DE102012102876A1 - Windkraftanlage mit zwei Rotoren - Google Patents

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    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03DWIND MOTORS
    • F03D1/00Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/02Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor  having a plurality of rotors
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05BINDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2250/00Geometry
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    • F05B2250/312Arrangement of components according to the direction of their main axis or their axis of rotation the axes being parallel to each other
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    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/72Wind turbines with rotation axis in wind direction

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage (100) mit einem Turm (101) und mindestens zwei Rotoren (1, 2), welche jeweils eine Rotationsachse (11, 21) und Rotorblätter (12, 22) aufweisen. Um einen höheren Wirkungsgrad der Windkraftanlage zu erzielen, wird vorgeschlagen, dass die Rotationsachsen (11, 21) des ersten und des zweiten Rotors (2) parallel mit einem Abstand (3) verlaufen, wobei der erste (1) Rotor und der zweite Rotor (2) außerdem zueinander einen Abstand (4) in Richtung ihrer Rotationsachsen (11, 21) aufweisen und an gegenüberliegenden Seiten des Turms (101) angeordnet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem Turm und mindestens zwei Rotoren, welche jeweils eine Rotationsachse und Rotorblätter aufweisen.
  • Eine Windkraftanlage wandelt Windenergie mit ihrem Rotor in elektrische Energie um und speist sie in das Stromnetz ein. Sie besteht im Wesentlichen aus einem Fundament für die Standsicherheit, einem Turm, und einer am oberen Ende des Turms befestigten Gondel. Die Gondel enthält einen Generator mit einem damit verbundenen Rotor, der die Rotorblätter aufweist. Die Gondel ist drehbar auf dem Turm gelagert, um sie der jeweiligen Windrichtung nachführen zu können. Ein Problem bei bekannten Windkraftanlagen ist der verhältnismäßig geringe Wirkungsgrad. Deshalb wird in der Patentanmeldung DE 10 2009 060 895 A1 eine Windkraftanlage vorgeschlagen, für die mehrere Rotoren vorgesehen ist, welche koaxial hintereinander angeordnet sind. Nachteilig ist jedoch, dass die vorderen Rotoren Verwirbelungen erzeugt, die den Wirkungsgrad der hinteren Rotoren vermindern.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Windkraftanlage mit mindestens zwei Rotoren vorzuschlagen, durch die ein höherer Wirkungsgrad erzielt wird.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Rotationsachsen des ersten und des zweiten Rotors parallel mit einem Abstand verlaufen. Der erste Rotor und der zweite Rotor weisen außerdem einen Abstand zueinander in Richtung ihrer Rotationsachsen auf und sind an gegenüberliegenden Seiten des Turms angeordnet. Der Turm ist also zwischen beiden Rotoren angeordnet. Bei einer aufgebauten Windkraftanlage verläuft die zentrale Achse des Turms vertikal zum Boden. Dementsprechend verlaufen die Rotationsachsen der Rotoren im Wesentlichen horizontal zum Boden. Beide Rotoren sind nicht koaxial sondern jeder auf einer eigenen Rotationsachse angeordnet, die beide parallel voneinander beabstandet sind, wobei der Begriff der Rotationsachse auch deren gedachte Verlängerung umfasst. Im Betriebszustand befindet sich ein Rotor auf der vorderen, dem Wind zugewandten Seite des Turmes, der Luv, er ist ein so genannter Luvläufer. Der andere Rotor befindet sich auf der dem Wind abgewandten, hinteren Seite des Turmes, der Lee, er ist ein so genannter Leeläufer. Dass beide Rotoren, bezogen auf ihre Rotationsachsen sowohl axial als auch radial zueinander versetzt sind, wobei der Turm zwischen ihnen angeordnet ist, hat mehrere Vorteile. Durch den axialen und radialen Abstand des Luvläufers vom Leeläufer wird letzterer im geringeren Maß von Verwirbelungen und Turbulenzen, die der Luvläufer verursacht, getroffen, wodurch der Wirkungsgrad erhöht wird. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass es nicht, wie bei bekannten Leeläufern zu mechanischen Schwingungen und zu elektrischen Schwankungen kommt, wenn ein Rotorblatt den Windschatten des Turmes durchquert und dabei das Antriebsdrehmoment schwankt. Denn da der hintere Rotor in axialer Richtung vom Turm entfernt ist, befindet sich ein Rotorblatt auch in vertikaler Position niemals völlig im Windschatten des Turmes. Hierdurch können Leistungseinbußen und mechanische Belastungen vermieden oder merklich verringert werden.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zusätzlichen Merkmalen werden nachfolgend beschrieben.
