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Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Windkraft- oder Windenergieanlagen haben in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Der Einsatz von Offshore-Windkraftanlagen an den Küsten hat sich weitgehend durchgesetzt und findet auch bei der Bevölkerung überwiegend Akzeptanz. In küstenfernen Bereichen stößt die Installation von Windkraftanlagen – trotz der zweifelsohne vorhandenen ökonomischen und ökologischen Vorteile – noch auf erhebliche Vorbehalte, so dass Windkraftanlagen mit einer Leistung, wie sie Offshore-Windparks bereitstellen, in küstenfernen Bereichen, beispielsweise im Alpengebiet politisch nicht durchsetzbar sind.
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Weniger Widerstand wird bei der Installation von relativ kleinen Windkraftanlagen mit vergleichsweise geringer Leistung entgegen gesetzt, so dass eine zweigleisige Entwicklung – einmal große Windkraftanlagen im Offshorebereich und kleinere Windkraftanlagen im küstenfernen Bereichen – zu verzeichnen ist.
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Herkömmliche Windkraftanlagen haben einen Turm, der eine Art Gondel mit einem Generator trägt, der über einen Rotor mit den Rotorblättern angetrieben wird. Die Gondel ist über eine Windrichtungsnachführung drehbar am Turm gelagert, so dass der Rotor mit Bezug zum Wind ausgerichtet wird. Dieser Aufbau ist bei Offshore-Windkraftanlagen üblich. Bei kleineren Windkraftanlagen wird der Rotor nach Art einer Windfahne an einen Mast/Turm gehalten – derartige Windkraftanlagen werden beispielsweise bei landwirtschaftlichen Anwesen zur individuellen Stromversorgung verwendet.
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Bekannt sind auch Leeläufer, bei denen der Rotor in Lee des Turms verläuft – die Ausrichtung des Rotors zum Wind lässt sich dadurch erheblich vereinfachen, so dass der bei herkömmlichen Anlagen erforderliche Windnachführungsmechanismus entfallen kann.
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Es gibt auch Lösungen mit einer vertikalen Rotationsachse (Darrieus-Rotoren), die ebenfalls bei kleineren Windkraftanlagen Verwendung finden.
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Der Nachteil der Offshore-Windkraftanlagen ist – wie oben ausgeführt – die durch die großen Rotoren erforderliche Turmlänge und die mit diesem großen Bauvolumen einhergehenden hohen Investitionskosten, die eine derartige Bauform für geringe Leistungen unattraktiv macht.
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Der Nachteil kleinerer Windkraftanlagen liegt in erster Linie in dem vergleichsweise geringen Wirkungsgrad, mit dem die Windenergie in elektrische Energie umgesetzt wird.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfach aufgebaute Windkraftanlage mit verbessertem Wirkungsgrad zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Windkraftanlage mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß hat die Windkraftanlage einen Turm/Mast, an dem ein Rotor mit Rotorblättern gehalten ist und der beispielsweise über ein Fundament am Boden verankert ist. Der Turm ist dabei drehbar – vorzugsweise im Fundament – gelagert.
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Bei der erfindungsgemäßen Windkraftanlage ist somit der Rotor nicht drehbar am Turm gehalten sondern die gesamte Einheit bestehend aus Turm und Rotor ist so gelagert, dass sie sich – vorzugsweise selbsttätig – mit Bezug zum Wind ausrichtet.
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Diese Selbstausrichtung kann unterstützt werden, indem der Turm mit einem aerodynamisch optimierten Profil ausgeführt ist, das so ausgelegt ist, dass die Ausrichtung zum Wind unterstützt wird und des Weiteren eine hinreichende statische Festigkeit gewährleistet ist.
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Als besonders geeignet hat sich ein in etwa tropfenförmiges Profil herausgestellt.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Turm geneigt, d.h. nicht rechtwinklig zum Boden angeordnet.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht vor, das Material der Rotorblätter oder deren Struktur so auszubilden, dass sich ihr Profil mit ansteigender Windstärke abflacht. D.h. eine eigene Pitchverstellung ist nicht erforderlich.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Endabschnitte der Rotorblätter abgewinkelt.
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Es wird bevorzugt, die Windkraftanlage als Leeläufer auszubilden.
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Die Anströmung des Rotors ist besonders gut, wenn am Turm eine Einrichtung vorgesehen ist, über die die Windströmung derart umgelenkt ist, dass sie – in Rotationsrichtung des Rotors gesehen – vorlicher auf das sich im Turmbereich befindliche Rotorblatt trifft.
