DE102022002736A1

DE102022002736A1 - Vorrichtung zur Stromerzeugung durch Windenergie

Info

Publication number: DE102022002736A1
Application number: DE102022002736.4A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-07-27
Filing date: 2022-07-27
Publication date: 2023-11-16

Abstract

Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Stromerzeugung durch Windenergie mittels eines Vertikalwindrads (1), die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie einen Stahlfachwerkmast (2) umfasst, mit durch Querstreben (3) verbundenen Eckpfeilern (4), die einen zentralen Hohlraum (5) freilassen, und dass das Vertikalwindrad (1) in den zentralen Hohlraum (5) des Stahlfachwerkmastes (2) eingebaut ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stromerzeugung durch Windenergie, ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung sowie eine Verwendung.
Die Dringlichkeit der Stromerzeugung aus alternativen Energiequellen hat durch die aktuellen geopolitischen Konflikte noch einmal an Brisanz zugenommen..
Bislang werden zur Stromerzeugung durch Windenergie nahezu ausschließlich Horizontalwindräder eingesetzt, d.h. Windräder mit horizontaler Rotationsachse. Diese haben jedoch den Nachteil eines massiven Eingriffs in die Landschaft, führen zu Problemen mit dem Artenschutz, insbesondere auf Grund der Verletzungs-und Lebensgefahr für Vögel, und setzen lange Genehmigungsverfahren, häufig von bis zu 2 oder 3 Jahren voraus.
Alternativ sind auch Windräder mit vertikaler Rotationsachse unter den Namen Vertikalrotor, Vertikal(achs)windturbine, -windrad oder-läufer, kurz VAWT (Vertical Axis Wind Turbine) bekannt. Hierfür soll im Folgenden die Bezeichnung Vertikalwindrad verwendet werden.
Bei Vertikalwindrädern entsteht das Drehmoment durch winkelabhängigen dynamischen Auftrieb oder Strömungswiderstand. Entsprechend gibt es Auftriebsläufer und Widerstandsläufer sowie auch Hybridformen hiervon, die die Vorteile von Widerstands- und Auftriebsläufer bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten kombinieren. Im unteren Geschwindigkeitsbereich wirkt das hohe Drehmoment des Widerstandsläufers, so dass kein Startermotor erforderlich ist. Im oberen Geschwindigkeitsbereich wirkt das hohe Drehmoment des Auftriebsläufers.
Aufgrund ihres konstruktiven Aufbaus und ihres physikalischen Wirkprinzips weisen Vertikalwindräder eine Reihe von Vor- und Nachteilen auf:

Vorteile sind insbesondere:
- - einfacher und robuster Aufbau
- - keine Windrichtungsnachführung notwendig
- - unempfindlich gegen wechselnde Winde (Stärke und Richtung)
- - Generator und Getriebe können leicht zugänglich in Bodennähe angeordnet werden
- - Kein Vogelschlagproblem.

Nachteilig sind insbesondere:

- geringe Leistungsbeiwerte, insbesondere bei Widerstandsläufern
- pulsierendes Drehmoment
- nur in Bodennähe zu installieren, dort jedoch geringe Windgeschwindigkeit
- leistungsfähige Auftriebsläufer neigen zu Schwingungen an den Flügeln
- können bei Sturm nicht zum Schutz aus dem Wind gedreht werden
- wegen geringer Leistungsbeiwerte höhere spezifische Windlast.

