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Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einer horizontalen, in Windrichtung ausgerichteten Drehachse.
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Aus der
WO 87/ 07 328 A1 ist eine Windkraftanlage bekannt, welche mit einem kegelförmigen Rotor ausgerüstet ist, von dessen Kegelmantel mehrere Flügel radial abstehen. Die Enden der Flügel sind von einem ringförmigen, den Rotor umgebenden Außenmantel abgedeckt, womit Strömungskanäle für den Windstrom gebildet sind.
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Die
WO 2003/ 021 105 A1 offenbart eine Strömungskraftmaschine, nämlich Windkraftmaschine, welche zwei Flügel aufweist, die im Wesentlichen längs der Oberfläche eines gedachten Rotationskörpers verlaufen. Jeder Flügel beschreibt hierbei eine stetig gekrümmte Kurve, wobei der Scheitelpunkt der Kurve den maximalen Abstand von der Drehachse hat. Insgesamt ist eine S-Form eines jeden Flügels gegeben. Bei dem gedachten Rotationskörper, um den sich die Flügel winden, handelt es sich insbesondere um ein Ellipsoid, worunter auch eine Kugel fällt.
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Die
DE 29 35 803 A1 offenbart eine sogenannte Windspirale, welche als zu einem Raumkörper auseinander gezogene Spirale charakterisiert wird. Als Material zur Herstellung der Windspirale wird Metall oder Plastik vorgeschlagen. Die Windspirale soll kostengünstig ohne Spezialwerkzeug herstellbar und insbesondere für kleine Windenergieanlagen mit horizontaler Achse geeignet sein.
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Aus der
DE 39 19 157 C2 ist eine Windkraftmaschine bekannt, welche einen tropfenförmigen Verdrängungskörper aufweist. Bei dem Verdrängungskörper handelt es sich um ein nicht rotierendes Teil der Windkraftanlage. Um den Verdrängungskörper windet sich mindestens ein Flügel. Die Tropfenform des Verdrängungskörpers soll eine Verdichtung der Strömungslinien im Arbeitsbereich des Windrades bewirken, sodass dieses bei niedrigen Windgeschwindigkeiten betreibbar ist.
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Eine in der
EP 1 588 049 B1 beschriebene Windenergieumwandlungsvorrichtung weist mindestens ein streifenförmiges, gekrümmtes Rotorblatt auf, dessen Enden an einer horizontalen Welle befestigt sind. In einem mittleren Bereich des Rotorblatts weist dieses einen verbreiterten Abschnitt auf, um die Winderfassung zu verbessern. Ein Generator soll in oder an der Welle der Windenergieumwandlungsvorrichtung montierbar sein.
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Die
DE 10 2008 054 126 A1 beschreibt einen für die Verwendung in einer Windkraftanlage mit vertikaler Drehachse konzipierten Rotor, der einen Rotorkörper umfasst, welcher einen oberen Kappenbereich, einen Mittelbereich und einen unteren Kappenbereich aufweist, wobei die beiden Kappenbereiche im Wesentlichen baugleich sind. Die Kappenbereiche weisen ebenso wie der Mittelbereich Flügel auf. Hierbei sind Flügel von einer Kugelfläche begrenzt.
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Die
US 2021 / 0 017 956 A1 beschreibt eine Windkraftanlage in Form eines turmförmigen Komplexes. Innerhalb dieses Komplexes sind eine Vielzahl an Rotoren angeordnet, welche jeweils eine schraubenförmig gewundene Struktur beschreiben. Die Drehachsen der einzelnen Rotoren sind zueinander parallel und können entweder vertikal oder horizontal ausgerichtet sein. In beiden Fällen strömt der Wind die Rotoren senkrecht zu deren Drehachsen an.
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Die
US 2003 / 0 170 123 A1 offenbart eine Windkraftanlage mit einem Array an Rotoren, welche in verschiedenen Höhen angebracht sind. Hierbei soll jeder Rotor auf die in der betreffenden Höhe herrschenden Windverhältnisse ausgelegt sein.
