DE102016104138A1

DE102016104138A1 - Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102016104138A1
Application number: DE102016104138.6A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-03-08
Filing date: 2016-03-08
Publication date: 2017-09-14
Also published as: DE202016106523U1

Abstract

Eine Windkraftanlage umfasst ein Windrad, ein Getriebe und einen Generator, wobei mindestens ein rotierendes Bauteil im Übertragungsweg zwischen Windrad und Generator einen Trägerkörper und mindestens ein Beschwerungsgewicht aufweist, dessen Dichte höher als die Dichte des Trägerkörpers ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Windkraftanlage mit einem Windrad und einem Generator, der über ein Getriebe mit dem Windrad verbunden ist.
Bekannt sind Windkraftanlagen auf See oder an Land mit einem in einer vertikalen Ebene angeordneten Windrad, das an einem Trägermast aufgehängt ist. Die Rotationsbewegung des Windrades wird über ein Getriebe auf einen Generator zur Stromerzeugung übertragen. Die kinetische Energie des Windrades wird dementsprechend über das Getriebe in eine Drehbewegung des Rotors des Generators übertragen, in dem die Umwandlung in elektrische Energie stattfindet.
Wechselnde Windgeschwindigkeiten führen zu unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten des Windrades. Größere Windräder sind hierbei in der Lage, aufgrund ihres größeren Trägheitsmomentes kurzfristig auftretende Windabschwächungen zu überbrücken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftanlage mit einem hohen Wirkungsgrad zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Die erfindungsgemäße Windkraftanlage umfasst ein Windrad, das drehbar gelagert ist, ein Getriebe, das von dem Windrad angetrieben wird, sowie einen elektrischen Generator, der ausgangsseitig an das Getriebe angekoppelt ist und die Rotationsbewegung in elektrische Energie umsetzt. Das Windrad der Windkraftanlage ist vorzugsweise an einem Trägermast befestigt und rotierbar gelagert.
Mindestens ein rotierendes Bauteil, das im Übertragungsweg zwischen dem Windrad und dem Generator angeordnet ist, weist einen Trägerkörper und mindestens ein am Trägerkörper befestigtes Beschwerungsgewicht auf, dessen Dichte höher ist als die Dichte des Trägerkörpers. Das in dieser Weise mit einem Trägerkörper und einem Beschwerungsgewicht ausgeführte Bauteil kann auch das Windrad selbst sein, das Teil des Übertragungswegs ist.
Diese Ausführung hat den Vorteil, dass mithilfe des Beschwerungsgewichtes das Trägheitsmoment des rotierenden Bauteils signifikant erhöht wird, ohne die Dimension des rotierenden Bauteils, insbesondere in Radialrichtung zu vergrößern. Aufgrund des erhöhten Trägheitsmomentes kann im Übertragungsweg zwischen Windrad und Generator mehr kinetische Energie gespeichert werden, wodurch insbesondere kurzfristige Windabschwächungen überbrückt werden können, ohne dass die Rotationsgeschwindigkeit des Windrades signifikant absinkt. Mithilfe des erhöhten Trägheitsmomentes wird auf diese Weise der Wirkungsgrad verbessert.
Konstruktiv lässt sich die Erhöhung des Trägheitsmomentes in einfacher Weise realisieren, indem das rotierende Bauteil lediglich mit einem Trägerkörper und mindestens einem Beschwerungsgewicht versehen wird, dessen Dichte höher ist als die Dichte des Trägerkörpers.
Es kommen verschiedene Ausführungen von Trägerkörper und Beschwerungsgewicht im Hinblick auf die Materialwahl und die konstruktive Auslegung in Betracht. Gemäß einer vorteilhaften Ausführung besteht der Trägerkörper aus einem Kunststoffmaterial, das sich durch eine ausreichend hohe Festigkeit auszeichnet und insbesondere in der Lage ist, über den geforderten Betriebszeitraum der Windkraftanlage das mindestens eine Beschwerungsgewicht sicher aufzunehmen. Der Trägerkörper ist beispielsweise scheiben- oder ringförmig ausgebildet und wird zum Beispiel mit einem Zahnrad des Getriebes drehfest verbunden. Der Trägerkörper kann einen größeren Durchmesser als das Zahnrad aufweisen.
