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Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Zur erfolgreichen Verwirklichung des Energiewandels, bei dem die Windenergie einen großen Teil dazu beisteuert, muss neben dem Problem der Energiespeicherung auch das Problem der Genehmigung von neuen Windradstandorten gelöst werden. Die Erhöhung von Genehmigungskriterien schränkt die Standortwahl für Windräder erheblich ein. Eine Möglichkeit diesem Problem entgegen zu wirken, wäre eine Erhöhung der Standortausnutzung.
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In der
DE 10 2011 109 637 A1 ist eine Windkraftanlage offenbart, die ein Windrad einschließt. Das Windrad besteht aus einigen Schaufeln, die auf einer Welle eingerichtet sind, wobei die Schaufeln als Rinnen ausgeführt sind. Die Achsen der Rinnen sind dabei senkrecht der Achse der Welle eingerichtet. Die Welle ist horizontal angeordnet an deren Enden einige Räder symmetrisch eingerichtet sind.
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In der
DE 198 53 790 A1 ist eine Windkraftanlage mit einem sich in horizontaler Richtung drehenden Rotor offenbart. Der Rotor weist eine Vielzahl an Rotorblätter auf, die bereichsweise von einem Gehäuse umgeben sind. Diese Windkraftanlage kann an einen Mast einer bereits bestehenden Windkraftanlage befestigt werden, die einen herkömmlichen sich vertikal drehenden Rotor aufweisen.
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In der
DE 10 2011 052 989 A1 ist eine weitere Windkraftanlage offenbart, die zwei drehbar gelagerte Rotoren umfasst, wobei beide Rotoren hintereinander und gegenläufig zueinander angeordnet sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte und weiterentwickelte Windkraftanlage aufzuzeigen, die die Standortausnutzung maximiert.
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Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird die im Anspruch 1 angegebene Windkraftanlage, welche auch als Kombi-Windkraftanlage bezeichnet wird, vorgeschlagen. Optionale vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich ganz oder teilweise aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die erfindungsgemäße Windkraftanlage weist eine auf einem Mast gelagerte Maschinenkanzel auf, an deren Stirnseiten gegenläufig drehende Propeller-Rotoren mit horizontalen Drehachsen angeordnet sind. Die Propeller-Rotoren sind dabei mit einem Generator gekoppelt. Die erfindungsgemäße Windkraftanlage zeichnet sich dadurch aus, dass am Mast zusätzliche Karussell-Rotoren, die vertikale Drehachsen aufweisen, angeordnet sind. An den Propeller-Rotoren sind mehrere, insbesondere drei, Rotorblätter angeordnet, mit denen die Energie des Windes entnommen und dem Generator zugeführt wird. Die Rotorblätter drehen sich um die horizontalen Drehachsen der Propeller-Rotoren und definieren dadurch einen Propellerkreis. Jeder Propeller-Rotor weist vorzugsweise eine horizontale Drehachse auf. Die Drehachsen können dabei verschieden sein oder bevorzugt auf einer gemeinsamen Achse liegen. Die Achsen können dabei geringfügig aus der horizontalen Ebene herausragen, so dass zwischen den Drehachsen ein Winkel kleiner als 180° eingeschlossen ist.
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Unter Karussell-Rotoren sind Vertikalrotoren zu verstehen, deren Drehachse vertikal steht. An den Karussell-Rotoren ist eine Vielzahl an Turbinenschaufeln angeordnet, die die Energie des Windes aufnehmen und einem Generator zuführen.
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Vorzugsweise sind beide Propeller-Rotoren mit einem gemeinsamen Generator gekoppelt. Des Weiteren sind vorzugsweise die beiden Propeller-Rotoren gleich groß ausgebildet, so dass durch eine symmetrische Anordnung der Propeller-Rotoren an der Maschinenkanzel der Schwerpunkt der Windkraftanlage in der Mitte des Mastes angreift.
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Ferner weist der Generator vorzugsweise einen Innenläufer und einen Außenläufer auf. Jeder Läufer des Generators ist vorzugsweise drehfest mit einer Welle des jeweiligen Propeller-Rotors gekoppelt. Beispielsweise ist jeder Läufer des Generators direkt auf der Welle des jeweiligen Propeller-Rotors angeordnet.