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Eine weitere Windkraftanlage mit einem Array an Rotoren ist in der
US 10 451 044 B1 beschrieben. Die einzelnen Rotoren befinden sich in diesem Fall in einem gemeinsamen Rahmen. Der Rahmen ist als Ganzes auf einem Mast drehbar.
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Eine in der
DE 10 2011 016 141 A1 offenbarte Windturbine mit horizontaler Rotationsachse umfasst mehrere Rotorblätter sowie einen konzentrisch zur Rotationsachse angeordneten Düsenkörper. Der Düsenkörper bildet mit einem Statorteil und einem Rotorteil ein Gehäuse eines Synchrongenerators, wobei die Rotorblätter am Rotorteil angeschlossen sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterentwickelte Windkraftanlage anzugeben, welche sich bei einem robusten, fertigungsfreundlichen Aufbau durch ein besonders günstiges Verhältnis zwischen beanspruchtem Raum und erzielbarer Leistung auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Windkraftanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Windkraftanlage umfasst einen einen Abschnitt eines Ellipsoids beschreibenden Hohlkörper, wobei die große Halbachse derjenigen Ellipse, welche die Erzeugende des Ellipsoids darstellt, mit der Drehachse identisch ist, sowie eine Mehrzahl an strömungsleitenden Leisten, welche auf der Oberfläche des Hohlkörpers in gewundener Form angeordnet sind, wobei die senkrecht zur Oberfläche des Hohlkörpers zu messende Höhe einer jeden Leiste, ausgehend von dem auf der Drehachse liegenden zentralen, kurz auch als Spitze bezeichneten Anströmpunkt des Hohlkörpers, mit zunehmendem Durchmesser des Hohlkörpers derart kontinuierlich zunimmt, dass ein die Anordnung sämtlicher Leisten umschreibendes zweites, äußeres Ellipsoid existiert, dessen erste Halbachse mit der großen Halbachse des Hohlkörpers übereinstimmt, wogegen die zweite Halbachse des zweiten Ellipsoids dessen große Halbachse darstellt.
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Durch die gegebene Form des Hohlkörpers sowie der strömungsleitenden Leisten, welche fest mit dem Hohlkörper verbunden sind und allgemein auch als Flügel bezeichnet werden, wird eine besonders wirksame Leitung anströmender Luft in die zwischen den Leisten gebildeten Kanäle erreicht. Hierbei trägt praktisch die gesamte Querschnittsfläche des Rotors, welcher aus dem Hohlkörper und den Leisten gebildet ist, zum Ernten von Windenergie bei. Zugleich wird zumindest annähernd über die gesamte in Längsrichtung der Drehachse zu messende Länge des Rotors Drehmoment in den Hohlkörper eingeleitet.
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Die strömungsleitenden Leisten können in jeder beliebigen Weise mit dem Hohlkörper verbunden sein. Ebenso ist eine einstückige Ausführung des gesamten Rotors einschließlich der Leisten möglich. Als mögliche Materialien, aus welchen der Hohlkörper sowie die Leisten gefertigt sein können, sind Kunststoffe, Metalle und Verbundwerkstoffe zu nennen.
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Was die verschiedenen elliptischen Konturen, die von den einzelnen Komponenten des Rotors im Längsschnitt beschrieben werden, betrifft, existieren zahlreiche Gestaltungsmöglichkeiten. Insbesondere ist die Möglichkeit der Entartung eines Ellipsoids zu einer Kugel gegeben.