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Diese Einrichtung kann verstellbar ausgeführt sein, so dass die Umlenkung windabhängig verändert wird.
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Die Lagerung des Turms erfolgt vorzugsweise über zwei beabstandete Lager, die Axial- und Radialkräfte aufnehmen können und im Fundament oder dergleichen gehalten sind.
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Unter dem Begriff „Fundament“ ist nicht zwangsläufig eine Halterung am Boden verbunden; prinzipiell lässt sich das System auch an Bauten, beispielsweise auf dem Dach oder einer mobilen Plattform oder dergleichen anordnen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Turm über eine Gondel oder Rotorlagerung hinaus verlängert. Diese Verlängerung entspricht in etwa dem halben Rotordurchmesser, so dass während der Rotation die Enden der Rotorblätter im Bereich des Endabschnittes der Verlängerung liegen. Mit anderen Worten gesagt, der Turm überlappt den gesamten Rotor.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Verlängerung gegenläufig zum Turm profiliert, so dass der wahre Wind jeweils zum sich nähernden Rotorflügel hin abgelenkt wird.
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Zum Abbremsen des Rotors bei Starkwind kann ein Kompressor vorgesehen werden, der vom Rotor angetrieben ist und über den bei bestimmten Betriebsbedingungen, beispielsweise bei Starkwind ein Druckluftspeicher aufgeladen wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung sind im Tipbereich der Rotorblätter Düsen vorgesehen, durch die hindurch beim Anfahren der Windkraftanlage Druckluft derart ausströmt, dass die Rotation des Rotors unterstützt wird. Diese Düsen werden vorzugsweise von dem oben genannten Druckluftspeicher gespeist.
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Der Rotor kann mit zwei, drei oder mehr Rotorblättern ausgeführt sein. Die Rotorblätter können in geeigneter Weise mit Trimmklappen ausgeführt sein, über die das Rotorblattprofil in Abhängigkeit von der Windstärke veränderbar ist.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1, 2 und 3 Ansichten eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage;
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4 eine Variante eines Rotorblattes der Windkraftanlage gemäß den 1 bis 3;
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5 eine Prinzipskizze zur Verdeutlichung der Anströmung eines Rotorblattes und
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6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage.
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1 zeigt eine Seitenansicht einer als Leeläufer ausgeführten Windkraftanlage 1. Diese hat einen Turm 2 (auch Mast genannt), der um einen Winkel α zur Vertikalen 4 nach Lee geneigt ist. Dieser Winkel kann beispielsweise zwischen 5° und 30° betragen. Der Turm 2 ist über eine Lageranordnung 6 in einem strichpunktiert angedeuteten Fundament 8 gelagert, das im Boden 10 aufgenommen ist. Wie vorstehend erwähnt, wird unter dem Begriff „Fundament“ nicht notwendiger Weise eine bauliche Einrichtung, beispielsweise ein Betonfundament, verstanden sondern mit diesem Begriff sind jedwede Lager-/Stützeinrichtungen umfasst, die geeignet sind, den Turm 2 in der im Folgenden beschriebenen Weise zu lagern.
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Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel hat die Lageranordnung 6 zwei Lager 12, 14, die als Gleit- oder Wälzlager ausgeführt sein können und die Axial- und Radialkräfte aufnehmen können, so dass der Turm 2 mit vergleichsweise geringer Kraft gedreht werden kann. Eine Drehachse 16 der Lageranordnung 6 und damit des Turms 2 ist in 1 eingezeichnet. Der Turm 2 ist mit einem aerodynamisch optimierten Profil 18 ausgeführt. Darstellt ist beispielsweise eine etwa tropfenförmige Form, die die Selbstausrichtung des Turms 2 zur Windströmung 20 unterstützt und dieser möglichst wenig Luftwiderstand entgegen setzt. Als Profil des Turms 2 oder der im Folgenden beschriebenen Rotorblätter kann beispielsweise ein NACA-Profil oder ein LS-Profil verwendet werden. Derartige geeignete Profile sind in der Literatur zu Windkraftanlagen bekannt, so dass weitere Ausführungen entbehrlich sind.
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Der Turm 2 trägt an seinem oberen Endabschnitt eine Gondel 22, die mit dem Mast 2 mitdreht. Im Unterschied zu herkömmlichen Lösungen ist diese Gondel 22 nicht mit Bezug zum Mast 2 drehbar. In dieser Gondel 22 sind beispielsweise ein Generator und/oder die Lagerung eines Rotors 24 aufgenommen. Dieser ist beispielsweise zweiflügelig mit zwei Rotorblättern 26, 28 ausgeführt, die in an sich bekannter Weise (siehe oben) profiliert sind.
