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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windkraftanlage, welche mindestens einen Rotor umfasst, der drehbar gelagert ist und Rotorblätter aufweist.
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Windkraftanlagen dienen der Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftanlage bereitzustellen, welche in einem breiten Windgeschwindigkeitsspektrum flexibel einsetzbar und effizient betreibbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens ein Rotorblatt mindestens ein bewegliches Element umfasst, mittels welchem das Trägheitsmoment und/oder eine Windangriffsfläche des Rotors veränderbar ist.
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Dadurch, dass bei der erfindungsgemäßen Windkraftanlage mindestens ein bewegliches Element mindestens eines Rotorblattes vorgesehen ist, kann das mindestens eine Rotorblatt zur Anpassung der Windkraftanlage an verschiedene Windgeschwindigkeiten und/oder Betriebszustände besonders einfach verändert werden.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mittels mindestens eines beweglichen Elements mindestens eines Rotorblatts eine räumliche Massenverteilung des Rotors relativ zu einer Rotationsachse des Rotors veränderbar ist.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass mittels mindestens eines beweglichen Elements mindestens eines Rotorblatts eine räumliche Massenverteilung des Rotors relativ zu einer Rotationsachse des Rotors gezielt einstellbar, insbesondere steuerbar und/oder regelbar ist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Windkraftanlage hierzu eine Steuervorrichtung umfasst, mittels welcher mindestens ein bewegliches Element mindestens eines Rotorblatts zur Veränderung der räumlichen Massenverteilung des Rotors relativ zu der Rotationsachse des Rotors gezielt eingestellt, gesteuert und/oder geregelt wird.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn ein Abstand des beweglichen Elements von der Rotationsachse des Rotors veränderbar, beispielsweise gezielt einstellbar, steuerbar und/oder regelbar, ist.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mittels mindestens eines beweglichen Elements mindestens eines Rotorblatts ein Abstand eines Massenschwerpunkts des Rotorblatts von der Rotationsachse des Rotors veränderbar, insbesondere gezielt einstellbar, steuerbar und/oder regelbar, ist.
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Unter einem Trägheitsmoment ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen der Widerstand des Rotors gegenüber einer Änderung seiner Rotationsbewegung zu verstehen. Das Trägheitsmoment wird auch Massenträgheitsmoment oder Inertialmoment genannt.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mittels mindestens eines beweglichen Elements die von Luft angeströmte und/oder umströmte Oberfläche mindestens eines Rotorblatts veränderbar ist.
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Die Windangriffsfläche eines Rotorblatts ist vorzugsweise die insgesamt angeströmte und/oder umströmte Oberfläche des Rotorblatts, welche im Betrieb der Windkraftanlage dem Wind ausgesetzt ist. Insbesondere ist die Windangriffsfläche des Rotors diejenige Oberfläche des Rotors, welche zur Umwandlung der Windenergie in eine Bewegungsenergie des Rotors mit der umströmenden Luft aerodynamisch zusammenwirkt.
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Günstig kann es sein, wenn mindestens ein Rotorblatt mindestens ein teilweise oder vollständig innerhalb einer Außenhülle des Rotorblatts angeordnetes bewegliches Element umfasst.
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Insbesondere dann, wenn mindestens ein Rotorblatt mindestens ein vollständig innerhalb einer Außenhülle des Rotorblatts angeordnetes bewegliches Element umfasst, kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine bewegliche Element im Betrieb der Windkraftanlage nicht dem Wind ausgesetzt ist, das heißt nicht mit Luft umströmt wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass mindestens ein vollständig innerhalb einer Außenhülle mindestens eines Rotorblatts angeordnetes bewegliches Element unter Beibehaltung der Form der Außenhülle des Rotorblatts innerhalb der Außenhülle des Rotorblatts bewegbar ist.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mittels mindestens eines beweglichen Elements mindestens eines Rotorblatts die Länge, die Breite und/oder die Form des mindestens eines Rotorblatts veränderbar ist. Auf diese Weise kann besonders einfach die Windangriffsfläche des betreffenden Rotorblatts verändert werden.
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Günstig kann es sein, wenn mindestens ein bewegliches Element als ein Rotorblattabschnitt eines Rotorblatts ausgebildet ist, welches relativ zu einem weiteren Rotorblattabschnitt desselben Rotorblatts und/oder relativ zu einem Befestigungselement desselben Rotorblatts bewegbar ist.
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Mittels eines Rotorblattabschnitts ist vorzugsweise ein Teil oder die gesamte Außenhülle eines Rotorblatts gebildet. Ein Rotorblattabschnitt ist vorzugsweise ein Bestandteil des Rotorblatts, welcher zur Umwandlung der Windenergie in Bewegungsenergie des Rotors aerodynamisch mit der umströmenden Luft zusammenwirkt.
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Mittels mindestens eines beweglichen Elements, welches als ein Rotorblattabschnitt eines Rotorblatts ausgebildet ist, ist vorzugsweise die Länge des Rotorblatts und/oder die Windangriffsfläche des Rotorblatts veränderbar, insbesondere gezielt einstellbar, steuerbar und/oder regelbar.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens ein Rotorblatt mindestens zwei Rotorblattabschnitte umfasst, welche relativ zueinander bewegbar sind, beispielsweise ineinander geführt sind.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Rotorblatt mindestens zwei Rotorblattabschnitte umfasst, welche teleskopartig ineinander geführt sind.
