DE102016206708A1

DE102016206708A1 - Windkraftanlage zur Bereitstellung elektrischer Leistung im Megawattbereich

Info

Publication number: DE102016206708A1
Application number: DE102016206708.7A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-04-20
Filing date: 2016-04-20
Publication date: 2017-10-26

Abstract

Es wird eine Windkraftanlage mit einem Versorgungsaufzug (14) bereitgestellt, der außen am Turm (2) geführt ist. Durch die drehfeste obere Plattform (10) außen am Turm (2) unmittelbar unter der drehbaren Gondel (8) kann der Versorgungsaufzug (14) außen am Turm ortsfest zur oberen Plattform (10) geführt werden. Aus der ringförmigen oberen Plattform (10) kann dann die drehbare Gondel (8) über Leitern, Treppen oder Hebebühnen erreicht werden. Die Leitern und Treppen sind vorzugsweise von der Gondelunterseite in Richtung obere Plattform ausklappbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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 der Gondel 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 sowohl die DE 10 2008 024 829 B4 als auch die DE-OS 28 17 483 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 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 sich mit Zugmitteltrieben hohe Leistungen nicht ohne weiteres übertragen lassen.
Aus der WO 2015/121478 A1 ist eine Windkraftanlage für hohe Leistungen im Megawattbereich bekannt, bei der die Drehbewegung des Rotors am oberen Ende des Turms über Treibriemen zu dem Generator am unteren Ende des Turms übertragen wird. Der Treibriemen ist dabei im Turminneren angeordnet, wodurch der Treibriemen vor Umwelteinflüssen geschützt ist. Gondel mit Rotor, Zugmitteltrieb und Generator sind gegenüber dem Turm drehbeweglich montiert. Folglich ist es schwierig zusätzlich zu dem drehbeweglich im Turminneren montierten Zugmitteltrieb Steigleitern und einen Versorgungsaufzug anzuordnen.
Ausgehend von der WO 2015/121478 A1 ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Windkraftanlage mit einem Versorgungsaufzug bereitzustellen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Durch die drehfeste obere Plattform außen am Turm unmittelbar unter der drehbaren Gondel kann der Versorgungsaufzug außen am Turm ortsfest zur oberen Plattform geführt werden. Aus der ringförmigen oberen Plattform kann dann die drehbare Gondel über Leitern, Treppen oder Hebebühnen erreicht werden. Die Leitern und Treppen sind vorzugsweise von der Gondelunterseite in Richtung obere Plattform ausklappbar.
Der Zugmitteltrieb umfasst mindestens einen Treibriemen. Um die auf einen einzelnen Treibriemen wirkenden Kräfte zu reduzieren, ist es vorteilhaft mehrere Treibriemen parallel zueinander angeordnet die Wellenräder umgreifen zu lassen – Anspruch 2.
Besonders geeignet für den Zugmitteltrieb sind Treibreimen aus hochzugfestem faserverstärktem Kunststoff. Hierdurch wir bei erhöhter Zugfestigkeit das Eigengewicht des Zugmitteltriebs reduziert (im Vergleich zu Treibriemen mit Stahl als Zugstrang). Geeignete Kunststoffe sind insbesondere Polyamid, mit Carbonfasern verstärkte Kunststoffe und Aramide (z. B, Kevlar). – Anspruch 3 und 4.
Um Schlupf zwischen den Wellenrädern und den Treibriemen zu vermeiden sind die Treibriemen mit Noppen und komplementären Ausnehmungen in den Wellenrädern oder Wellenräder mit Noppen oder Zähnen, die in komplementäre Ausnehmungen im Treibriemen eingreifen, geeignet – Anspruch 5.
Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 6 wird das Zugmittel mit verschiedenen Maßnahmen gespannt, so dass die Kraftübertragung ohne Schlupf erfolgt.
Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 7 erfolgt dies durch gezieltes Verändern des Abstandes zwischen den beiden Wellenrädern, z. B. durch eine Höhenverstelleinrichtung auf der Generatorplattform, die den Abstand der beiden Wellenräder verändert.
