DE19635379A1 - Windkraftwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Windkraftwerk gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.

Heutzutage sind Windkraftanlagen bekannt, die senkrecht kreisende Flügel in Form von Propellern, in bestimmten Ausgestaltungsformen auch mit nur einem Propellerarm aufweisen, wobei die Windkraftanlage der Windrichtung nachgeführt werden kann, indem der Rotorträger um eine senkrechte Achse gedreht wird. Solche Windkraftanlagen haben den Nachteil, daß aufgrund der Kreisbewegung der Flügel die sich dem Wind bietende Fläche nicht ausreichend und optimal genutzt werden kann und ein Abschalten solcher Windkraftanlagen bei zu hohen oder auch zu geringen Windstärken erforderlich ist. Aufgrund des Erscheinungsbildes ist eine Aufstellung an beliebigen Orten nicht möglich.

Weiterhin sind Windkraftanlagen bekannt, die in Zylinderform aufgebaut sind, bei denen eine senkrecht stehende Achse, an der ein Windschaufelrad angebracht ist, durch Windkräfte zum Drehen gebracht wird, um dadurch Drehkräfte und Drehmomente zu erzeugen, die auf einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie übertragen werden. Eine solche Windkraftanlage ist aus der DE-OS 27 15 919 bekannt. Diese vorgeschlagene Windkraftanlage unter anderem hat den Nachteil, daß das Windschaufelrad an der Achse starr angebracht ist und in Abhängigkeit von der Windkraft Energie erzeugt wird, wobei die erzeugte Energiemenge in aufwendiger Weise elektrisch vergleichmäßigt werden muß. Da eine Einspeisung der erzeugten Energie in das öffentliche Stromnetz nur in bestimmten Wertebereichen möglich ist, ist auch hier bei zu geringer oder zu großer Windkraft ein Abschalten des Windkraftwerkes erforderlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu vermeiden und ein Windkraftwerk bereitzustellen, das bei weitestgehend beliebigen Windkräften und Windrichtungen einen nahezu optimalen Wirkungsgrad hat.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Zum einen hat die zylindrische Bauform des Windkraftwerkes beziehungsweise des Windschaufelrades den Vorteil, daß gegenüber den Windkraftanlagen mit senkrecht kreisenden Flügeln ein wesentlich größerer Windbereich (zum Beispiel etwa fünffach) erfaßt werden kann. Zum anderen bietet die zumindest eine Windleiteinrichtung den Vorteil, daß dadurch der Wind auf das Windschaufelrad beziehungsweise die Windschaufelräder geleitet wird, wobei in Abhängigkeit der Stellung der Windleiteinrichtung ein optimaler Wirkungsgrad der Räder erzielt werden kann. Als weiterer Vorteil ist zu nennen, daß bei besonders hohen Windkräften und auch bei auftretenden Böen die Windbeaufschlagung des Windkraftwerkes geregelt werden kann. Somit wird verhindert, daß ein Abschalten des Windkraftwerkes erforderlich wird.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Windleiteinrichtung in Abhängigkeit von der Stärke und/oder der Windkraft in bezug auf das zumindest das eine Windschaufelrad ausrichtbar. Durch die Erfassung der Stärke und/oder der Richtung der Windkraft kann somit mittels der Windleiteinrichtung dem Windkraftwerk eine solche Menge Windmenge mit einem vorgebbaren Winddruck zugeleitet werden, der von den Windschaufelrädern des Windkraftwerkes optimal zur Erzeugung elektrischer Energie verarbeitet werden kann.

In Weiterbildung der Erfindung weist die Windleiteinrichtung mehrere achsparallele und voneinander beabstandete Lamellen auf. Solche Lamellen stellen eine konstruktiv einfache und zuverlässige Realisierung der Windleiteinrichtung dar, wobei die Lamellen in vorteilhafter Weise in Längsrichtung parallel zu der Windrichtung durch Stelleinrichtungen ausgerichtet werden. Zur gezielten Zuführung von Windkraft werden die Lamellen von dieser Stellung bis in eine Stellung, beider ihre Längsachse weitestgehend quer zu der Windrichtung ausgerichtet ist, verstellt, so daß sich ein Lamellenvorhang ergibt, der weniger oder annähernd keinen Wind mehr durchläßt. Darüber hinaus bewirken die Lamellen eine Verminderung der Windgeräusche, da das Windkraftwerk konstruktiv auf seinen optimalen Arbeitspunkt bei einer bestimmten Windmenge (beziehungsweise Winddruck) abgestimmt wird, wobei Schwankungen von der zumindest einen Windleiteinrichtung ausregelbar sind.