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Günstig kann es sein, wenn mindestens ein bewegliches Element ein Stützelement für eine Außenhülle mindestens eines Rotorblattes ist. Auf diese Weise kann insbesondere die Länge, die Breite und/oder die Form des mindestens einen Rotorblattes besonders einfach verändert, insbesondere gezielt eingestellt, gesteuert und/oder geregelt, werden.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn eine Außenhülle mindestens eines Rotorblatts zur Veränderung der Windangriffsfläche verformbar ausgebildet ist.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass eine Außenhülle mindestens eines Rotorblatts zur Veränderung der Windangriffsfläche längenvariabel, beispielsweise dehnbar, ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass eine Außenhülle mindestens eines Rotorblatts mittels mindestens eines beweglichen Elements, beispielsweise mittels mindestens eines als Stützelement ausgebildeten beweglichen Elements, verformbar ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass eine Außenhülle einerseits an einem beweglichen Stützelement und andererseits an einem Befestigungselement des Rotorblatts angeordnet ist. Durch eine Bewegung des Stützelements relativ zu dem Befestigungselement kann auf diese Weise besonders einfach die Form der Außenhülle, beispielsweise die Länge der Außenhülle, verändert werden. die Außenhülle ist hierzu vorzugsweise dehnbar.
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Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass die Außenhülle mehrteilig ausgebildet ist, wobei beispielsweise ein Adapterelement, insbesondere eine Profilausgleichsmanschette, zwischen zwei relativ zueinander bewegbaren Teilen, beispielsweise Rotorblattabschnitten, des Rotorblatts vorgesehen sein kann.
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Zur Umwandlung der Bewegungsenergie des Rotors in elektrische Energie umfasst die Windkraftanlage vorzugsweise eine Generatorvorrichtung.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Windkraftanlage eine über Elektromagnete gesteuerte Generatorvorrichtung umfasst.
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Günstig ist es, wenn die Windkraftanlage eine Steuervorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Position mindestens eines beweglichen Elements umfasst. Auf diese Weise kann gezielt auf die Position des mindestens einen beweglichen Elements Einfluss genommen werden, um das Trägheitsmoment und/oder die Windangriffsfläche des Rotors zu verändern.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Windkraftanlage eine Generatorvorrichtung umfasst, welche in Abhängigkeit von dem eingestellten Trägheitsmoment und/oder in Abhängigkeit von der eingestellten Windangriffsfläche steuerbar und/oder regelbar ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Generatorvorrichtung mittels der Steuervorrichtung steuerbar und/oder regelbar ist oder gesteuert und/oder geregelt wird.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Windkraftanlage eine Generatorvorrichtung umfasst, welche eine Drehmomentregelung aufweist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Generatorvorrichtung mittels Elektromagneten hinsichtlich eines Drehmoments regelbar ist.
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Günstig kann es sein, wenn die Windkraftanlage eine Sensorvorrichtung umfasst, mittels welcher die Windgeschwindigkeit, die Drehzahl des Rotors, die Position mindestens eines beweglichen Elements und/oder die auf die Rotorblätter wirkenden Fliehkräfte ermittelbar ist. Auf diese Weise können die zum zuverlässigen Betrieb der Windkraftanlage benötigten Parameter ermittelt und insbesondere der Steuervorrichtung zugeführt werden.
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Insbesondere ist hierdurch eine autonome und/oder autarke Steuerung und/oder Regelung der Windkraftanlage mittels der Steuervorrichtung durchführbar.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn mittels der Sensorvorrichtung die Windgeschwindigkeit, die Drehzahl des Rotors, die Position mindestens eines beweglichen Elements und/oder die auf die Rotorblätter wirkenden Fliehkräfte messbar sind.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb einer Windkraftanlage, insbesondere einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage.
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Der Erfindung liegt diesbezüglich die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchem eine Windkraftanlage in einem breiten Windgeschwindigkeitsspektrum einsetzbar und effizient betreibbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Windkraftanlage mindestens einen Rotor umfasst, der drehbar gelagert ist und Rotorblätter aufweist, und dass das Verfahren zum Betrieb einer solchen Windkraftanlage Folgendes umfasst:
Bewegen mindestens eines beweglichen Elements mindestens eines Rotorblatts zum Verändern des Trägheitsmoments und/oder einer Windangriffsfläche des Rotors.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Windkraftanlage beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass mittels einer Sensorvorrichtung der Windkraftanlage die Windgeschwindigkeit, die Drehzahl des Rotors, die Position mindestens eines beweglichen Elements und/oder die auf die Rotorblätter wirkenden Fliehkräfte ermittelt werden.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass mittels der Sensorvorrichtung ein Abstand des mindestens einen beweglichen Elements von der Rotationsachse ermittelt, insbesondere gemessen, wird.
