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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 die
US2011/0018269A1 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 oder über zwei Kurbelwellen mit Pleuelstangen verbunden. Da der Turm nur das Gewicht des Rotors und die Windlasten aufnehmen 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 oder die Pleuelstangen bedeutet. Im Fall von Pleuelstangen ist die Strecke aufgrund der Masse der Pleuelstangen aufgrund der geforderten Schub- und Zugstabilität sehr eingeschränkt. Zudem kann es zu unerwünschten Schwingungen der Zugmitteltriebe und der Pleuelstangen kommen.
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Ausgehende von der
US 2011/0018269 A1 ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung bei Windrädern mit Kurbelwellen größere Turmhöhen zu ermöglichen.
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Dadurch, dass anstelle von Pleuelstangen zwischen Rotor und Generator Zugmittel eingesetzt werden, die nur zugbelastbar sind, kann die Masse bzw. das Gewicht der Zugmittel deutlich verringert und damit die Bauhöhe des Turms vergrößert werden.
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Durch die Drehlager nach Anspruch 2 tritt im Gegensatz zu Umlenkrollen bei Zugmitteltrieben tritt weniger Reibung auf und der Verschleiß verringert sich.
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Bei der besonders bevorzugten Ausgestaltung nach Anspruch 3 wird die Auf- und Ab und Hin und Her-Bewegung der Zugmittel durch die Pleuel-Kopplungen quasi linearisiert und in eine rein lineare Auf- und Ab-Bewegung umgewandelt. Damit verringert sich die Gefahr, dass die Zugmittel in schädliche Schwingungszustände gelangen. Der Generator wird über die untere Kurbelwelle angetrieben. Die Ansprüche 4 und 5 beziehen sich auf eine einfache Ausgestaltung der Pleuel-Kopplung.
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Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 6 ist der Generator ein Lineargenerator, der am unteren Ende des Zugmittels angeordnet ist. Der Antrieb des Lineargenerators erfolgt durch die linearisierte Auf- und Ab-Bewegung des Zugmittels zwischen der oberen und unteren Kurbelwelle im Bereich des unteren Endes des Zugmittels.
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Durch die Anzahl N der Pleuellager gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 7 können mehrere Seile parallel eingesetzt werden, so dass die übertragbare Leistung steigt. Die Pleuellanger sind hierbei so um die Kurbelwellendrehachse angeordnet, dass alle Hauptlager möglichst gleichmäßig belastet werden.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Anzahl N der Pleuellager ungerade ist, da es dann keinen Drehzustand der Kurbelwelle gibt, in der kein Drehmoment wirkt – Anspruch 8.
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Durch die gleichmäßige Verteilung der Pleuellager um die Kurbelwellendrehachse werden alle Hauptlager möglichst gleichmäßig belastet – Anspruch 9.
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Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 10 können mehrere schwächere Zugmittel pro Pleuellager eingesetzt werden.
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Anspruch 11 nennt bevorzugte Ausgestaltungen und Formen für die Zugmittel und Anspruch 12 hat bevorzugte Materialien für die Zugmittel zum Gegenstand.
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Durch die Ausgestaltung nach Ansprüche 13 und 14 lassen sich die Drehzahlen des Rotors an die optimale Drehzahl des Generators anpassen.
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Durch die vorteilhafte Überwachungs- und Regeleinrichtung nach Anspruch 15 wird die Spannung des Zugmittels in einem optimalen Bereich gehalten.
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Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 16 mit einer Schwingungsüberwachungseinrichtung kann der Rotor bei unzulässigen Schwingungszuständen rechtzeitig aus dem Wind gefahren werden oder der Rotor wird von der oberen Kurbelwelle entkoppelt.
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Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 17 ist der Turm mit Rotor und oberer Kurbelwelle und oberer Linearisierung der Zugmittel auf einer drehbaren Plattform montiert. Damit kann der Generator neben dem Turm auf drehbaren Plattform angeordnet werden.
