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Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Windkraftanlagen bzw. Windräder bestehen üblicherweise aus einem Turm an dessen oberen Ende ein Rotor sowie ein damit verbundener Generator angeordnet sind. Bei elektrischen Leistungen im Multi-Megawattbereich wird das Gewicht von Rotor und Generator sehr hoch und liegt im Bereich von bis 800 Tonnen. Dieses hohe Gewicht am oberen Ende des Turms erfordert natürlich eine entsprechend mechanische Stabilität des Turms, was die Baukosten der Windkraftanlage wesentlich erhöht. Um das hohe Gewicht und die damit verbundene massive Bauweise des Turms zu vermeiden, lehrt sowohl die
DE 10 2008 024 829 B4 als auch die
DE-OS 28 17 483 am oberen Ende des Turms nur den Rotor anzuordnen und den Generator im Bodenbereich des Turms. Die Rotorwelle am oberen Ende des Turms ist mit der Generatorwelle über einen Zugmitteltrieb verbunden. Da der Turm nur das Gewischt des Rotors tragen muss, ergibt sich für den Turm eine einfachere bzw. weniger massive Konstruktion und damit geringere Kosten. Nachteilig bei diesen bekannten Windkraftanlagen ist es, dass damit zwar grundsätzlich die Türme höher gebaut werden können, da sie eine weniger massive Konstruktion erfordern, dies allerdings zu einer vergleichsweise langen Strecke für den Zugmitteltrieb bedeutet.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung die aus der
DE 10 2008 024 829 B4 oder der
DE-OS 28 17 483 bekannten Windräder dahingehend zu verbessern, dass bei großen Turmhöhen die Zugmitteltriebe nicht in gleicher Weise anwachsen.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Dadurch, dass der Generator nicht am oberen Ende des Turms und auch nicht am unteren Ende des Turms, sondern in etwa im unteren Drittel des Turms angeordnet wird, wird ein Kompromiss zwischen Turmhöhe und Länge des Zugmitteltriebs erreicht. Der Turm kann leicht und hoch gebaut werden, da das obere Ende des Turms nur das Rotorgewicht tragen muss. Da der Turm auch sein Eigengewicht tragen muss, ist der Turm nach unten hin immer stabiler ausgebildet, da er immer mehr Eigengewicht tragen muss. Folglich ist es möglich den Generator solange nach unten zu verschieben, bis der Turm eine ausreichende Stabilität aufweist, um die Last des Generators ohne Probleme zu tragen. Da dies noch in einer gewissen Turmhöhe der Fall ist, wird dadurch erreicht, dass die Länge des Zugmitteltriebs verkürzt wird.
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Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 wird der Turm dahingehend ausgelegt, dass er einen möglichst großen Rotor am oberen Ende tragen kann. Je höher der Turm, desto größer ist die Energieausbeute. Als Faustregel gilt für Windkraftanlagen im Binneland, dass pro Meter Turmhöhe ein Leistungszuwachs von 0,8% erzielt wird.
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Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 ist die Rotorwelle gleichzeitig die erste Zugmitteltriebwelle, was eine vereinfachte Konstruktion bedeutet.
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Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 4 handelt es sich bei dem Zugmitteltrieb um einen Seiltrieb wie dies beispielsweise von Seilbahnen für Skilifte oder maritimen Kränen etc. bekannt ist. Derartige Seiltriebe sind technisch ausgereift und können ohne Probleme bei Windkraftanlagen bzw. Windrädern gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.
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Gemäß den vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung nach Anspruch 5 bis 7 wird der Seiltrieb bzw. das Zugmittel mit verschiedenen Maßnahmen gespannt, so dass die Kraftübertragung ohne Schlupf erfolgen kann.
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Durch die Schutzhülle gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 8 wird der Zugmitteltrieb gegen Witterungseinflüsse geschützt. Dies kann insbesondere bei Offshore-Anlagen möglich sein, da das salzige Seewasser das Zugmittel insbesondere in Form von Stahlseilen angreifen könnte.
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Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 9 kann der Schutz der Zugmitteltriebe auch dadurch erreicht werden, dass diese wenigstens zum Teil – vorzugsweise im unteren Bereich – im Inneren des Turms verlaufen.
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Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 10 ist es möglich, eine Übersetzung zwischen der Rotorwelle und der letztendlich angetriebenen Generatorwelle vorzuziehen.
