DE102014115001A1

DE102014115001A1 - Vertikale Windkraftanlage mit in Segmentbauweise zusammengesetztem Stator

Info

Publication number: DE102014115001A1
Application number: DE102014115001.5A
Authority: DE
Inventors: Victor Gómez Hernández; Martin Meingassner; Andreas Schiegl; Marcus Kuchler
Original assignee: TURBINA ENERGY AG
Current assignee: TURBINA ENERGY AG
Priority date: 2014-10-15
Filing date: 2014-10-15
Publication date: 2016-04-21
Also published as: WO2016058596A1; DE112015004693A5

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 beschreibt eine gattungsgemäße Windkraftanlage, die bereits mit relativ geringem Montageaufwand aufbaubar ist. Der Stator ist durch ein Gestänge zusammengesetzt, das in der Ansicht von oben bzw. unten einen im Wesentlichen sternförmigen Aufbau hat, der durch zwei um 45° zueinander versetzte Quadrate entsteht. An acht Ecken des sternförmigen Aufbaus sind sogenannte Statorblätter oder Leitbleche angebracht, die seitlich einströmende Luft so auf einen innen liegenden Rotor und dessen Rotorschaufeln leiten, dass der Rotor unabhängig von der Windrichtung in Bewegung versetzt wird und den Generator zur Gewinnung elektrischer Energie antreiben kann.
Als nachteilig an dem in WO 2009/003537 A1 offenbarten Stand der Technik hat sich erwiesen, dass der Statoraufbau trotz des hohen Grades an Rotationssymmetrie um die Drehachse und Achsensymmetrie bezüglich der senkrecht zur Drehachse stehenden Mittelachse immer noch relativ kompliziert ist. Das Gestänge ist aus einer Vielzahl von Leichtmetall- oder Kunststoff-Stangen verschiedener Größen mittels geeigneter Schraubverbindungen zusammenzubauen, was mehr Erfahrung und technisches Geschick erfordert als zunächst anzunehmen wäre.
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 Segmentteilen 11a–c durch Steckverbinder 12 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-Modulteil 13a, einem Boden-Modulteil 15a und einem zwischen diesen zwei Modulteilen 13a, 15a angeordneten Mittel-Modulteil 14a. Das Mittel-Modulteil 14a hat, wie in der Querschnittsansicht der 2a zu sehen ist, im radialen Querschnitt die Grundform eines gleichschenkligen Trapezes. Die parallelen Seiten 21, 22 des Trapezes liegen radial innen bzw. außen und die beiden anderen Seiten 23, 24 bilden angewinkelte Grenzflächen zu entsprechend angewinkelten Grenzflächen 26, 27 des Deckel-Modulteils 13a bzw. des Boden-Modulteils 15a. An den Grenzflächen sind versetzt zueinander Steckverbinder 16 angeformt, die in entsprechende Hohlräume bzw. Steckplätze an dem den Steckverbindern entgegengesetzten Grenzflächen eingreifen und so ein leichtes Zusammenstecken der einzelnen Modulteile 13a, 14a, 15a ermöglichen.
Der Statoraufbau ist insgesamt rotationssymmetrisch bezüglich der Drehachse 7, um die sich ein innerhalb des Stator-Hohlzylinders angeordneter Rotor mit den Rotorflügeln 5 drehen kann. Der Statoraufbau ist aber auch achsensymmetrisch bezüglich einer senkrecht auf der Drehachse 7 stehenden Mittelachse 8. 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 Mittelachse 8 verlaufenden Seitenwände 23, 24, 26, 27 eine relativ lange Grenzfläche zwischen dem Mittel-Modulteil 14a und den zugehörigen Deckel- bzw. Boden-Modulteilen 13a, 15a. Die gegenüber senkrecht zur Drehachse 7 verlaufenden Seitenwänden erzielte Verlängerung der Grenzflächen an sich stabilisiert bereits die Verbindungsfestigkeit des daraus zusammengesetzten Segmentteils 11a. 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 und 3b zu sehen ist, ist wiederum jedes Segmentteil 11b aus drei Modulteilen 13b, 14b und 15b zusammengesetzt. Hier verlaufen aber die Grenzflächen zwischen dem Mittel-Modulteil 14b und den angrenzenden Deckel- bzw. Boden-Modulteilen 13b, 15b parallel zur Mittelachse 8 und daher senkrecht zur Drehachse 7. Dieser Grenzflächenverlauf ist zwar unter Stabilitätsgründen etwas weniger günstig als bei dem ersten Ausführungsbeispiel, führt aber zu einer weniger komplexen Bauart der einzelnen Modulteile 13b, 14b, 15b, weil rechte Winkel generell einfacher zu handhaben sind und insbesondere eine leichtere Lagerung und Transportfähigkeit mit sich bringen.