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Gemäß einer möglichen Ausgestaltung schließt sich an den vorderen, ein Ellipsoid beschreibenden Abschnitt des Hohlkörpers ein zylindrischer Abschnitt des Hohlkörpers an. Innerhalb des zylindrischen Abschnitts entspricht der in tangentialer Richtung gemessene mittlere Abstand zwischen zwei benachbarten Leisten beispielsweise mindestens der Hälfte und maximal dem Einfachen der Höhe der Leisten. Insbesondere beträgt der mittlere Abstand zwischen zwei Leisten etwa zwei Dritteln der Leistenhöhe. In jedem Fall ist die Stärke der Leisten wesentlich geringer als deren Höhe, wobei die Leisten eine von der Außenoberfläche des rotierenden Hohlkörpers nach außen dünner werdende Querschnittsform haben können. Die Höhe der Leisten entspricht im zylindrischen Abschnitt beispielsweise mindestens einem Zehntel und höchstens einem Drittel des Durchmessers des zylindrischen Abschnitts des Hohlkörpers des Rotors. Die Verwendung des Begriffes „Hohlkörper des Rotors“ bedeutet nicht zwangsläufig, dass es sich bei den Leisten im Gegensatz zum Hohlkörper um massive Bauteile handelt. Vielmehr kann auch jede der Leisten einen Hohlraum oder eine Vielzahl an Hohlräumen aufweisen.
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Unabhängig von ihrem inneren Aufbau können die Leisten im zylindrischen Abschnitt jeweils eine Schraubenlinie mit in Anströmrichtung abnehmender Steigung beschreiben. Durch die abnehmende Steigung der schraubenförmig gewundenen Leisten in Strömungsrichtung des Windes, das heißt in Längsrichtung des Rotors, ist ein gleichförmiger Drehmomenteintrag über die gesamte Länge des zylindrischen Abschnitts und damit eine besonders gute Ausnutzung der Windenergie möglich.
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Wird der zylindrische Abschnitt samt Leisten gedanklich in eine Ebene abgewickelt, so können die Leisten in Draufsicht auf diese Ebene insbesondere jeweils kreisbogenförmig gekrümmt sein. Hierbei kann der Krümmungsradius der in der Ebene betrachteten Leisten mit dem Radius des zylindrischen, das heißt dreidimensionalen Abschnitts übereinstimmen.
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Was die Anzahl der Leisten, die sich schraubenförmig um den Hohlkörper winden, betrifft, existieren weite Grenzen. Beispielsweise befinden sich auf dem Hohlkörper mindestens sechs und höchstens achtzehn strömungsleitende typischerweise gleichartige Leisten. Möglich sind auch Ausführungsformen mit ungleich langen Leisten. In einem solchen Fall reichen beispielsweise einige der Leisten bis zur Spitze des Hohlkörpers, wogegen andere, ansonsten gleiche Windungen beschreibende Leisten erst mit einigem Abstand von der Spitze des Hohlkörpers beginnen. Auf diese Weise werden extrem geringe Abstände zwischen den Leisten in der Nähe der Spitze des Hohlkörpers vermieden.
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In typischer Ausgestaltung ist der Hohlkörper drehfest mit der Welle eines Generators der Windkraftanlage verbunden. Ebenso sind Ausgestaltungen realisierbar, in denen ein Generator über ein Getriebe mit dem rotierenden Hohlkörper gekoppelt ist. Hierbei kann die Drehachse des Generators mit der Drehachse des Hohlkörpers zusammenfallen, was zum Beispiel bei Verwendung eines Planetengetriebes möglich ist. In alternativen Ausgestaltungen, bei welchen die Achse des Generators von der Achse des Rotors parallel beabstandet ist, existiert beispielsweise eine Kopplung zwischen dem Generator und dem Rotor der Windkraftanlage über ein Umschlingungsgetriebe.
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Gemäß einer möglichen Weiterbildung sind mehrere jeweils aus einem Hohlkörper und mehreren darauf angebrachten strömungsleitenden Leisten gebildeten Rotoren in Form eines Arrays angeordnet. Hierbei kann jedem Rotor des Arrays ein gesonderter Generator zugeordnet sein. Somit ist das Array aus einer Vielzahl einzelner, typischerweise baugleicher, separat funktionsfähiger Rotor-Generator-Einheiten, die gemäß Anspruch 1 gestaltet sind, aufgebaut.