In Weiterbildung der Erfindung sind mehrere jeweils eine Achse mit daran angeordneten Windschaufeln aufweisende und ein Modul bildende Windschaufelräder axial hintereinander angeordnet, wobei sich die Windleiteinrichtung zumindest über einen Teilbereich, insbesondere über den gesamten Bereich, der hintereinander angeordneten Module erstreckt. Die Modulbauweise hat den Vorteil, daß diese Module einzeln oder in der erforderlichen Vielzahl hintereinander oder nebeneinander gestaffelt angebracht werden können. Damit werden insbesondere bei einer Serienproduktion der Module oder der Windschaufelräder und bei gleichartigen Modulen oder Windschaufelrädern geringe Kosten erreicht. Die Achsen der einzelnen Module werden untereinander miteinander verbunden, wobei es auch denkbar ist, beispielsweise zu Wartungszwecken zumindest ein Modul über eine Kupplung mit zumindest einem weiteren Modul zu verbinden. Damit können beim Betrieb einer Vielzahl von Modulen einzelne Module oder Windschaufelräder abgeschaltet und gewartet oder auch ausgetauscht werden. Die Achse eines Modules beziehungsweise die Windschaufelräder sind beispielsweise in Kugel lagern oder in anderen für eine entsprechende Lagerung geeigneten Lagern in den Modulen oder in dem Gerüst gelagert. Dadurch fängt das Turmgerüst den Winddruck auf und die Windschaufelräder können bei Bedarf an die Achse angekoppelt oder von der Achse abgekoppelt werden.

In Weiterbildung der Erfindung treibt ein Modul oder mehrere Module einen Generator oder mehrere Generatoren an. Damit stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung, ein Windkraftwerk aufzubauen. Es ist denkbar, daß in jedem Modul ein Windschaufelrad und ein Generator angeordnet ist, wobei es weiterhin auch denkbar ist, daß eine Gruppe von Modulen einen oder mehrere Generatoren antreibt. Zu diesem Zweck sind die von den Windschaufelrädern zu den Generatoren führenden Achsen durch das gesamte Gerüst oder nur durch Abschnitte davon geführt. Es ist auch möglich, einen Teil der Windschaufelräder von der Achse abzukoppeln. Auch damit erhöht sich die Reparaturfreundlichkeit sowie die Möglichkeit der Anpassung an die Windverhältnisse (insbesondere Winddruck).

In Weiterbildung der Erfindung ist die Windleiteinrichtung an dem Gerüst des Windkraftwerkes angeordnet. Damit ergibt sich eine kompakte Baueinheit, die einfach herstellbar und aufstellbar ist. Weiterhin ist es denkbar, daß die Windleiteinrichtung weitere Einrichtungen wie z. B. einen Treppenaufgang oder einen Fahrstuhl aufnimmt, wobei dann beispielsweise das Windkraftwerk in einem Aussichtsturm mit einer Aussichtsplattform integriert ist oder den Aussichtsturm selbst bildet.

In Weiterbildung der Erfindung sind mehrere Windkraftwerke nebeneinander, gegebenenfalls versetzt zueinander, aufstellbar oder übereinander angeordnet. Die Aufstellung mehrerer Windkrafträder nebeneinander (vertikal, bei senkrecht angeordneten Achsen) oder die Anordnung übereinander (horizontal, bei waagerechten Achsen) hat den Vorteil, daß die von dem Wind beaufschlagbare Fläche vergrößert wird und aufgrund der rechteckigen oder quadratischen Form optimal ausgenutzt wird, so daß sich der Wirkungsgrad weiter erhöht. Auch bei mehreren Windkraftwerken nebeneinander oder übereinander kann die Windleiteinrichtung eingesetzt werden, wobei die Achse der Windleiteinrichtung parallel oder quer zu der Achse des Windkraftwerkes angeordnet wird.

In Weiterbildung der Erfindung ist dem Windkraftwerk noch zumindest eine weitere Windleiteinrichtung zugeordnet. Diese weitere Windleiteinrichtung hat den Zweck, den einfallenden Wind auf einer größeren Fläche, die größer ist als die Querschnittsfläche des Windkraftwerkes selber, bei geringen Windstärken zu bündeln oder bei höheren Windstärken aufzufächern, so daß durch die weitere Windleiteinrichtung schon eine weitestgehende Vergleichmäßigung der Wind kraft, die über die Windleiteinrichtung dem Windkraftwerk zugeführt wird, erreicht wird.

Die Erfindung läßt beliebige Ausführungsformen zu. Einige besonders vorteilhafte und konkrete Ausgestaltungen sind im folgenden beschrieben und anhand der Fig. 1 bis 18 erläutert.