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Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 18 ist der Turm starr mit dem Boden verbunden und wie bei herkömmlichen Windrädern ist der Rotor, die obere Kurbelwelle und die obere Linearisierung drehbar am oberen Ende des Turms montiert. Zusätzlich ist im Turm am unteren Ende des Zugmittels der Generator mit unterer Kurbelwelle und unterer Linearisierung drehbar auf einer Plattform angeordnet, deren Drehung synchron zu der Drehung des Rotors, der oberen Kurbelwelle und der oberen Linearisierung erfolgt.
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Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 19 wird zum einen bei Off-Shore-Anlagen der Transport auf See vereinfacht und zum anderen kann der Hohlraum auch als Raum für Stromspeicher – Anspruch 26 – genutzt werden. Hierzu werden größere Akku-Einheiten in den oder die Hohlräume eingebracht.
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Die verschiedenen Komponenten der Windkraftanlage können je nach auftretenden Belastungen aus unterschiedlichen Verbundwerkstoffen hergestellt werden – Ansprüche 21, 24, 25.
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Aufgrund der vergleichsweise geringen Drehzahlen können die Lager der Kurbelwellen als einfache und kostengünstige Gleitlager, z. B. in Form von Messingbuchsen, ausgebildet sein – Anspruch 22.
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Diese Sockel mit Hohlräumen können auch bei herkömmlichen Windrädern im Off-Shore-Bereich eingesetzt werden – Anspruch 21.
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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,
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2 eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
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3 eine Ansicht von vorne der zweiten Ausführungsform,
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4 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in 2b,
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5 eine perspektivische Darstellung der zweiten Ausführungsform, teils aufgebrochen,
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6 eine genauere Darstellung des oberen und unteren Ende des Turms,
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7 eine perspektivische Darstellung der oberen bzw. unteren Kurbelwelle der zweiten Ausführungsform,
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8 eine Ansicht der Kurbelwelle aus 7 in Richtung der Kurbelwellendrehachse,
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9 eine Ansicht der Kurbelwelle aus 7 senkrecht zur Kurbelwellendrehachse,
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10 eine perspektivische Darstellung des oberen bzw. unteren Kurbelwellenlagers,
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11 eine perspektivische Darstellung der oberen oder unteren Pleuel-Kopplung der zweiten Ausführungsform,
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12 eine Ansicht auf die Pleuel-Kopplung nach 11 in Richtung der Drehachse der Kurbelwelle, und
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13 eine Ansicht auf die Pleuel-Kopplung nach 11 senkrecht zur Drehachse der Kurbelwelle.
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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 angeordnet, der mit einer oberen Kurbelwelle 7 verbunden ist, die eine vertikale Drehachse KWAo aufweist. Am unteren Ende 4 des Turms 2 ist eine untere Kurbelwelle 10 angeordnet, die ebenfalls eine vertikale Drehachse KWAu aufweist, die parallel zu der Drehachse KWAo der oberen Kurbelwelle 7 liegt. Beide Kurbelwellen 7, 10 weisen jeweils fünf Hauptlager 12 auf, wobei jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden Hauptlagern 12 jeweils zwei Kurbelwangen 13 vorgesehen, die sich in etwa senkrecht von der Drehachse KWA der Kurbelwelle 7, 10 wegerstrecken. Die freien Enden der Kurbelwangen 13 sind jeweils durch ein Pleuellager 14 miteinander verbunden. Aufeinanderfolgende Pleuellager 14 sind jeweils um 90° versetzt zueinander angeordnet. Die obere Kurbelwelle 7 ist in einer oberen Kurbelwellenlager 16 gelagert und die untere Kurbelwelle 10 ist in einer unteren Kurbelwellenlager 18 gelagert. Einander zugeordnete Pleuellager 14 der oberen und unteren Kurbelwelle 7, 10 sind jeweils durch ein Zugmittel 20 in Form von Seilen miteinander verbunden. Dabei sind die Seile 20 jeweils an den Pleuellagern 14 der oberen und untere Kurbelwelle 7, 10 drehbar befestigt.
