DE102014115001A1 - Vertikale Windkraftanlage mit in Segmentbauweise zusammengesetztem Stator - Google Patents
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Abstract
Bei einer Windkraftanlage mit vertikaler Drehachse wird der Stator, bzw. ein die Statorblätter 4 tragendes Statorgrundgerüst in Modulbauweise vollständig aus mindestens zwei baugleichen Segmentbauteilen 11a–c zusammengesetzt. Die einzelnen Segmentbauteile können wiederum aus Modulbauteilen 13a–c, 14a–b, 15a–c aufgebaut sein, von denen die Deckel-Modulteile 13a–c und die Boden-Modulteile 15a–c wiederum baugleich sind. Auf diese Weise wird sowohl der fertigungstechnische Aufwand gering gehalten als auch eine einfache Montage des Statorgrundgerüsts ermöglicht.
Description
- Windkraftanlagen mit vertikaler, d.h. im Wesentlichen quer zu einer horizontalen Windrichtung verlaufender, Drehachse sind als Systeme zur dezentralen Energiegewinnung im Bereich von 0,5 bis 5 kW und darüber ein zunehmend wichtiger Bauteil eines regenerativen Gesamtenergiekonzepts. Wichtig ist dabei ein möglichst einfacher Aufbau der aus Stator, Rotor und Generator bestehenden Windkraftanlage, um den Montageaufwand und das dafür erforderliche Know-how möglichst gering zu halten.
- Die Druckschrift
WO 2009/003537 A1 - Als nachteilig an dem in
WO 2009/003537 A1 - Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Windkraftanlage bereitzustellen, deren Stator mittels geringerem Montageaufwand aufbaubar ist und dessen Bauteile sich trotzdem sehr kostengünstig herstellen lassen.
- Diese Aufgabe wird durch die im vorliegenden Anspruch 1 definierte Windkraftanlage gelöst. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausführungsbeispiele.
- Ausgehend von der Grundidee, den Montageaufwand zu verringern, scheint es zunächst optimal, den gesamten Stator bzw. ein diesen tragendes Statorgrundgerüst aus einem Stück zu fertigen. Dies bringt aber den Nachteil mit sich, dass das Statorgrundgerüst bzw. der Stator insgesamt dann relativ sperrig wird und sich daher schlecht lagern oder platzsparend verpacken lässt. Das Grundkonzept der vorliegenden Erfindung sieht daher vor, dass der Stator bzw. dessen Grundgerüst aus wenigstens zwei Segmentteilen zusammengesetzt ist, die im Wesentlichen baugleich sind.
- In der Minimalkonfiguration mit genau zwei Segmentteilen lassen sich diese wie zwei Hälften einer Walnussschale zusammenstecken. Dabei kann die Grenzfläche zwischen den zwei Hälften sowohl in einer Ebene senkrecht zur Drehachse als auch in einer Ebene parallel zu dieser verlaufen.
- Vorzugsweise wird der Stator bzw. das Statorgrundgerüst aus mehr als zwei, besonders bevorzugt drei, vier oder sechs, Segmentteilen aufgebaut, die sich wie Kuchenstücke zu einem Hohlzylinder zusammensetzen lassen. Die einzelnen Segmentteile sind im Wesentlichen baugleich, vorzugsweise sogar vollständig baugleich, so dass sie alle durch die gleichen Produktionsmaschinen herstellbar sind. Dadurch lassen sich die Herstellungskosten und der fertigungstechnische Aufwand insgesamt gering halten.
- Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung hat der Stator bzw. dessen Grundgerüst die Grundform eines Hohlzylinders, in dem der Rotor untergebracht ist. Jedes baugleiche Segmentteil bildet dann in der Draufsicht einen kreissegmentförmigen oder ringsegmentförmigen Teil des Hohlzylinders. Beträgt die Anzahl der baugleichen Segmentteile n, so ist der Stator bzw. dessen Grundgerüst rotationssymmetrisch bezüglich einer Drehung um die Drehachse mit dem Winkel 360°/n. Das Zusammensetzen der einzelnen Segmentteile erfolgt vorzugsweise über Steckverbindungen, die an entsprechenden Grenzflächen der Segmentteile angeformt sind. Es sind aber auch andere Verbindungsarten denkbar, beispielsweise Schraub- oder Nietverbindungen in an den Segmentteilen vorgesehenen Bohrlöchern.
- Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedes Segmentteil wiederum aus mindestens zwei Modulteilen aufgebaut, die sich wiederum über an den Grenzflächen angeformte Steckverbinder zusammenstecken lassen. Wie schon bei den Segmentteilen sind aber auch andere Verbindungsarten denkbar, beispielsweise Schraub- oder Nietverbindungen in an den Modulteilen vorgesehenen Bohrlöchern.
- Die Modulteile umfassen pro Segmentteil wenigstens ein Deckel-Modulteil und ein Boden-Modulteil, die wiederum im Wesentlichen baugleich sind. Dadurch lassen sich die Produktionskosten weiter senken, weil die Modulteile kleiner als die zugehörigen Segmentteile und daher fertigungstechnisch billiger herstellbar sind. Für ein Statorgrundgerüst mit beispielsweise n = 4 Segmentteilen kann der entsprechende Hohlzylinder dann nämlich durch Herstellung von acht baugleichen Modulteilen zusammengesetzt werden. Wegen der einfachen Verbindungsmöglichkeit der Modulteile durch Steckverbinder und dem anhand der äußeren Form der Modulteil leicht zu erfassenden Grundaufbau des Stators kann die Montage von nur kurz eingewiesenen Servicekräften oder sogar durch den Endkunden selbst übernommen werden.
- Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist jedes Segmentteil aus drei Modulteilen aufgebaut, wobei zwischen dem Deckel-Modulteil und dem Boden-Modulteil jeweils ein Statorblätter aufweisender oder diese haltender Mittel-Modulteil vorgesehen ist. Jedes Segmentteil lässt sich dann dadurch zusammenbauen, dass das Deckel-Modulteil und das Boden-Modulteil parallel zu der Drehachse mit einem Mittel-Modulteil verbunden wird, das wiederum aus mehreren Teilen zusammengesteckt sein kann. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass sich jedes Segmentteil in einzelne flache Modulteile zerlegen lässt, die besonders gut stapelbar sind und beim Transport in zerlegtem Zustand nur wenig Volumen einnehmen. Außerdem lassen sich zwischen den baugleichen Deckelund Boden-Modulteilen Mittel-Modulteile verschiedener Längen anbringen. Auf diese Weise kann man die Höhe des Stator-Hohlzylinders variieren, ohne den fertigungstechnischen Aufwand wesentlich zu erhöhen.
- Erfindungsgemäß kann jedes Modulteil einschließlich seiner Steckverbinder einstückig im Spritzgussverfahren hergestellt werden. Bevorzugte Herstellungsmaterialien sind witterungsbeständige Kunststoffe oder Aluminium.
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung haben die Mittel-Modulteile einen trapezförmigen Querschnitt. Die nicht parallelen Seiten des Trapezes bilden die Grenzflächen mit den Steckverbindungen zu dem Deckel- bzw. Boden-Modulteil. Durch diesen angeschrägten Grenzflächenverlauf erhöht sich nicht nur die Verbindungssteifigkeit der einzelnen Modulteile untereinander, sondern es wird auch die Festigkeit und Kippsicherheit des Stators insgesamt verbessert. Die entsprechenden Grenzflächen des Boden- bzw. Deckel-Modulteils sind ebenso angeschrägt, so dass der Aufbau des Statorgrundgerüsts nach außen insgesamt kompakt bleibt.
- Besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
-
1 eine schematische Draufsicht auf ein Statorgrundgerüst der Windkraftanlage gemäß der Erfindung; -
2a eine schematische Querschnittsansicht der Windkraftanlage gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
2b eine schematische Querschnittsansicht der Windkraftanlage gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
3a eine perspektivische Ansicht des Stators gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel von schräg oben; -
3b eine perspektivische Ansicht des Stators gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel von schräg unten; -
4 eine perspektivische Ansicht eines Modulteils gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und -
5 eine perspektivische Gesamtansicht der Windkraftanlage gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel von schräg oben. - Wie in der
1 zu sehen ist, wird der Stator in den drei bevorzugten Ausführungsbeispielen aus genau vier baugleichen Segmentteilen11a –c durch Steckverbinder12 zusammengesetzt. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt und es sind auch beliebige andere Anzahlen von Segmentteilen n möglich, insbesondere n = 2, 3, 5, 6 oder 8. - Beim ersten Ausführungsbeispiel besteht jedes Segmentteil
11a aus einem Deckel-Modulteil13a , einem Boden-Modulteil15a und einem zwischen diesen zwei Modulteilen13a ,15a angeordneten Mittel-Modulteil14a . Das Mittel-Modulteil14a hat, wie in der Querschnittsansicht der2a zu sehen ist, im radialen Querschnitt die Grundform eines gleichschenkligen Trapezes. Die parallelen Seiten21 ,22 des Trapezes liegen radial innen bzw. außen und die beiden anderen Seiten23 ,24 bilden angewinkelte Grenzflächen zu entsprechend angewinkelten Grenzflächen26 ,27 des Deckel-Modulteils13a bzw. des Boden-Modulteils15a . An den Grenzflächen sind versetzt zueinander Steckverbinder16 angeformt, die in entsprechende Hohlräume bzw. Steckplätze an dem den Steckverbindern entgegengesetzten Grenzflächen eingreifen und so ein leichtes Zusammenstecken der einzelnen Modulteile13a ,14a ,15a ermöglichen. - Der Statoraufbau ist insgesamt rotationssymmetrisch bezüglich der Drehachse
7 , um die sich ein innerhalb des Stator-Hohlzylinders angeordneter Rotor mit den Rotorflügeln5 drehen kann. Der Statoraufbau ist aber auch achsensymmetrisch bezüglich einer senkrecht auf der Drehachse7 stehenden Mittelachse8 . Durch das hohe Maß an Symmetrie und die intelligente Aufteilung der Segmentund Modulteile und deren Steckverbinder lassen sich sowohl die Herstellungskosten reduzieren als auch der Montageaufwand gering halten. - Bei dem in der
2a gezeigten ersten Ausführungsbeispiel entsteht wegen der schräg zur Mittelachse8 verlaufenden Seitenwände23 ,24 ,26 ,27 eine relativ lange Grenzfläche zwischen dem Mittel-Modulteil14a und den zugehörigen Deckel- bzw. Boden-Modulteilen13a ,15a . Die gegenüber senkrecht zur Drehachse7 verlaufenden Seitenwänden erzielte Verlängerung der Grenzflächen an sich stabilisiert bereits die Verbindungsfestigkeit des daraus zusammengesetzten Segmentteils11a . Der angewinkelte Verlauf der Grenzflächen erhöht aber auch die Festigkeit und Kippsicherheit des Statoraufbaus insgesamt. - Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel, das in den
1 ,2b ,3a und3b zu sehen ist, ist wiederum jedes Segmentteil11b aus drei Modulteilen13b ,14b und15b zusammengesetzt. Hier verlaufen aber die Grenzflächen zwischen dem Mittel-Modulteil14b und den angrenzenden Deckel- bzw. Boden-Modulteilen13b ,15b parallel zur Mittelachse8 und daher senkrecht zur Drehachse7 . Dieser Grenzflächenverlauf ist zwar unter Stabilitätsgründen etwas weniger günstig als bei dem ersten Ausführungsbeispiel, führt aber zu einer weniger komplexen Bauart der einzelnen Modulteile13b ,14b ,15b , weil rechte Winkel generell einfacher zu handhaben sind und insbesondere eine leichtere Lagerung und Transportfähigkeit mit sich bringen. - In den