In Fig. 1 ist ein Windkraftwerk 1 gezeigt, daß ein Gerüst 2 aufweist, in dem ein Windschaufelrad 3 angeordnet ist, wobei dieses Windschaufelrad 3 an einer Achse 4 angeordnet ist. Das Gerüst 2 ist auf einer Aufstellfläche 5 aufgestellt.

In Fig. 2 ist ein Windkraftwerk 1 gezeigt, bei dem in dem Gerüst 2 übereinander mehrere Windschaufelräder 3 angeordnet sind. Diese Windschaufelräder 3 sind an einer mittig in dem Gerüst 2 gelagerten Achse 4 angeordnet, wobei das Windkraftwerk 1 auf einer beliebigen Aufstellfläche 5 aufgestellt ist. Ein Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie ist beispielsweise in Verlängerung der Achse 4 angeordnet, kann aber auch über ein Getriebe von der Drehung der Achse 4 angetrieben werden, wobei dann beispielsweise der Generator in einem Gebäude untergebracht werden kann.

Fig. 3 zeigt das Windkraftwerk 1, bei dem mehrere Windschaufelräder 3 zu Modulen zusammengefaßt sind. In einem Modul 6 ist mindestens 1 Windschaufelrad 3 angeordnet, wobei in Fig. 3 gezeigt ist, daß ein Modul 6 zwei Windschaufelräder 3 aufweist. Die Achsen 4.1 und 4.2 der beiden gezeigten Module 6 können über eine Kupplung 7.1 getrennt voneinander oder miteinander verbunden sein. Sind die Achsen 4.1 und 4.2 voneinander getrennt, treibt jede Achse eines Modules 6 einen Generator 7 an, der oberhalb, unterhalb oder auch im Zwischenbereich der Achse 4 des Modules 6 angeordnet ist. Denkbar ist auch, daß zu Wartungszwecken oder bei bestimmten Windverhältnissen (zu wenig Wind) der Betrieb der unteren Windschaufelräder 3 an der Achse 4.2 über die Kupplung 7.1 abgeschaltet wird, um das Schleppmoment für die oberen Windschaufelräder 3 an der Achse 4.1 zu verkleinern. Steigt der Winddruck wieder über einen erfaßbaren und vorgebbaren Wert, wird wieder die Kupplung 7.1 eingerückt und die unteren Windschaufelräder 3 zugeschaltet. Zumindest die Achse 4.2 beziehungsweise die zugehörigen Windschaufelräder 3 sind in einer Lagerung 8 gelagert.

Fig. 4 zeigt wiederum ein Modul 6, bei dem die Achse 4 beziehungsweise das Windschaufelrad 3 in einer Lagerung 8 gelagert ist. Die Ausführung der Lagerung 8 ist abhängig von der Ausgestaltung der Achse 4 beziehungsweise des Windschaufelrades 3 und muß in Abhängigkeit von den maximal auftretenden Belastungen berechnet und ausgelegt werden.

Fig. 5 zeigt ein Windschaufelrad 3, bei dem um die Achse 4 herum mehrere gerade Windschaufeln 9 angeordnet sind.

Fig. 6 zeigt das Windschaufelrad 3, bei dem mehrere geknickte Windschaufeln 10 um eine Hohlwelle 11 angeordnet sind, wobei die Hohlwelle 11 konzentrisch zu der Achse 4 angeordnet ist. Die Verwendung einer Hohlwelle erhöht die Stabilität und es können Versorgungsleitungen oder dergleichen durch die Hohlwelle durchgeführt werden. Denkbar ist auch, die Achse 4 bei Einsatz der Hohlwelle 11 wegzulassen. Durch Aussparungen in der Verbindung des Windschaufelrades 3 mit der Achse 4 oder einer teilweisen Verbindung verbleibt Raum für den Einbau des Generators (siehe auch Fig. 4).

Fig. 7 zeigt das Windschaufelrad 3, bei dem um die Achse 4 mehrere gebogene Windschaufeln 12 angeordnet sind. Eine Kombination der Ausgestaltungen nach den Fig. 5 bis 7 ist denkbar und beliebig wählbar.

In Fig. 8 ist eine Windleiteinrichtung 13 gezeigt, die zumindest in dem Bereich, in dem zumindest ein Windschaufelrad 3 oder, wie in Fig. 2 gezeigt ist, mehrere Windschaufelräder 3 mit Windkraft beaufschlagt werden, angeordnet ist. Die Windleiteinrichtung 13 weist mehrere achsparallel nebeneinander angeordnete Lamellen auf, die um Achsen 15 drehbar sind von einer nicht gezeigten Stellvorrichtung, um die Lamellen 14 in Richtung des Windes, der durch den Pfeil angedeutet ist, auszurichten. Vorteilhaft ist eine gleichzeitige und gleichgerichtete Verstellung der Lamellen 14, wobei diese aber auch unterschiedlich voneinander eingestellt werden können.

