DE102012103626B4

DE102012103626B4 - Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102012103626B4
Application number: DE102012103626.8A
Authority: DE
Inventors: Simon Brückmann; Michael Zimmermann; Stephanie Eppler
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2012-04-25
Filing date: 2012-04-25
Publication date: 2019-07-11
Anticipated expiration: 2032-04-26
Also published as: DE102012103626A1

Abstract

Windkraftanlage (100), umfassend mindestens einen Rotor (112), welcher um eine Rotationsachse (114) des Rotors (112) drehbar gelagert ist und Rotorblätter (116) aufweist, wobei mindestens ein Rotor (112) einen Innenring (134) und einen Außenring (136) umfasst, welche gemeinsam mit den Rotorblättern (116) um die Rotationsachse (114) des Rotors (112) drehbar gelagert sind, wobei die Rotorblätter (116) des mindestens einen Rotors (112) an ihrem der Rotationsachse (114) des Rotors (112) zugewandten Ende an dem Innenring (134) und an ihrem der Rotationsachse (114) des Rotors (112) abgewandten Ende an dem Außenring (136) angeordnet sind, wobei die Windkraftanlage (100) mindestens zwei Rotoren (112) umfasst, welche lösbar miteinander kuppelbar oder gekuppelt sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rotorblätter (116) drehbar und federnd zwischen dem Innenring (134) und dem Außenring (136) gelagert sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windkraftanlage, welche mindestens einen Rotor umfasst, der um eine Rotationsachse des Rotors drehbar gelagert ist und Rotorblätter aufweist.
Windkraftanlagen dienen insbesondere der Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie.
Die DE 152 387 A offenbart ein Windrad, welches mehrere in konzentrischen Ringen angeordnete Flügelflächen aufweist.
Die DE 10 2006 027 885 A1 offenbart ein Speichen-Windrad, welches Speichen zum Tragen von Rotorblättern des Windrads aufweist. Mittels eines Steuerrings kann ein Anstellwinkel der Rotorblätter verstellt werden.
Die DE 88 07 154 U1 offenbart ein Kranzwindrad, bei welchem mehrere Kränze als Windauftreffflächen vorgesehen sind.
Die WO 2005/015010 A1 offenbart eine Windkraftanlage, bei welcher Antriebsflügel der Windkraftanlage zwischen zwei konzentrischen Ringen angeordnet sind.
Die DE 1 064 440 B offenbart eine Windkraftanlage mit mehreren hintereinander angeordneten Propellern.
Die DE 27 17 043 A1 offenbart ein als Staudüsenturbine ausgebildetes Windkraftwerk.
Die DE 295 06 153 U1 offenbart eine Windturbine, bei welcher zwei Rotoren (Turbinen) vorgesehen sind, welche einen Rotor bzw. einen Stator eines Ge nerators zum Erzeugen von Strom bilden und somit fest miteinander gekoppelt sind.
Die DE 10 2005 023 120 B3 offenbart eine zweistufige Windkraftanlage mit einer ersten Windkrafteinheit, welche ein eine erste Rotorachse konzentrisch umlaufendes erstes Ringträger-Element umfasst, und mit einer zweiten Windkrafteinheit, welche ein eine zweite Rotorachse konzentrisch umlaufendes zweites inneres Ringträger-Element umfasst, wobei das zweite innere Ringträger-Element konzentrisch und benachbart zu dem ersten Ringträger-Element angeordnet ist.
Die DE 10 2009 060 895 A1 offenbart eine Windkraftanlage, welche einen ersten und zumindest einen weiteren Rotor umfasst, wobei der erste Rotor und der weitere Rotor eine einheitliche Rotationsachse aufweisen und Rotorflügel der verschiedenen Rotoren in axialer Betrachtung keine radiale Überlappung haben.
Die DE 119 443 A offenbart eine Stellvorrichtung für die Flügel von Windrädern, bei welcher bei einer zwei- oder mehrfachen Teilung der einzelnen Flügel in mehreren konzentrischen Ringen, ein die Drehung der Flügel bewirkendes Hebelsystem derart gelenkig mit den ungefähr in der Mitte der Flügel angreifenden Ringen verbunden ist, dass sich stets eine gleiche Stellung sämtlicher Flügel ergibt.
Die DE 535 626 A offenbart einen Windmotor mit in entgegengesetzter Richtung umlaufenden Windrädern, bei welchem die Windräder konzentrisch ineinander angeordnet sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftanlage bereitzustellen, welche in einem breiten Windgeschwindigkeitsspektrum einsetzbar und effizient betreibbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Windkraftanlage gemäß Anspruch 1 gelöst.
Dadurch, dass die erfindungsgemäße Windkraftanlage mindestens einen Rotor umfasst, welcher einen Innenring und einen Außenring umfasst, wobei die Rotorblätter zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnet sind, kann die Windkraftanlage in einem breiten Windgeschwindigkeitsspektrum eingesetzt und effizient betrieben werden.
Der Innenring und der Außenring sind vorzugsweise konzentrisch zueinander angeordnet. Insbesondere sind der Innenring und der Außenring koaxial zueinander angeordnet, wobei eine Rotationsachse des Innenrings, eine Rotationsachse des Außenrings und eine Rotationsachse des Rotors vorzugsweise identisch sind.
Unter einem Ring, insbesondere einem Innenring und einem Außenring, ist insbesondere eine Wandung eines Hohlzylinders mit geringer Höhe zu verstehen.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Rotor eine Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme des Innenrings und zur Befestigung desselben an einer Nabe des Rotors umfasst.