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In einer weiterentwickelten Ausführungsform sind die Propeller-Rotoren mittels mindestens eines Wendegetriebes miteinander gekoppelt, wobei das Wendegetriebe sicherstellt, dass die beiden Propeller-Rotoren mit der gleichen Drehzahl laufen. Das bedeutet, dass die Propeller-Rotoren über das Wendegetriebe miteinander synchronisiert sind. Die Läufer des Generators sind hierbei mit dem jeweiligen Propeller-Rotor drehfest verbunden.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Windkraftanlage ein Übersetzungsgetriebe auf, so dass hohe Generatordrehzahlen im Vergleich zu den Drehzahlen der Propeller-Rotoren gegeben sind.
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Vorzugsweise sind die Karussell-Rotoren auf Tragringen, die am Mast angeordnet sind, gelagert. Das heißt, dass am Mast Tragringe befestigt sind, auf denen die Karussell-Rotoren gelagert sind. Bei einer beispielhaften Ausführungsform weisen die am Mast gelagerten Karussell-Rotoren verstellbare Turbinenschaufeln auf. Alternativ weisen die am Mast gelagerten Karussell-Rotoren ausschließlich starre Turbinenschaufeln auf.
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Vorzugsweise sind die Karussell-Rotoren teilweise von einer Windabdeckung umschlossen. Beispielsweise erstreckt sich die jeweilige Windabdeckung über mindestens 90° am Außenumfang der Karussell-Rotoren.
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Beispielsweise sind die am Mast befindlichen Karussell-Rotoren ausschließlich unterhalb des Propellerkreises der gegenläufigen Propeller-Rotoren angeordnet. Alternativ ist mindestens einer der am Mast befindlichen Karussell-Rotoren innerhalb des Propellerkreises der gegenläufigen Propeller-Rotoren angeordnet. Dadurch ist der Abstand zwischen den beiden Propeller-Rotoren größer als der Abstand der Propeller-Rotoren, bei denen die Karussell-Rotoren unterhalb des Propellerkreises angeordnet sind. Der Abstand der beiden Propeller-Rotoren ist so groß, dass die Rotorblätter die Karussell-Rotoren nicht berühren. Durch die überlappende Anordnung der Karussell-Rotoren und der Propellerkreise der Propeller-Rotoren werden die Kippmomente trotz des vergrößerten Abstandes der Propeller-Rotoren zueinander minimiert. Unter Propellerkreis ist der Kreis, den die Rotorblätter durch die Drehbewegung um die Drehachse des Propeller-Rotors bilden, zu verstehen. Der Propellerkreis entspricht dem Durchmesser der am Propeller-Rotor angeordneten Rotorblätter.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform sind die Karussell-Rotoren den Mast der Windkraftanlage entlang bis zur Maschinenkanzel angeordnet. Das heißt, dass der gesamte Mast für Karussell-Rotoren genutzt werden kann. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist der Mast oberhalb der Maschinenkanzel verlängert, so dass oberhalb der Maschinenkanzel zusätzlich weitere Karussell-Rotoren am Mast der Windkraftanlage angeordnet sind.
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Die am Mast befindlichen Karussell-Rotoren sind vorzugsweise berührungslos gelagert. Beispiele für eine berührungslose Lagerung sind Magnetlagerungen oder Luftlagerungen. In einer weiteren Ausführungsform sind die am Mast befindlichen Karussell-Rotoren mittels magnetischer Wanderfelder gelagert und generatorisch an stillstehenden Komponenten der Windkraftanlage angebunden. Das heißt, dass die Lager- und die Generatorfunktion mittels der magnetischen Wanderfelder vereint sind, wie zum Beispiel bei einer Magnetschwebebahn.
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Alternativ sind die am Mast befindlichen Karussell-Rotoren wälzgelagert. Unter wälzgelagert ist neben den üblichen Wälzlagern, wie zum Beispiel Rollenlager, Kugellager und/oder Nadellager, auch eine Art Linearlagerung zu verstehen. Hierfür sind am Mast der Windkraftanlage Tragringe angeordnet auf denen eine Vielzahl an Rollen abrollen. Die Rollen sind dabei zwischen einem Tragring und einem Karussell-Rotor angeordnet. Die Rollen wiederum sind beispielsweise mittels Wälzlager jeglicher Art gelagert.
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Zur Erzeugung elektrischer Energie ist beispielsweise ein Lineargenerator verwendbar. Der Lineargenerator arbeitet vorzugsweise mit Permanentmagneten, die an rotierenden Komponenten befestigt sind. Es sind keine Stromübertragungselemente, etwa Schleifkontakte, zwischen rotierenden und feststehenden Elementen erforderlich.