Durch die drehbaren Führungseinrichtungen gemäß Anspruch 8 wird das Zugmittel sicher entlang des Turmes geführt. Diese Führungseinrichtungen, vorzugsweise in Form von Führungsrollen, wirken gleichzeitig auch als Spannvorrichtung.
Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 9 werden durch eine Schwingungsdämpfungseinrichtung Schwingung der Zugmitteltriebe verringert. Diese Schwingungsdämpfungseinrichtung lässt sich in vorteilhafter Weise in die Führungseinrichtung integrieren.
Die mit Zugmitteltrieben übertragbare Leistung ist proportional zur Umlaufgeschwindigkeit des Zugmitteltriebes und proportional zur der auf das Zugmittel einwirkenden Kraft. Bei geringer Umlaufgeschwindigkeit müssen die Zugmittel für extrem hohe Kräfte ausgelegt werden, die im Störungsfall zu einer Zerstörung des Zugmittels führen können. Wird die Umlaufgeschwindigkeit zu hoch, besteht die Gefahr, dass die Schwingungen des Zugmittels nicht mehr in den Griff zu bekommen sind. Dadurch, dass zwischen Rotor und oberem Wellenrad ein Übersetzungsgetriebe vorgesehen ist, lässt sich die Umlaufgeschwindigkeit so einstellen und optimieren, dass hohe Leistungen im Megawattbereich durch den Zugmitteltrieb übertragen werden und sich Umlaufgeschwindigkeit des Zugmittels und die auf das Zugmittel wirkenden Kräfte sich in technisch beherrschbaren Wertebereichen befinden. Nur wenn das Übersetzungsgetriebe oben zwischen Rotor und oberem Wellenrad angeordnet ist, kann bei gewünschter Leistungsübertragung ein optimaler Kompromiss zwischen Umlaufgeschwindigkeit des Zugmittels und auf das Zugmittel einwirkenden Zugkräften eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch zwischen unterm Wellenrad und Generator ein Übersetzungsgetriebe vorgesehen sein. Dadurch, dass die Drehachse der Antriebswelle gleich oder parallel zur Drehachse der Abtriebswelle des Übersetzungsgetriebes ist, lassen sich hohe Leistungen im Megawattbereich übertragen. Bei Kardangetrieben, wie sie aus der US 2011/0018269 A1 ist dies nicht möglich. Besonders geeignet sind Stirnrad- oder Planetengetriebe – Ansprüche 10 und 11.
Durch Variation der Durchmesser der Wellenräder gemäß Anspruch 16 kann die übertragen Leistung ebenfalls beeinflusst werden. Größere Wellenräder ermöglichen aufgrund der erhöhten Umlaufgeschwindigkeit der Treibriemen eine größere Leistungsübertragung. Zugleich verringert sich bei großen Durchmessern der Wellenräder die Biegebelastung der Treibriemen.
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 12 wird der nötige Raum für die Generatoren bei gleicher Leistung verringert.
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 13 ist die drehbare Generatorplattform gegen Umwelteinflüsse geschützt und gleichzeitig ist auch die stabile Lagerung und Verankerung des Turms gewährleistet.
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 14 werden Korrosionsprobleme insbesondere bei Einsatz der Windkraftanlagen im Off-Shore-Bereich vermieden.
Die übrigen Unteransprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen.
Es zeigt:
1 eine perspektivische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung mit Turmsockel, Turm, Rotor und einem Versorgungsaufzug außen am Turm;
2 eine Detaildarstellung des Rotors mit Gondel und oberer Plattform;
3 eine Detaildarstellung des Generators mit unterem Wellenrad auf der drehbaren Generatorplattform;
4 eine schematische Darstellung ohne Turm mit Zugmitteltrieb im Turminneren und Führungs- und Dämpfungseinrichtung; und
5 eine Detaildarstellung der Führungs- und Dämpfungseinrichtung im Turminneren.
1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Windkraftanlage im On-Shore-Bereich. Die Windkraftanlage umfasst einen Turm 2, der ein oberes und ein unteres Ende 3, 4 aufweist. Am oberen Ende 3 des vertikal angeordneten Turms 2 ist ein Rotor 6 und eine damit verbundene Gondel oder Maschinenhaus 8 angeordnet. Der Rotor 6 weist eine horizontale Drehachse auf. Gondel 8 und Rotor 6 sind um eine vertikale Achse drehbar an dem Turm 2 montiert. Unmittelbar unter der Gondel 8 ist eine obere ringförmige Plattform 10 außen am Turm 2 montiert. Das untere Ende 4 des Turms 2 ist in einem hutförmigen Turmsockel 12 montiert. Der Turmsockel 12 ist im Boden verankert. Zwischen der Oberseite des Turmsockels 12 und der oberen Plattform 10 verläuft außen am Turm 2 eine Versorgungsaufzug 14 mit einer Aufzugskabine 15.