Die Aufnahmevorrichtung dient vorzugsweise der Zentrierung des Innenrings relativ zu der Rotationsachse des Rotors.
Die Aufnahmevorrichtung umfasst vorzugsweise ein, insbesondere leichtes, Gestänge und dient im Wesentlichen der Überbrückung eines Abstandes zwischen der Nabe des Rotors und dem Innenring.
Die Aufnahmevorrichtung ermöglicht vorzugsweise einen sogenannten Extremleichtbau.
Günstig kann es sein, wenn der Innenring und die Aufnahmevorrichtung von einer Nabe des Rotors, mittels welcher der Rotor auf einer Welle der Windkraftanlage anordenbar oder angeordnet ist, verschiedene Bauteile des Rotors sind.
Der Innenring ist vorzugsweise mittels der Aufnahmevorrichtung an der Nabe angeordnet, insbesondere an der Nabe festgelegt.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Innenring ein von der Nabe des Rotors, mittels welcher der Rotor auf einer Welle der Windkraftanlage anordenbar oder angeordnet ist, beabstandetes Bauteil des Rotors ist.
Mittels der Aufnahmevorrichtung ist der Innenring vorzugsweise von der Nabe des Rotors räumlich getrennt.
Ein Innenradius des Innenrings beträgt vorzugsweise mindestens ungefähr 10 %, insbesondere mindestens ungefähr 20 %, vorzugsweise mindestens ungefähr 50 % des Außenradius des Rotors.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Innenring und der Außenring so dimensioniert sind, dass sich die Rotorblätter des Rotors ausgehend von der Rotationsachse von ungefähr 70 % des Radius des Rotors bis ungefähr 100 % des Radius des Rotors erstrecken. Mittels eines solchen Rotors kann vorzugsweise mindestens ungefähr 80 % der Energie gewonnen werden, welche mittels eines Rotors gewonnen werden kann, bei dem sich die Rotorblätter im Wesentlichen über den gesamten Radius des Rotors erstrecken.
Vorzugsweise sind die Rotorblätter drehbar zwischen dem Innenring und dem Außenring gelagert.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Rotorblätter um eine im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse des Rotors ausgerichtete Achse drehbar zwischen dem Innenring und dem Außenring gelagert sind.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Rotorblätter drehbar und federnd zwischen dem Innenring und dem Außenring gelagert sind.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Rotorblätter derart federnd zwischen dem Innenring und dem Außenring gelagert sind, dass die Rotorblätter sich mit variierender Windstärke automatisch an die sich verändernde Durchströmung des Rotors und/oder die sich verändernde Rotationsgeschwindigkeit des Rotors anpassen, insbesondere durch eine automatische Anpassung des Rotorblattanstellwinkels.
Insbesondere sind die Rotorblätter selbstanpassend ausgebildet.
Vorzugsweise sind die Rotorblätter als im Wesentlichen flache und ebene Ablenkelemente ausgebildet. Der Antrieb des Rotors erfolgt mittels derartiger Ablenkelemente vorzugsweise im Wesentlichen durch eine einfache Ablenkung des Windes und des hierdurch entstehenden Rückstoßes der Rotorblätter.
Alternativ und im Gegensatz hierzu kann vorgesehen sein, dass aerodynamisch geformte Ablenkelemente (Flügel) als Rotorblätter vorgesehen sind, bei welchen aerodynamische Effekte bei der Umströmung der Rotorblätter zum Antreiben des Rotors genutzt werden.
Die Windkraftanlage umfasst mehrere Rotoren. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Windkraftanlage mehrere Rotoren umfasst, welche jeweils einen Innenring und einen Außenring umfassen.
Vorzugsweise umfasst die Windkraftanlage mehrere der vorstehend beschriebenen Rotoren.
Die Rotoren können dabei im Wesentlichen identisch miteinander oder, beispielsweise hinsichtlich ihrer Abmessungen, voneinander verschieden ausgebildet sein.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Windkraftanlage mindestens zwei Rotoren umfasst, welche lösbar miteinander kuppelbar oder gekuppelt sind.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die mindestens zwei Rotoren mittels einer Fliehkraftkupplung, einer Scheibenkupplung und/oder einer Lamellenkupplung lösbar miteinander kuppelbar oder gekuppelt sind.
Vorteilhaft kann es sein, wenn mindestens zwei Rotoren mittels einer Druckkraftkupplung lösbar miteinander kuppelbar oder gekuppelt sind, wobei eine Kupplung der mindestens zwei Rotoren miteinander vorzugsweise durch eine vom angreifenden Wind erzeugte Druckkraft erzeugt und/oder aufgehoben wird.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass eine Druckkraft, welche von dem von vorne angreifenden Wind aufgebracht wird, zum Form- und/oder Reibschluss zweier Kupplungselemente führt, wodurch eine Kraft bzw. ein Drehmoment von einem Rotor auf die Welle übertragen werden kann. Insbesondere können hierdurch zwei Rotoren miteinander gekuppelt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Windkraftanlage ein Rückstellelement, beispielsweise eine Feder, umfasst, mittels welcher ein zu frühes Einkuppeln bei geringen Windgeschwindigkeiten verhindert und/oder ein Auskuppeln bei abklingendem Wind ermöglicht wird.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Windkraftanlage mindestens einen Rotor umfasst, welcher auf einer Welle angeordnet ist. Mindestens ein weiterer Rotor ist vorzugsweise an einer Getriebeeinrichtung angeordnet. Sowohl der mindestens eine an der Welle angeordnete Rotor als auch der mindestens eine an der Getriebeeinrichtung angeordnete Rotor sind vorzugsweise mit der Generatorvorrichtung verbunden, um die Drehbewegung der Rotoren zur Erzeugung von Strom nutzen zu können.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Windkraftanlage mindestens zwei Rotoren umfasst, welche auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Windkraftanlage eine Generatorvorrichtung und mindestens zwei Rotoren umfasst, wobei mindestens ein Rotor drehfest mit einem drehbar um die Rotationsachse der Rotoren gelagerten Gehäuse der Generatorvorrichtung verbunden ist und wobei mindestens ein Rotor drehfest mit einer relativ zu dem Gehäuse der Generatorvorrichtung drehbar gelagerten Welle der Generatorvorrichtung verbunden ist.