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Günstig kann es sein, wenn die Drehzahl des Rotors und/oder das auf eine Generatorvorrichtung der Windkraftanlage übertragene Drehmoment mittels einer Steuervorrichtung gesteuert und/oder geregelt wird.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Drehzahl des Rotors und/oder das auf eine Generatorvorrichtung der Windkraftanlage übertragene Drehmoment in Abhängigkeit von mindestens einem mittels der Sensorvorrichtung ermittelten Wert mittels der Steuervorrichtung gesteuert und/oder geregelt wird.
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Vorzugsweise sind einzelne oder mehrere Funktionen der Windkraftanlage mittels der Steuervorrichtung steuerbar und/oder regelbar oder gesteuert und/oder geregelt.
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Die Steuervorrichtung ist hierzu vorzugsweise so ausgebildet, dass einzelne oder mehrere Funktionen der Windkraftanlage mittels der Steuervorrichtung durchführbar sind.
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Ferner können die erfindungsgemäße Windkraftanlage und/oder das erfindungsgemäße Verfahren einzelne oder mehrere der nachfolgend beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile aufweisen:
Die erfindungsgemäße Windkraftanlage umfasst vorzugsweise mindestens einen Rotor, welcher einen variablen Rotordurchmesser aufweist. Insbesondere kann auf diese Weise eine Anpassung des Rotors, beispielsweise der Windangriffsfläche des Rotors, an verschiedene Windgeschwindigkeiten erfolgen.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn die Windkraftanlage eine variable Drehmomentsteuerung umfasst.
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Mittels einer aktiven Generatorleistungssteuerung, welche beispielsweise eine Elektromagnetsteuerung ist, kann ein besonders flexibler und/oder effizienter Betrieb der Windkraftanlage ermöglicht werden.
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Die Windkraftanlage kann ineinander geführte Flügel (Rotorblätter), beispielsweise Mehrfachflügel, umfassen. Insbesondere kann hierdurch ein Teleskopflügelsystem gebildet werden.
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Die Windkraftanlage ist vorzugsweise selbstregelnd und/oder selbstregulierend ausgebildet.
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Vorzugsweise ist ein Drehmoment der Generatorvorrichtung zur Erleichterung des Anlaufens des Rotors anpassbar, so dass die Windkraftanlage in einem breiten Windgeschwindigkeitsspektrum genutzt werden kann. Hierdurch kann insbesondere eine erhöhte Jahresausbeute erzielt werden.
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Mittels der erfindungsgemäßen Windkraftanlage wird vorzugsweise die Ausbeute der produzierten elektrischen Energie erhöht. Ferner kann vorzugsweise ein Einsatz der Windkraftanlage an zuvor für Windkraftanlagen möglicherweise weniger geeigneten Orten ermöglicht werden.
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Die Windkraftanlage weist vorzugsweise eine geringe Anlaufgeschwindigkeit auf. Insbesondere dann, wenn die Windkraftanlage einen variablen Rotordurchmesser sowie einen über Elektromagneten gesteuerten Generator umfasst, können die Effizienz und die Amortisierungsgeschwindigkeit der Windkraftanlage gesteigert werden.
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Vorzugsweise regelt sich die Windkraftanlage auch bei hohen Windgeschwindigkeiten mittels einer Drehmomentregelung selbst. Die Windkraftanlage muss vorzugsweise auch bei hohen Windgeschwindigkeiten nicht mehr aus dem Wind genommen werden, so dass das nutzbare Windgeschwindigkeitsband (Windgeschwindigkeitsspektrum) nach oben hin erweitert werden kann.
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Die erfindungsgemäße Windkraftanlage kann insbesondere größenadaptierbare Flügel (Rotorblätter) aufweisen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Rotorblatt hierzu mit einem längenvariablen Deckmaterial, welches beispielsweise elastisch oder faltend ausgebildet ist, versehen ist.
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Zur Optimierung der Umströmung mindestens eines Rotorblattes mit Luft kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Rotorblatt mit einem Winglet versehen ist.
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Die erfindungsgemäße Windkraftanlage eignet sich insbesondere zur Anwendung auf Freiflächen, beispielsweise auf industriellen Gebäudekomplexen oder auf Wohnkomplexen. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Windkraftanlage auf Privathäusern Anwendung findet.
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Mittels einer Windkraftanlage kann insbesondere bei Niedrigenergiehäusern eine autonome Stromversorgung ermöglicht werden.
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Die erfindungsgemäße Windkraftanlage eignet sich insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich insbesondere an der erfindungsgemäßen Windkraftanlage durchführen.