  • Vorzugsweise verläuft die von den beiden Rotationsachsen aufgespannte, gedachte Ebene im Wesentlichen orthogonal zur zentralen Achse des Turms. Die beiden Rotoren befinden sich also auf derselben Höhe des Turms, was konstruktive Vorteile hat.
  • Der Wirkungsgrad wird weiter dadurch verbessert, dass die Rotoren hinsichtlich ihrer Drehbewegung miteinander gekoppelt und dabei die Rotoren gegeneinander gedreht sind, so dass die Rotorblätter des ersten Rotors im Verhältnis zu den Rotorblättern des zweiten Rotors durch die Koppelung bei einer Drehbewegung einen festen Winkel zueinander beibehalten. Hierdurch können die Rotoren so gegeneinander eingestellt werden, dass die während einer Drehung der Rotoren die von einem Rotorblatt des Luvläufers erzeugten Verwirbelungen und Turbulenzen in Windrichtung genau durch den Zwischenraum zwischen zwei Rotorblätter des Leeläufers geleitet werden. Zumindest bei niedrigen Rotorgeschwindigkeiten sollten die Rotoren gegeneinander so gedreht sein, dass die Rotorblätter des ersten Rotors jeweils mittig zwischen den Rotorblättern des zweiten Rotors positioniert sind. Beispielsweise beträgt der Winkel bei zweiblättrigen Rotoren etwa 90 Grad. Je nach Rotor- und Windgeschwindigkeit sowie Strömungsverhältnissen können allerdings Abweichungen auftreten, da die Luftströmung eine gewisse Zeit vom ersten bis zum zweiten Rotor benötigt. Deshalb ist der Winkel vorzugsweise einstellbar. Die Einstellung des optimalen Winkels kann automatisch erfolgen, indem beispielsweise die Leistungsabgabe der Windkraftanlage ständig gemessen und der Winkel so eingestellt wird, dass die Leistungsabgabe einen maximalen Wert erreicht. Die Koppelung der Rotoren kann mechanisch, beispielsweise über eine Welle mit Kreuzgelenken, erfolgen. Sie kann auch elektronisch erfolgen, indem die Position jedes Rotors über Sensoren gemessen und durch einen Computer synchronisiert wird. Ebenso kann die Einstellung des Winkels durch eine mechanische Vorrichtung oder elektronisch erfolgen.
  • Obwohl auch Rotoren mit einem oder drei Rotorblättern möglich sind, wird ein optimaler Wirkungsgrad dadurch erzielt, dass jeder Rotor zwei Rotorblätter aufweist.
  • Eine kompakte Bauform bei hoher mechanischer Stabilität und optimalem Wirkungsgrad wird erzielt, wenn der Abstand der parallel verlaufenden Rotationsachsen der Rotoren im Wesentlichen der Länge eines Rotorblattes entspricht und wenn vorzugsweise der erste Rotor und der zweite Rotor außerdem einen gleichen Abstand zur zentralen Achse des Turms aufweisen.
  • Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich, wenn der Anstellwinkel der Rotorblätter beider Rotoren verstellbar ist, da auf diese Weise der Winkel der Windrichtungsnachführung maximal 90 Grad betragen muss. Bei nach dem Stand der Technik bekannten Windkraftanlagen erfolgt die elektrische Anbindung der Gondel über fest verbundene Stromkabel. Bei der Windrichtungsnachführung der Gondel verdrehen sich diese Stromkabel. Daher ist die Anzahl der Gondelumdrehungen je Richtung begrenzt. Ein Verwindungszähler kontrolliert diese Position und sorgt bei stehendem Rotor für eine periodische Entdrillung.
  • Dieses ist technisch aufwändig und führt zu wiederkehrenden Zeiten einem Ausfall der Windkraftanlage. Durch den verstellbaren Anstellwinkel der Rotorblätter in Verbindung mit den zwei Rotoren wird dieses Problem gelöst. Dreht sich der Wind beispielsweise um 180 Grad, dann werden die Anstellwinkel der Rotorblätter derart verstellt, dass Leeläufer zum Luvläufer wird und umgekehrt. In diesem Fall müssen die Rotoren also vorteilhafterweise überhaupt nicht gedreht werden und die Rotoren müssen auch nicht angehalten werden. Die Rotoren müssen um maximal 90 Grad gedreht werden, wenn sich der Wind um 90 Grad dreht. Je nach Windrichtung müssen dann eventuell zusätzlich die Anstellwinkel der Rotorblätter verstellt werden. Hierdurch wird die Windrichtungsnachführung schneller und einfacher.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden unter Bezugnahme auf eine Zeichnung als nicht einschränkendes Beispiel beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Merkmale den Figuren der Zeichnung zu entnehmen sind.