Vorzugsweise sind die mindestens zwei Rotoren, das Gehäuse der Generatorvorrichtung und die Welle der Generatorvorrichtung um eine im Wesentlichen horizontale Achse drehbar gelagert.
Günstig kann es sein, wenn die Windkraftanlage mindestens zwei Rotoren umfasst, welche voneinander verschiedene Durchmesser, insbesondere Außendurchmesser, aufweisen.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass ein erster Rotor einen Außenring aufweist, dessen Durchmesser zumindest näherungsweise einem Durchmesser eines Innenrings des mindestens einen weiteren Rotors entspricht. Auf diese Weise kann eine gestaffelte Rotoranordnung realisiert werden.
Günstig kann es sein, wenn die Windkraftanlage mindestens zwei Rotoren umfasst, welche sich im Betrieb der Windkraftanlage in einander entgegengesetzten Drehrichtungen drehen. Auf diese Weise kann eine gegenläufige Anordnung der Rotoren realisiert werden. Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass die mindestens zwei Rotoren, welche sich im Betrieb der Windkraftanlage in einander entgegengesetzten Drehrichtungen drehen, zumindest näherungsweise dieselben Abmessungen aufweisen und sich im Wesentlichen nur durch die Ausrichtung der Rotorblätter der Rotoren voneinander unterscheiden, so dass die Rotoren in einander entgegengesetzte Drehrichtungen angetrieben werden.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass die Windkraftanlage mindestens zwei Rotoren umfasst, welche sich im Betrieb der Windkraftanlage in derselben Drehrichtung drehen.
Günstig kann es sein, wenn die Windkraftanlage mindestens zwei Rotoren und eine Steuervorrichtung umfasst, mittels welcher die mindestens zwei Rotoren so steuerbar und/oder regelbar sind, dass bei einem Anlaufvorgang zunächst ein erster Rotor und erst anschließend mindestens ein weiterer Rotor in Rotation versetzt werden.
Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass die Windkraftanlage mindestens zwei Rotoren mit voneinander verschiedenen Radien umfasst, wobei vorzugsweise zunächst mindestens ein Rotor mit kleinerem Radius und erst anschließend mindestens ein weiterer Rotor mit größerem Radius in Rotation versetzt werden.
Die Windkraftanlage umfasst vorzugsweise mindestens eine Windführungsvorrichtung, mittels welcher Luft gezielt den Rotorblättern mindestens eines Rotors zuführbar ist oder zugeführt wird.
Die Windführungsvorrichtung ist vorzugsweise bezüglich einer Windrichtung stromaufwärts und/oder stromabwärts mindestens eines Rotors angeordnet.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Windführungsvorrichtung durch einen Kegel gebildet ist, welcher drehfest mit dem Rotor verbunden ist und sich mit dem Rotor im Betrieb der Windkraftanlage mitdreht. Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass die Windkraftanlage eine Windführungsvorrichtung umfasst, welche räumlich fixiert ist und sich nicht mit dem mindestens einen Rotor mitdreht.
Mindestens eine Windführungsvorrichtung erstreckt sich vorzugsweise in radialer Richtung ausgehend von der Rotationsachse des Rotors bis ungefähr zu mindestens einem Innenring mindestens eines Rotors.
Günstig kann es sein, wenn die Windkraftanlage mindestens eine radial innen an einen Innenring mindestens eines Rotors angrenzende Windführungsvorrichtung und/oder mindestens eine radial außen an einen Außenring mindestens eines Rotors angrenzende Windführungsvorrichtung umfasst. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass eine Windführungsvorrichtung als ein Air Duct ausgebildet ist.
Die erfindungsgemäße Windkraftanlage kann ferner einzelne oder mehrere der nachstehend beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile aufweisen:
Durch die Verwendung eines Innenrings und eines Außenrings für mindestens einen Rotor einer Windkraftanlage kann vorzugsweise ein sogenannter Ringläufer realisiert werden.
Mittels einer Windführungsvorrichtung kann vorzugsweise eine Aufnahmevorrichtung mindestens eines Rotors bezüglich der Windrichtung abgedeckt werden, um Verwirbelungen der Luft an der Aufnahmevorrichtung zu verringern oder ganz zu vermeiden.
Durch die Verwendung unterschiedlich dimensionierter Rotoren kann insbesondere eine in radialer Richtung geschachtelte Anordnung mehrerer Rotoren einer Windkraftanlage realisiert werden.
Insbesondere dann, wenn die Rotorblätter als im Wesentlichen flache und ebene Ablenkelemente ausgebildet sind, können diese beispielsweise besonders einfach durch das Herstellen plattenförmiger Elemente und das Zuschneiden derselben auf eine vorgegebene Form hergestellt werden.