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Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 11 umfasst die Generatoreinrichtung eine Mehrzahl von Generatoren die auf unterschiedlicher Höhe des Turms angeordnet sind. Durch das Vorsehen einer Mehrzahl von Generatoren verringert sich das Gewicht der einzelnen Generatoren, so dass diese in größerer Höhe angeordnet werden können ohne, dass der Turm dadurch wesentlich massiver werden muss.
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Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 12 werden für unterschiedliche Abschnitte des Turms unterschiedliche Baumaterialien eingesetzt. Beispielsweise kann für die Turmspitze faserverstärkte Baumaterialien, für den mittleren Bereich Holz oder Aluminium und für den untersten Abschnitt Stahlbeton eingesetzt werden. Auf diese Weise sind hohe kostengünstige Turmhöhen bei geringem Gesamtgewicht möglich.
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Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 13 wird erreicht, dass der Rotor mit Turm sich nach dem Wind ausrichten kann und dadurch weniger wechselnde Biegemomente auf den Turm einwirken. Aufgrund der leichteren Konstruktion des Turmes ist es hierbei möglich den gesamten Turm drehbar im unteren Bereich des Turms mit einer Art Hülse zu verankern.
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Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 14 verläuft der Zugmitteltrieb auf einer Seite des Turms und ein zweiter auf der gegenüberliegenden Seite des Turms. Auf diese Weise ist eine noch weniger massive Konstruktion des Turms möglich, da der Turm durch die Zugmitteltriebe links und rechts verspannt bzw. abgespannt wird.
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Die Zugmitteltriebe können beidseitig des Turms verlaufen oder gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 15 im oberen Bereich auf einer Seite und im unteren Bereich auf der gegenüberliegenden Seite.
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Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 16 wird die Möglichkeit den Turm zu verspannen und damit noch eine leichtere Konstruktion zu ermöglichen, noch verbessert.
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Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 17 ist der gesamte Turm fest im Boden verankert und der Rotor, der Generator und der wenigstens eine Zugmitteltrieb ist um die Turmlängsachse drehbar am Turm montiert. Dies vereinfacht die Konstruktion, da nicht der ganze Turm drehbar ausgeführt werden muss.
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Durch die parallel verlaufenden einander gegenüberliegenden Zugmitteltriebe gemäß Anspruch 18 ergibt sich ein Verspannung des Turms, der dadurch weniger massiv gebaut werden kann.
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Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 19 ergibt sich eine symmetrische Belastung des Drehlagers am Turm, was eine einfachere Konstruktion ermöglicht.
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Die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 20 stellt eine einfache Möglichkeit der drehbaren Anordnung des Generators dar.
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Durch die Führungseinrichtungen gemäß Anspruch 21 wird das Zugmittel sicher entlang des Turmes geführt.
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Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 22 kann die Drehgeschwindigkeit des Rotors optimal an den Generator angepasst werden.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einem Zugmitteltrieb,
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2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit zwei Zugmitteltrieben,
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3 eine dritte Ausführungsform der Erfindung mit einer Mehrzahl von Generatoren,
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4 eine schematische Darstellung der drehbaren Lagerung des Turms im Boden,
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5 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der Erfindung,
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6 einer schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform der Erfindung, und
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7 eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform der Erfindung.
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In den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen sind einander entsprechende Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform mit einem Turm 2, der ein oberes und ein unteres Ende 3, 4 aufweist. Am oberen Ende 3 des vertikal angeordneten Turms 2 ist ein Rotor 5 mit einer horizontal verlaufenden Rotorwelle 7 angeordnet. In etwa ein Drittel der Höhe des sich nach unten verstärkenden Turms 2 ist ein Generator 9 mit einer Generatorwelle 11 fest am Turm 2 montiert. Die Kopplung zwischen Generator 9 und Rotor 5 erfolgt über einen Seiltrieb 13. Der Seiltrieb 13 umfasst ein auf der Rotorwelle 7 montiertes Rotorwellenrad 15 und ein auf der Generatorwelle 11 montiertes Generatorwellenrad 16 Die beiden Wellenräder 15 und 16 werden von einem Stahlseil 17 umschlungen, so dass die durch Wind verursachte Drehung des Rotors 5 auf die Generatorwelle 11 und damit den elektrischen Generator 9 übertragen wird. Der obere Teil des Turms 2 mit Rotor 5, Seiltrieb 13 und Generator 9 ist über ein unter dem Generator 9 angeordnetes Drehlager 19 am um die Vertikale drehbar ausgebildet, so dass sich der Rotor 5 in den Wind stellen kann ohne dass dadurch das Stahlseil 17 verdreht oder in Kontakt mit dem Turm 2 gelangt. Der Teil des Turms 2 unterhalb des Drehlagers 19 ist über eine Fundament fest im Boden verankert.
