DE102012020052B3

DE102012020052B3 - Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102012020052B3
Application number: DE201210020052
Authority: DE
Inventors: Werner Möbius
Original assignee: WERNER MOEBIUS ENGINEERING GmbH; Werner Moebius Engineering GmbH
Current assignee: Werner Moebius Engineering GmbH
Priority date: 2012-10-12
Filing date: 2012-10-12
Publication date: 2014-04-03
Anticipated expiration: 2032-10-13

Abstract

Windkraftanlage (WKA) mit einem Fundament, einem Turm und mindestens einer Gondel mit Rotor am Turm, wobei der Turm von einem Ringlager umfasst ist, mit einem turmfesten Innenlagerteil und einem Außenring, am Außenring an diametral gegenüberliegenden Seiten jeweils ein Auslegerarm angelenkt ist, an dessen Ende die Gondel mit dem Rotor angebracht ist, zwischen den Auslegerarmen und dem Turm kraftgetriebene Verstellmittel angeordnet sind zur Verschwenkung der Ausleger und dem Außenring eine kraftgetriebene Verdrehvorrichtung zugeordnet ist zwecks Verdrehung des Außenrings mit den Auslegern.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Windkraftanlage nach Patentanspruch 1.
Eine Windkraftanlage enthält grundsätzlich ein Fundament, einen Turm und mindestens eine Gondel mit Rotor am Turm. Das Fundament kann Onshore von einem Betonsockel gebildet sein und Offshore von einer Pfahl- oder einer Plattengründung. Es ist auch denkbar, einen Schwimmkörper, auf dem die Windkraftanlage aufgerichtet wird, als Fundament anzusehen. Die vorliegende Erfindung soll alle Möglichkeiten umfassen.
Bekanntlich lässt sich die Kapazität einer Windkraftanlage durch zwei wesentliche Bedingungen verbessern, nämlich zum einen durch eine Erhöhung des Turms und zum anderen durch eine Vergrößerung des Rotors. Gleichwohl sind Höhe der Anlage und Größe des Rotors naturgemäß begrenzt.
Aus DE 195 13 321 ist eine Windkraftanlage bekannt geworden, bei der paarweise Windräder an einem Turm angeordnet sind, wobei die Windräder mit Hilfe eines Drehlagers um 360° um die Hochachse des Turms verdreht werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftanlage zu schaffen, mit der die Kapazität der Anlage je Turm signifikant erhöht werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Auch Bei der erfindungsgemäßen Windkraftanlage wird der Turm von einem Ringlager umfasst, der ein turmfestes Innenlagerbauteil und einen Außenring aufweist. Erfindungsgemäß ist am Außenring an diametral gegenüberliegenden Seiten ein Auslegearm angelenkt, an dessen Ende die Gondel mit dem Rotor angebracht ist. Zwischen dem Ausleger und dem Turm sind kraftgetriebene Verstellmittel angeordnet zur Verschwenkung der Ausleger und dem Außenring ist eine kraftgetriebene Verdrehvorrichtung zugeordnet zwecks Verdrehung des Außenrings mit den Auslegern.
Bei der erfindungsgemäßen Windkraftanlage sind mithin zwei Gondeln mit jeweils einem Rotor vorgesehen, wobei die Gondeln an den Enden der Ausleger installiert werden. Zur Anpassung an die Windrichtung sind die Ausleger an einem Drehlager montiert, das sich z. B. in einer Höhe von 50 m über dem Boden bzw. dem Meeresspiegel befindet. Durch die Anordnung an den Auslegern beeinflussen sich die Rotoren gegenseitig nicht, wodurch im Prinzip die doppelte Leistung erzielt werden kann.
Bei der Erfindung ist die Windkraftanlage in Bezug auf die Gründung im Gleichgewicht, und horizontale Momente heben sich durch die Anordnung der Rotoren ebenfalls auf. Die Rotoren werden nicht einzeln in den Wind gedreht, sondern beide Rotoren gleichzeitig über das Drehlager am Turm. Der hierfür erforderliche Antrieb zur Verdrehung der Ausleger kann relativ klein ausgelegt werden.
Zweckmäßigerweise ist das Innenlagerteil des Drehlagers fest am Turm angebracht. Es ist jedoch auch denkbar, das gesamte Lager in der Höhe am Turm verfahrbar auszubilden. Für diesen Fall muss der Turm zumindest über die Verfahrhöhe einen gleichmäßigen Querschnitt aufweisen.
Mit Hilfe einer Verschwenkung der Ausleger lässt sich die Höhe der Rotoren in Grenzen verstellen. Dadurch ist eine Anpassung an Windbedingungen möglich. Bei zu starker Wind kann es zweckmäßig sein, die Rotoren auf eine geringere Höhe abzusenken.