Der Innenring und/oder der Außenring mindestens eines Rotors ist vorzugsweise aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) gebildet. Der Innenring und/oder der Außenring mindestens eines Rotors können insbesondere durch Ablängen eines Rohrs aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff hergestellt werden. Die Fasern des kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffs können beispielsweise einen Flechtring oder Flechtschlauch bilden.
Durch die Verwendung mehrerer Rotoren kann insbesondere eine Mehrfach-Ringläuferkonfiguration ermöglicht werden.
Die erfindungsgemäße Windkraftanlage kann einen Extremleichtbau ermöglichen.
Vorzugsweise kann die Windkraftanlage auch bei geringen Windgeschwindigkeiten in Betrieb genommen werden. Die Rotoren laufen vorzugsweise auch bei geringen Windgeschwindigkeiten an.
Durch die Verwendung voneinander unabhängiger Rotoren kann vorzugsweise ein stufenweiser Anlauf realisiert werden, wobei insbesondere mittels einer Fliehkraftkupplung und/oder einer Druckkraftkupplung mehrere Rotoren auf einer gemeinsamen Antriebswelle miteinander kuppelbar oder gekuppelt sind.
Vorzugsweise ist ein, insbesondere kleinerer, Rotor mittels eines Untersetzungsgetriebes mit einem weiteren, insbesondere größeren, Rotor gekoppelt, so dass der weitere Rotor mittels des ersteren in Drehbewegung versetzbar ist, insbesondere durch Überwindung eines Losbrechmoments.
Günstig kann es sein, wenn ineinander angeordnete und gegenläufig zueinander rotierende Rotoren vorgesehen sind.
Durch eine Bündelung des Luftmassenstroms zum Rotor hin kann die Effizienz der Windkraftanlage vorzugsweise gesteigert werden.
Günstig kann insbesondere eine Kombination von konischen Vorsatzelementen (Windführungsvorrichtung) mit einem Ringläuferrotor sein.
Ferner kann eine Kombination aus mindestens einem Ringläuferrotor und einer Ummantelung für den mindestens einen Ringläuferrotor vorgesehen sein.
Die erfindungsgemäße Windkraftanlage weist vorzugsweise eine geringe Geräuschemission auf. Ferner kann die erfindungsgemäße Windkraftanlage vorzugsweise kostengünstig hergestellt werden.
Die Rotorblätter sind insbesondere Widerstandsrotorblätter, welche vorzugsweise federnd gelagert sind.
Bei einem Rotor der erfindungsgemäßen Windkraftanlage wird insbesondere eine drehende Masse dadurch reduziert, dass die Rotorblätter vorzugsweise nicht von der Nabe bis zur Flügelspitze durchgängig sind.
Mittels automatisch anpassender Widerstandsrotorblätter wird vorzugsweise eine mechanisch automatisch ablaufende Regelung der Windkraftanlage begünstigt.
Der Innenring und/oder der Außenring können beispielsweise als ein Ringblech ausgebildet sein.
Eine Windführungsvorrichtung dreht sich vorzugsweise nicht mit dem Rotor mit, so dass die rotierende Masse reduziert ist.
Vorzugsweise ist eine Windführungsvorrichtung als einem Radialverdichter oder einem Schneckenzahnrad ähnliche Windführungsvorrichtung ausgebildet. Hierdurch kann der Luftmassenstrom vorzugsweise gezielt zum Rotor gefördert werden.
Insbesondere bei der Verwendung einer zusätzlichen Ummantelung des Rotors (Duct) wird vorzugsweise eine Windgeschwindigkeit am Rotor erhöht und somit die Effizienz der Windkraftanlage gesteigert.
Weitere Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:

1 einen schematischen, vertikalen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer Windkraftanlage;
2 eine Draufsicht von vorne auf einen Rotor der Windkraftanlage aus 1;
3 eine schematische Schnittdarstellung des Rotors und einer Generatorvorrichtung der Windkraftanlage aus 1;
4 eine der 2 entsprechende schematische Darstellung des Rotors der Windkraftanlage aus 1, wobei zur Illustration der Funktionsweise ein Rotorblatt des Rotors dargestellt ist;
5 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs I in 4;
6 eine der 2 entsprechende schematische Darstellung eines Rotors einer zweiten Ausführungsform einer Windkraftanlage, bei welcher eine Windführungsvorrichtung vorgesehen ist;
7 eine der 3 entsprechende schematische Darstellung der zweiten Ausführungsform der Windkraftanlage;
8 eine der 2 entsprechende schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer Windkraftanlage, bei welcher eine einen Außenring des Rotors umgebende Windführungsvorrichtung vorgesehen ist;
9 eine der 3 entsprechende schematische Darstellung der dritten Ausführungsform der Windkraftanlage;
10 eine der 2 entsprechende schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer Windkraftanlage, bei welcher zwei geschachtelt angeordnete Rotoren vorgesehen sind;
11 eine der 3 entsprechende schematische Darstellung der vierten Ausführungsform einer Windkraftanlage;
12 eine der 3 entsprechende schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform einer Windkraftanlage;
13 eine der 2 entsprechende schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform einer Windkraftanlage, bei welcher vier ineinander geschachtelte Rotoren vorgesehen sind;
14 eine der 3 entsprechende schematische Darstellung der sechsten Ausführungsform einer Windkraftanlage;
15 eine der 12 entsprechende schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform einer Windkraftanlage, bei welcher ein Rotor auf einer Welle und ein Rotor an einer Getriebeeinrichtung angeordnet ist; und
16 eine der 12 entsprechende schematische Darstellung einer achten Ausführungsform einer Windkraftanlage, bei welcher zur Kopplung zweier Rotoren miteinander eine Druckkraftkupplung vorgesehen ist.