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Die Rotoren sind in vorteilhafter Ausgestaltung in einem um eine vertikale Achse drehbaren Rahmen angeordnet. An dem Rahmen können sich windleitende Elemente befinden. Optional befindet sich in einem Mast, um welchen der Rahmen in Anpassung an die Windrichtung drehbar ist, ein Personen- und/oder Lastenaufzug.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass sämtliche Komponenten der Rotor-Generator-Einheiten mit gängigen, auch in mittelständischen Betrieben weit verbreiteten Technologien herstellbar sind. Dies gilt insbesondere für den Fall der Fertigung des Hohlkörpers sowie der hierauf angebrachten strömungsleitenden Leisten aus Metall. In einem solchen Fall können einzelne Komponenten des Rotors beispielsweise miteinander verschweißt sein. Nicht zuletzt zeichnet sich die vorliegende Anlagenkonzeption im Vergleich zu konventionell aufgebauten Großwindkraftanlagen mit typischerweise drei langgestreckten, aus einem Materialverbund gefertigten Flügeln durch wesentlich vereinfachte Möglichkeiten des Recyclings von Anlagenkomponenten oder auch der kompletten Windkraftanlage aus.
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Die gesamte Windkraftanlage kann entweder an Land oder offshore installiert sein. Die typische Leistung eines einzelnen Rotor-Generator-Moduls liegt im Bereich einiger Kilowatt bis einigen zehn Kilowatt, wobei auch Leistungen von mehreren Hundert Kilowatt pro Rotor-Generator-Modul erreichbar sind.
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Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Windkraftanlage in schematischer, teils geschnittener Seitenansicht,
- 2 Konturen eines Abschnitts eines Rotors der Windkraftanlage nach 1 in Seitenansicht,
- 3 den Rotor der Windkraftanlage nach 1 in schematisierter Frontansicht,
- 4 einen in eine Ebene abgewickelten zylindrischen Abschnitt eines Windanlagenrotors mit darauf angebrachten gekrümmten strömungsleitenden Leisten,
- 5 den Rotor nach 4 in einer schematisierten Schnittdarstellung,
- 6 eine Windkraftanlage, welche eine Mehrzahl an Rotor-Generator-Einheiten umfasst.
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Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Eine insgesamt mit 1 bezeichnete Windkraftanlage umfasst mindestens eine Rotor-Generator-Anordnung 2. Ein vom Wind angeströmter Rotor 3 der Rotor-Generator-Anordnung 2 ist über eine Welle 4 mit einem Generator 5 gekoppelt. Eine Generatorstütze ist mit 6 bezeichnet. Die mit MA bezeichnete Mittelachse der Rotor-Generator-Anordnung 2 ist horizontal angeordnet und beim Betrieb der Windkraftanlage 1 in Windrichtung WR ausgerichtet.
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Der Rotor 3 setzt sich zusammen aus einem Hohlkörper 7, dessen Wandung mit 8 bezeichnet ist, und einer Mehrzahl an strömungsleitenden, gewundenen Leisten 10, welche auf der mit 9 bezeichneten Außenoberfläche des Hohlkörpers 7 angebracht sind. Ein vorderer, kappenförmiger Abschnitt 11 des Rotors 3 grenzt an einen hinteren, zylindrischen Abschnitt 12 des Rotors 3. Die vom Wind angeströmte, in den Ausführungsbeispielen abgerundete Spitze des Rotors 3, das heißt der am weitesten vorne liegenden Punkt des Rotors 3, ist mit 13 bezeichnet. Zwischen jeweils zwei in Umfangsrichtung des Rotors 3 benachbarten Leisten 10 ist ein Strömungskanal 14 gebildet. Eine Abdeckung der Strömungskanäle 14, etwa in Form eines ringförmigen, den Rotor 3 konzentrisch umgebenden Teils, ist nicht vorgesehen.