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Das obere Ende 3 des Turms 2 mit Rotor 5, oberer Kurbelwelle 7 und oberer Kurbelwellenlager 16 ist mittels eines Drehkranzes 23 um die vertikale Turmachse drehbar. Am unteren Ende 4 des Turms 5 ist eine topfförmige Aufnahme 24 vorgesehen, die ebenfalls um die vertikale Turmachse drehbar ausgestaltet ist und die untere Kurbelwelle 10 mit unterer Kurbelwellenlager 18 aufnimmt. Ein herkömmlicher elektrischer Generator 26 mit einer Generatorwelle 28 ist unter der unteren Kurbelwelle 10 ebenfalls in der Aufnahme 24 angeordnet. Die Generatorwelle 28 ist über eine Getriebe 30 mit der unteren Kurbelwelle 10 verbunden.
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Die Drehbewegung des Rotors 5 wird durch die obere Kurbelwelle 7 in eine Auf- und Ab- und Hin- und Her-Bewegung der Zugmittel 20 umgesetzt. Diese Auf- und Ab- und Hin- und Her-Bewegung der Zugmittel 20 wird durch die untere Kurbelwelle 10 wieder in eine Drehbewegung umgesetzt, die über das Getriebe 30 die Generatorwelle 20 und damit den Generator 26 antreibt. –
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Die 2 bis 13 illustrieren eine zweite Ausführungsform der Erfindung bei der die Auf- und Ab- und Hin- und Her-Bewegung der Zugmittel 20 mittels einer oberen und einer unteren Pleuel-Kopplung 40 in eine lineare Auf- und Ab-Bewegung umgesetzt wird. Auf diese Weise wird die Gefahr verringert, dass sich durch die Hin- und Her-Bewegung der Zugmittel 20 unzulässige Schwingungen der Zugmittel 20 aufbauen.
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Am oberen Ende 3 des Turms 2 ist der Rotor 5 über ein oberes Planetengetriebe 42 mechanisch mit der oberen Kurbelwelle 7 gekoppelt. In gleicherweise ist die untere Kurbelwelle 10 über ein unteres Planetengetriebe 44 mit der Generatorwelle 28 des elektrischen Generators 26 verbunden. Der gesamte Turm 2 ist fest auf einer drehbaren Plattform 46 montiert – siehe 2 bis 5. Die Plattform 46 ist mittels eines Drehkranzes 48, der über einen Drehmotor 50 angetrieben wird drehbar ausgestaltet. Die untere Kurbelwelle 10 mit unterem Kurbelwellenlager 18, dem unteren Planetengetriebe 44 und der Generator 26 sind fest auf der drehbaren Plattform 46 montiert. Hierbei sind die Zugmittel 20 und die untere Kurbelwelle 10 mit unterem Kurbelwellenlager 18 im Turm 2 und das untere Planetengetriebe 44 und der Generator 26 neben dem Turm 2 auf der Plattform 46 montiert.
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Die obere Kurbelwelle 7 ist in einem oberen Kurbelwellenlager 16 montiert und die untere Kurbelwelle 10 ist in einer unteren Kurbelwellenlager 18 montiert. Einander zugeordnete Pleuellager 14 der oberen und unteren Kurbelwelle 7, 10 sind jeweils durch ein Zugmittel 20 in Form von Seilen miteinander verbunden. Das obere oder untere Kurbelwellenlager 16, 18 ist in 10 dargestellt.
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Die Windkraftanlage gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst weiter einen runden plattenförmigen Sockel 52, der einen zentralen Hohlraum 54 und einen ringförmigen peripheren Hohlraum 56 umfasst. Die drehbare Plattform 46 mit Turm und An- und Einbauten ist in dem zentralen Hohlraum 54 des Sockels 52 montiert – siehe 2 bis 5.