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Eine in den 1 bis 5 dargestellte erste Ausführungsform einer als Ganzes mit 100 bezeichneten Windkraftanlage umfasst einen Mast 102, welcher an einem Untergrund 104 verankert ist. Der Untergrund 104 kann beispielsweise ein Boden sein. Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass der Untergrund 104 ein Dach oder dergleichen ist.
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.
Das Gehäuse 106 ist um eine vertikale Drehachse 110 drehbar an dem dem Untergrund 104 abgewandten Ende des Masts 102 angeordnet.
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.
Der Rotor 112 umfasst eine Vielzahl von Rotorblättern 116, welche symmetrisch um eine auf der Rotationsachse 114 angeordnete Nabe 118 der Windkraftanlage 100 verteilt angeordnet und schräg zu einer Windrichtung 120 ausgerichtet sind.
Die Rotorblätter 116 sind nicht direkt mit der Nabe 118 verbunden. Vielmehr umfasst der Rotor 112 zur Anordnung der Rotorblätter 116 eine (noch zu beschreibende) Aufnahmevorrichtung, einen (noch zu beschreibenden) Innenring sowie einen (noch zu beschreibenden) Außenring.
Die Rotorblätter 116 können mit einem in der Windrichtung 120 auf den Rotor 112 treffenden Wind wechselwirken und so den Rotor 112 um die Rotationsachse 114 in Drehbewegung versetzen.
Zur Umwandlung der (Dreh-) Bewegungsenergie des Rotors 112 in elektrische Energie umfasst die Windkraftanlage 100 eine Generatorvorrichtung 122.
Der Rotor 112 ist mittels einer Getriebeeinrichtung 124 mit der Generatorvorrichtung 122 verbunden.
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.
Ferner umfasst die Windkraftanlage 100 eine Bremseinrichtung 126, mittels welcher die Drehbewegung des Rotors 112 bei Bedarf abgebremst werden kann.
Die Steuerung der Windkraftanlage 100 erfolgt mittels einer Steuervorrichtung 128 der Windkraftanlage 100. Insbesondere kann hierbei eine Rotation des Rotors 112 gesteuert und/oder geregelt werden.
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.
Mittels der Sensorvorrichtung 130 und der Steuervorrichtung 128 ist vorzugsweise ein automatischer, insbesondere autonomer oder autarker, Betrieb der Windkraftanlage 100 möglich.
Wie insbesondere den 2 bis 5 zu entnehmen ist, umfasst der Rotor 112 bei der in den 1 bis 5 dargestellten ersten Ausführungsform der Windkraftanlage 100 eine Aufnahmevorrichtung 132, einen Innenring 134 und einen Außenring 136.
Mittels der Aufnahmevorrichtung 132 ist der Innenring 134 an der Nabe 118 des Rotors 112 festgelegt. Eine Rotationsachse des Innenrings 134 ist dabei die Rotationsachse 114 des Rotors 112.
An einer der Rotationsachse 114 abgewandten Seite des Innenrings 134 sind die Rotorblätter 116 des Rotors 112 angeordnet. Die Rotorblätter 116 erstrecken sich von dem Innenring 134 bezüglich der Rotationsachse 114 radial nach außen bis zu dem Außenring 136 des Rotors 112 und sind an demselben festgelegt. Insbesondere sind die Rotorblätter 116 an einer der Rotationsachse 114 zugewandten Innenseite des Außenrings 136 festgelegt.
Die Rotorblätter 116 sind insbesondere Ablenkelemente 138, mittels welchen der in der Windrichtung 120 auf den Rotor 112 treffende Wind abgelenkt werden kann. Vorzugsweise weisen die Ablenkelemente 138 keine besondere aerodynamische Form auf und sind somit einfach und kostengünstig herstellbar.
Die Aufnahmevorrichtung 132 ist beispielsweise als ein Gestänge 140 ausgebildet, wodurch die Masse des Rotors innerhalb des Innenrings 134 stark reduziert wird.
Wie insbesondere den 4 und 5 zu entnehmen ist, sind die Rotorblätter 116, d.h. die Ablenkelemente 138, bei der in den 1 bis 5 dargestellten ersten Ausführungsform der Windkraftanlage 100 vorzugsweise drehbar, insbesondere federnd, zwischen dem Innenring 134 und dem Außenring 136 gelagert. Insbesondere sind zur federnden, drehbaren Lagerung der Rotorblätter 116 Federelemente 142 vorgesehen.
Mittels der Federelemente 142 können die Rotorblätter 116 insbesondere automatisch durch eine Änderung eines Rotorblattanstellwinkels an eine herrschende Windstärke angepasst werden, um eine Kraftübertragung auf den Rotor 112 zu optimieren und somit die Effizienz der Windkraftanlage 100 zu steigern.
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 Drehsachse 110 gedreht, bis der Rotor 112 in optimaler Weise bezüglich der Windrichtung 120 ausgerichtet ist. Insbesondere ist dabei die Rotationsachse 114 des Rotors 112 im Wesentlichen parallel zur Windrichtung 120 ausgerichtet.