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Im Längsschnitt (1) beschreibt die Außenoberfläche 9 des Hohlkörpers 7 im vorderen Abschnitt 11 ein erstes, inneres Ellipsoid E1. Ferner existiert ein zweites, äußeres Ellipsoid E2, welches im selben Abschnitt 11 die Gesamtheit der Leisten 10 umschreibt. Im Fall des ersten Ellipsoids E1 liegt die große Halbachse auf der Mittelachse MA, wobei a8 für die Halbachse selbst steht und in 3 als Länge der entsprechenden Halbachse markiert ist. Die Länge der kleinen Halbachse b des inneren Ellipsoids E1 ist am Übergang zwischen dem kappenförmigen Abschnitt 11 und dem zylindrischen Abschnitt 12 zu messen. Die mit a10 bezeichnete große Halbachse des äußeren Ellipsoids E2 verlängert die kleine Halbachse b nach außen. Die kleine Halbachse des größeren Ellipsoids E2 ist mit der großen Halbachse a8 des Hohlkörpers 7 identisch. Die am Übergang zwischen den verschiedenen Abschnitten 11, 12 oder an beliebiger Stelle innerhalb des zylindrischen Abschnitts 12 zu messende maximale Höhe H der Leisten 10 entspricht der Differenz zwischen der großen Halbachse a10 und der kleinen Halbachse b.
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In 2 sind Konturen des zylindrischen Abschnitts 12 skizziert, wobei der Rotor 3 in 2 genauso wie in 1 ausgerichtet ist und von links angeströmt wird. Die strömungsleitenden Leisten 10, von welchen in 2 nur eine einzige dargestellt ist, beschreiben ein Gewinde, dessen Steigung in Windrichtung WR, das heißt im skizzierten Fall von links nach rechts, abnimmt. Die bereits im kappenförmigen Abschnitt 11 gegebene Krümmung der Leisten 10 geht aus 3 hervor. DR gibt die Drehrichtung des Rotors 3 an.
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Was die Krümmung der Leisten 10 über die gesamte Länge des Rotors 3 betrifft, entspricht die Gestaltung nach den 4 und 5 grundsätzlich der Gestaltung nach den 1 bis 3. Die 4 und 5 zeigen ausschließlich Merkmale des zylindrischen Abschnitts 12. Die 4 zeigt eine Draufsicht auf die Außenoberfläche 9, wobei die Wandung 8 in die Zeichenebene abgewickelt ist. Lägen die Leisten 10 in Form eines Gewindes mit konstanter Steigung vor, so wären sie in der Ansicht nach 4 in Form gerader, zueinander paralleler Streifen sichtbar. Dies ist jedoch, wie aus 4 hervorgeht, nicht der Fall. Vielmehr ist jede der Leisten 10 in dieser Ansicht kreisbogenförmig gekrümmt, wobei ein Krümmungsradius R sich auf den kleineren, inneren Radius der jeweiligen Leiste 10 bezieht. Im skizzierten Ausführungsbeispiel entspricht der Radius R nach 4 dem in 5 eingezeichneten Radius der einen Zylinder beschreibenden Außenoberfläche 9 im Abschnitt 12. Ferner ist in 5 ein mittlerer Abstand d zwischen zwei benachbarten Leisten 10 eingezeichnet. Der Abstand d entspricht etwa 2/3 der Höhe H der Leisten 10. Diese Relation gilt auch in Fällen, wie in 3 skizziert, in welchen die Leisten 10 nicht in Radialrichtung vom Hohlkörper 7 abstehen.
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Die 6 zeigt eine mögliche Verwendung der Rotor-Generator-Anordnungen 2 nach den 1 bis 3 in einer größeren Windkraftanlage 1. Ebenso sind die Rotoren 3 nach den 4 und 5 für die Verwendung in der Windkraftanlage 1 nach 6 geeignet.
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Gemäß 6 ist eine Mehrzahl an Rotor-Generator-Anordnungen 2 zu einem Rotor-Array 16 zusammengefasst. Im vorliegenden Fall ist das Rotor-Array 16 aus lediglich achtzehn Rotor-Generator-Anordnungen 2 gebildet. In prinzipiell gleicher Weise sind auch Rotor-Arrays 16 mit einer weit größeren Anzahl an Rotor-Generator-Anordnungen 2 realisierbar.
