DE102013202566B3

DE102013202566B3 - Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102013202566B3
Application number: DE102013202566.1A
Authority: DE
Inventors: Peter Lutz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-02-18
Filing date: 2013-02-18
Publication date: 2014-03-20
Anticipated expiration: 2033-02-19
Also published as: WO2014125114A1; EP2956664A1

Abstract

Es wird eine Windkraftanlage angegeben, die bei Off-Shore-Einsatz oder bei Einsatz der Windkraftanlagen auf wenig stabilem Untergrund, z. B. Abfalldeponien, eine vereinfachte Konstruktion der Verankerung oder des Fundaments erlaubt. Dadurch, dass Turm kardanisch und um seine axiale Richtung drehbar in einer Trägereinrichtung aufgehängt ist, erfolgt die Ausrichtung des Turms mit Rotor im Wind unabhängig von der genauen Lage der Trägervorrichtung. D. h. die Trägereinrichtung kann gegenüber dem Untergrund zumindest kleine Lageänderungen durchführen. Damit ist es möglich die Windkraftanlage auf weniger festem Untergrund, wie zum Beispiel auf einer Mülldeponie einzusetzen. Zudem kann der Turm schlanker gebaut werden, da nur der Teil des Turms über der kardanischen für das Tragen des Rotors und gegebenenfalls des Generators ausgelegt werden muss. Auch lassen sich leichte Gitterkonstruktionen für den Turm einsetzen. Das Errichten der Windkraftanlage wird dadurch kostengünstiger.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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 zu 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. Insbesondere bei Off-Shore-Windkraftanlagen, wie sie z. B aus der DE 20100588 U1 bekannt sind, führt dies dazu, dass die Verankerung auf dem Meeresgrund sehr aufwendig wirkt.
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 Gewicht des Rotors und der Windlasten tragen muss, ergibt sich für den Turm eine einfachere bzw. weniger massive Konstruktion und damit geringere Kosten. Da bei der Windkraftanlage gemäß der DE 10 2008 024 829 B4 der gesamte Turm mit Rotor und Generator drehbar ausgestaltet werden muss wird die Verankerung bzw. die Trägereinrichtung wieder vergleichsweise aufwendig. Die komplizierte Umlenkmechanik für den Seiltrieb macht die Konstruktion gemäß der DE-OS 28 17 483 ungeeignet für Windkraftanlagen im Megawattbereich.
Ausgehend von der DE 20100588 U1 ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Windkraftanlage anzugeben, die bei Off-Shore-Einsatz oder bei Einsatz der Windkraftanlagen auf wenig stabilem Untergrund, z. B. Abfalldeponien, eine vereinfachte Konstruktion der Verankerung oder des Fundaments erlaubt.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Dadurch, dass Turm kardanisch und um seine axiale Richtung drehbar in einer Trägereinrichtung aufgehängt ist, kann die Ausrichtung des Turms mit Rotor im Wind unabhängig von der genauen Lage der Trägervorrichtung erfolgen. Hierzu lassen sich wie bei herkömmlichen Winkrädern Motoren einsetzen, die an der drehbaren kardanischen Aufhängung angreifen. D. h. die Trägereinrichtung kann gegenüber dem Untergrund zumindest kleine Lageänderungen durchführen. Damit ist es möglich die Windkraftanlage auf weniger festem Untergrund, wie zum Beispiel auf einer Mülldeponie einzusetzen. Zudem kann der Turm schlanker gebaut werden, da nur der Teil des Turms über der kardanischen für das Tragen des Rotors und gegebenenfalls des Generators ausgelegt werden muss. Auch lassen sich leichte Gitterkonstruktionen für den Turm einsetzen. Das Errichten der Windkraftanlage wird dadurch kostengünstiger.
Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 kann der Teil des Turms über der kardanischen Aufhängung noch schlanker und einfacher ausgeführt werden, da er nur das Gewicht des Rotors und einen Teil des Zugmitteltriebs tragen muss.
Durch die starre Verbindung des Generators gemäß Anspruch 3 vereinfacht sich Konstruktion des wenigstens einen Zugmitteltriebs. Irgendwelche Umlenkrollen im unteren Bereich des Turms sind nicht nötig.
Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 verbleibt der Turm mit Rotor in einem stabilen Gleichgewicht in im Wesentlichen vertikaler Position. Durch die drehbare Aufhängung an der Trägereinrichtung kann der Turm mit Rotor im Wind ausgerichtet werden.
Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 5 stellt eine bevorzugte und einfache Ausgestaltung der kardanischen und in axialer Richtung drehbaren Aufhängung des Turms an der Trägereinrichtung dar.
Da die Zugmittel des wenigstens einen Zugmitteltriebs ihre Lage gegenüber dem inneren und äußeren Ring nicht verändern, kann das Zugmittel zwischen dem Turm und/oder zwischen innerem und äußerem Ring geführt werden. Hierdurch wird gleichzeitig eine Führung der Zugmittel bereit gestellt – Anspruch 6.
Die vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung nach den Ansprüchen 7 bis 9 richtet sich auf Off-Shore-Windkraftanlagen, bei denen die Trägereinrichtung als schwimmende bzw. schwimmfähige Plattform ausgebildet ist.
Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 10 handelt es sich bei dem Zugmitteltrieb um einen Seiltrieb wie dies beispielsweise von Seilbahnen für Skilifte oder maritime Kräne etc. bekannt ist. Derartige Seiltriebe sind technisch ausgereift und können ohne Probleme bei Windkraftanlagen bzw. Windrädern gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Der bzw. die Seiltriebe können, wie bei bekannten Seiltrieben, ein oder mehrere Stahlseile aufweisen, die über ein Wellenrad laufen.
Gemäß den vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung nach Anspruch 12 bis 13 wird der Seiltrieb bzw. das Zugmittel mit verschiedenen Maßnahmen gespannt, so dass die Kraftübertragung ohne Schlupf erfolgen kann.
Durch die Schutzhülle gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 14 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.
Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 15 kann der Schutz der Zugmitteltriebe auch dadurch erreicht werden, dass diese wenigstens zum Teil – vorzugsweise im unteren Bereich – im Inneren des Turms verlaufen.
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 16 ist es möglich, eine Übersetzung zwischen der Rotorwelle und der letztendlich angetriebenen Generatorwelle vorzuziehen. Damit kann die Drehgeschwindigkeit des Rotors optimal an den Generator angepasst werden.
Durch die beidseitig des Turms beidseitig verlaufenden Zugmittel – Anspruch 17 – wird der Turm nach Art eines Mastes eines Segelschiffes verspannt werden. Hierdurch wird die Stabilität des Turms erhöht, ohne dass der Turm massiver ausgeführt werden müsste. Folglich kann der Turm bei gleichem Gewicht höher gebaut werden.
Die Zugmitteltriebe können beidseitig des Turms verlaufen – Anspruch 17 – oder gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 18 im oberen Bereich auf einer Seite und im unteren Bereich auf der gegenüberliegenden Seite.
Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 19 wird die Möglichkeit den Turm zu verspannen und damit noch eine leichtere Konstruktion zu ermöglichen, noch verbessert.
Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 20 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 Turmhöhen bei geringem Gesamtgewicht möglich.
Durch die Führungseinrichtungen gemäß Anspruch 21 wird das Zugmittel sicher entlang des Turmes geführt.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen.
Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung als Off-Shore-Windkraftanlage,
2 eine Schnittansicht entlang Linie A-A in 3, und
3 eine Schnittansicht entlang Linie B-B in 2.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform mit einem Turm 1, der ein oberes und ein unteres Ende 3, 4 aufweist. Am oberen Ende 3 des vertikal angeordneten Turms 1 ist ein Rotor 5 mit einer horizontal verlaufenden Rotorwelle 7 angeordnet. Am unteren Ende 4 des Turms 1 ist auf einem starr mit dem Turm 1 verbundenen Generatorträger 9 ein Generator 11 mit einer Generatorwelle 13 angeordnet. Die Kopplung zwischen Generator 11 und Rotor 5 erfolgt über einen Seiltrieb 15. Der Seiltrieb 15 umfasst ein an der Rotorwelle 7 montiertes Rotorwellenrad 17 und ein an der Generatorwelle 13 montiertes Generatorwellenrad 19. Das Generatorwellenrad 19 und das Rotorwellenrad 17 werden durch ein Stahlseil 21 als Zugmittel umschlungen. Rotor 5 und Generator 11 sind auf einander gegenüberliegenden Seiten des Turms 1 angeordnet. Der Seiltrieb 15 ist auf der Seite des Generators 11 entlang dem Turm 1. Anstelle eines Stahlseils 21 können parallel mehrere Stahlseile 21 genutzt werden, die das Rotorwellenrad 17 und das Generatorwellenrad 19 umschlingen.