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6 zeigt Details des oberen Endes 3 und des unteren Endes 4 des Turms 2 der Turm 2 ist nicht dargestellt. Der Rotor 5, das obere Planetengetriebe 42 und die obere Kurbelwelle 7 mit oberem Kurbelwellenlager 16 sind auf einer fest mit dem Turm 2 verbundenen Trägerplattform 58 angeordnet.
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Beide Kurbelwellen 7, 10 weisen im Gegensatz zur ersten Ausführungsform nach 1 jeweils acht Hauptlager 12, vierzehn Kurbelwangen 13 und sieben Pleuellager 14 – siehe 7 bis 9. Aufeinanderfolgende Pleuellager 14 sind jeweils um 51,4° versetzt zueinander angeordnet, wie dies aus 8 zu ersehen ist. Durch die gleichmäßige Verteilung der Pleuellager 14 um die Kurbelwellenachse KWA werden alle Hauptlager 12 möglichst gleichmäßig belastet.
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Wie aus den 2 und 11 bis 13 zu ersehen ist, weisen die beiden Pleuel-Kupplungen 40 weisen jeweils eine Pleuelstange 60 auf, die ein erstes und ein zweites Ende 62, 63 aufweisen. Das erste Ende 62 ist mit dem Pleuellager 14 und das zweite Ende 63 ist mit einer Linearführungseinrichtung 64 verbunden. Die Linearführungseinrichtung 64 umfasst ein Gleitlager 66, das zwischen zwei U-förmigen Gleitschienen 68 geführt ist, die mit offenen Seite einander zugewandt sind. Die Gleitschienen 68 sind fest mit dem Turm 2 oder mit der Trägerplattform 58 oben bzw. der drehbaren Plattform 46 unten verbunden. Das zweite Ende 63 der Pleuelstangen 60 ist an dem Gleitlager 66 angelenkt. Die seilförmigen Zugmittel 20 sind mit den Gleitlagern 66 verbunden und führen nach unten bzw. nach oben zwischen den Gleitschienen 68 heraus.
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Gemäß einer nicht in der Zeichnung dargestellten alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird anstelle des Drehstromgenerators 26 ein Lineargenerator eingesetzt.
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Dieser Lineargenerator ist in dem mit einem Pfeil in 6 markierten Bereich über den Gleitschienen 68 angeordnet und wird durch die Auf- und Ab-Bewegung der Zugmittel 20 angetrieben.
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Die Zugmittel in Form von Seilen oder Gurten können aus hochfesten faserverstärkten Kunststoffen, wie CFK, Aramide etc. hergestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- KWA
- Kurbelwellendrehachse
- KWAo
- obere Kurbelwellendrehachse
- KWAu
- untere Kurbelwellendrehachse
- 2
- Turm
- 3
- oberes Ende von 2
- 4
- unteres Ende von 2
- 5
- Rotor
- 7
- obere Kurbelwelle
- 10
- untere Kurbelwelle
- 12
- Hauptlager von 7, 10
- 13
- Kurbelwangen
- 14
- Pleuellager
- 16
- oberes Kurbelwellenlager
- 18
- unteres Kurbelwellenlager
- 20
- Zugmittel, Seil
- 23
- Drehkranz
- 24
- topfförmige Aufnahme
- 26
- elektrischer Generator
- 28
- Generatorwelle
- 30
- Getriebe
- 40
- Pleuel-Kupplung
- 42
- oberes Planetengetriebe
- 44
- unteres Planetengetriebe
- 46
- drehbare Plattform
- 48
- Drehkranz
- 50
- Drehmotor
- 52
- Sockel
- 54
- zentraler Hohlraum
- 56
- ringförmiger peripherer Hohlraum
- 58
- Trägerplattform
- 60
- Pleuelstange
- 62
- erstes Ende von 60
- 63
- zweites Ende von 60
- 64
- Linearführungseinrichtung
- 66
- Gleitlager
- 68
- Gleitschienen
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Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Ausführungen auf den Seiten 1 bis 26.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011/0018269 A1 [0002, 0003]