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Die erfindungsgemäße Windkraftanlage lässt sich insbesondere mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betreiben.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn bewegliche Elemente in oder an voneinander verschiedenen Rotorblättern in voneinander verschiedenen Positionen relativ zu einer Rotationsachse des Rotors anordenbar sind.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass mindestens ein bewegliches Element in Abhängigkeit von einer Drehposition des Rotors bewegt wird.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass ein bewegliches Element eines Rotorblatts in der Nähe der Rotationsachse des Rotors angeordnet wird, wenn das Rotorblatt aufgrund der Drehbewegung um die Rotationsachse entgegen der Schwerkraftrichtung bewegt wird. Ferner kann vorgesehen sein, dass mindestens ein bewegliches Element in mindestens einem Rotorblatt in einer von der Rotationsachse des Rotors entfernten Position angeordnet wird, wenn das Rotorblatt aufgrund der Drehbewegung des Rotors um die Rotationsachse in der Schwerkraftrichtung bewegt wird. Hierdurch kann ein zusätzliches Drehmoment auf den Rotor wirken, wodurch ein Anfahrvorgang der Windkraftanlage erleichtert werden kann.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn mittels der Steuervorrichtung die Position mindestens eines beweglichen Elements, vorzugsweise die Positionen sämtlicher beweglicher Elemente, zur Beeinflussung eines auf den Rotor wirkenden Drehmoments, insbesondere in Bezug auf in Schwerkraftrichtung wirkende beschleunigende und/oder verlangsamende Kräfte und/oder Momente, zur Beeinflussung der Drehzahl des Rotors und/oder zur Beeinflussung des Trägheitsmoments des Rotors einstellbar, insbesondere steuerbar und/oder regelbar, ist.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Rotor mit einem konzentrisch um die Rotationsachse angeordneten Ring versehen ist, welcher eine äußere Umrandung des Rotors bildet.
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Hierbei kann vorgesehen sein, dass ein Befestigungselement zur Befestigung eines beweglichen Elements mindestens eines Rotorblatts der Befestigung des Rings dient und sich somit ausgehend von der Nabe des Rotors bis zu dem Ring erstreckt.
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Das bewegliche Element ist dann vorzugsweise längs des Befestigungselements von der Nabe bis zu dem Ring bewegbar.
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Die Verwendung eines Rings kann den Vorteil bieten, dass der Rotor besonders stabil ausgebildet ist, wobei die Stabilität insbesondere durch die Befestigungselemente und den Ring gewährleistet wird. Die beweglichen Elemente und/oder die Rotorblattabschnitte, welche die Windangriffsfläche eines jeden Rotorblatts bilden, müssen sich dann vorzugsweise nicht mehr selbst tragen, sondern werden vielmehr durch das zugehörige Befestigungselement gestützt.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn mindestens ein Rotorblatt, vorzugsweise sämtliche Rotorblätter, zumindest abschnittsweise, beispielsweise die Rotorblattabschnitte, welche die Windangriffsfläche bilden, um eine senkrecht auf der Rotationsachse des Rotors stehende Längsachse des (jeweiligen) Rotorblatts drehbar ist. Insbesondere kann hierdurch eine Anpassung der Windkraftanlage an aktuelle Umgebungsbedingungen, beispielsweise an den herrschenden Luftdruck und/oder die herrschende Windgeschwindigkeit, erfolgen.
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Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
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In den Figuren zeigen:
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1 eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer Windkraftanlage;
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2 eine schematische Darstellung eines Rotorblatts eines Rotors gemäß einer zweiten Ausführungsform einer Windkraftanlage;
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3 eine der 2 entsprechende schematische Darstellung eines Rotorblatts eines Rotors gemäß einer dritten Ausführungsform einer Windkraftanlage;
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4 eine der 2 entsprechende schematische Darstellung eines Rotorblatts eines Rotors gemäß einer vierten Ausführungsform einer Windkraftanlage;
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5 eine der 2 entsprechende schematische Darstellung eines Rotorblatts eines Rotors gemäß einer fünften Ausführungsform einer Windkraftanlage;
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6 eine der 2 entsprechende schematische Darstellung eines Rotorblatts eines Rotors gemäß einer sechsten Ausführungsform einer Windkraftanlage, wobei ein bewegliches Element innerhalb des Rotorblatts in der Nähe einer Rotationsachse des Rotors angeordnet ist;
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7 eine schematische Draufsicht auf den Rotor der sechsten Ausführungsform der Windkraftanlage gemäß 6;
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8 eine der 6 entsprechende schematische Darstellung des Rotorblatts des Rotors gemäß der sechsten Ausführungsform der Windkraftanlage, wobei das bewegliche Element innerhalb des Rotorblatts nach außen bewegt wurde;
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9 eine der 7 entsprechende schematische Darstellung des Rotors gemäß der sechsten Ausführungsform der Windkraftanlage, wobei die beweglichen Elemente der Rotorblätter gemäß 8 nach außen bewegt wurden;
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10 eine der 7 entsprechende schematische Darstellung des Rotors gemäß der sechsten Ausführungsform der Windkraftanlage, wobei die beweglichen Elemente der Rotorblätter in voneinander verschiedenen Positionen relativ zu der Nabe des Rotors angeordnet sind;
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11 eine der 10 entsprechende schematische Darstellung des Rotors gemäß der sechsten Ausführungsform der Windkraftanlage, wobei die beweglichen Elemente der Rotorblätter zur Anpassung an eine geänderte Drehposition des Rotors relativ zu der Nabe des Rotors bewegt wurden; und
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12 eine schematische Darstellung eines Rotors gemäß einer siebten Ausführungsform der Windkraftanlage, bei welcher ein Ring zur Stabilisierung der Rotorblätter vorgesehen ist.
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Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Eine in 1 dargestellte erste Ausführungsform einer als Ganzes mit 100 bezeichneten Windkraftanlage umfasst einen Mast 102, welcher an einem Untergrund 104 verankert ist. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform der Windkraftanlage 100 ist der Untergrund 104 ein Boden. Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass der Untergrund 104 ein Dach oder dergleichen ist.