Der Trägerkörper kann, in einer weiteren Ausführung, auch aus einem sonstigen Material bestehen, beispielsweise aus Glasfaser oder glasfaserverstärktem Kunststoff. Diese Ausführung eignet sich beispielsweise dazu, das Windrad zu bilden, wobei das mindestens eine Beschwerungsgewicht, das am Trägerkörper aufgenommen ist, das Trägheitsmoment des Windrades vergrößert.
Das mindestens eine Beschwerungsgewicht besitzt eine höhere Dichte als der Trägerkörper. Als Material für das Beschwerungsgewicht wird vorzugsweise Metall, zum Beispiel Eisen oder ein eisenhaltiges Metall verwendet.
Vorteilhafterweise befindet sich das mindestens eine Beschwerungsgewicht am oder benachbart zum radialen Außenrand am Trägerkörper, so dass durch den entsprechend großen radialen Abstand zur Drehachse eine signifikante Erhöhung des Trägheitsmomentes erreicht wird. Das Beschwerungsgewicht ist beispielsweise als ein Beschwerungsring ausgebildet, der mit dem Trägerkörper verbunden ist. Der Beschwerungsring befindet sich vorzugsweise an oder benachbart zum radial außen liegenden Außenrand des Trägerkörpers.
In einer alternativen Ausführung ist das Beschwerungsgewicht als ein Einzelgewicht ausgebildet, beispielsweise in Scheibenform oder Zylinderform oder mit einer mehreckigen Querschnittsform, wobei vorteilhafterweise mehrere Einzelgewichte vorgesehen sind, die gleichmäßig über den Umfang verteilt an dem Trägerkörper angeordnet sind. Auch in diesem Fall ist es zweckmäßig, dass die Einzelgewichte mit radialem Abstand zur Drehachse angeordnet sind und sich insbesondere am oder benachbart zum Außenrand des Trägerkörpers befinden.
Es kann vorteilhaft sein, verschiedene Ausführungen von Beschwerungsgewichten zu kombinieren, beispielsweise einen Beschwerungsring und einen oder mehrere Einzelgewichte in Scheiben- oder Zylinderform.
Die Einzelgewichte besitzen einen kleineren Außendurchmesser als der Trägerkörper. Der Außendurchmesser eines Einzelgewichtes ist vorteilhafterweise kleiner als der Radius des Trägerkörpers.
Im Falle eines Getrieberades als rotierendes Bauteil kann es zweckmäßig sein, dass das Zahnrad des Getrieberades das Beschwerungsgewicht bildet, das an dem Trägerkörper angeordnet und drehfest mit diesem verbunden ist. Gemäß einer weiteren Ausführung des Getrieberades ist es auch möglich, dass der Trägerkörper und mindestens ein Beschwerungsgewicht gemeinsam ein Schwungrad bilden, das drehfest mit dem Zahnrad des Getrieberades verbunden ist.
Im Falle eines Windrades als rotierendes Bauteil der Windkraftanlage befindet sich vorteilhafterweise das Beschwerungsgewicht an den radial außen liegenden Flügelspitzen des Windrades. Der Trägerkörper des rotierenden Bauteils ist beim Windrad von den Flügeln gebildet, so dass lediglich die Flügelspitzen von dem Beschwerungsgewicht gebildet werden oder an den Flügelspitzen, die vom Trägerkörper geformt sind, Beschwerungsgewichte angeordnet sind.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist das mindestens eine Beschwerungsgewicht teilweise, gegebenenfalls vollständig, in den Trägerkörper integriert. Es kann beispielsweise zweckmäßig sein, den Trägerkörper als Kunststoffbauteil in einem Gießprozess herzustellen und das mindestens eine Beschwerungsgewicht teilweise oder vollständig während des Gießvorgangs in das Kunststoffmaterial des Trägerkörpers einzubetten. Des Weiteren kommen auch Ausführungen in Betracht, bei denen das mindestens eine Beschwerungsgewicht an der Außenseite des Trägerkörpers befestigt ist, beispielsweise über eine mechanische Verbindung wie zum Beispiel Verschrauben, oder durch Kleben.
Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist in die Windkraftanlage mindestens eine Solarzelle integriert, deren Strom eine elektrische Maschine antreibt, welche mit dem Getriebe gekoppelt ist. Bei der elektrischen Maschine handelt es sich insbesondere um einen Elektromotor, der über das Getriebe den Generator antreibt. Auf diese Weise ist es möglich, über den Generator auch im Falle einer Flaute oder kurzzeitigen Windabschwächung Strom zu erzeugen oder die Stromerzeugung bei geringen Windgeschwindigkeiten zu unterstützen. Indem die elektrische Maschine mit dem Getriebe gekoppelt ist, besteht eine kinematische Verbindung zum Übertragungsweg zwischen dem Windrad und dem Generator, so dass auch die im Übertragungsweg angeordnete erhöhte Schwungmasse, gebildet von dem rotierenden Bauteil mit Trägerkörper und Beschwerungsgewicht, genutzt werden kann. Über die Solarzelle und die elektrische Maschine wird somit zusätzliche Bewegungsenergie in den Übertragungsweg eingespeist und gespeichert.