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Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist der Generator 9 mit Generatorwelle 11 und Generatorwellenrad 16 auf einer Seite des Turms 2 angeordnet. Alternativ können Generatorwellenrad 16 und Generator 9 auch gegenüberliegenden Seiten des Turms 2 angeordnet werden, wobei die Generatorwelle 11 dann den Turm 2 durchsetzt und in dem Turm 2 drehbar gelagert ist
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die sich von der ersten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass nicht nur ein Seiltrieb, sondern ein erster Seiltrieb 20 und ein zweiter Seiltrieb 22 vorgesehen sind. Die Rotorwelle 7 ist über den ersten Seiltrieb 20 mit einer dem ersten und zweiten Seiltrieb 20, 22 gemeinsamen Zugmitteltriebwelle 24 verbunden, die unter einem vertikal ausgerichteten Rotorblatt des Rotors 5 am des Turm 2 angeordnet ist. Der erste Seiltrieb 20 umfasst das Rotorwellenrad 15 auf der Rotorwelle 7, ein auf der gemeinsamen Zugmitteltriebwelle 24 angeordnetes erstes Zugmittelwellenrad 26 und ein erstes Stahlseil 28, das das Rotorwellenrad 15 und das erste Zugmittelwellenrad 26 umschlingt. Die gemeinsame Zugmitteltriebwelle 24 durchsetzt den Turm 2 und ist in diesem drehbar gelagert. Der zweite Seiltrieb 22 umfasst ein auf der dem ersten Seiltrieb 20 gegenüberliegenden Seite des Turms 2 auf der gemeinsamen Zugmitteltriebwelle 24 angeordnetes zweites Zugmittelwellenrad 30, das Generatorwellenrad 16 und ein zweites Stahlseil 32, das das zweite Zugmittelwellenrad 30 und das Generatorwellenrad 16 umschlingt. Der zweite Seilzug 22 treibt über das Generatorwellenrad 16 die Generatorwelle 11 und damit den Generator 9 an. Der Turm 2 ist wiederum unterhalb des Generators 9 drehbar gelagert, so dass sich der Rotor 5 im Wind ausrichten kann.
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3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, die sich von der Ausführungsform von 2 dadurch unterscheidet, dass an der gemeinsamen Zugmitteltriebwelle 24 ein erster und ein zweiter Generator 34, 35 und am Ende des zweite Seiltriebs 22 ein dritter und ein vierter Generator 36, 37 vorgesehen ist. Dadurch, dass mehrere Generatoren 34, 35, 36, 37 vorgesehen sind, ist es möglich, die Generatoren 34, 35, 36, 37 kleiner zu bauen bzw. kleinere Generatoren zu verwenden, so dass diese dann in größerer Höhe am Turm 2 angeordnet werden können, ohne dass hierfür der Turm 2 massiver ausgeführt werden müsste.
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4 zeigt schematisch eine beispielhafte Ausgestaltung des Drehlagers 19. Hierbei steckt das untere Ende 4 des Turms 2 in einem Fundament 40 in einer entsprechend groß dimensionierten Lagerbuchse 42, wobei durch entsprechende Wälzlager oder durch einen Ölfilm 44 die Drehbarkeit des oberen Teils des Turms 2 in der Lagerbuchse 42 gewährleistet ist. Um das Herausgleiten des oberen Teils des Turms 2 nach oben zu vermeiden, ist der Turm 2 zusätzlich am oberen Ende der Lagerbuchse 42 mit einem Ringlager 46 in axialer Richtung gesichert.
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5 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung, die sich von der ersten Ausführungsform nach 1 dadurch unterscheidet, dass der gesamte Turm 2 fest im Boden verankert ist und der Rotor 5, der Seiltrieb 13 und der Generator 9 um die Längsachse des Turms 2 drehbar montiert sind. Hierzu ist der Rotor 5 mit Rotorwelle 7 und Rotorwellenrad 15 über ein oberes Drehlager 50 drehbar am oberen Ende 3 des Turms 2 montiert. Der Generator 9 ist im unteren Bereich des Turms 2 auf einer ringförmigen Plattform 52 montiert. Die ringförmige Plattform 52 ist auf einem fest mit dem Turm 2 verbundenen Plattformträger 54 drehbar gelagert. Auf diese Weise kann der Generator 9 mit Generatorwelle 11 und darauf montiertem Generatorwellenrad 16 dem Rotor 5 mit Rotorwelle 7 und darauf montiertem Rotorwellenrad 15 nachgeführt werden, so dass das die beiden Wellenräder 15 und 16 umschlingende Stahlseil 17 nicht verdreht wird und nicht in Kontakt mit dem Turm 2 gelangt.