Die Anordnung von Gondel und Rotor an schwenkbaren Auslegern hat den weiteren Vorteil, dass Montage- und Wartungsarbeiten stark vereinfacht sind. Zur Montage von Gondel und Rotor können die Ausleger abgesenkt werden, so dass diese Arbeiten ohne weiteres von einem Schwimmkörper aus erfolgen können, ohne dass aufwendige Kranarbeiten erforderlich sind. Ebenso können Wartungsarbeiten dadurch vereinfacht werden, dass die Ausleger aus der Betriebsstellung ausreichend abgesenkt werden, um diese Arbeiten zu ermöglichen. Besonders einfach sind die Wartung- und Montagearbeiten, wenn die Rotoren zweiflüglig ausgebildet sind und beim Absenken der Ausleger in eine Horizontalstellung gebracht werden, so dass die Ausleger sehr nahe an dem Boden bzw. an die Meeresoberfläche abgesenkt werden können. Die Rotoren können versetzt angeordnet werden, z. B. kann ein Rotor auf der Lee- und der andere auf der Luvseite laufen, ohne dass sie sich nachteilig beeinflussen. Der Vorteil hierbei ist, dass die Ausleger verkürzt werden können.
Die erfindungsgemäße Windkraftanlage ist sowohl im On- als auch im Offshore-Bereich verwendbar, und im Offshore-Bereich auch bei schwimmenden Anlagen. Bei schwimmenden Anlagen muss davon ausgegangen werden, dass auch bei optimaler sehr großer Auslegung des Schwimmpontons Bewegungen nicht zu vermeiden sind, auch nicht, wenn der Ponton ein Kreisringsponton ist mit Stabilisatoren. Das Auslegersystem kann durch eine dynamische Steuerung der Verstellmittel Bewegungen ausgleichen, um insbesondere Beschleunigungswirkungen auf die Windkraftanlage zu begrenzen. Als Verstellmittel können nach einer Ausgestaltung der Erfindung Winden vorgesehen werden, die z. B. am oberen Ende des Turms über Seile mit den Auslegern verbunden sind. Durch im sogenannten Mooring-Verfahren zu betreibende Winden lassen sich z. B. Bewegungen des Pontons, auf dem die Windkraftanlage angeordnet ist, ausgleichen.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Ausleger von einem Gitterwerk gebildet. Auch der Turm kann gitterartig ausgebildet sein, um den Wind- und Wasserkräften möglichst wenig Widerstand entgegenzusetzen.
Statt Winden können auch hydraulische Verstellmittel vorgesehen werden, um die Ausleger zu verschwenken.
Zur Stabilisierung des Turms kann es zweckmäßig sein, diesen abzuspannen. Offshore werden die Seile dann durch Anker oder entsprechende Gewichte am Meeresboden abgespannt.
Es versteht sich, dass die Verstellmittel, mit denen die Ausleger in ihrer Lage verändert werden, ebenfalls mitdrehbar sind, wenn die Ausleger um den Turmschaft herum verdreht werden. So sind die Winden für die Verstellmittel z. B. an einem Kranz oder einer Plattform angeordnet, die drehbar auf dem oberen Ende des Turms angeordnet ist.
Bei einer Offshore-Anwendung kann die erfindungsgemäße Windkraftanlage komplett an Land hergestellt und anschließend zum Aufstellort transportiert werden. Es ist auch denkbar, auf Pontons in einem Bauhafen die Montage vorzunehmen. Bei einem Schwerkraftfundament kann dieses separat erstellt werden, wobei die Verbindung des Schwerkraftfundaments mit dem Turm im Bauhafen oder am Aufstellort erfolgt, bevor die gesamte Anlage auf dem Meeresboden aufgestellt wird. Das Transportieren, Aufrichten und Absenken der Windkraftanlage kann mit Hilfe eines Spezialschiffs oder -schwimmkörpers erfolgen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Windkraftanlage für Offshore-Anwendung.
2 zeigt eine ähnliche Darstellung wie 1 mit abgesenkten Rotoren.
3 zeigt eine ähnliche Darstellung wie 1 mit anderen Rotoren.
4 zeigt vergrößert perspektivisch das Drehlager am Turm der Windkraftanlage.
5 zeigt vorgefertigt Turm und Schwergewichtsfundament auf Schwimmkörpern.
6 zeigt die Phase des Zusammenbaus von Körper und Turm der Windkraftanlage.
7 zeigt den Zusammenbau der erfindungsgemäßen Windkraftanlage auf einem Schwimmkörper.
8 zeigt den am Schwimmkörper aufgerichteten Turm der Windkraftanlage.