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An dem Mast 102 ist beabstandet zu dem Untergrund 104 ein Gehäuse 106 der Windkraftanlage 100 angeordnet, welches eine Gondel 108 der Windkraftanlage 100 bildet.
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Das Gehäuse 106 ist um eine vertikale Drehachse 110 drehbar an dem dem Untergrund 104 abgewandten Ende des Masts 102 angeordnet.
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An dem Gehäuse 106 ist ein Rotor 112 drehbar gelagert. Der Rotor 112 kann hierbei um eine im Wesentlichen horizontal ausgerichtete Rotationsachse 114 des Rotors 112 gedreht werden.
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Der Rotor 112 umfasst mehrere, beispielsweise drei, Rotorblätter 116, welche an einer zentral auf der Rotationsachse 114 angeordneten Nabe 118 angeordnet sind und im Wesentlichen senkrecht von der Rotationsachse 114 des Rotors 112 von der Nabe 118 wegragen.
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Die Rotorblätter 116 weisen eine aerodynamische Form auf, welche es ermöglicht, dass ein in einer Windrichtung 120 auf den Rotor 112 treffender Wind mit den Rotorblättern 116 aerodynamisch zusammenwirkt und den Rotor 112 um die Rotationsachse 114 in Drehbewegung versetzt.
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Zur Umwandlung der (Dreh-)Bewegungsenergie des Rotors 112 in elektrische Energie umfasst die Windkraftanlage 100 eine Generatorvorrichtung 122.
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Der Rotor 112 ist mittels einer Getriebeeinrichtung 124 mit der Generatorvorrichtung 122 verbunden.
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Mittels der Getriebeeinrichtung 124 kann eine Drehzahl (Rotationsfrequenz) des Rotors 112 in eine Drehzahl umgewandelt werden, welche zur optimalen Energieumwandlung mittels der Generatorvorrichtung 122 benötigt wird.
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Ferner umfasst die Windkraftanlage 100 eine Bremseinrichtung 126, mittels welcher die Drehbewegung des Rotors 112 bei Bedarf abgebremst werden kann.
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Die Steuerung der Windkraftanlage 100 erfolgt mittels einer Steuervorrichtung 128 der Windkraftanlage 100.
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Um eine optimale Ausnutzung des Windes mittels der Windkraftanlage 100 zu ermöglichen, umfasst die Windkraftanlage 100 ferner eine Sensorvorrichtung 130, mittels welcher eine Windgeschwindigkeit und/oder eine Windrichtung ermittelbar ist.
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Ferner ist mittels der Sensorvorrichtung 130 mindestens ein Betriebsparameter der Windkraftanlage 100 erfassbar, so dass ein automatischer, insbesondere autonomer oder autarker, Betrieb der Windkraftanlage 100 möglich ist.
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Die vorstehend beschriebene erste Ausführungsform der Windkraftanlage 100 funktioniert wie folgt:
Mittels eines (nicht dargestellten) Antriebs wird das Gehäuse 106 und somit der daran angeordnete Rotor 112 um die vertikale Drehachse 110 gedreht, bis der Rotor 112 in optimaler Weise bezüglich der Windrichtung 120 ausgerichtet ist. Insbesondere ist dabei die Rotationsachse 114 des Rotors 112 parallel zur Windrichtung 120 ausgerichtet.
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Aufgrund der Wechselwirkung des Windes mit den Rotorblättern 116 wird der Rotor 112 in Drehbewegung versetzt.
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Diese Drehbewegung wird über eine Welle und mittels der Getriebeeinrichtung 124 auf die Generatorvorrichtung 122 übertragen und dort zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet.
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Mittels der Sensorvorrichtung 130 und der Steuervorrichtung 128 kann auf Änderungen in der Windrichtung 120 und/oder der Windgeschwindigkeit vorzugsweise automatisch reagiert werden, so dass die Windkraftanlage 100 automatisch an geänderte Windverhältnisse anpassbar ist und mittels der Windkraftanlage 100 eine möglichst große Strommenge erzeugt werden kann.
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Eine in 2 dargestellte zweite Ausführungsform einer Windkraftanlage 100 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die Rotorblätter 116 jeweils ein Befestigungselement 132 und einen Rotorblattabschnitt 134 umfassen, wobei der Rotorblattabschnitt 134 mittels einer (nicht dargestellten) Antriebsvorrichtung relativ zu dem Befestigungselement 132 bewegbar ist.
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Der Rotorblattabschnitt 134 bildet somit bei der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform der Windkraftanlage 100 ein bewegliches Element 136 des Rotorblatts 116.
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Der Rotorblattabschnitt 134 ist insbesondere derjenige Abschnitt des Rotorblatts 116, welcher aufgrund seiner aerodynamischen Gestaltung mit dem Wind wechselwirkt, um den Rotor 112 in Bewegung zu versetzen.
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Eine Oberfläche des Rotorblattabschnitts 134 bildet hierzu eine Windangriffsfläche 138, welche im Betrieb der Windkraftanlage 100 von Luft angeströmt und umströmt wird.