Der Turm 1 mit Rotor 5, Seiltrieb 14 und Generator 11 ist mittels einer kardanischen und um die axiale Richtung des Turms 1 drehbare Aufhängung 23 an einer Position 26 mit einer Trägereinrichtung 25 verbunden. Die Trägereinrichtung 25 umfasst zwei starr miteinander verbunden Schwimmkörper 27 von denen sich ausgehend von den Ecken eines Quadrats vier Trägerbalken 29 schräg nach oben aufeinander zu erstrecken und an der kardanischen drehbaren Aufhängung 23 angreifen. Die Trägereinrichtung kann durch nicht dargestellte Ankerelemente auf dem Meeresboden verankert werden. Die Trägereinrichtung 25 mit den Schwimmkörpern 27 und den Trägerbalken 29 und die Position 26 der Aufhängung 23 sind so ausgelegt, dass der Generatorträger 9 mit Generator 11 über dem Meeresspiegel zu liegen kommt. Dadurch ist der Generator weniger dem korrosiven Meerwasser ausgesetzt.
Die drehbare kardanische Aufhängung 23 wird nachfolgend anhand der 2 und 3 beschrieben. Die Aufhängung 23 umfasst einen inneren Ring 31 der mittels zwei einander gegenüberliegenden ersten Lagerbolzen 33 um eine erste Achse 35 kippbar mit dem Turm 1 verbunden ist. Der innere Ring 31 wird mit Abstand dazwischen von einem äußeren Ring 37 umschlossen, der mittels zwei zweiter Lagerbolzen 39 um eine zweite Achse 41 kippbar an dem inneren Ring 31 montiert ist. Die beiden Achsen 35 und 41 liegen in einer horizontalen Ebene und stehen senkrecht aufeinander.
Wie aus 3 zu ersehen ist, ist der äußere Ring 37 über Wälzlager 43 auf einem starr mit den vier Trägerbalken 29 verbunden Drehlagerring 45 um eine dritte Achse 47 drehbar gelagert. Die dritte Achse 47 entspricht im Wesentlichen der Längsachse des Turms 1 und steht auf der ersten und zweiten Achse 35 und 41 senkrecht. Die Position der Aufhängung 23 am Turm 1 ist so gewählt, dass der Turm 1 mit Rotor 5 und Generator 11 in einer im Wesentlichen vertikalen Ausrichtung des Turms 1 ein stabiles Gleichgewicht einnimmt. Durch diese Positionierung und durch die beschriebene Ausgestaltung der drehbaren kardanischen Aufhängung 23 kann sich der Turm 1 mit Rotor 5 und Generator 11 im Wind ausgerichtet werden. Zudem werden durch die Aufhängung 23 Bewegungen und Schwanken der Trägereinrichtung 25 aufgrund von Wellengang ausgeglichen. Das Stahlseil 21 wird zwischen Turm 1 und innerem Ring 31 links und rechts neben einem der beiden ersten Lagerbolzen 33 geführt, da an dieser Position die die geringste Bewegung zwischen innerem und äußerem Ring 31, 37 erfolgt. Alternativ kann das Stahlseil 21 auch zwischen äußerem und innerem Ring 37, 31 links und rechts neben einem der zweiten Lagerbolzen 39 geführt sein.
Hinsichtlich der verschieden Möglichkeiten der Ausgestaltung der mechanischen Kopplung zwischen Rotor 5 und Generator 11 mittels einem oder mehrerer Seiltriebe 15 wird vollinhaltlich auf die Anmeldengen DE 10 2013 202 156.9 , DE 10 2013 202 158.5 und DE 20 2013 001 179.3 hinterlegten Schutzrechtsanmeldungen des Anmelders der vorliegenden Anmeldung verwiesen.