  • Funktionsmäßig gleiche Teile sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Die Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen:
  • 1 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform der Windkraftanlage;
  • 2 eine Vorderansicht des oberen Bereiches der Windkraftanlage aus 1; und
  • 3 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform der Windkraftanlage mit einer gemeinsamen Gondel.
  • 1 zeigt eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform der Windkraftanlage 100 mit zwei Rotoren 1, 2. Die beiden Rotoren 1, 2 sind in gleicher vertikaler Höhe am oberen Bereich des Turmes 101 jeweils an einer Gondel 6 drehbar befestigt. Der erste Rotor befindet sich an der vorderen, der Windrichtung 7 zugewandten Seite des Turmes 101, d.h. er ist ein so genannter Luvläufer. Der zweite Rotor 2 befindet sich auf der dem Wind abgewandten, hinteren Seite des Turmes 101, d.h. er ist ein so genannter Leeläufer. Beide Rotoren 1, 2 weisen gedachte Rotationsachsen 11, 21 auf, die horizontal und zueinander parallel verlaufen, wobei deren radialer Abstand 3 im Wesentlichen der Länge eines Rotorblattes 12 entspricht. Der axiale Abstand 4 der Rotoren wird durch den Umfang des Turmes 101 und den Sicherheitsabstand der Rotoren 1, 2 vom Turm bestimmt. Der erste Rotor 1 und der zweite Rotor 2 haben einen gleichen Abstand zur zentralen, vertikal verlaufenden Achse 102 des Turms 101, damit die Windkraftanlage 100 bezüglich ihrer Massen austariert ist und Axialkräfte auf die Rotoren 1, 2 keine nennenswerten Drehmomente an Turm 101 und Gondeln 6 erzeugen, da die entstehenden Drehmomente sich dann gegenseitig aufheben.
  • An jedem Rotor 1, 2 sind zwei Rotorblätter 12, 22 befestigt. Die Rotoren 1, 2 bewegen sich nicht unabhängig voneinander, sondern sind hinsichtlich ihrer Drehbewegung miteinander gekoppelt. Führt also der erste Rotor 1 eine volle Umdrehung aus, dann führt auch der zweite Rotor 2 eine volle Umdrehung aus. Die Koppelung kann mechanisch über ein Getriebe oder elektronisch erfolgen. Die Rotoren 1, 2 sind dabei nicht beliebig gegeneinander gedreht, sondern in einem festen Winkel 5, der sich bei einer Drehung in der Regel nicht ändert, so dass die Rotorblätter 12 des ersten Rotors 1 im Verhältnis zu den Rotorblättern 22 des zweiten Rotors 2 durch die Koppelung bei einer Drehbewegung den festen Winkel 5 zueinander beibehalten. Im dargestellten Beispiel der 1 zeigen die Rotoren 1, 2 eine Drehstellung, bei der die Rotorblätter 12 des ersten Rotors 1 horizontal und die Rotorblätter 22 des zweiten Rotors 2 vertikal verlaufen. Der Winkel 5 zwischen den Rotoren 1, 2 beträgt also 90 Grad. Der Winkel 5 kann allerdings an unterschiedliche Rotor- und Windgeschwindigkeiten sowie der Strömungsverhältnisse angepasst werden. Die Einstellung des optimalen Winkels 5 kann automatisch erfolgen, indem beispielsweise die Leistungsabgabe der Windkraftanlage ständig gemessen und der Winkel 5 so angepasst wird, dass die Leistungsabgabe einen maximalen Wert erreicht.
  • Diese Windkraftanlage hat mehrere Vorteile. Durch den Abstand 3 der Rotoren 1, 2 kommt es zu keinen nennenswerten Schwankungen des Antriebsdrehmoments, da die Rotorblätter 22 des Leeläufers 2 je nach Abstand 3 niemals oder nur zum Teil den Windschatten des Turms 101 durchqueren. Außerdem werden während einer Drehung durch den Winkel 5 zwischen den Rotoren 1, 2 die von einem Rotorblatt 12 des Luvläufers 1 erzeugten Verwirbelungen und Turbulenzen in Windrichtung 7 genau durch den Zwischenraum zwischen die beiden Rotorblätter 22 des Leeläufers 2 geleitet. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Windkraftanlage 100 erheblich verbessert.