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Durch Veränderung der Position des beweglichen Elements 136 mittels der Antriebsvorrichtung kann eine Gesamtlänge L des Rotorblatts 116 variiert werden.
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Insbesondere kann ein Abstand A des Rotorblattabschnitts 134 von der Nabe 118 des Rotors 112 variiert werden.
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Bei der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform der Windkraftanlage 100 kann somit ein Durchmesser des Rotors 112 aufgrund der beweglichen Elemente 136 der Rotorblätter 116, insbesondere mittels der Steuervorrichtung 128, gezielt eingestellt werden.
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Diese Veränderung ermöglicht eine Anpassung des Rotors 112 an eine gegebene Windsituation, insbesondere an eine ermittelte Windgeschwindigkeit.
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Ferner kann durch eine gezielte Veränderung des Rotordurchmessers ein Anlaufvorgang des Rotors 112, das heißt eine Inbetriebnahme der Windkraftanlage 100, vereinfacht werden.
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Zur optimierten Steuerung und/oder Regelung der Windkraftanlage 100 mittels der Steuervorrichtung 128 umfasst der Rotor 112 im Bereich der Nabe 118 eine Sensorvorrichtung 130, mittels welcher die auf die Rotorblätter 116 wirkenden Fliehkräfte ermittelt werden können. Die Veränderung des Abstandes A des beweglichen Elements 136 von der Nabe 118 des Rotors 112 und die hieraus resultierende Änderung des Massenschwerpunkts der Rotorblätter sowie der hieraus resultierenden Änderung des Trägheitsmoments des Rotors 112 können mittels der Sensorvorrichtung 130 ermittelt, vorzugsweise überwacht oder überprüft, werden.
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Im Übrigen stimmt die in 2 dargestellte zweite Ausführungsform der Windkraftanlage 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Eine in 3 dargestellte dritte Ausführungsform einer Windkraftanlage 100 unterscheidet sich von der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass das Rotorblatt 116, welches in 3 repräsentativ für sämtliche Rotorblätter 116 dargestellt ist, zwei relativ zueinander bewegbare Rotorblattabschnitte 134 umfasst.
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Ein erster Rotorblattabschnitt 134 ist an dem Befestigungselement 132 des Rotorblatts 116 festgelegt.
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Ein weiterer Rotorblattabschnitt 134 ist relativ zu dem ersten Rotorblattabschnitt 134 bewegbar.
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Der weitere Rotorblattabschnitt 134 bildet somit bei der in 3 dargestellten dritten Ausführungsform der Windkraftanlage 100 ein bewegliches Element 136 des Rotorblatts 116.
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Wie 3 zu entnehmen ist, ist das bewegliche Element 136 innerhalb des fest mit dem Befestigungselement 132 verbundenen ersten Rotorblattabschnitts 134 geführt und wahlweise aus dem feststehenden Rotorblattabschnitt 134 heraus bewegbar und in den feststehenden Rotorblattabschnitt 134 hinein bewegbar.
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Auf diese Weise kann auch bei der in 3 dargestellten dritten Ausführungsform der Windkraftanlage 100 die Länge L des Rotorblatts 116 gezielt verändert werden.
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Der fest mit dem Befestigungselement 132 verbundene Rotorblattabschnitt 134 umfasst eine Außenhülle 140 des Rotorblatts 116, innerhalb welcher das bewegliche Element 136 zumindest teilweise und/oder zumindest zeitweise angeordnet ist.
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Eine Oberfläche der Außenhülle 140 bildet einen Teil der Windangriffsfläche 138 des Rotorblatts 116.
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Ein weiterer Teil der Windangriffsfläche 138 des Rotorblatts 116 ist durch eine Oberfläche des beweglichen Elements 136 gebildet, sofern diese Oberfläche aus dem fest mit dem Befestigungselement 132 verbundenen Rotorblattabschnitt 134 herausragt und somit im Betrieb der Windkraftanlage 100 mit Luft umströmt wird.
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An einem der Nabe 118 des Rotors 112 abgewandten Ende des fest mit dem Befestigungselement 132 verbundenen Rotorblattabschnitts 134 weist dieser Rotorblattabschnitt 134 eine Öffnung 142 auf, durch welche sich das bewegliche Element 136 erstrecken kann.
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Insbesondere dann, wenn das bewegliche Element 136 einen über die Länge L des Rotorblatts 116 variierenden Querschnitt aufweist, kann zur Abdichtung der Öffnung 142 in dem das bewegliche Element 136 umgebenden Bereich ein Adapterelement 144 vorgesehen sein.
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Das Adapterelement 144 ist beispielsweise eine Profilausgleichsmanschette 146.
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Im Übrigen stimmt die in 3 dargestellte dritte Ausführungsform der Windkraftanlage 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Eine in 4 dargestellte vierte Ausführungsform einer Windkraftanlage 100 unterscheidet sich von der in 3 dargestellten dritten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass das bewegliche Element 136 keinen separaten Rotorblattabschnitt 134 des Rotorblatts 116 bildet, sondern als Stützelement 148 ausgebildet ist, welches die Außenhülle 140 des fest mit dem Befestigungselement 132 verbundenen Rotorblattabschnitts 134 stützt.