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Die Rotorblätter sind zur Kompensation der unterschiedlichen Anströmgeschwindigkeiten von der Rotorblattwurzel zur Rotorblattspitze (Tip) verwunden. Diese Rotorblattverwindung wird dabei nur im Hinblick auf ein bestimmtes Verhältnis von Umfangsgeschwindigkeit zur Windgeschwindigkeit, d.h. für einen gemäß Auslegung vorbestimmten Rotorbetriebspunkt bestimmt.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es vorgesehen, die Struktur der Rotorblätter 26, 28 und/oder deren Material so auszuführen, dass sich der Anstellwinkel der Rotorblätter mit zunehmendem Wind verringert – d.h. eine eigene Pitchverstellung ist aufgrund der Selbstausrichtung der Rotorblätter 26, 28 dann nicht erforderlich.
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Wie des Weiteren aus 1 hervorgeht, ist am leewärtigen Bereich des Turms 2 ein Umlenkflügel 30 angeordnet, dessen Längserstreckung in etwa der Länge des Rotorblattes 26 entspricht. Auf diese Funktion des Umlenkflügels 30 wird später eingegangen.
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2 zeigt die Windkraftanlage 1 in einer Ansicht von Luv. Man erkennt in dieser Darstellung das Anströmprofil 32 des Turms 2 und den leewärtig angesetzten Umlenkflügel 30. Ebenfalls sichtbar ist der Anströmbereich der ebenfalls aerodynamisch optimierten Gondel 22 und die beiden an dieser gelagerten Rotorblätter 26, 28 des Rotors 24.
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3 zeigt eine Seitenansicht der Windkraftanlage 1 von der Rückseite von 1 her.
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In der Darstellung gemäß 2 ist die Rotationsrichtung R des Rotors 24 dargestellt. Es sei demnach angenommen, dass sich das Rotorblatt 26 von links oben hin zum Turm 2 absenkt. Das Profil des Umlenkflügels 30 ist dabei so gewählt, dass die den Turm 2 umströmende Windströmung etwas in Richtung zu dem sich absenkenden Rotorblatt 26 umgelenkt wird, so dass dieses im Bereich des Turms – in Rotationsrichtung gesehen – vorlicher angeströmt wird. Mit anderen Worten gesagt, die übliche Halbwindströmung (wahrer Wind) wird in eine Amwindströmung umgelenkt. Dies ergibt sich recht anschaulich aus der Skizze gemäß 5, die eine schematische Draufsicht auf den Turm 2 und den daran angeordneten Umlenkflügel 30 zeigt. Unten angedeutet ist das sich absenkende Rotorblatt 26 mit seinem aerodynamischen optimierten Profil, beispielsweise ein NACA-Profil. Gestrichelt dargestellt ist die Windströmung im Bereich des Turms 2, die so umgelenkt wird, dass sie vorlicher (mit Bezug auf die Richtung des wahren Windes „raumer“) auf den Anströmbereich 34 des Rotorblattes 26 auftrifft.
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Die effektive Anströmung der Rotorblätter 26, 28 ergibt sich somit aus der Summe des Vektors des wahren Windes (vom Umlenkflügel 30 abgelenkt) und des Vektors des sich aus der Rotation des Rotors 24 ergebenden Anströmung (abhängig von der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors 24). Diese Summe entspricht demgemäß dem scheinbaren Wind, der in Bezug auf den wahren Wind etwas raumer einfällt. Durch die vorbeschriebene Umlenkung des wahren Windes mittels des Umlenkflügels 30 ist der scheinbare Wind (Summe aus wahrem Wind und der aus der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors 24 resultierenden Anströmung) raumer als bei einem ohne Umlenkflügel ausgeführten Turm 2. Diese Ablenkung resultiert somit in einer effektiveren Anströmung des Rotors 24.
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Wie erwähnt, kann der Umlenkflügel 30 verstellbar am Turm 2 gehalten werden, so dass die Umlenkung Windstärken abhängig variabel ist. Bei höheren Windstärken kann man so beispielsweise den Umlenkflügel 30 flach stellen, so dass die Anströmung des Turms 2 optimiert ist und dieser möglichst wenig Luftwiderstand bietet.