3a und3b ist der gesamte Statoraufbau des zweiten Ausführungsbeispiels nochmals in einer perspektivischen Ansicht von schräg oben bzw. schräg unten dargestellt. Die Modulteile sind so zusammengesteckt, dass das Deckel-Modulteil13b und das Boden-Modulteil15b an einem Außenumfangsabschnitt jeweils axial leicht gegenüber den Mittel-Modulteilen14b abgesetzt sind und dazwischen jeweils eine Ringnut19a ,19b bleibt. Die untere Ringnut19a kann zur Befestigung eines (nicht dargestellten) Ständers dienen. Die obere Ringnut19b kann beispielsweise zur Aufhängung des Stators verwendet werden. - Diese Ringnuten
19a ,19b sind in der2b nicht dargestellt, da diese rein schematischen Ansicht nur das Grundprinzip der erfindunggemäßen Segmentierung von Bauteilen verdeutlichen soll. In den1 ,2a und2b sind die Modul- bzw. Segmentteile auch separiert dargestellt, um einen besseren Eindruck der Verbindungsweise der einzelnen Teile untereinander zu ermöglichen. - Der insgesamt hohlzylindrische Aufbau des Stators lässt sich anhand der
3a und3b besonders gut erkennen. Dabei bilden die vier Deckel-Modulteile13b und die vier Boden-Modulteile15b zusammen jeweils die beiden Grundflächen des Hohlzylinders und die vier Mittel-Modulteile14b dessen Mantelfläche. - Beim gezeigten Ausführungsbeispiel bilden die Mittel-Modulteile
14b auch gleichzeitig die schräg verlaufenden Statorblätter4 aus. Alternativ ist es aber auch möglich, dass separate Statorblätter4 oder Teile davon in die Mittel-Modulteile14b eingesetzt und von diesen nur gehalten werden. - Das Deckel- und das Boden-Modulteil
13b und15b sind in der Draufsicht im Wesentlichen ringsegmentförmig, so dass sich von oben gesehen in der Mitte des Stators eine kreisförmige Aussparung17 bildet, in der mittels eines geeigneten Rotorlagers die Rotorachse7 angeordnet werden kann. Außerdem weisen die einzelnen Deckel- und Boden-Modulteile13b und15b auch axiale Lüftungsschlitze18 auf, die eine Steigerung der Luftströmungseffizienz durch die Windkraftanlage und ihren Stator ermöglichen. Es sei darauf hingewiesen, dass weder die Aussparung17 noch die Lüftungsschlitze18 in der Draufsicht der1 und der Seitenansicht der2a oder2b zu sehen sind, weil die1 ,2a und2b als rein schematische Ansichten derartige Details der besseren Übersichtlichkeit halber aussparen. - In den
4 und5 ist noch eine weitere Variante der Erfindung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel dargestellt. Anders als bei den ersten beiden Ausführungsbeispielen wird jedes Segmentteil11c bei dem dritten Ausführungsbeispiel nicht aus drei Modulteilen sondern nur aus zwei Modulteilen13c und15c zusammengesetzt. - Die
4 zeigt ein Deckel-Modulteil13c gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel in einer perspektivischen Ansicht. Ein baugleiches Boden-Modulteil15c lässt sich mit diesem über die Steckverbinder16 verbinden, um so das Segmentteil11c zu bilden, das sich zusammen mit drei baugleichen weiteren Segmentteilen11c zu dem gesamten Statorgrundgerüst zusammensetzen lässt. Anders als beim ersten und zweiten Ausführungsbeispiel weist das Deckel-Modulteil13c nicht nur einen Deckelbereich29 auf, sondern auch axial verlaufende Streben28 , die mit entsprechenden axialen Streben des Boden-Modulteils15c die Mantelfläche des Stator-Hohlzylinders bilden, und dadurch das Vorsehen eines Mittel-Modulteils erübrigen. Der Montageaufwand wird dadurch gegenüber dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel noch geringer. - Wie in der
5 zu sehen ist, lässt sich in dem durch vier Deckel-Modulteile13c und vier Boden-Modulteile15c aufgebaute Statorgrundgerüst der Rotor mit den Rotorschaufeln5 unterbringen. Außerdem wird entlang der axialen Streben28 jeweils ein Statorblatt4 eingesetzt, das durch das Statorgrundgerüst gehalten wird und seitlich auf die Windkraftanlage einströmende Luft auf die Rotorschaufeln5 lenkt. Alternativ ist es aber auch möglich, die Streben28 so zu verbreitern, dass sie – ähnlich wie in den3a und3b – selbst die Statorblätter4 bilden. - Zusammenfassend wird bei der Vertikal-Windkraftanlage der Erfindung der Stator, bzw. ein die Statorblätter