Aufgrund der Wechselwirkung des Windes mit den Rotorblätter 116 wird der Rotor 112 in Drehbewegung versetzt.
Dadurch, dass die Rotorblätter 116 mittels Federelementen 142 drehbar und federnd gelagert sind, erfolgt eine automatische Anpassung der Ausrichtung der Rotorblätter 116, um eine Kraftübertragung auf den Rotor 112 zu optimieren.
Die Rotorblätter 116 werden hierzu insbesondere um im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse 114 ausgerichtete Drehachsen federnd gedreht.
Die Drehbewegung des Rotors 112 wird mittels einer Welle 144 und der Getriebeeinrichtung 124 auf die Generatorvorrichtung 122 übertragen und dort zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet.
Eine in den 6 und 7 dargestellte zweite Ausführungsform einer Windkraftanlage 100 unterscheidet sich von der in den 1 bis 5 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die Windkraftanlage 100 eine Windführungsvorrichtung 146 umfasst, welche bezüglich der Windrichtung 120 vor dem Rotor 112 angeordnet ist.
Die Windführungsvorrichtung 146 ist dabei beispielsweise konisch ausgebildet, wobei eine Rotationsachse der Windführungsvorrichtung 146 insbesondere identisch mit der Rotationsachse 114 der Rotors 112 ist.
Ausgehend von der Rotationsachse 114 des Rotors 112 erstreckt sich die Windführungsvorrichtung 146 in radialer Richtung vorzugsweise bis ungefähr zu dem Innenring 134 des Rotors 112 und deckt somit die Aufnahmevorrichtung 132 in Windrichtung 120 gesehen im Wesentlichen vollständig ab.
Hierdurch können mittels der Aufnahmevorrichtung 132 verursachte Luftverwirbelungen vorzugsweise reduziert oder ganz vermieden werden.
Die im Bereich der Windführungsvorrichtung 146 auf die Windkraftanlage 100 treffende Luft wird mittels der Windführungsvorrichtung 146 vorzugsweise zu den Rotorblättern 116 des Rotors 112 geführt. Hierdurch kann die Effizienz der Windkraftanlage 100 zusätzlich gesteigert werden.
Die Windführungsvorrichtung 146 ist vorzugsweise raumfest relativ zu dem Mast 102 der Windkraftanlage 100 angeordnet und dreht sich somit insbesondere nicht mit dem Rotor 112 mit.
Die rotierende Masse des Rotors 112 wird hierdurch vorzugsweise sehr gering gehalten.
Im Übrigen stimmt die in den 6 und 7 dargestellte zweite Ausführungsform der Windkraftanlage 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den 1 bis 5 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insofern Bezug genommen wird.
Eine in den 8 und 9 dargestellte dritte Ausführungsform einer Windkraftanlage 100 unterscheidet sich von der in den 6 und 7 dargestellten zweiten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass zusätzlich zu der im Bereich der Aufnahmevorrichtung 132 angeordneten Windführungsvorrichtung 146 eine weitere Windführungsvorrichtung 146 vorgesehen ist.
Diese weitere Windführungsvorrichtung 146 ist insbesondere als ein Air Duct ausgebildet und umgibt den Rotor 112 im Wesentlichen ringförmig mit geringem Abstand zu dem Außenring 136 des Rotors 112.
Wie insbesondere 9 zu entnehmen ist, ist die zusätzliche Windführungsvorrichtung 146 so geformt, dass ein Innendurchmesser der Windführungsvorrichtung 146 im Bereich des Rotors 112 minimal ist.
Hierdurch kann die in der Windrichtung 120 auf die Windkraftanlage 100 treffende Luft gezielt den Rotorblättern 116 des Rotors 112 zugeführt werden. Durch die Form der Windführungsvorrichtung 146, insbesondere des Air Duct, kann ferner eine Windgeschwindigkeit im Bereich des Rotors 112 zusätzlich erhöht werden. Hierdurch kann die Effizienz der Windkraftanlage 100 gesteigert werden.
Im Übrigen stimmt die in den 8 und 9 dargestellte dritte Ausführungsform der Windkraftanlage 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den 6 und 7 dargestellten zweiten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in den 10 und 11 dargestellte vierte Ausführungsform einer Windkraftanlage 100 unterscheidet sich von der in den 1 bis 5 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die Windkraftanlage 100 zwei ringförmig ineinander geschachtelt angeordnete Rotoren 112 umfasst.
Ein bezüglich der Rotationsachse 114 radial innerer Rotor 112i ist dabei insbesondere so dimensioniert, dass der Außenring 136 des inneren Rotors 112i zumindest näherungsweise denselben Radius aufweist, wie ein Innenring 134 eines bezüglich der Rotationsachse 114 radial äußeren Rotors 112a.
Der äußere Rotor 112a umgibt somit vorzugweise den inneren Rotor 112i.
Durch die Verwendung von ineinander geschachtelt angeordneten Rotoren 112 kann die Windkraftanlage 100 in einem besonders breiten Windgeschwindigkeitsspektrum effizient genutzt werden. Insbesondere können die Rotoren 112 wahlweise unabhängig voneinander betrieben oder miteinander gekoppelt werden, um die Effizienz der Windkraftanlage 100 zu steigern.