Vorteilhaft ist es außerdem, dass der Solarstrom, der üblicherweise eine kleinere Stromstärke und eine niedrigere Spannung aufweist als der von der Windkraftanlage erzeugte Strom, nicht auf die ausgangsseitig am Generator anliegende Stromstärke und Spannung transformiert zu werden braucht. Der Solarstrom wird zum Antreiben der elektrischen Maschine genutzt, wofür eine an den Solarstrom angepasste Leistungselektronik eingesetzt werden kann. Die elektrische Maschine ist mechanisch mit dem Getriebe gekoppelt und treibt dieses zusätzlich zur Windkraft an.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Windkraftanlage mit einem Windrad, einem Getriebe und einem Generator, wobei zwei Getrieberäder des Getriebes jeweils mit einem Kunststoff-Trägerkörper und mit zusätzlichen Beschwerungsgewichten versehen sind, wobei außerdem an den Flügelspitzen des Windrades Beschwerungsgewichte angeordnet sind,
2 eine Draufsicht auf ein Getrieberad mit einem Kunststoff-Trägerkörper und mehreren, über den Umfang verteilt angeordneten Beschwerungsgewichten,
3 eine Draufsicht auf ein weiteres Getrieberad mit einem Kunststoff-Trägerkörper und einem Beschwerungsring,
4 eine 1 entsprechende Darstellung einer Windkraftanlage in einer Ausführungsvariante, bei der zusätzlich eine Solarzelle einen Elektromotor antreibt, der mit dem Getriebe gekoppelt ist.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine Windkraftanlage 1 dargestellt, die ein Windrad 2 mit horizontal verlaufender Achse, ein Getriebe 3, welches vom Windrad 2 angetrieben ist, sowie einen ausgangsseitig am Getriebe 3 angeordneten Generator 4 zur Erzeugung elektrischen Stroms umfasst. Das Windrad 2 ist beispielsweise an einem Trägermast angeordnet, welcher außerdem Träger des Getriebes 3 und des Generators 4 sein kann.
Das Getriebe 3 weist zwei Getrieberäder 5 und 6 auf, deren Drehachsen 7 und 8 orthogonal zur Drehachse 9 des Windrades 2 liegen und parallel zueinander versetzt angeordnet sind. Die Drehachse 9 des Windrades 2 trägt an ihrer freien Stirnseite ein Zahnrad 10, dessen Stirnverzahnung mit der entsprechenden Stirnverzahnung des Zahnrades 11 des Getrieberads 5 in Eingriff steht.
Die Getrieberäder 5 und 6 sind über einen Übertragungsriemen 12 gekoppelt, der Übertragungsriemen 12 liegt auf der dem Zahnrad 10 axial gegenüberliegenden Seite des Getrieberades 5. Die Getrieberäder 5 und 6 können anstatt über einen Übertragungsriemen auch über Zahnräder gekoppelt sein. Die Drehachse 8 des zweiten Getrieberads 6 treibt den Generator 4 an.
Die Flügel 13 des Windrades 2 sind an ihren Flügelspitzen mit einem Beschwerungsgewicht 14 versehen, das eine höhere Dichte als die Flügel 13 aufweist. Hierdurch wird das Trägheitsmoment des Windrades 2 in erheblicher Weise gesteigert. Die Flügel 13, die einen Trägerkörper bilden, bestehen beispielsweise aus Kunststoff oder glasfaserverstärktem Kunststoff, die Beschwerungsgewichte 14 weisen eine höhere Dichte auf und bestehen insbesondere aus Metall, vorzugsweise einem eisenhaltigen Metall.