4 tragendes Statorgrundgerüst in Modulbauweise vollständig aus mindestens zwei baugleichen Segmentbauteilen11a –c zusammengesetzt. Die einzelnen Segmentbauteile können wiederum aus Modulbauteilen13a –c,14a –b,15a –c aufgebaut sein, von denen die Deckel-Modulteile13a –c und die Boden-Modulteile15a –c wiederum baugleich sind. Auf diese Weise wird sowohl der fertigungstechnische Aufwand gering gehalten als auch eine einfache Montage des Statorgrundgerüsts ermöglicht. Bezugszeichenliste4 Statorblatt 5 Rotorschaufel 7 Drehachse 8 Mittelachse 11a –cSegment(bau)teil 12 ,16 Steckverbinder 13a –cDeckel-Modul(bau)teil 14a –bMittel-Modul(bau)teil 15a –cBoden-Modul(bau)teil 17 Aussparung 18 Lüftungsschlitze 19a –bRingnut 21 –24 Trapez-Seitenwände 26 ,27 Grenzflächen-Seitenwände 28 Streben 29 Deckelbereich - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009/003537 A1 [0002, 0003]
Claims (10)
- Windkraftanlage mit einem Rotor, der drehbar um eine vertikale Drehachse (
7 ) gelagert ist und mehrere Rotorflügel (5 ) aufweist, einem Stator, innerhalb dem der Rotor untergebracht ist und der mehrere Statorblätter (4 ) aufweist, die dazu ausgelegt sind, seitlich auf die Windkraftanlage einströmende Luft in Richtung der Rotorflügel (5 ) zu lenken, und einem Generator zur Gewinnung elektrischer Energie aus der Drehung des Rotors um die Drehachse (7 ), dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Stator oder wenigstens ein den gesamten Stator tragendes Statorgrundgerüst aus mindestens zwei Segmentteilen (11a –c) zusammengesetzt ist, die im wesentlichen baugleich sind. - Windkraftanlage nach Anspruch 1, wobei der Stator bzw. das Statorgrundgerüst aus n Segmentteilen (
11a –c) zusammengesetzt und bei einer Drehung um 360°/n um die Drehachse (7 ) rotationssymmetrisch bezüglich dieser ist. - Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, wobei für die Anzahl der baugleichen Segmentteile (
11a –c) n = 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10 oder 12 gilt. - Windkraftanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Stator bzw. das Statorgrundgerüst die Grundform eines Hohlzylinders hat und jedes Segmentteil (
11a –c) einen in der Draufsicht kreissegmentförmigen oder ringsegmentförmigen Teil des Hohlzylinders bildet. - Windkraftanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jedes Segmentteil (
11a –c) erste Steckverbinder (12 ) aufweist, durch die sich die Segmentteile (11a –c) zusammensetzen lassen. - Windkraftanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jedes Segmentteil (
11a –c) aus mehreren Modulteilen (13 bis15 ) zusammengesetzt ist, und jedes Segmentteil (11a –c) insbesondere ein Deckel-Modulteil (13a –c) und ein Boden-Modulteil (15a –c) aufweist, die im wesentlichen baugleich sind. - Windkraftanlage nach Anspruch 6, wobei jedes Segmentteil (
11a ;11b ) aus dem Deckel-Modulteil (13a ;13b ), dem Boden-Modulteil (15a ;15b ) und einem das Deckel-Modulteil (13a ;13b ) und das Boden-Modulteil (15a ;15b ) parallel zu der Drehachse (7 ) verbindenden Mittel-Modulteil (14a ;14b ) zusammengesetzt ist und die Mittel-Modulteile (14a ;14b ) die Statorblätter (4 ) halten oder aufweisen. - Windkraftanlage nach Anspruch 7, wobei die Mittel-Modulteile (
14a ) in einem Querschnitt in einer die Drehachse (7 ) enthaltenden Ebene im wesentlichen die Form eines Trapezes haben, vorzugsweise die Form eines gleichschenkligen Trapezes, wobei die parallelen Trapezseiten (21 ,22 ) die radial innen und außen liegenden Seitenwände der Mittel-Modulteile (14a ) bilden und die nicht parallelen Trapezseiten (23 ,24 ) flächig an entsprechend angeschrägten Seitenwänden (26 ,27 ) des Deckel-Modulteils (13a ) und des Boden-Modulteils (15a ) angrenzen. - Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei jedes Modulteil (
13 bis15 ) neben den ersten Steckverbindern (12 ) auch zweite Steckverbinder (16 ) aufweist, durch die sich die Modulteile (13 bis15 ) untereinander zu den einzelnen Segmentteilen (11a –c) zusammensetzen lassen. - Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Modulteile (
13 bis15 ) einstückig im Spritzgussverfahren hergestellt sind.
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