Fig. 9 zeigt die Stellung der Windleiteinrichtung 13 für eine andere Richtung des Windes, wobei zur Ergänzung in Fig. 10 noch dargestellt ist, daß die Windleiteinrichtung 13 auch eine Art Vorhang bilden kann, so daß dem Windkraftwerk 1 annähernd kein Wind mehr zuführbar ist. Eine solche Einstellung kann beispielsweise bei Orkanböen kurzfristig oder auch zu Wartungszwecken des gesamten Windkraftwerkes 1 eingestellt werden.

Fig. 11 zeigt das Windkraftwerk 1, bei dem die Windleiteinrichtung 13 entlang der gestrichelten Linie um das Gerüst 2 selbsttätig, automatisch oder angetrieben bewegbar ist, wobei dem Windkraftwerk 1 noch eine weitere Windleiteinrichtung 16, die ebenfalls zumindest eine um eine Achse drehbare Lamelle aufweisen kann, zugeordnet ist. Damit kann das Windeinzugsgebiet für das Windkraftwerk 1 vergrößert und der Wind über die weitere Windleiteinrichtung 16 und die Windleiteinrichtung 13 gezielt zugeführt werden. Bei den an dem Gerüst 2 dargestellten und konzentrisch angeordneten Lamellen kann es sich auch um eine Windleiteinrichtung, die in Fig. 11 mit der in Klammern gesetzten Bezugsziffer 13 versehen ist, handeln, die nach dem Voith-Schneider-Propeller-Prinzip arbeitet, wozu die Windrichtung erfaßt wird und die Ausrichtung der Lamellen während eines Umlaufes kontinuierlich über eine Hebelmechanik der Windrichtung angepaßt wird.

Die Ausgestaltung und die Anordnung des erfindungsgemäßen Windkraftwerkes 1 ist beliebig einsetzbar. Fig. 12 zeigt, daß das Windkraftwerk 1 auf einer Kirche 17 angeordnet ist, wobei dann das Gerüst 2 des Windkraftwerkes 1 beispielsweise den Kirchturm bildet.

Fig. 13 zeigt einen Aussichtsturm 18, der das Windkraftwerk 1 aufnimmt, oder der von dem Gerüst 2 gebildet ist. Der Aussichtsturm 18 weist dann einen Treppenaufgang von der Aufstellfläche 5 bis zu einer am oberen Ende des Aussichtsturm 18 angeordneten Aussichtsplattform 20, die feststehend an dem Gerüst 2 angeordnet ist, auf.

Fig. 14 zeigt, daß auf einem Dach 21 eines Hauses 22 das Windkraftwerk 1 angeordnet ist. Das unterste, schräge Modul (insbesondere ohne Windschaufelrad) nimmt beispielsweise den Generator 7 auf, wobei die darüberliegenden Module 6 aktiv die Windkraft aufnehmen und den Generator 7 antreiben. In dem Dach kann auch in einer Aussparung das unterste Modul aufnehmen, in dem schon ein Windschaufelrad angeordnet ist. Der oberste Bereich des Gerüstes 2 kann als Spitze oder in sonstiger Form (beispielsweise als Zwiebelturm) ausgeführt sein, um das Windkraftwerk 1 den landschaftlichen oder regionalen Gegebenheiten anzupassen. Darüber hinaus ist eine Bemalung des Windkraftwerkes 1 beziehungsweise der Windleiteinrichtungen denkbar, um Störungen des Hausbildes oder des dörflichen oder städtischen Bildes zu vermeiden. Auch eine seitliche Anpflanzung von Hecken und Bäumen kann eine Störung des Landschaftsbildes vermeiden.

Fig. 15 zeigt ein sich über mehrere Meter erstreckendes Windkraftwerk 1, wobei das Gerüst mittels Verspannungen 23 gesichert ist.

Das erfindungsgemäße Windkraftwerk kann auf beliebigen Aufstellflächen aufgestellt werden. Neben der Aufstellung auf dem Land (beispielsweise in der flachen Ebene an der Küste, auf Bergkuppen oder Berghütten, auf Warftgehöften und ähnlichem), ist es denkbar, ein Windkraftwerk oder mehrere Windkraftwerke auf Schiffen, Booten, auf betriebenen oder stillgelegten Ölplattformen oder auf im Meer verankerten Pontons aufzustellen.