9 zeigt den Turm nach 8 in auf dem Meeresboden abgesenkter Stellung.
10 zeigt das Absenken der Ausleger am Turm der Windkraftanlage zwecks anschließender Montage der Rotoren.
1 zeigt einen Turm 10 in Gitterbauweise, der sich auf einen ringförmigen Schwergewichtskörper 12 abstützt, der seinerseits teilweise in den Meeresboden eingesenkt ist. Hierfür können geeignete Verfahren angewendet werden, zum Auflockern des Bodens, was ein Einsinken des Fundaments nach sich zieht. Das Fundament 12 ist mit einer Kolkschutzmatte 14 umgeben. Das Ringfundament 12 weist außerdem rohrförmige nach unten reichende Beine 16 auf, die eine Stabilisierung im Hinblick auf Querkräfte bewerkstelligen. Der Turm 10 ist oberhalb des Wasserspiegels, beispielsweise in 50 m oder 60 m Höhe von einem Drehlager 18 umgeben. An das Drehlager 18 ist auf diametral gegenüberliegenden Seiten jeweils ein Ausleger 20 bzw. 22 angelenkt. Am Ende jedes Auslegers 20, 22 ist eine Gondel 24 bzw. 26 mit einem Rotor 28 bzw. 30 angeordnet. Am oberen Ende des Turms 10 befindet sich ein Drehkopf 32, der um die Achse des Turms 10 drehbar gelagert ist. Dieser enthält eine Reihe von Winden, die hier nicht dargestellt sind. Die Winden dienen zur Betätigung von Zugseilen 34 bis 40. Die Zugseile 34, 38 greifen an den Enden der Ausleger 20, 22 an, während die Zugseile 36, 40 annähernd mittig an den Auslegern 20, 22 angreifen. Mit Hilfe der Winden und der Zugseile 34 bis 40 können die Ausleger 20, 22 verschwenkt werden, wie dies z. B. in 2 dargestellt ist, in der die Ausleger relativ weit in Richtung Meeresspiegel heruntergeschwenkt werden, um die Zugänglichkeit zu den Gondeln und den Rotoren zu erleichtern.
Der Turm 10 ist unterhalb des Drehlagers 18 über Seile 42, 44 am Meeresboden abgespannt. Die Seile 44 können z. B. mit Saugtöpfen 46 verbunden sein, die sich durch Unterdruck am Meeresboden verankern.
4 zeigt das Drehlager 18 in perspektivischer Darstellung. Ein inneres Lagerteil 46 ist fest mit dem Turm 10 verbunden. Ein äußerer Lagerring 48 dreht sich um das innere Lagerteil 46, wobei Rollen die Drehung erleichtern können. Außerdem sind nicht gezeigte Verdrehmittel vorgesehen, um nach einem vorgegebenen Signal den Lagerring 48 um die Achse des Turms zu verdrehen, um eine gewünschte Einstellung der Rotoren 28, 30 zur Windrichtung zu erhalten.
Die Windkraftanlage nach 3 unterscheidet sich von der nach den 1 und 2 dadurch, dass zweiflüglige Rotoren vorgesehen sind. Sie haben den Vorteil, dass sie beim Absenken der Ausleger 20, 22 in Richtung Meeresspiegel horizontal gestellt werden können, damit sie nahe an ein Schiff zu Montage- und Servicezwecken abgesenkt werden können. Im übrigen wird angemerkt, dass die Rotoren 28, 30 bzw. 28a, 30a auf unterschiedlichen Seiten der Ausleger 20, 22 angeordnet werden können, was den Vorteil hat, dass die Ausleger verkürzt werden können.
Anhand der 5 bis 10 werden Montage, Transport und Aufrichten der erfindungsgemäßen Windkraftanlage näher erläutert.
Der Turm 10, wie er in den vorstehenden Figuren beschrieben wurde, ruht liegend auf einem Schwimmkörper 50. Die Ausleger 20, 22 sind dabei nach oben geklappt gegen die Kopfplatte 32. Diese Teile sind zuvor an Land oder auf dem Schwimmkörper zusammengebaut worden.
Auf einem weiteren Schwimmkörper 52 befindet sich ein schalenförmiges Ringfundament 54, z. B. aus Beton, das in radialen Stegen 54 Öffnungen 56 aufweist. Radial weiter außerhalb der Öffnungen 56 befinden sich Beine 58, die verstellbar in die Stege 54 eingelassen sind. Auch das Ringfundament ist zuvor an Land oder auf dem Ponton gegossen worden.