Es war demgegenüber Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Stromerzeugung aus Windenergie unter Verwendung eines Vertikalwindrads zur Verfügung zu stellen, die die Vorteile von herkömmlichen Vertikalwindrädern nutzt und gleichzeitig deren Nachteile reduziert.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Stromerzeugung durch Windenergie mittels eines Vertikalwindrads, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie einen Stahlfachwerkmast umfasst, mit durch Querstreben verbundenen Eckstützen, die einen zentralen Hohlraum freilassen, und dass das Vertikalwindrad in den zentralen Hohlraum des Stahlfachwerkmastes eingebaut ist.
Stahlfachwerkmasten sind Gitterkonstruktionen mit überwiegend 4 Eckstützen, die durch Querstreben verbunden sind und entsprechend einen zentralen Hohlraum freilassen. Sie können große Höhen, von etwa 70 bis 80 m, aufweisen. Der zentrale Hohlraum hat annähernd die Form eines Pyramidenstumpfes; bei Konstruktionen mit 4 Eckstützen, wie sie überwiegend eingesetzt werden, annähernd eines Pyramidenstumpfes mit quadratischer Basis.
Ganz überwiegend dienen die Stahlfachwerkmasten als Träger für Freilandleitungen, insbesondere für Hochspannungsleitungen und sind somit Stahlfachwerkstrommasten. Hiervon stehen in Deutschland aktuell ca. 140 000 Stück.
Zusätzlich gibt es auch einige Stahlfachwerkmasten, die anderen Zwecken dienen, insbesondere Sendern und Funkanlagen.
Erfindungsgemäß werden Stahlfachwerkmasten genutzt, vorteilhaft bereits bestehende, um sie durch Integration von Vertikalwindrädern in den inneren Hohlraum derselben einer zusätzlichen, zweiten Nutzung, zur Stromerzeugung durch Windenergie, zuzuführen.
Vorteilhaft weist das Vertikalwindrad eine vertikale Stütze zum Boden hin auf. Diese kann auch über das Vertikalwindrad nach oben hin verlängert sein.
Weiter vorteilhaft ist das Vertikalwindrad mittels Streben gegen den Stahlfachwerkmast abgestützt und positioniert. Die Streben können insbesondere horizontal angeordnet sein.
Vorteilhaft kann das Vertikalwindrad auch eine Einhausung in Form eines vertikalen Zylinders aufweisen, mit geeigneten Öffnungen für die Anströmung der Blätter durch den Wind. Die Einhausung erleichtert auch die Anbringung der Streben zur Abstützung und Positionierung des Vertikalwindrades gegen den Stahlfachwerkmast.
Anstelle oder zusätzlich zu Streben kann die Abstützung und Positionierung des Vertikalwindrades gegen den Stahlfachwerkmast auch mittels einer horizontalen Platte erfolgen.
Die vertikale Bodenstütze und/oder die Streben bzw. die Platte zum Stahlfachwerkmast hin wirken sich vorteilhaft auf die Statik aus, insbesondere da sie Biegemomente und Materialdehnung bzw.-stauchung verhindern oder reduzieren.
Vorteilhaft kann ein Transformator vorgesehen sein, um die Spannung des durch das Vertikalwindrad erzeugten Stromes auf die Spannung der Stromleitung des Stahlfachwerkstrommastes zu bringen. Dadurch kann der durch Windenergie erzeugte Strom unmittelbar weitergeleitet werden.
Es ist aber auch möglich, den von mehreren Vertikalwindrädern mit niedrigerer Spannung erzeugten Strom zu sammeln, und beispielsweise zur Elektrolyse von Waser zwecks Erzeugung von Wasserstoff zu nutzen oder in einen Netzknotenpunkt des Stromnetzes einzuspeisen.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer vorstehend beschriebenen Vorrichtung zur Stromerzeugung durch Windenergie, wonach ein Vertikalwindrad in den zentralen Hohlraum eines bestehenden Stahlfachwerkmastes eingebaut wird.
Bevorzugt ist ein Verfahren, wonach das Vertikalwindrad aus Modulen gefertigt wird, die einzeln in den zentralen Hohlraum eines bestehenden Stahlfachwerkmastes eingeführt und anschließend zusammengefügt werden.
Bezüglich des Typs der Vertikalwindrads gibt es keine Einschränkungen, bis auf die äußeren Abmessungen desselben, die dergestalt gewählt sein müssen, dass das Vertikalwindrad in den inneren Hohlraum des Stahlfachwerkmastes passt und diesen soweit wie möglich ausnutzt.. Es können Widerstands- oder Auftriebsläufer sowie Hybridformen hiervon eingesetzt werden. Das Vertikalwindrad kann feste oder bewegliche Blätter aufweisen.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Verwendung von Stahlfachwerkmasten zur Stromerzeugung durch Windenergie mittels eines Vertikalwindrads, das in den inneren Hohlraum des Stahlfachwerkmastes eingebaut ist.
Durch die vorliegende Erfindung können in kurzer Zeit sehr hohe Stromleistungen zur Verfügung gestellt werden.
Im Grundsatz ist für das Integrieren eines Vertikalwindrades in einen Bestandsstrommast in Stahlfachwerkbauweise davon auszugehen, dass keine Baugenehmigung erforderlich ist. Die Außenabmessungen und die Kontur der Bestandsstrommasten werden nicht verändert.
Ein sehr schneller Ausbau der Windenergie ist dadurch möglich, insbesondere im Vergleich zum Neubau von herkömmlichen Windrädern mit horizontaler Rotationsachse, für die ein Zeitaufwand von mindestens zwei Jahren allein für die Baugenehmigung kalkuliert werden muss.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen im Einzelnen:

1 einen Ausschnitt aus einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Einhausung und Streben zur Abstützung und Positionierung eines Vertikalwindrades gegen einen Stahlfachwerkmast und
2 einen Ausschnitt aus einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Platten zur Abstützung und Positionierung eines Vertikalwindrades gegen einen Stahlfachwerkmast.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils gleiche oder entsprechende Merkmale.
1 zeigt ein Vertikalwindrad 1, das in den zentralen Hohlraum 5 eines Stahlfachwerkmastes 2 eingebaut ist, der durch Querstreben 3 verbundene Eckpfeiler 4 aufweist. Das Vertikalwindrad 1 ist mittels einer zentralen Stütze 6 zum Boden hin und über eine Einhausung 8 und Streben 7 gegen den Stahlfachwerkmast 2 abgestützt und positioniert.
Die weitere Ausführungsform in 2 zeigt ein Vertikalwindrad 1 mit einer etwas anderen Form der Blätter; zur Abstützung gegen den Stahlfachwerkmast 2 sind am oberen und am unteren Ende des Vertikalwindrades 1 jeweils Platten 9 vorgesehen.

Claims

Vorrichtung zur Stromerzeugung durch Windenergie mittels eines Vertikalwindrads (1), dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Stahlfachwerkmast (2) umfasst, mit durch Querstreben (3) verbundenen Eckpfeilern (4), die einen zentralen Hohlraum (5) freilassen, und dass das Vertikalwindrad (1) in den zentralen Hohlraum (5) des Stahlfachwerkmastes (2) eingebaut ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlfachwerkmast (2) ein Stahlfachwerkstrommast ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Vertikalwindrad (1) eine vertikale Stütze (6) zum Boden hin aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Vertikalwindrad (1) mittels Streben (7) gegen den Stahlfachwerkmast (2) abgestützt und positioniert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Einrichtung zur Einspeisung des durch das Vertikalwindrad (1) erzeugten Stromes in eine Stromleitung des Stahlfachwerkstrommastes (2) aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Vertikalwindrad (1) in den zentralen Hohlraum (5) eines bestehenden Stahlfachwerkmastes (2) eingebaut wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Vertikalwindrad (1) aus Modulen gefertigt wird, die einzeln in den zentralen Hohlraum (5) eines bestehenden Stahlfachwerkmastes (2) eingeführt und anschließend zusammengefügt werden.
Verwendung eines bestehenden Stahlfachwerkstrommastes (2) zur Stromerzeugung durch Windenergie mittels Einbau eines Vertikalwindrads (1) in einen zentralen Hohlraum (5) des Stahlfachwerkstrommastes (2).