Fig. 16 zeigt mehrere gestaffelt angeordnete Windkraftwerke 1, durch die die dem Wind entgegengesetzte Fläche in Quader- oder Rechteckform optimal ausgenutzt werden kann.

Fig. 17 zeigt eine Seitenansicht des Windkraftwerkes 1 mit der zugeordneten Windleiteinrichtung 13. In dieser um das Gerüst 2 drehbaren Windleiteinrichtung 13 ist zum Beispiel eine Treppe oder ein Aufzug oder dergleichen angeordnet.

Fig. 18 zeigt ein Windkraftwerk 1, bei dem zumindest ein Windschaufelrad 3, gezeigt sind die beiden Windschaufelräder 3.1 und 3.2, über Kupplungsmittel 24 an die durchgehende Achse 4 (denkbar ist die Kupplung auch bei getrennten Achsen 4.1, 4.2) an- oder abkoppelbar sind. Diese Kupplungsmittel 24 können zum Beispiel als Fliehkraftkupplung ausgebildet sein, die die Windschaufelräder 3.1 und 3.2 bei zu geringem Wind abkuppelt, um so daß Schleppmoment für die oberen Windschaufelräder 3 zu verringern. Denkbar ist auch der Einsatz einer Klauenkupplung, die über Hubmittel 25, die auch die Lagerung beinhalten können, betätigbar ist. Zu diesem Zweck sind sowohl an den Windschaufelrädern als auch an der Welle Klauen angebracht, die über die Hubmittel 25 in Drehrichtung in Überdeckung gebracht werden und somit ein Ankoppel bewirken. Liegt keine Überdeckung der Klauen des Windschaufelrades mit den Klauen der Welle vor, ist das Windschaufelrad abgekoppelt und steht still. Zusätzlich kann eine Bremse, die im abgekoppelten Zustand wirksam ist, vorgesehen werden, um Verletzungsgefahren bei Wartungsarbeiten durch plötzlich auftretende Windstöße zu vermeiden.

Claims (12)

1. Windkraftwerk (1) mit einem Gerüst (2) und zumindest einem in dem Gerüst (2) gelagerten Windschaufelrad (3), wobei zumindest ein Generator (7) zur Erzeugung elektrischer Energie von dem Windschaufelrad (3) antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bereich, in dem das zumindest eine Windschaufelrad (3) mit Windkraft beaufschlagt ist, zumindest eine Windleiteinrichtung (13) angeordnet ist.

2. Windkraftwerk (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Windleiteinrichtung (13) in Abhängigkeit von der Stärke und/oder der Richtung der Windkraft in Bezug auf das zumindest eine Windschaufelrad (3) ausrichtbar ist.

3. Windkraftwerk (1) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Windleiteinrichtung (13) mehrere achsparallele und voneinander beabstandete Lamellen (14) aufweist.

4. Windkraftwerk (1) nach Anspruch 1, Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere jeweils eine Achse (4) mit daran angeordneten Windschaufeln (9; 10; 12) aufweisende und ein Modul (6) bildende Windschaufelräder (3) axial hintereinander angeordnet sind, wobei sich die Windleiteinrichtung (13) zumindest über einen Teilbereich der hintereinander angeordneten Module (6) erstreckt.

5. Windkraftwerk (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Modul (6) oder mehrere Module (6) einen Generator (7) oder mehrere Generatoren (7) antreibt oder antreiben.

6. Windkraftwerk (1) nach Anspruch 4 oder Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Welle (4.1) eines Modules (6) über eine Kupplung (7.1) mit zumindest einer Welle (4.2) eines weiteren Modules (6) verbindbar ist.

7. Windkraftwerk (1) nach Anspruch 4 oder Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Windschaufelrad (3) über Kupplungsmittel (24) an die Achse (4; 4.1; 4.2) an- oder abkoppelbar ist.

8. Windkraftwerk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Windleiteinrichtung (13) an dem Gerüst (2) angeordnet ist.

9. Windkraftwerk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Windleiteinrichtung (13) weitere Einrichtungen wie zum Beispiel einen Treppenaufgang (19) oder einen Fahrstuhl aufnimmt.

10. Windkraftwerk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerüst (2) zumindest teilweise von den Modulen (6) gebildet wird.

11. Windkraftwerk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Windkraftwerke (1) nebeneinander, gegebenenfalls versetzt zueinander, aufstellbar oder übereinander angeordnet sind.

12. Windkraftwerk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Windkraftwerk (1) eine weitere Windleiteinrichtung (16) zugeordnet ist.