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Es ist zweckmäßig, wenn die Propeller-Rotoren wälzgelagert oder gleitgelagert sind. Jegliche gängige Wälzlager und Gleitlager sind hierfür geeignet.
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Die am Mast benachbarten Karussell-Rotoren sind vorzugsweise gegenläufig drehend ausgeführt, so dass die Drehmomente der einzelnen Karussell-Rotoren kompensiert werden. Demnach ist es zweckmäßig, wenn mindestens zwei gegenläufig drehende Karussell-Rotoren am Mast gelagert sind. Vorzugsweise sind die Karussell-Rotoren immer paarweise, bei dem einer linksdrehend und der andere rechtsdrehend ausgebildet ist, am Mast angeordnet.
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Die Rotorblätter der Propeller-Rotoren beruhen vorzugsweise auf dem Tragflächenprinzip. Die Karussell-Rotoren wirken hingegen vorzugsweise als Widerstandsturbinen.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale, Merkmalskombinationen und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter, beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung sowie aus den Zeichnungen. Diese zeigen in:
- 1 eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage in Seitenansicht,
- 2 die Schnittansicht A-A aus 1,
- 3 die Schnittansicht B-B aus 1,
- 4 eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage in Seitenansicht,
- 5 die Schnittansicht C-C aus 4,
- 6 die Schnittansicht D-D aus 4,
- 7 eine beispielhafte Ausführungsform eines gemeinsamen Generators in Schnittansicht.
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In allen Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In der 1 ist eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage 1 in Seitenansicht dargestellt. Die Windkraftanlage 1 weist einen Mast 2 auf, der mit dem Erdboden 3 über ein Fundament 4 verbunden ist. Des Weiteren weist die Windkraftanlage 1 am oberen Ende des Mastes 2 eine Maschinenkanzel 5, häufig auch als Maschinenhaus oder Maschinengondel bezeichnet, sowie an den beiden Stirnseiten der Maschinenkanzel 5 jeweils ein Windrad 6 auf. Jedes Windrad 6 weist einen Propeller-Rotor 7 mit jeweils einer horizontalen Drehachse AH sowie mehrere Rotorblätter 8 auf.
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In der vorliegenden Darstellung sind an jedem Propeller-Rotor 6 jeweils drei gleichmäßig am Umfang verteilte Rotorblätter 8 angeordnet. Die Rotorblätter 8 eines Propeller-Rotors 7 bilden einen Propellerkreis. Der Propellerkreis ergibt sich aus dem Durchmesser der Rotorblätter 8. Die Rotorblätter 8 der Propeller-Rotoren 6 weisen ein Tragflächenprofil auf.
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In der 7 ist eine Schnittansicht eines gemeinsamen Generators 18 der beiden Propeller-Rotoren dargestellt. Der Generator 18 befindet sich hierbei in der Maschinenkanzel 5 der Windkraftanlage 1. Der Generator 18 weist einen Innenläufer 16 sowie einen Außenläufer 17 auf. Jeder Läufer 16, 17 ist mit einer Propellerwelle eines Propeller-Rotors 7 verbunden.
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Um die auftretenden Drehmomente der beiden Propeller-Rotoren 7 zu kompensieren und die strömungstechnisch günstige Luftführung zu nutzen, sind die beiden Propeller-Rotoren 7 zueinander gegenläufig ausgebildet. Hierfür sind die Rotorblätter sowie deren Profil derart gewählt, dass die Propeller-Rotoren 7 gegenläufig rotieren. Das bedeutet, dass ein erster Propeller-Rotor 7 rechtsdrehend und der zweite Propeller-Rotor 7 linksdrehend an der Maschinenkanzel 5 angeordnet ist.
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Die beiden Propeller-Rotoren 7 rotieren dabei mit der gleichen Drehzahl. Um die Drehzahl an beiden Propeller-Rotoren 7 während des Betriebs beizubehalten, werden, wie in der 7 dargestellt, die Propellerwellen der Propeller-Rotoren 7 der beiden Windräder 6 durch mindestens ein Wendegetriebe 15 miteinander gekoppelt. Die Propeller-Rotoren 7 sind mittels geeigneten Lagern 14 in der Maschinenkanzel 5 gelagert.