In 6 ist dargestellt, wie das Ringfundament 54 auf dem Schwimmkörper 52 vertikal aufgerichtet und zu den Füßen der Stützen des Gitterturms 10 ausgerichtet ist. Die Füße sind mit 60 bezeichnet. Zu diesem Zweck sind die beiden Schwimmkörper 50, 52 in eine geeignete Ausrichtung gebracht. In 7 ist die Montage des Ringfundaments 54 am Turm 10 beendet. Die Füße 60 sind in die Öffnungen 56 eingeführt und hier mittels geeigneter Klemmvorrichtungen festgesetzt. Die Klemmvorrichtungen ermöglichen zu einem späteren Zeitpunkt wieder das Lösen des Turms 10 vom Fundament 54.
Die Anordnung aus Turm 10 und Fundament 54 befindet sich entweder auf dem Schwimmkörper 50 oder einem Schwimmkörper 64, wobei der Turm 10 auf einem Gestell ruht, das allgemein mit 66 bezeichnet ist. Das Gestell ist um eine horizontale Achse bei 68 verschwenkbar. Der Schwimmkörper ist mit zwei Stützen 70, 72 versehen, die, wie dies in 8 dargestellt ist, auf den Meeresboden abgesenkt werden können, wenn der Schwimmkörper 64 am Aufstellort angelangt ist. Ist dies der Fall, wird das Gestell 66 mit Hilfe geeigneter Antriebe in eine Vertikalstellung gebracht (8). Dadurch wird der Turm 10 mit den Auslegern 20, 22 aufgerichtet und das Ringfundament 54 in eine Horizontallage gebracht. Mit Hilfe geeigneter Verstellmittel am Gestell 66 wird nunmehr der Turm 10 auf dem Meeresboden abgesenkt. Das Ringfundament 54 wird durch geeignete Mittel teilweise in den Meeresboden versenkt, beispielsweise durch Verflüssigung des Meeresbodens im Hochdruckinjektionsverfahren. Bei dieser und der vorangehenden Prozedur sind die Ausleger 20, 22 in hochgeklappter Stellung, wie aus den Figuren deutlich zu erkennen. Die Absenkmittel am Gestell 66 sind nicht dargestellt. Es können sogenannte Litzenheber vorgesehen werden, um die gesamte Turmanlage mit Fundament in gewünschter Weise auf dem Meeresboden aufzustellen.
Während der beschriebenen Arbeiten sind die Stützen 70, 72 abgesenkt, um den Schwimmkörper 64 zu stabilisieren und an Ort und Stelle zu halten.
In 10 ist der Absetzvorgang des Turms mit den Auslegern beendet, und der Schwimmkörper 64 befindet sich abseits vom aufgestellten Turm. Die Ausleger 20, 22 werden mit Hilfe der beschriebenen Winden abgesenkt. Anschließend können die Gondeln und die Rotoren an den Enden der Ausleger 20, 22 montiert werden, beispielsweise vom Schwimmkörper 64 aus oder von einem anderen Schwimmkörper, wobei die Enden der Ausleger 20, 22 so weit dem Meeresspiegel angenähert sind, dass ein einfaches Arbeiten möglich ist.

Claims

Windkraftanlage mit einem Fundament (12), einem Turm (10) und mindestens zwei Gondeln (24, 26) mit Rotor (28, 30) am Turm (10), wobei der Turm (10) von einem Ringlager umfasst ist, mit einem turmfesten Innenlagerteil (46) und einem Außenring (48), wobei am Außenring (48) an diametral gegenüberliegenden Seiten jeweils ein Auslegearm (20, 22) angelenkt ist, an dessen Ende mindestens eine Gondel (24, 26) mit Rotor (28, 30) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Auslegerarmen (20, 22) und dem Turm (10) kraftgetriebene, am Turm (10) drehbar angeordnete Verstellmittel angeordnet sind, durch die eine vertikale Verschwenkung der Auslegearme (20, 22) und dadurch eine Höhenverstellung der Rotoren (28, 30) in Grenzen erreicht wird, und dem Außenring (48) eine kraftgetriebene Verdrehvorrichtung zugeordnet ist, mit denen der Außenring (48) mit den Auslegern (20, 22) horizontal verdreht wird..
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausleger (20, 22) von einem Gitterwerk gebildet sind.
Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellmittel Seile (34, 36, 38, 40) aufweisen und Winden für die Seile an einer drehbaren Plattform (32) an den Turm (10) angeordnet sind.
Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellmittel Verstellzylinder aufweisen, deren turmseitiges Ende an einem Drehlager (18) am Turm angelenkt sind.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zweiflüglige Rotoren (28a, 30a) vorgesehen sind.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein durchgehender Turm (10), insbesondere in Gitterbauweise, vorgesehen ist.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Offshore-Anwendung der Turm sich auf einem Schwergewichtsfundament abstützt, vorzugsweise einem Ringfundament (12).