseits wiederum mit hohen Kosten verbunden ist.
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Aufgabe und Vorteile der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Windkraftanlage, insbesondere mit einem H-Darrieus-Rotor, vorzuschlagen, die im Vergleich zum Stand der Technik wirtschaftlicher ist und zudem auch bei hohen Windgeschwindigkeiten sicher betrieben werden kann.
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Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Windkraftanlage der einleitend genannten Art, durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
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Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Windkraftanlage dadurch aus, dass die Verstellvorrichtung zum Verstellen des Rotorblattes ausgebildet ist und dass die Verstellvorrichtung wenigstens eine Grenzgeschwindigkeits-Auslösevorrichtung zum Auslösen der Verstellung des Rotorblattes bei einer vorgegebenen Grenzgeschwindigkeit des Rotorblattes aufweist. Hiermit wird die Betriebssicherheit selbst bei allergrößten Windgeschwindigkeiten gewährleistet bzw. ein Beschädigen der Anlage oder eine Gefahr für die Umgebung sicher verhindert.
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Beispielsweise kann die Verstellvorrichtung einen Aktuator wie beispielsweise ein Antriebsmotor, einen Verstellzylinder und/oder dergleichen aufweisen. Das bedeutet, dass die Verstellvorrichtung beispielsweise mit Hilfe einer vorteilhaften, insbesondere elektronischen, mittels einem Drehzahl-/Geschwindigkeitssensor unterstützten Steuerung der Windkraftanlage zu betätigen bzw. zu betreiben ist. Die Energieversorgung, beispielsweise elektrisch und/oder pneumatisch und/oder hydraulisch, kann beispielsweise über Schleifkontakte oder so genannte Drehdurchführungen oder dergleichen realisiert werden.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist die Verstellvorrichtung als eine wenigstens ein mit Fliehkraft betätigtes Betätigungselement aufweisende Verstelleinheit ausgebildet. Hiermit wird eine automatische, mit Hilfe der Fliehkraft und somit drehzahlabhängige Betätigung/Steuerung realisierbar. Dies ist gerade zur Begrenzung einer maximalen Drehgeschwindigkeit des Rotors von besonderem Vorteil. Da die Fliehkraft mit zunehmender Drehgeschwindigkeit zunimmt, kann dementsprechend die maximale Drehzahl bzw. die vorgegebene Grenzgeschwindigkeit des Rotors in vorteilhafter Weise automatisiert eingestellt bzw. begrenzt werden. Das bedeutet, dass eine selbsttätige Begrenzung der maximalen Drehzahl bzw. eine selbsttätige Bremse des Rotors bei der erfindungsgemäßen Windkraftanlage ohne großen Aufwand realisiert ist. Zudem sind die Herstellung und der Betrieb wirtschaftlich günstig und in jedem Fall besonders sicher, selbst bei besonderen hohen, impulsartigen Windgeschwindigkeiten bzw. starken Windböen.
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In einer vorteilhaften Variante der Erfindung weist die Verstellvorrichtung und/oder die Befestigungsvorrichtung des wenigstens ein Anschlagelement zum Begrenzen des Verstellweges des Rotorblattes auf. Hiermit wird erreicht, dass die maximale Verstellung durch einen mechanischen Anschlag limitiert wird. So kann der mechanische Anschlag gemäß der Erfindung beispielsweise ein zu starkes Abknicken oder Verbiegen etc. wirkungsvoll verhindern.
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Vorzugsweise wird die Verstellvorrichtung in vorteilhafter Weise in Abhängigkeit der Drehgeschwindigkeit eingestellt bzw. aktiviert.
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Weiterhin kann als Material der Rotorblätter ein Leichtmetall wie Aluminium/-legierungen und/oder ein Kunststoff, vorzugsweise Kohlefaserverbundwerkstoffe oder dergleichen, verwendet werden. Vorzugsweise wird das Rotorblatt als Stranggussprofil z. B. aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen ausgebildet. Gerade für ein H-Darrieus-Rotorblatt ist ein Stranggussprofil fertigungstechnisch bzw. wirtschaftlich von besonderem Vorteil.
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Vorzugsweise wird mit der Verstellung des Rotorblattes eine Begrenzung der Drehgeschwindigkeit bzw. ein Abbremsen des sich drehenden Rotorblattes realisiert.