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Zusätzlich zu den beiden Propeller-Rotoren 7 weist die erfindungsgemäße Windkraftanlage 1 aus 1 vier untereinander am Mast 2 angeordnete Windturbinen 9 auf.
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Die Windturbinen 9 weisen dabei jeweils einen Karussell-Rotor 10 mit einer vertikalen Drehachse Av sowie eine Vielzahl an Turbinenschaufeln 11 auf. Die Windturbinen 9 sind in dieser Ausführungsform unterhalb des Propellerkreises am Mast 2 angeordnet und sind auf am Mast 2 befestigten Tragringen 13 gelagert.
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Die Turbinenschaufeln 11 sind am Umfang des jeweiligen Karussell-Rotors 10 gleichmäßig verteilt. Die jeweils zueinander benachbarten Karussell-Rotoren 10 sind gegenläufig drehend angeordnet, so dass die durch die Drehbewegung entstehenden Drehmomente kompensiert werden. Die Turbinenschaufeln 11 der benachbarten Karussell-Rotoren 10 sind hierfür in entgegengesetzte Richtung angeordnet. Die Turbinenschaufeln 11 sind dabei als sogenannte Widerstandsläufer einer Widerstandsturbine ausgebildet, die den Strömungswiderstand nutzen.
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In der 2 ist eine Windturbine 9 mit einem Karussell-Rotor 10 und den daran angeordneten Turbinenschaufeln 11 in Schnittansicht dargestellt. Bei dem hier durch Pfeile dargestellten Wind von links wird der Karussell-Rotor 10 sich in Richtung des Pfeiles, hier gegen den Uhrzeigersinn, drehen.
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In der 3 ist die direkt unter der in 2 angeordneten Windturbine 9 in Schnittansicht dargestellt. Hier sind die Turbinenschaufeln 9 in der entgegengesetzten Richtung angeordnet, so dass sich bei dem gleichen Wind, wie in 2, der Karussell-Rotor 8 im Uhrzeigersinn dreht.
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In der 4 ist eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage 1 in Seitenansicht dargestellt. Im Unterschied zu der Ausführungsform aus 1 sind hier sechs Windturbinen 9 am Mast 2 untereinander angeordnet. Die zwei obersten Windturbinen 9 befinden sich dabei innerhalb des Propellerkreises. Alternativ kann der gesamte Mastbereich 2 bis zur Maschinenkanzel 5 mit weiteren Windturbinen 9 ausgerüstet werden. Des Weiteren ist die Maschinenkanzel 5 länger ausgebildet, so dass sich die Rotorblätter 7 der beiden Windräder 6 an den im Propellerkreis befindlichen Windrädern 8 berührungslos vorbeidrehen können.
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In dieser Ausführungsform bildet ebenfalls die Mitte des Mastes 2 eine Symmetrieebene, so dass die beiden Propeller-Rotoren 6 gleich weit von der Mitte des Mastes 2 entfernt angeordnet sind. Dadurch werden die Kippmomente der Windkraftanlage 1 minimiert.
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Die in der 5 und 6 in Schnittansicht dargestellten Windturbinen 9 unterscheiden sich von den Windturbinen 9 aus 2 und 3 darin, dass eine Windabdeckung 12 am Umfang der Windturbine 9 angeordnet ist und die Turbinenschaufeln 11 der Windturbinen 9 verstellbar sind. Die Windabdeckung 12 umfasst dabei mehr als ein Viertel des Umfangs der Windturbine 9. Die Windabdeckung 12 deckt dabei die dem Luftstrom entgegen bewegende Hälfte der Turbinenschaufeln 11 der Windturbine 9 ab.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Windkraftanlage
- 2
- Mast
- 3
- Erdboden
- 4
- Fundament
- 5
- Maschinenkanzel
- 6
- Windrad
- 7
- Propeller-Rotor
- 8
- Rotorblätter
- 9
- Windturbine
- 10
- Karussell-Rotor
- 11
- Turbinenschaufel
- 12
- Windabdeckung
- 13
- Tragring
- 14
- Lager
- 15
- Wendegetriebe
- 16
- Innenläufer
- 17
- Außenläufer
- 18
- Generator
- AH
- horizontale Drehachse
- AV
- vertikale Drehachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011109637 A1 [0003]
- DE 19853790 A1 [0004]
- DE 102011052989 A1 [0005]