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4 zeigt eine Variante eines Rotorblattes 26, 28. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind Endabschnitte 36 gegenüber der Längsachse 38 der Rotorblätter 26 abgewinkelt, wobei diese Abwinklung entgegen der Drehrichtung erfolgt. Durch dieses Abwinkeln kann unter anderem auch der Turmschlag verringert werden, der bei Leeläufern kritisch ist. Dieser Turmschlag tritt auf, wenn das Rotorblatt in den Windschatten des Turms gelangt. Auch die Veränderung der Anströmung des Rotorblattes über den Umlenkflügel 30 trägt zur Verringerung des Turmschlags bei.
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Sowohl der Rotor 24 als auch der Turm 2 mit dem Umlenkflügel 30 werden vorzugsweise aus Kunststoff in Faserverbundbauweise hergestellt.
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6 zeigt eine Variante der anhand der 1 bis 5 erläuterten Ausführungsbeispiele. Ähnlich wie beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Windkraftanlage 1 gemäß 6 als Leeläufer ausgeführt. Der nah Lee geneigte Turm 2 ist wiederum um eine Drehachse 16 drehbar in einem angedeuteten Fundament 8 gelagert. An diesem Turm 2 ist wiederum eine Gondel 22 (Rotorlagerung) gehalten, in der die Lagerung des Rotors 24 und ggf. auch der vom Rotor 24 angetriebene Generator (nicht dargestellt) aufgenommen ist. Im Unterschied zum vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Turm über die Gondel 22 hinaus. Dieser Teil des Turms 2 wird im Folgenden als Verlängerung 38 bezeichnet. Die Länge L der Verlängerung 38 entspricht dabei etwa der Länge eines Rotorblattes 26. Der Rotor 24 kann – wie auch das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel – mit zwei oder drei Rotorblättern 26, 28 ausgeführt sein. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 6 sind an den Spitzen (Tips) der Rotorblätter 26, 28 jeweils in an sich bekannter Weise Endscheiben 40, 42 ausgeführt, durch die die von den Rotorblättern abgehenden Randwirbel und somit der induzierte Widerstand verringert werden kann. Entsprechende aerodynamische Anordnungen sind auch bei Flugzeugtragflügeln vorgesehen (Winglets). Derartige Endscheiben sind jedoch lediglich eine Option.
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Optional können die Rotorblätter (Zwei- oder Dreiflügeler) auch entsprechend der Darstellung gemäß 6 angewinkelt sein. Die Winkelscheitel sind mit den Bezugszeichen 44, 46 versehen.
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Der Turm 2 und auch die Verlängerung 38 können wiederum mit Umlenkflügeln 30 (nicht gezeigt in 6) ausgeführt sein, über die der wahre Wind abgelenkt wird. Sowohl der Turm 2 als auch die Verlängerung 38 sind in geeigneter Weise profiliert, so dass sich in Kombination mit den in 6 nicht dargestellten Umlenkflügeln 30 im Turmbereich ein Profil ergibt, durch das der wahre Wind in Richtung auf das sich nähernde Rotorblatt (hier das Rotorblatt 28) gerichtet wird. In entsprechender Weise ist dann die Verlängerung 38 gegenläufig profiliert (siehe gestrichelt angezeichnete Profile in 6), so dass der wahre Wind vorlicher auf das sich diesem Bereich nähernde Rotorblatt 26 gerichtet ist. D.h. die Ablenkung des wahren Windes im Turmbereich (unterhalb der Gondel 22) und im Bereich der Verlängerung 38 (oberhalb der Gondel 22) erfolgt entgegengesetzt – jeweils in Richtung des sich annähernden Rotorblattes 26 bzw. 28.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß 6 verjüngt sich die Anordnung bestehend aus dem Turm 2 und der Verlängerung 38 nach oben hin. Die Profilierung des Turms 2 bzw. der Verlängerung 38 kann wiederum an die Verwindung der Rotorblätter 26, 28 angepasst werden, so dass die vorbeschriebene Umlenkung entlang der Rotorblattlänge unterschiedlich ausfällt.
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Die erfindungsgemäße Umlenkung des wahren Windes hat den Effekt, dass die Rotorblätter bei Annäherung an den Turm aufgrund der verbesserten Anströmung beschleunigt werden, so dass der Wirkungsgrad der Windkraftanlage verbessert ist.
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Die Verlängerung 38 und der Turm 2 können dabei – wie bereits erwähnt – jeweils mit unabhängig von einander ansteuerbaren Umlenkflügeln ausgeführt sein, so dass auf Veränderungen der Windgeschwindigkeit durch entsprechende individuelle Verstellung der Umlenkflügel reagiert werden kann.