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6 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Erfindung, die sich von der vierten Ausführungsform nach 5 dadurch unterscheidet, dass zusätzlich zu dem ersten Seiltrieb 13 ein zweiter Seiltrieb 60 vorgesehen ist, der parallel zum ersten Seiltrieb 13 auf der gegenüberliegenden Seite des Turms 2 verläuft. Der zweite Seiltrieb 60 umfasst ein zweites Rotorwellenrad 62, das fest auf der Rotorwelle 7 montiert ist, ein zweites Stahlseil 64 und ein zweites Generatorwellenrad 66. Das zweite Generatorwellenrad 66 ist auf einer zweiten Generatorwelle 68 eines zweiten Generators 70 angeordnet, der ebenfalls auf der ringförmigen drehbaren Plattform 52 dem ersten Generator 9 gegenüberliegend angeordnet ist. Durch die parallelen Seiltriebe 13 und 60 wird der Turm symmetrisch verspannt und kann dadurch bei gleichbleibender Stabilität weniger massiv gebaut werden.
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7 zeigt schematisch eine fünfte Ausführungsform der Erfindung, die ebenfalls einen ersten Seiltrieb 80 und einen zweiten Seiltrieb 82 aufweist. Der erste Seiltrieb umfasst ein erstes Stahlseil 84, das ein Rotorwellenrad 86 und ein zweites Wellenrad 88 umschlingt. Das zweite Wellenrad 88 ist auf einer mittleren Seiltriebwelle 90 angeordnet, die mittels einer rohrförmigen Hülse 92 um eine vertikale Achse drehbar und in axialer Richtung verschiebbar am Turm 2 angeordnet ist. Der zweite Seiltrieb 82 umfasst ein drittes Wellenrad 94, das ebenfalls auf der mittleren Seiltriebwelle 90 angeordnet ist, und ein zweites Stahlseil 96, das das dritte Wellenrad 94 und das Generatorwellenrad 16 umschlingt.
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Die Nachführung des Rotors 5, der Seiltriebe 13; 13, 60; 80, 82 und der drehbaren Plattform 52 kann bei den Ausführungsformen nach den 5 bis 7 mittels Elektromotoren erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Turm
- 3
- oberes Ende von 2
- 4
- unteres Ende von 2
- 5
- Rotor
- 7
- Rotorwelle
- 9
- Generator
- 11
- Generatorwelle
- 13
- Seiltrieb
- 15
- Rotorwellenrad
- 16
- Generatorwellenrad
- 17
- Stahlseil
- 19
- Drehlager
- 20
- erster Seiltrieb
- 22
- zweiter Seiltrieb
- 24
- gemeinsame Zugmitteltriebwelle
- 26
- erstes Zugmittelwellenrad
- 28
- erstes Stahlseil
- 30
- zweites Zugmittelwellenrad
- 32
- zweites Stahlseil
- 34
- erster Generator
- 35
- zweiter Generator
- 36
- dritter Generator
- 37
- vierter Generator
- 40
- Fundament
- 42
- Lagerbuchse
- 44
- Ölfilm
- 46
- Ringlager
- 50
- oberes Drehlager
- 52
- ringförmige drehbare Plattform
- 54
- Plattformträger
- 60
- zweiter Seiltrieb
- 62
- zweites Rotorwellenrad
- 64
- zweites Stahlseil
- 66
- zweites Generatorwellenrad
- 68
- zweite Generatorwelle
- 70
- zweiter Generator
- 80
- erster Seiltrieb
- 82
- zweiter Seiltrieb
- 84
- erstes Stahlseil
- 86
- Rotorwellenrad
- 88
- zweites Wellenrad
- 90
- mittlere Seiltriebwelle
- 92
- rohrförmig Hülse für 90
- 94
- drittes Wellenrad
- 96
- zweites Stahlseil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008024829 B4 [0002, 0003]
- DE 2817483 A [0002, 0003]