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Das gesamte Rotor-Array 16 befindet sich in einem Rahmen 28, welcher sowohl eine statische als auch eine strömungsleitende Funktion haben kann. Insbesondere können Seitenelemente des Rahmens 28 schräg zur Windrichtung WR gestellt sein. Die gesamte Anordnung aus Rahmen 28 und Rotor-Array 16 wird durch eine Stützkonstruktion 15 getragen. Die Stützkonstruktion 15 umfasst im vorliegenden Fall einen Mast 17, schräggestellte Stützen 18 sowie horizontale Streben 19.
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Der Mast 17 ist mit Hilfe eines unteren Radiallagers 20 und eines oberen Radiallagers 21 ohne jeglichen in Umfangsrichtung wirksamen Anschlag drehbar gelagert, wobei alternativ lediglich eine Schwenkbeweglichkeit des Rotor-Arrays 16 um einen begrenzten Winkel gegeben sein kann. Axialkräfte, das heißt im vorliegenden Fall in vertikaler Richtung wirkende Kräfte, werden durch ein Axiallager 22 aufgenommen, welches eine als Gehäusescheibe fungierende Auflageplatte 23 sowie eine hier mit dem Mast 17 verbundene Wellenscheibe 24 umfasst. Ein Drehantrieb zum Verschwenken der gesamten Baugruppe, welche den Mast 17, den Rahmen 28 sowie das Rotor-Array 16 umfasst, ist mit 25 bezeichnet.
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Im bestimmungsgemäßen Betrieb strömt der Wind von vorne, wie in 6 dargestellt, auf das Rotor-Array 16. Hierbei wird einerseits ein Großteil der Windströmung durch die einzelnen Rotor-Generator-Anordnungen 2 erfasst, wobei andererseits, wie aus 6 hervorgeht, außerhalb der Rotoren 3 noch ausreichend große Freiräume existieren, um Wind durch das Rotor-Array 16 hindurchströmen zu lassen, sodass die Anordnung aus Rahmen 28 und Rotor-Array 16 nicht als geschlossene, den Wind stoppende Barriere wirkt. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass neben den Rotor-Generator-Anordnungen 2 ausreichend Raum freigehalten ist, der insbesondere bei Wartungsarbeiten nutzbar ist. Wartungspersonal kann im vorliegenden Fall einen Aufzug 27 nutzen, der sich im Mast 17 befindet. Eine Tür, durch welche der Aufzug 27 betreten werden kann, ist mit 26 bezeichnet. Der Drehantrieb 25 oder eine gesonderte Bremsvorrichtung ermöglicht ein Blockieren des ansonsten drehbaren Mastes 17. Ferner kann mit Hilfe des Drehantriebs 25 bei zu starkem Wind, welcher keine Nutzung der Windenergie mehr zulässt, der Rahmen 28 derart verdreht werden, dass lediglich seine Schmalseite angeströmt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Windkraftanlage
- 2
- Rotor-Generator-Anordnung
- 3
- Rotor
- 4
- Welle
- 5
- Generator
- 6
- Generatorstütze
- 7
- Hohlkörper
- 8
- Wandung des Hohlkörpers
- 9
- Außenoberfläche des Hohlkörpers
- 10
- strömungsleitende, gewundene Leiste
- 11
- kappenförmiger Abschnitt des Rotors
- 12
- zylindrischer Abschnitt des Rotors
- 13
- Spitze
- 14
- Strömungskanal
- 15
- Stützkonstruktion
- 16
- Rotor-Array
- 17
- Mast
- 18
- schräggestellte Stütze
- 19
- horizontale Strebe
- 20
- unteres Radiallager
- 21
- oberes Radiallager
- 22
- Axiallager
- 23
- Auflageplatte, Gehäusescheibe
- 24
- Wellenscheibe
- 25
- Drehantrieb
- 26
- Tür
- 27
- Aufzug
- 28
- Rahmen
- a8
- große Halbachse
- a10
- große Halbachse
- b
- kleine Halbachse
- d
- mittlerer Abstand
- DR
- Drehrichtung
- E1
- inneres Ellipsoid
- E2
- äußeres Ellipsoid
- H
- Höhe
- MA
- Mittelachse, Drehachse
- R
- Radius
- WR
- Windrichtung