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Auch mittels des Stützelements 148 kann die Länge L des Rotorblatts 116 verändert werden. Insbesondere kann hierdurch die Länge der Außenhülle 140 des Rotorblattabschnitts 134 verändert werden.
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Die Außenhülle 140 ist hierzu einerseits an dem Stützelement 148 und andererseits an dem Befestigungselement 132 angeordnet und dehnbar ausgebildet, so dass bei einer Bewegung des beweglichen Elements 136 die Außenhülle 140 stärker oder weniger stark gedehnt werden kann und hierdurch die Windangriffsfläche 138 vergrößert bzw. verkleinert werden kann.
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Im Übrigen stimmt die in 4 dargestellte vierte Ausführungsform der Windkraftanlage 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 3 dargestellten dritten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehenden Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Eine in 5 dargestellte fünfte Ausführungsform einer Windkraftanlage 100 unterscheidet sich von der in 4 dargestellten vierten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die Außenhülle 140 nicht insgesamt dehnbar ausgebildet ist, sondern dass ein Abschnitt der Außenhülle 140 variabel ausgebildet ist. Insbesondere ist ein Abschnitt der Außenhülle 140 hierbei als ein Faltenbalg 150 ausgebildet. Auch hierdurch kann die Länge der Außenhülle 140 zusammen mit der Länge L des Rotorblatts 116 gezielt verändert werden.
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Im Übrigen stimmt die in 5 dargestellte fünfte Ausführungsform der Windkraftanlage 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 4 dargestellten vierten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Eine in den 6 bis 11 dargestellte sechste Ausführungsform einer Windkraftanlage 100 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die Rotorblätter 116 mit innerhalb der Außenhülle 140 der Rotorblattabschnitte 134 der Rotorblätter 116 angeordneten beweglichen Elementen 136 versehen sind.
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Bei der in den 6 bis 11 dargestellten sechsten Ausführungsform der Windkraftanlage 100 kann somit mittels der beweglichen Elemente 136 nicht auf eine Ausdehnung und/oder Form der Rotorblätter 116 Einfluss genommen werden.
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Die innerhalb der Außenhüllen 140 der Rotorblätter 116 angeordneten beweglichen Elemente 136 dienen bei der in den 6 bis 11 dargestellten sechsten Ausführungsform der Windkraftanlage 100 vielmehr der gezielten Veränderung des Trägheitsmoments des Rotors 112.
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Wie insbesondere den 6 und 7 zu entnehmen ist, kann bei der sechsten Ausführungsform der Windkraftanlage 100 durch die Anordnung der beweglichen Elemente 136 in der Nähe der Nabe 118, beispielsweise mit einem Abstand a1 von der Rotationsachse 114 des Rotors 112, ein Massenschwerpunkt eines jeden Rotorblatts 116 in die Nähe der Rotationsachse 114 des Rotors 112 verschoben werden.
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Hierdurch reduziert sich das Trägheitsmoment und der Rotor 112 kann leichter in Drehbewegung versetzt werden.
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Hierdurch kann insbesondere ein Anlaufvorgang der Windkraftanlage 100 vereinfacht werden.
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Die beweglichen Elemente 136 sind innerhalb der Außenhülle 140 der Rotorblätter 116 des Rotors 112 von der Rotationsachse 114 des Rotors 112 bewegbar, so dass sie beispielsweise auch in einem Abstand a2 von der Rotationsachse 114 des Rotors 112 angeordnet werden können (siehe 8 und 9).
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Der Massenschwerpunkt eines jeden Rotorblatts 116 verschiebt sich bei größer werdendem Abstand a der beweglichen Elemente 136 von der Rotationsachse 114 von der Rotationsachse 114 weg nach außen.
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Hierdurch kann das Trägheitsmoment des Rotors 112 erhöht werden, was insbesondere nach erfolgreichem Anlaufen der Windkraftanlage 100 wünschenswert sein kann, um einen effizienten Betrieb der Windkraftanlage 100 über einen besonders großen Windgeschwindigkeitsbereich ermöglichen zu können.
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Wie insbesondere den 10 und 11 zu entnehmen ist, kann bei der sechsten Ausführungsform der Windkraftanlage 100 vorgesehen sein, dass die beweglichen Elemente 136 innerhalb der Rotorblätter 116 unabhängig voneinander in verschiedenen Positionen relativ zu der Nabe 118 des Rotors 112 anordenbar sind.
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Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass die beweglichen Elemente 136a, 136b und 136c in den zugehörigen Rotorblättern 116a, 116b bzw. 116c in Abhängigkeit von einer Drehposition des Rotors 112 in voneinander verschiedenen Abständen von der Nabe 118 des Rotors 112 angeordnet werden.
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Ein Anfahren der Windkraftanlage 100 kann hierdurch vereinfacht werden, wenn ein bewegliches Element 136b in einem Rotorblatt 116b, welches sich aufgrund der Drehbewegung des Rotors 112 um die Rotationsachse 114 in einer Schwerkraftrichtung 152 nach unten bewegt, in einem großen Abstand b2 von der Nabe 118 des Rotors 112 angeordnet wird, während ein bewegliches Element 136c in einem Rotorblatt 116c, welches aufgrund der Drehbewegung des Rotors 112 um die Rotationsachse 118 entgegen der Schwerkraftrichtung 152 nach oben bewegt wird, in einem kleinen Abstand b1 von der Nabe 118 des Rotors 112 angeordnet wird.