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Beispielsweise kann es ausreichen, je Rotorblatt lediglich ein einziges Scher-/Bremselement bzw. eine einzige Auslöseeinheit vorzusehen. Vorteilhafterweise sind zahlreiche Scher-/Bremselemente bzw. Auslöseeinheiten in Längsrichtung des Rotorblattes voneinander (gleichmäßig) beabstandet angeordnet. Mit entsprechend zahlreichen Einheiten und/oder Elementen, die in Längsrichtung des Rotorblattes gegebenenfalls im Wesentlichen gleichmäßig verteilt angeordnet sind, kann eine besonders effektive/sichere Drehzahlbegrenzung bzw. Bremsung des sich drehenden Rotorblattes bei großen Windgeschwindigkeiten realisiert werden. Zudem können hierdurch besonders gleichmäßig verteilte Beanspruchungen längs des Rotorblattes sich vorteilhaft auf die Belastungen des Rotorblattes und entsprechender Tragarme bzw. Tragelemente auswirken.
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Grundsätzlich ist denkbar, nicht nur eine einzige, sondern zahlreiche Windkraftanlagen gemäß der Erfindung für einen Windpark bzw. als ein Windkraftanlagen-Cluster nebeneinander anzuordnen.
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Ausführungsbeispiel
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.
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In 1 ist schematisch eine Vertikal-Windkraftanlage mit mehreren Rotoren 1 abgebildet. Diese Rotoren 1 sind an Befestigungen 4 über Tragarme 10 mit dem Mast 11 verbunden.
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Bei Erreichen einer Grenzgeschwindigkeit aufgrund sehr starker Winde wird eine Verstelleinheit 2 mittels Fliehkraft ausgelöst. Diese umfasst ein Scherelement 6, das vorzugsweise als z. B. zweifach eingestochene Schraube 6 ausgebildet ist (vgl. 3).
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Diese Schraube 6 ist in einer Auslöseeinheit 3 integriert, die sich beim Abscheren der Schraube 6 um eine Drehachse 5 drehen kann. Hierdurch dreht/verstellt sich das Rotorblatt 1 um die Drehachse 5, so dass sich die Aerodynamik bzw. die Antriebswirkung deutlich verschlechtert bzw. abnimmt und hiermit die Anlage gebremst wird.
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Da es sich hierbei um eine Situation bzw. um einen Starkwind handelt, die/der nur sehr sehr selten auftrifft und vorzugsweise eine bereits bei geringerer Geschwindigkeit aktivierte separate (elektronischen/elektrischen) Bremse, wie die Bremsung mittels des Generators, d. h. mittels Wirbelströme bzw. einer „Motorbremse”, nicht genügend bremsen konnte oder sogar ausgefallen ist, ist ein zerstören der Schraube 6 und der hiermit dauerhaft außer Betrieb gesetzten Anlage nicht von Nachteil. In einer derartigen Notsituation ist es notwendig, dass anschließend ein Servicepersonal die Anlage wartet und mittels einer neuen, unzerstörten Schraube 6 die Anlage wieder betriebssicher macht.
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Mechanisch ausgelöste aerodynamische Drehzahlbegrenzung oder Abschaltung für vertikale Windkraftanlage
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Funktionsprinzip:
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Durch kontinuierliches oder plötzliches, positives oder negatives Ändern des Anströmwinkels des Rotorblattes durch Verdrehen des Rotorblattes wird die Beschleunigung des Rotors unterbunden.
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Die Verstellung des Rotorblatts erfolgt durch die Fliehkraft und das Drehmoment- resultierend aus den Auftriebskräften- um die Rotorblattachse.
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Mögliche Varianten, die Verdrehung des Rotorblattes einzuleiten:
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- Scherendes Element
- Kniehebel
- Kugel auf Kurvenbahn
- Keil auf schiefer Ebene
- Feder
- Elektromechanisch
- Hydraulisch
- Pneumatisch
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotorblatt
- 2
- Verstellvorrichtung
- 3
- Auslösevorrichtung
- 4
- Befestigung
- 5
- Drehachse
- 6
- Scherelement
- 7
- Anschlag
- 10
- Tragarm
- 11
- Mast
- A
- Rotorblattstellung bei Produktionsbetrieb
- B
- Rotorblattstellung bei Bremsbetrieb
- G
- Grenzgeschwindigkeit
- N
- Negative Drehung
- P
- Positive Drehung
- W
- Drehwinkel alpha
- I
- Abstand vom Schwerpunkt des Flügels zum Drehpunkt beträgt 0,097 m
- II
- Abstand des scherenden Elementes zum Drehpunkt beträgt 70 mm
- III
- Aus Bruchkraftversuchen ist die Kraft bis zum Bruch der Schraube bekannt
- IV
- Aus den Hebelarmverhältnissen und der Zentrifugalkraft des Flügels wird die Scherdrehzahl abgeleitet