Die 2 bis 5 zeigen Details der Komponenten in der Gondel 8, im Inneren des Turms 2 und im Turmsockel 12. 3 zeigt das obere Ende 3 des Turms 2 und zeigt auch die Komponenten im Inneren der Gondel 8. Der Rotor 5 ist über eine Rotorwelle 16 stirnseitig mit der Gondel 8 verbunden. Die Rotorwelle 16 ist in der Gondel 14 in einem ersten Rotorwellenlager 18 und einem zweiten Rotorwellenlager 19 um eine horizontale Drehachse drehbar gelagert. Die Rotorwelle 16 umfasst einen ersten Abschnitt 16-1 und einen zweiten Abschnitt 16-2. Der erste Abschnitt 16-1 verbindet den Rotor 6 mit einem oberen Übersetzungsgetriebe 20 und stellt die Antriebswelle des Übersetzungsgetriebes dar. Der zweite Abschnitt 16-2 stellt die Abtriebswelle des oberen Übersetzungsgetriebes 20 dar und verbindet das obere Übersetzungsgetriebe 20 mit einem oberen Wellenrad 22. Die Drehachse des ersten Abschnitts 16-1 ist gleich der Drehachse des zweiten Abschnitts 16-2.
Das in 3 gezeigte untere Ende 4 des Turms 2 umfasst den Turmsockel 12 mit einem Hohlraum 24, der über einer Basisplatte 26 angeordnet ist. Der Hohlraum 24 wird durch einen zylindrischen Aufsatz 28 auf der Basisplatte 26 gebildet. Der zylindrische Aufsatz 28 weist eine zentrale Öffnung 30 auf in der der Turm 2 mittels eines ringförmigen Montagekranzes 32 montiert ist. Der Durchmesser der Basisplatte 26 ist größer als der Durchmesser des zylindrischen Aufsatzes 28, wodurch die Stabilität des Turmes 2 verbessert wird.
Auf einer um eine vertikale Achse drehbaren Generatorplattform 34 ist ein unteres Wellenrad 36 über eine Generatorwelle 38 und ein unteres Übersetzungsgetriebe 40 mit einem elektrischen Generator 42 verbunden. Die Generatorwelle 38 umfasst einen ersten Abschnitt 38-1 und einen zweiten Abschnitt 38-2. Der erste Abschnitt 38-1 verbindet das untere Wellenrad 36 mit dem unteren Übersetzungsgetriebe 40 und stellt die Antriebswelle des unteren Übersetzungsgetriebes 40 dar. Der zweite Abschnitt 16-2 stellt die Abtriebswelle des unteren Übersetzungsgetriebes 40 dar und verbindet das untere Übersetzungsgetriebe 40 mit dem Generator 42. Die Drehachse des ersten Abschnitts 38-1 der Generatorwelle 38 ist gleich der Drehachse des zweiten Abschnitts 38-2. Die elektrische Leistung des Generators 42 wird über elektrische Schleifkontakte (nicht dargestellt) nach zu einem elektrischen Transformator (nicht dargestellt) geführt.
Das obere und untere Wellenrad 22, 36 sind über einen Zugmitteltrieb 44 mechanisch gekoppelt. Der Zugmitteltrieb 44 umfasst eine Mehrzahl von nebeneinander auf den beiden Wellenrädern 22, 36 angeordneten und parallel zueinander verlaufenden Treibriemen 46. Der Zugmitteltrieb 44 bzw. die Treibriemen 46 verlaufen im Inneren des Turms 2 und sind in den 2 bis 5 dargestellt.
Im Turm 2 sind ein oder mehrere Führungseinrichtungen 48 drehbar an der Innenseite des Turms 2 montiert. Die Führungseinrichtungen 48, siehe 4 und 5, führen die Treibriemen 46 durch Führungsräder 50 in festgelegten Bahnen. Die Führungsräder 50 sind in einer Halterung 52 gelagert, die Dämpfungselemente 54 und halten die Treibriemen 46 auf Spannung. Durch die Spannung und die Dämpfungselemente 54 werden unerwünschte Schwingungen der Treibriemen 46 unterdrückt bzw. gedämpft.
Die drehbare Gondel 8, die Führungseinrichtungen 48 und die drehbare Generatorplattform 34 werden über Stellmotoren 56, die von einer zentrale Steuereinrichtung angesteuert werden, synchron zueinander gedreht, so dass die Treibriemen 46 immer annähernd parallel zueinander verlaufen.
Bezugszeichenliste