Wie insbesondere 11 zu entnehmen ist, kann beispielsweise vorgesehen sein, dass ein Rotor 112 an die Welle 144 der Windkraftanlage 100 und ein weiterer Rotor 112 an ein Gehäuse 148 der Generatorvorrichtung 122 drehfest gekoppelt ist, so dass die Welle 144 und das Gehäuse 148 der Generatorvorrichtung 122 durch eine Drehung der Rotoren 112 in einander entgegengesetzte Drehrichtungen relativ zueinander gedreht werden, um Strom zu erzeugen.
Im Übrigen stimmt die in den 10 und 11 dargestellte vierte Ausführungsform der Windkraftanlage 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den 1 bis 5 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 12 dargestellte fünfte Ausführungsform einer Windkraftanlage 100 unterscheidet sich von der in den 10 und 11 dargestellten vierten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die beiden Rotoren 112 auf einer gemeinsamen Welle 144 angeordnet sind. Hierbei ist der innere Rotor 112i drehfest mit der Welle 144 verbunden.
Der äußere Rotor 112a ist mit einer Kupplungsvorrichtung 150 mit der Welle 144 kuppelbar, um den äußeren Rotor 112a bei Bedarf zusätzlich mit der Welle 144 kuppeln zu können.
Durch die Verwendung einer Kupplungsvorrichtung 150 zur wahlweisen Kupplung des äußeren Rotors 112a mit der Welle 144 kann eine gestaffelte Betriebsweise der Windkraftanlage 100 realisiert werden, in welcher beispielsweise zunächst nur der innere Rotor 112i und erst anschließend der äußere Rotor 112a zur Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie in eine Drehbewegung versetzt werden.
Im Übrigen stimmt die in 12 dargestellte fünfte Ausführungsform der Windkraftanlage 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den 10 und 11 dargestellten vierten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in den 13 und 14 dargestellte sechste Ausführungsform einer Windkraftanlage 100 unterscheidet sich von der in den 10 und 11 dargestellten vierten Ausführungsform einer Windkraftanlage 100 im Wesentlichen dadurch, dass vier Rotoren 112 vorgesehen sind, welche ineinander geschachtelt sind.
Durch die Verwendung von vier Rotoren 112 kann ein besonders flexibler Betrieb der Windkraftanlage 100 realisiert werden.
Die Rotoren 112 können dabei in Abhängigkeit von deren Anbindung an die Welle 144 und/oder ein Gehäuse 148 der Generatorvorrichtung 122 und/oder in Abhängigkeit von einer Kupplung derselben mit der Welle 144 und/oder dem Gehäuse 148 der Generatorvorrichtung 122 in gleichen oder einander entgegengesetzten Drehrichtungen betrieben werden.
Beispielsweise können eine oder mehrere Kupplungsvorrichtungen 150 gemäß der in 12 dargestellten fünften Ausführungsform zur Kupplung mindestens eines Rotors 112 mit der Welle 144 und/oder dem Gehäuse 148 der Generatorvorrichtung 122 vorgesehen sein.
Im Übrigen stimmt die in den 13 und 14 dargestellte sechste Ausführungsform der Windkraftanlage 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den 10 und 11 dargestellten vierten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 15 dargestellte siebte Ausführungsform einer Windkraftanlage 100 unterscheidet sich von der in 12 dargestellten fünften Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass ein Rotor 112 auf der Welle 144 angeordnet ist. Ein weiterer Rotor 112 ist an der Getriebeeinrichtung 124 angeordnet und somit mit der Welle 144 verbunden oder verbindbar.
Über die Welle 144 bzw. die Getriebeeinrichtung 124 stehen beide Rotoren 112 mit der Generatorvorrichtung 122 zur Erzeugung von Strom in Wirkverbindung.
Die Getriebeeinrichtung 124 ist insbesondere ein Untersetzungsgetriebe, mittels welchem die beiden Rotoren 112, insbesondere der innere Rotor 112i und der äußere Rotor 112a, miteinander in Wirkverbindung stehen.
Da der innere Rotor 112i einen kleineren Durchmesser aufweist als der äußere Rotor 112a, wird beim Anfahren der Windkraftanlage 100 zunächst der kleinere innere Rotor 112i in Drehbewegung versetzt. Diese Drehbewegung kann mittels der Getriebeeinrichtung 124 zum Antreiben des äußeren Rotors 112a, insbesondere zum Überwinden eines Losbrechmoments des äußeren Rotors 112a, auf den äußeren Rotor 112a übertragen werden. Auf diese Weise kann ein Anfahrvorgang der Windkraftanlage 100 vereinfacht werden.
Im Übrigen stimmt die in 15 dargestellte siebte Ausführungsform einer Windkraftanlage 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 12 dargestellten fünften Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 16 dargestellte achte Ausführungsform einer Windkraftanlage 100 unterscheidet sich von der in 12 dargestellten fünften Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die Kupplungsvorrichtung 150 als eine Druckkraftkupplung ausgebildet ist.
Mittels dieser Kupplungsvorrichtung 150 kann insbesondere ein automatischer Betrieb der Windkraftanlage 100 dadurch erfolgen, dass die Rotoren 112 in Abhängigkeit von einem herrschenden Wind automatisch miteinander gekuppelt oder entkuppelt werden.
Eine vom Wind auf den äußeren Rotor 112a aufgebrachte Druckkraft bewirkt dabei vorzugsweise einen Formschluss zwischen zwei Kupplungselementen der Kupplungsvorrichtung 150 und damit eine Kupplung des äußeren Rotors 112a mit dem inneren Rotor 112i.