  • Zur Windrichtungsnachführung sind die Rotoren 1, 2 zusammen mit den beiden Gondeln 6 horizontal um die vertikale Turmachse 102 drehbar, wobei der maximal notwendige Winkel lediglich 90 Grad beträgt. Dieses wird dadurch ermöglicht, dass der Anstellwinkel der Rotorblätter 12, 22 beider Rotoren 1, 2 verstellbar ist. Hierdurch ist die Windrichtungsnachführung schneller und einfacher möglich und es tritt keine Verdrillung der Stromkabel (nicht gezeigt) auf.
  • 2 zeigt eine Vorderansicht des oberen Bereiches der Windkraftanlage 100 aus 1 mit einem ersten, vorderen Rotor 1 und einem zweiten, hinteren Rotor 2. Die beiden Rotoren 1, 2 sind in gleicher vertikaler Höhe am oberen Bereich des Turmes 101 drehbar befestigt. Die Rotoren 1, 2 weisen einen Abstand 3 auf, der im Wesentlichen der Länge eines Rotorblattes 12, 22 entspricht. Die Rotoren 1, 2 sind hinsichtlich ihrer Drehbewegung miteinander gekoppelt, wobei die Rotorblätter 12 des ersten Rotors 1 im Verhältnis zu den Rotorblättern 22 des zweiten Rotors 2 einen Winkel 5 zueinander beibehalten, der im gezeigten Beispiel 90 Grad beträgt. Bei dreiblättrigen Rotor wäre der Winkel 5 entsprechend kleiner.
  • 3 zeigt eine Draufsicht auf eine zweite, besonders kostengünstige Ausführungsform der Windkraftanlage 100 mit einer gemeinsamen Gondel 6 und einem darin angeordneten, gemeinsamen Generator. Dadurch kann eine zweite Gondel 6 mit einem zweiten Generator eingespart werden. Die beiden Rotoren 1, 2 sind über zwei Rotorwellen 14, 24 und zwei Umlenkgetriebe 9 über eine quer verlaufende Generatorwelle 61 mit dem gemeinsamen Generator verbunden. Hierdurch kann auf eine Gondel mit einem Generator verzichtet werden und es ergibt sich eine direkte, mechanische Koppelung der Rotoren. Die Umlenkgetriebe 9 können außerdem zur Steuerung der Drehzahl der Rotoren 1, 2 verwendet werden.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Erster Rotor
    2
    Zweiter Rotor
    3
    Rotationsachsenabstand
    4
    Axialer Abstand
    5
    Winkel der Rotoren
    6
    Gondel
    7
    Windrichtung
    8
    Windrichtungnachführungswinkel
    9
    Umlenkgetriebe
    11
    Rotationsachse des ersten Rotors
    12
    Rotorblätter des ersten Rotors
    14
    Rotorwelle
    21
    Rotationsachse des zweiten Rotors
    22
    Rotorblätter des zweiten Rotors
    24
    Rotorwelle
    61
    Generatorwelle
    100
    Windkraftanlage
    101
    Turm
    102
    Vertikale Turmachse
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009060895 A1 [0002]

Claims (6)

  1. Windkraftanlage (100) mit einem Turm (101) und mindestens zwei Rotoren (1, 2), welche jeweils eine Rotationsachse (11, 21) und Rotorblätter (12, 22) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachsen (11, 21) des ersten und des zweiten Rotors (2) parallel mit einem Abstand (3) verlaufen, wobei der erste (1) Rotor und der zweite Rotor (2) außerdem zueinander einen Abstand (4) in Richtung ihrer Rotationsachsen (11, 21) aufweisen und an gegenüberliegenden Seiten des Turms (101) angeordnet sind.
  2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Rotationsachsen (11, 21) aufgespannte Ebene im Wesentlichen orthogonal zur zentralen Achse (102) des Turms (101) verläuft.
  3. Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren (1, 2) hinsichtlich ihrer Drehbewegung miteinander gekoppelt und dabei die Rotoren (1, 2) gegeneinander gedreht sind, so dass die Rotorblätter (12) des ersten Rotors (1) im Verhältnis zu den Rotorblättern (22) des zweiten Rotors (2) durch die Koppelung bei einer Drehbewegung einen festen Winkel (5) zueinander beibehalten, der vorzugsweise einstellbar ist.
  4. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Rotor (1, 2) zwei Rotorblätter (12, 22) aufweist.
  5. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der parallel verlaufenden Rotationsachsen (11, 21) der Rotoren (1, 2) im Wesentlichen der Länge eines Rotorblattes (12, 22) entspricht und/oder der erste Rotor (1) und der zweite Rotor (2) einen gleichen Abstand zur zentralen Achse (102) des Turms (101) aufweist.
  6. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel der Rotorblätter (12, 22) beider Rotoren (1, 2) verstellbar ist.
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