2: Turm
3: oberes Ende von 2
4: unteres Ende von 2
6: Rotor
8: Gondel, Maschinenhaus
10: obere Plattform
12: Turmsockel
14: Versorgungsaufzug
15: Aufzugskabine
16: Rotorwelle
16-1: erster Abschnitt von 16
16-2: zweiter Abschnitt von 16
18: erstes Rotorwellenlager
19: zweites Rotorwellenlager
20: oberes Übersetzungsgetriebe
22: oberes Wellenrad
24: Hohlraum in 12
26: Basisplatte von 12
28: zylindrischer Aufsatz von 12
30: zentrale Öffnung in 28
32: ringförmiger Montagekranz
34: drehbare Generatorplattform
36: unteres Wellenrad
38: Generatorwelle
38-1: erster Abschnitt von 36
38-2: zweiter Abschnitt von 36
40: unteres Übersetzungsgetriebe
42: elektrischer Generator
44: Zugmitteltrieb
46: Treibriemen
48: Führungseinrichtung
50: Führungsräder
52: Halterung für 50
54: Dämpfungselemente
56: Stellmotoren

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008024829 B4 [0002]
DE 2817483 [0002]
WO 2015/121478 A1 [0003, 0004]
US 2011/0018269 A1 [0014]

Claims

Windkraftanlage zur Bereitstellung elektrischer Leistung im Megawattbereich, mit einem Turm (2), der ein oberes und ein unteres Ende (3, 4) aufweist, einem an dem oberen Ende (3) angeordneten Rotor (6) mit horizontaler Drehachse, der über eine horizontale Rotorwelle (16) mit einem oberen Wellenrad (22) verbunden ist, wenigstens einem Generator (42), der über eine horizontale Generatorwelle (38) mit einem unteren Wellenrad (36) verbunden ist, und einem Zugmitteltrieb (44), der im Turm geführt ist und der die Drehbewegung von dem oberen Wellenrad (22) auf das untere Wellenrad (36) überträgt, wobei das obere Wellenrad (22), und die Rotorwelle (16) in einer Gondel (8) angeordnet sind, die drehbar am oberen Ende (4) des Turms (2) gelagert ist, wobei der Rotor (6) über die Rotorwelle (16) mit der drehbar gelagerten Gondel (8) verbunden ist, und wobei der Generator (42), die Generatorwelle (38) und das untere Wellenrad (36) auf einer drehbaren Generator-Plattform (34) am unteren Endes (4) des Turms (2) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass unter der Gondel (8) eine fest mit der Außenseite des Turms verbundene obere Plattform (10) angeordnet ist, dass von der oberen Plattform (10) ein Zugang zu der drehbaren Gondel (8) vorgesehen ist, und dass zwischen dem unteren Ende (4) des Turms (2) und der oberen Plattform (10) ein Versorgungsaufzug (14) an der Außenseite des Turms (2) vorgesehen ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugmitteltrieb (44) mindestens einen Treibriemen (46) umfasst, der das obere und untere Wellenrad (22, 36) umgreift.
Windkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibriemen (46) wenigstens teilweise aus hochzugfestem faserverstärktem Kunststoff bestehen.
Windkraftanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibriemen (46) einen Zugstrang aus Carbonfasern aufweisen.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibriemen (46) mit Noppen und komplementären Ausnehmungen auf den Wellenrädern (22, 36) oder Noppen oder Zähne auf den Wellenrädern (22, 36) mit komplementären Ausnehmungen im Treibriemen (46) umfasst.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugmitteltrieb (44) eine Spannvorrichtung für die Treibriemen (46) umfasst.
Windkraftanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung eine Einrichtung zum Verändern des Abstandes der beiden Wellenräder (22, 36) umfasst.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibriemen (46) im Turm (2) durch Führungseinrichtungen (48) entlang des Turmes (2) geführt sind, und dass die Führungseinrichtungen (48) drehbar am Turm gelagert sind.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verringern von Schwingungen des Zugmitteltriebs eine Schwingungsdämpfungseinrichtung (52, 55) vorgesehen ist.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Rotor (6) und dem oberen Wellenrad (22) und/oder dem unteren Wellenrad (36) und dem Generator (42) ein Übersetzungsgetriebe (20, 40) mit einer Antriebswelle (16-1, 38-1) und einer Abtriebswelle (16-2, 38-2) angeordnet ist, und dass die Drehachse der Antriebswelle (16-1, 38-1) gleich oder parallel zu der Drehachse der Abtriebswelle (16-2, 38-2) ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das obere und/oder untere Übersetzungsgetriebe (20, 40) ein Planenten- oder Stirnradgetriebe ist.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das untere Wellenrad (36) mit zwei Generatoren (42) verbunden ist, die links und rechts des unteren Wellenrades (36) angeordnet sind.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Turm in einem hutförmigen Turmsockel (12) befestigt ist, der einen Hohlraum (24) umfasst, in dem die drehbare Generator-Plattform (34) angeordnet ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Turmsockel aus faserversträktem Beton gefertigt ist.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Ausgangsanschlüsse des wenigstens einen Generators (42) mit ringförmigen Schleifkontakten verbunden sind.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Wellenräder zwischen 2 m und 10 m beträgt.