In den 3a und 3b 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-Modulteil 13b und das Boden-Modulteil 15b an einem Außenumfangsabschnitt jeweils axial leicht gegenüber den Mittel-Modulteilen 14b abgesetzt sind und dazwischen jeweils eine Ringnut 19a, 19b bleibt. Die untere Ringnut 19a kann zur Befestigung eines (nicht dargestellten) Ständers dienen. Die obere Ringnut 19b kann beispielsweise zur Aufhängung des Stators verwendet werden.
Diese Ringnuten 19a, 19b sind in der 2b nicht dargestellt, da diese rein schematischen Ansicht nur das Grundprinzip der erfindunggemäßen Segmentierung von Bauteilen verdeutlichen soll. In den 1, 2a und 2b 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 und 3b besonders gut erkennen. Dabei bilden die vier Deckel-Modulteile 13b und die vier Boden-Modulteile 15b zusammen jeweils die beiden Grundflächen des Hohlzylinders und die vier Mittel-Modulteile 14b dessen Mantelfläche.
Beim gezeigten Ausführungsbeispiel bilden die Mittel-Modulteile 14b auch gleichzeitig die schräg verlaufenden Statorblätter 4 aus. Alternativ ist es aber auch möglich, dass separate Statorblätter 4 oder Teile davon in die Mittel-Modulteile 14b eingesetzt und von diesen nur gehalten werden.
Das Deckel- und das Boden-Modulteil 13b und 15b sind in der Draufsicht im Wesentlichen ringsegmentförmig, so dass sich von oben gesehen in der Mitte des Stators eine kreisförmige Aussparung 17 bildet, in der mittels eines geeigneten Rotorlagers die Rotorachse 7 angeordnet werden kann. Außerdem weisen die einzelnen Deckel- und Boden-Modulteile 13b und 15b auch axiale Lüftungsschlitze 18 auf, die eine Steigerung der Luftströmungseffizienz durch die Windkraftanlage und ihren Stator ermöglichen. Es sei darauf hingewiesen, dass weder die Aussparung 17 noch die Lüftungsschlitze 18 in der Draufsicht der 1 und der Seitenansicht der 2a oder 2b zu sehen sind, weil die 1, 2a und 2b als rein schematische Ansichten derartige Details der besseren Übersichtlichkeit halber aussparen.
In den 4 und 5 ist noch eine weitere Variante der Erfindung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel dargestellt. Anders als bei den ersten beiden Ausführungsbeispielen wird jedes Segmentteil 11c bei dem dritten Ausführungsbeispiel nicht aus drei Modulteilen sondern nur aus zwei Modulteilen 13c und 15c zusammengesetzt.
Die 4 zeigt ein Deckel-Modulteil 13c gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel in einer perspektivischen Ansicht. Ein baugleiches Boden-Modulteil 15c lässt sich mit diesem über die Steckverbinder 16 verbinden, um so das Segmentteil 11c zu bilden, das sich zusammen mit drei baugleichen weiteren Segmentteilen 11c zu dem gesamten Statorgrundgerüst zusammensetzen lässt. Anders als beim ersten und zweiten Ausführungsbeispiel weist das Deckel-Modulteil 13c nicht nur einen Deckelbereich 29 auf, sondern auch axial verlaufende Streben 28, die mit entsprechenden axialen Streben des Boden-Modulteils 15c 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-Modulteile 13c und vier Boden-Modulteile 15c aufgebaute Statorgrundgerüst der Rotor mit den Rotorschaufeln 5 unterbringen. Außerdem wird entlang der axialen Streben 28 jeweils ein Statorblatt 4 eingesetzt, das durch das Statorgrundgerüst gehalten wird und seitlich auf die Windkraftanlage einströmende Luft auf die Rotorschaufeln 5 lenkt. Alternativ ist es aber auch möglich, die Streben 28 so zu verbreitern, dass sie – ähnlich wie in den 3a und 3b – selbst die Statorblätter 4 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 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. Bezugszeichenliste

4	Statorblatt
5	Rotorschaufel
7	Drehachse
8	Mittelachse
11a–c	Segment(bau)teil
12, 16	Steckverbinder
13a–c	Deckel-Modul(bau)teil
14a–b	Mittel-Modul(bau)teil
15a–c	Boden-Modul(bau)teil
17	Aussparung
18	Lüftungsschlitze
19a–b	Ringnut
21–24	Trapez-Seitenwände
26, 27	Grenzflächen-Seitenwände
28	Streben
29	Deckelbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/003537 A1 [0002, 0003]

Claims

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 bis 15) 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 bis 15) neben den ersten Steckverbindern (12) auch zweite Steckverbinder (16) aufweist, durch die sich die Modulteile (13 bis 15) untereinander zu den einzelnen Segmentteilen (11a–c) zusammensetzen lassen.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Modulteile (13 bis 15) einstückig im Spritzgussverfahren hergestellt sind.