Auch jedes Getrieberad 5 und 6 ist jeweils mit einem Trägerkörper 15 sowie zusätzlich mit einem bzw. mehreren Beschwerungsgewichten 16, 17 versehen. Jeder Trägerkörper 15 ist scheibenförmig ausgebildet und besteht aus einem Kunststoffmaterial. Der Trägerkörper 15 des ersten Getrieberades 5 trägt an einer Seitenfläche das Zahnrad 11 und an seiner gegenüberliegenden Seitenfläche den Übertragungsriemen 12. Außerdem ist der Trägerkörper 15 des ersten Getrieberads 5 Träger mehrerer einzelner Beschwerungsgewichte 16, die gemäß der Draufsicht des ersten Getrieberads 5 in 2 über den Umfang verteilte, scheibenförmige Einzelgewichte sind, die signifikant kleiner als der Trägerkörper 15 ausgebildet sind und sich benachbart zum Außenumfang am Trägerkörper 15 befinden. Auch diese Beschwerungsgewichte 16 bestehen aus einem Material mit höherer Dichte als der Trägerkörper 15, beispielsweise aus einem eisenhaltigen Metall.
Die einzelnen Beschwerungsgewichte 16 können gegebenenfalls auch in das Material des Trägerkörpers 15 integriert sein und/oder auf der gegenüberliegenden Seitenfläche des Trägerkörpers 15 angeordnet sein.
Das zweite Getrieberad 6, das in Draufsicht in 3 dargestellt ist, trägt an seinem Trägerkörper 15 ein ringförmiges Beschwerungsgewicht 17, das den gleichen Außendurchmesser wie der Trägerkörper 15 aufweist, jedoch einen Innendurchmesser besitzt, der etwa 80 % des Außendurchmessers hat. Auch das ringförmige Beschwerungsgewicht 17 weist eine höhere Dichte auf als der Trägerkörper 15 des zweiten Getrieberades 6 und besteht insbesondere aus einem eisenhaltigen Metall.
In 4 ist eine Windkraftanlage 1 in einer Ausführungsvariante dargestellt. Die Windkraftanlage 1 weist prinzipiell den gleichen Aufbau wie diejenige aus 1 auf, allerdings ist gemäß 4 eine zusätzliche Solarzelle 18 in die Windkraftanlage 1 integriert. Die Solarzelle 18 erzeugt Strom und treibt mit diesem eine elektrische Maschine 19 – einen Elektromotor – an, dessen Rotorwelle 20 über ein Stirnrad mit einem Zahnrad 21 in Eingriff steht, das drehfest mit dem zweiten Getrieberad 6 verbunden ist. Über diese kinematische Kopplung zwischen der elektrischen Maschine 19 und dem zweiten Getrieberad 6 ist es möglich, einen solargetriebenen Antrieb zu realisieren, der unterstützend in die Windkraftanlage 1 integriert ist und über das Getrieberad 6 ebenso wie das Windrad 2 den Generator 4 antreibt. Die Unterstützung kann insbesondere zum Überbrücken einer kurzfristigen Windflaute eingesetzt werden.

Claims

Windkraftanlage, mit einem Windrad (2) und einem Generator (4), der über ein Getriebe (3) mit dem Windrad (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein rotierendes Bauteil im Übertragungsweg zwischen Windrad (2) und Generator (4) einen Trägerkörper (15) und mindestens ein am Trägerkörper (15) befestigtes Beschwerungsgewicht (16, 17) aufweist, dessen Dichte höher als die Dichte des Trägerkörpers (15) ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (15) aus einem Kunststoffmaterial besteht.
Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschwerungsgewicht (16, 17) aus einem Metall besteht.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschwerungsgewicht (16, 17) am oder benachbart zum Außenrand am Trägerkörper (15) angeordnet ist.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschwerungsgewicht (16, 17) als Beschwerungsring ausgebildet ist.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschwerungsgewichte (16) mehrere, über den Umfang des Trägerkörpers (15) verteilt angeordnete Einzelgewichte (16) umfassen.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das rotierende Bauteil mit Trägerkörper (15) und mindestens einem Beschwerungsgewicht (16) ein Schwungrad bildet, das drehfest mit einem Getrieberad (5, 6) verbunden ist.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das am Trägerkörper (15) befestigte Beschwerungsgewicht von einem Zahnrad (10, 11) des Getriebes (3) gebildet ist.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das rotierende Bauteil mit Trägerkörper und mindestens einem Beschwerungsgewicht (14) das Windrad (2) bildet.
Windkraftanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass an den Flügelspitzen des Windrades (2) Beschwerungsgewichte (14) angeordnet sind.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in die Windkraftanlage (1) mindestens eine Solarzelle (18) integriert ist, deren Strom eine elektrische Maschine (19) antreibt, welche mit dem Getriebe (3) gekoppelt ist.