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Hierdurch kann ein zusätzliches, die Drehbewegung des Rotors 112 beschleunigendes Drehmoment auf den Rotor 112 aufgebracht werden.
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Im weiteren Verlauf der Drehbewegung des Rotors 112 wird das bewegliche Element 136b in dem in der Schwerkraftrichtung 152 nach unten bewegten Rotorblatt 116b in die nahe an der Nabe 118 angeordnete Position gebracht, das heißt in dem Abstand b1 von der Nabe 118 angeordnet (siehe 11), so dass die darauf folgende Aufwärtsbewegung des Rotorblatts 116b vereinfacht wird.
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Wie insbesondere 11 zu entnehmen ist, wird vorzugsweise zeitgleich das bewegliche Element 136a in dem als nächstes in der Schwerkraftrichtung 152 nach unten bewegten Rotorblatt 116a in die von der Nabe 118 beabstandete Position gebracht, das heißt in dem Abstand b2 von der Nabe 118 angeordnet.
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Dadurch, dass die beweglichen Elemente 136 in den in der Schwerkraftrichtung 152 nach unten bewegten Rotorblättern 116 einen größeren Abstand von der Nabe 118 aufweisen als die beweglichen Elemente 136 in den bezüglich der Schwerkraftrichtung 152 nach oben bewegten Rotorblättern 116, kann ein zusätzliches, die Drehbewegung des Rotors 112 beschleunigendes Drehmoment erzeugt werden, wodurch ein Anfahrvorgang der Windkraftanlage 100 erleichtert werden kann.
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Im Übrigen stimmt die in den 6 bis 11 dargestellte sechste Ausführungsform der Windkraftanlage 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Eine in 12 dargestellte siebte Ausführungsform einer Windkraftanlage 100 unterscheidet sich von der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform der Windkraftanlage 100 im Wesentlichen dadurch, dass der Rotor 112 mit einem konzentrisch um die Rotationsachse 114 angeordneten Ring 154 versehen ist.
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Der Ring 154 dient dabei als Stabilisationselement zur Stabilisierung des Rotors 112.
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Die Befestigungselemente 132 zur Befestigung der beweglichen Elemente 136 der Rotorblätter 116 erstrecken sich ausgehend von der Nabe 118 bis zu dem Ring 154. Die Befestigungselemente 132 dienen somit einerseits als Tragelemente für den Ring 154. Andererseits werden durch den Ring 154 die Befestigungselemente 132 selbst stabilisiert.
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Die beweglichen Elemente 136 können bei der in 12 dargestellten siebten Ausführungsform der Windkraftanlage 100 in beliebige Positionen zwischen dem Ring 154 und der Nabe 118 gebracht werden.
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Aufgrund der durchgängigen Befestigungselemente 132 müssen die beweglichen Elemente 136 vorzugsweise nicht selbsttragend ausgebildet sein. Vielmehr werden die beweglichen Elemente 136 vorzugsweise durch die Befestigungselemente 132 und indirekt auch durch den Ring 154 stabilisiert.
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Durch die Verwendung eines Rings 154 zur Stabilisierung des Rotors 112 kann somit ein besonders stabiler Rotor 112 bereitgestellt werden.
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Im Übrigen stimmt die in 12 dargestellte siebte Ausführungsform einer Windkraftanlage 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Bei (nicht dargestellten) alternativen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass einzelne oder mehrere Merkmale der beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen von Windkraftanlagen 100 miteinander kombiniert werden.
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Dadurch, dass die beschriebenen Windkraftanlagen 100 mindestens ein Rotorblatt 116 umfassen, welches mindestens ein bewegliches Element 136 aufweist, mittels welchem das Trägheitsmoment und/oder die Windangriffsfläche 138 des Rotors 112 veränderbar ist, kann die Windkraftanlage 100 flexibel in einem breiten Windgeschwindigkeitsspektrum eingesetzt und effizient betrieben werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Windkraftanlage
- 102
- Mast/Turm
- 104
- Untergrund
- 106
- Gehäuse
- 108
- Gondel
- 110
- vertikale Drehachse
- 112
- Rotor
- 114
- Rotationsachse
- 116
- Rotorblatt
- 118
- Nabe
- 120
- Windrichtung
- 122
- Generatorvorrichtung
- 124
- Getriebeeinrichtung
- 126
- Bremseinrichtung
- 128
- Steuervorrichtung
- 130
- Sensorvorrichtung
- 132
- Befestigungselement
- 134
- Rotorblattabschnitt
- 136
- bewegliches Element
- 138
- Windangriffsfläche
- 140
- Außenhülle
- 142
- Öffnung
- 144
- Adapterelement
- 146
- Profilausgleichsmanschette
- 148
- Stützelement
- 150
- Faltenbalg
- 152
- Schwerkraftrichtung
- 154
- Ring
- A
- Abstand
- L
- Länge
- a1, a2
- Abstand
- b1, b2
- Abstand