Mittels eines (nicht dargestellten) Rückstellelements, beispielsweise einer Feder, kann ein zu frühes Einkuppeln bei geringen Windgeschwindigkeiten vorzugsweise verhindert und ein Auskuppeln bei abklingendem Wind vorzugsweise ermöglicht werden.
Im Übrigen stimmt die in 16 dargestellte achte Ausführungsform einer Windkraftanlage 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 12 dargestellten fünften Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Grundsätzlich können weitere (nicht dargestellte) Ausführungsformen von Windkraftanlagen 100 vorgesehen sein, welche einzelne oder mehrere Merkmale von verschiedenen Ausführungsformen von Windkraftanlagen 100 aufweisen.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass eine Windkraftanlage 100 gemäß der vierten Ausführungsform mit einer Windführungsvorrichtung 146 gemäß der zweiten Ausführungsform versehen ist.
Dadurch, dass bei sämtlichen Ausführungsformen der Windkraftanlage 100 mindestens ein Rotor 112 vorgesehen ist, welcher einen Innenring 134 und einen Außenring 136 umfasst, zwischen denen die Rotorblätter 116 angeordnet sind, ist die Windkraftanlage 100 in einem breiten Windgeschwindigkeitsspektrum einsetzbar und effizient betreibbar. Ferner ist die Windkraftanlage 100 hierdurch besonders einfach und kostengünstig herstellbar.
Bezugszeichenliste

100: Windkraftanlage
102: Mast
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: Aufnahmevorrichtung
134: Innenring
136: Außenring
138: Ablenkelemente
140: Gestänge
142: Federelemente
144: Welle
146: Windführungsvorrichtung
148: Gehäuse
150: Kupplungsvorrichtung

Claims

Windkraftanlage (100), umfassend mindestens einen Rotor (112), welcher um eine Rotationsachse (114) des Rotors (112) drehbar gelagert ist und Rotorblätter (116) aufweist, wobei mindestens ein Rotor (112) einen Innenring (134) und einen Außenring (136) umfasst, welche gemeinsam mit den Rotorblättern (116) um die Rotationsachse (114) des Rotors (112) drehbar gelagert sind, wobei die Rotorblätter (116) des mindestens einen Rotors (112) an ihrem der Rotationsachse (114) des Rotors (112) zugewandten Ende an dem Innenring (134) und an ihrem der Rotationsachse (114) des Rotors (112) abgewandten Ende an dem Außenring (136) angeordnet sind, wobei die Windkraftanlage (100) mindestens zwei Rotoren (112) umfasst, welche lösbar miteinander kuppelbar oder gekuppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter (116) drehbar und federnd zwischen dem Innenring (134) und dem Außenring (136) gelagert sind.
Windkraftanlage (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Rotor (112) eine Aufnahmevorrichtung (132) zur Aufnahme des Innenrings (134) und zur Befestigung desselben an einer Nabe (118) des Rotors (112) umfasst.
Windkraftanlage (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (134) ein von einer Nabe (118) des Rotors (112), mittels welcher der Rotor (112) auf einer Welle (144) der Windkraftanlage (100) anordenbar oder angeordnet ist, beabstandetes Bauteil des Rotors (112) ist.
Windkraftanlage (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter (116) drehbar zwischen dem Innenring (134) und dem Außenring (136) gelagert sind.
Windkraftanlage (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter (116) als im Wesentlichen flache und ebene Ablenkelemente (138) ausgebildet sind.
Windkraftanlage (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Windkraftanlage (100) mindestens zwei Rotoren (112) umfasst, welche auf einer gemeinsamen Welle (144) angeordnet sind.
Windkraftanlage (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Windkraftanlage (100) eine Generatorvorrichtung (122) und mindestens zwei Rotoren (112) umfasst, wobei mindestens ein Rotor (112) drehfest mit einem drehbar um die Rotationsachse (114) der Rotoren (112) gelagerten Gehäuse (148) der Generatorvorrichtung (122) verbunden ist und wobei mindestens ein Rotor (112) drehfest mit einer relativ zu dem Gehäuse (148) der Generatorvorrichtung (122) drehbar gelagerten Welle (144) der Generatorvorrichtung (122) verbunden ist.
Windkraftanlage (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Windkraftanlage (100) mindestens zwei Rotoren (112) umfasst, welche voneinander verschiedene Durchmesser aufweisen.
Windkraftanlage (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Windkraftanlage (100) mindestens zwei Rotoren (112) umfasst, welche sich im Betrieb der Windkraftanlage (100) in einander entgegengesetzten Drehrichtungen drehen.
Windkraftanlage (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Windkraftanlage (100) mindestens zwei Rotoren (112) und eine Steuervorrichtung (128) umfasst, mittels welcher die mindestens zwei Rotoren (112) so steuerbar und/oder regelbar sind, dass bei einem Anlaufvorgang zunächst ein erster Rotor (112) und erst anschließend mindestens ein weiterer Rotor (112) in Rotation versetzt werden.
Windkraftanlage (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Windkraftanlage (100) mindestens eine Windführungsvorrichtung (146) umfasst, mittels welcher Luft gezielt den Rotorblättern (116) mindestens eines Rotors (112) zuführbar ist oder zugeführt wird.
Windkraftanlage (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Windkraftanlage (100) mindestens eine radial innen an einen Innenring (134) mindestens eines Rotors (112) angrenzende Windführungsvorrichtung (146) und/oder mindestens eine radial außen an einen Außenring (136) mindestens eines Rotors (112) angrenzende Windführungsvorrichtung (146) umfasst.