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Gemäß den obigen Ausführungen bilden der Turm 2 und die Verlängerung 38 sozusagen einen „Doppelwingmast“, mit entlang der Turmlnge unterschiedlichem Profil. Durch die aus diesen gegenläufigen Profilen resultierende unterschiedliche Umströmung des Turms 2 unterhalb und oberhalb der Gondel 22 (Rotorlagerung) ist eine stabile Ausrichtung der gesamten Windkraftanlage mit Bezug zum wahren Wind gewährleistet. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung gegenüber herkömmlichen Lösungen besteht darin, dass sich die erfindungsgemäße Windkraftanlage 1 selbsttätig und sehr schnell mit Bezug zum Wind ausrichten kann, so dass Änderungen der Windrichtung, wie sie insbesondere im Binnenland häufig vorkommen, in kürzester Zeit ohne nennenswerte Beeinträchtigung des Wirkungsgrades kompensiert werden können. Bei herkömmlichen Windkraftanlagen erfordert das Nachstellen der Gondel aufgrund von Änderungen der Windrichtung einen erheblichen Zeitaufwand, so dass die Windkraftanlage bis zur Beendigung der Nachstellung nicht optimal angeströmt wird.
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In der Darstellung gemäß 6 ist noch eine weitere Option dargestellt. Demgemäß können die Rotorblätter 26, 28 jeweils mit einer Trimmklappe 48, 50 ausgeführt sein, über die das Rotorflügelprofil in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit einstellbar ist. Diese Trimmklappe kann anströmseitig oder abströmseitig vorgesehen werden.
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Gemäß einer weiteren Option kann die Windkraftanlage 1 mit einem Luft-Kompressor ausgeführt sein. Dieser Kompressor (nicht dargestellt) sitzt vorzugsweise auf der gleichen Welle wie der Generator, über den die mechanische Energie der Windkraftanlage in elektrische Energie umgesetzt wird. Dieser Kompressor ist über Druckleitungen und entsprechende Druckluftventile mit einem Druckluftspeicher verbunden. Für den Fall, dass sehr starker Wind weht, kann der Kompressor so angesteuert werden, dass der Druckluftspeicher mit Druckluft gefüllt wird und dabei den Rotor 24 bremst. Bei Schwachwind läuft der Kompressor praktisch verlustfrei mit, da dann kein Aufladen des Druckluftspeichers erfolgt. Die Ansteuerung des Kompressors erfolgt über eine geeignete Steuereinheit und die vorgenannten Druckluftventile.
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Die im Druckluftspeicher aufgenommene Druckluft kann bei einer weiteren Option verwendet werden, um das Anlaufen des Rotors 24 zu beschleunigen. Hierfür können – wie in 6 angedeutet – im Tipbereich Düsen 52 angeordnet werden, durch die Druckluft ausströmt. Die Ausströmrichtung ist dabei so gewählt, dass die Rotorblätter 26, 28 einen Impuls erfahren, der in der Drehrichtung des Rotors wirkt und somit das Anlaufen bei Schwachwind unterstützt.
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Wie vorstehend erläutert, kann das Fundament 8 im Boden aufgenommen sein. Prinzipiell ist es jedoch auch vorstellbar, eine derartige Windkraftanlage 1 mobil auf einer Art Fahrgestell oder dergleichen zu montieren.
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Die mit vergleichsweise komplexen Profilen ausgeführten Rotorblätter 26, 28 können aus Verbundwerkstoffen hergestellt sein. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, bei einer Low-Budget-Version die Rotorblätter sehr einfach auszubilden, indem – ähnlich wie bei historischen Windmühlen – mit Tuch oder hochfestem Gewebe bespannte Rotorflügel verwendet werden.
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Offenbart ist eine Windkraftanlage, bei der ein Rotor an einem drehbar gelagerten Turm gehalten ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Windkraftanlage
- 2
- Turm
- 4
- Vertikale
- 6
- Lageranordnung
- 8
- Fundament
- 10
- Boden
- 12
- Lager
- 14
- Lager
- 16
- Drehachse
- 18
- Profil
- 20
- Windströmung
- 22
- Gondel
- 24
- Rotor
- 26
- Rotorblatt
- 28
- Rotorblatt
- 30
- Umlenkflügel
- 32
- Anströmprofil
- 34
- Anströmbereich
- 36
- Endabschnitte der Rotorblätter
- 38
- Verlängerung
- 40
- Endscheibe
- 42
- Endscheibe
- 44
- Winkelscheitel
- 46
- Winkelscheitel
- 48
- Trimmklappe
- 50
- Trimmklappe
- 52
- Düse