Bezugszeichenliste

1: Turm
3: oberes Ende von 2
4: unteres Ende von 2
5: Rotor
7: Rotorwelle
9: Generatorträger
11: Generator
13: Generatorwelle
15: Seiltrieb
17: Rotorwellenrad
19: Generatorwellenrad
21: Stahlseil, Zugmittel
23: drehbare, kardanische Aufhängung
25: Trägereinrichtung
26: Position der Aufhängung 23 am Turm 2
27: Schwimmkörper
29: Trägerbalken
31: innerer Ring
33: erste Lagerbolzen
35: erste Achse
37: äußerer Ring
39: zweite Lagerbolzen
41: zweite Achse
43: Wälzlager
45: starrer Drehlagerring
47: dritte Achse

Claims

Windkraftanlage zur Erzeugung elektrischer Energie, mit einem Turm (1), der ein oberes und ein unteres Ende (3, 4) aufweist, einem an dem oberen Ende (3) angeordneten Rotor (5), einem Generator, der mit dem Turm verbunden ist und der mechanisch mit dem Rotor (5) gekoppelt ist, und einer Trägereinrichtung (25) an der der Turm (1) montiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Turm (1) kardanisch und um seine axiale Richtung (47) drehbar in der Trägereinrichtung (25) montiert ist und dass die drehbare kardanische Aufhängung (23) zwischen Rotor (5) und Generator (11) am Turm (1) angreift, und dass die Position der kardanischen Aufhängung (23) so gewählt ist, dass der Turm (1) mit Rotor (5) und Generator (11) in einer im Wesentlichen vertikalen Ausrichtung ein stabiles Gleichgewicht einnimmt.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (11) im Bereich des unteren Endes (4) des Turms (1) angeordnet ist, und dass die mechanische Kopplung zwischen Rotor (5) und Generator (11) über wenigstens einen Zugmitteltrieb (15) erfolgt, der jeweils ein Zugmittel (21) umfasst, das zwei im Abstand zueinander angeordnete Zugmitteltriebwellen (7, 13) umschlingt und das die Drehbewegung der Rotorwelle auf die Generatorwelle überträgt.
Windkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (11) im Bereich des unteren Endes (4) starr mit dem Turm (1) verbunden ist.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Position (26) der drehbaren kardanischen Aufhängung (23) am Turm (1) so gewählt ist, dass der Turm (1) mit Rotor (5) und Generator (11) in vertikaler Ausrichtung (47) in einer stabilen Gleichgewichtslage ist.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die drehbare kardanische Aufhängung (23) einen inneren Ring (31) aufweist, an dem der Turm (1) um eine erste Achse (35) kippbar gelagert ist, das die kardanische Aufhängung (23) einen äußeren Ring (35) aufweist, an dem der innere Ring (31) um eine zweite Achse (41) kippbar gelagert ist, dass der äußere Ring (37) und eine dritte Achse (47) drehbar an der Trägereinrichtung (25) montiert ist, und das die drei Achsen (35, 41, 47) im Wesentlichen senkrecht aufeinander stehen.
Windkraftanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Zugmitteltrieb (15) zwischen Turm (1) und innerem Ring (31) und/oder zwischen innerem und äußerem Ring (31, 37) geführt ist.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägereinrichtung (25) eine schwimmende Plattform ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die schwimmende Plattform (25) Befestigungsmittel umfasst, mittels der die schwimmende Plattform (25) relativ zum Meeresgrund örtlich fixierbar ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (11) über dem Meeresspiegel angeordnet ist.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugmitteltrieb ein Seiltrieb (15) ist.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugmitteltrieb (15) eine Spannvorrichtung für das Zugmittel (21) umfasst.
Windkraftanlage nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung das Gewicht des Generators (11) nutzt.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Zugmitteltriebwelle entlang des Turmes (1) längsbeweglich angeordnet ist.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Turm (1) und der wenigstens eine Zugmitteltrieb (15) mit einer Schutzhülle umgeben sind.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Zugmitteltrieb (15) zumindest zum Teil im Inneren des Turms (1) verläuft.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Zugmitteltriebwellen (7, 13) Wellenräder (17, 19) mit unterschiedlichen Durchmessern angeordnet sind.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein erster und ein zweiter Zugmitteltrieb vorgesehen sind, die auf einander gegenüberliegend Seiten des Turmes (1) entlang des Turmes (1) verlaufen.
Windkraftanlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zugmitteltrieb im oberen Bereich des Turmes (1) und der zweite Zugmitteltrieb im unteren Bereich des Turmes (1) verläuft, und dass eine Zugmitteltriebwelle den Turm (1) durchsetzt.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei Zugmitteltriebe vorgesehen sind, die jeweils abwechselnd auf einander gegenüberliegend Seiten des Turmes (1) entlang des Turmes angeordnet sind.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Turm (1) abschnittsweise unterschiedliche Baumaterialien aufweist.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugmittel (21) der Zugmitteltriebe (15) durch Führungseinrichtungen entlang des Turmes (1) geführt sind.