DE19846012A1 - Windkraft-Großanlage vorzugsweise zur Stationierung im maritimen Bereich - Google Patents

Abstract

Eine Windkraft-Großanlage hat eine vertikale Achse, die am Boden der Anlage verankert ist. Am oberen Ende der Achse ist ein Trägerteil drehbar gelagert angeordnet, dessen Durchmesser ein Drittel der Gesamtanlage beträgt. Außen am Trägerteil sind Laufräder befestigt, die auf einer kreisrunden Laufschiene rotieren. An gleicher Stelle sind zahlreiche Ausleger (2) angesetzt, die radial schräg nach oben in den Luftraum gerichtet und an deren Enden Segelmaste (3) drehbar gelagert montiert sind. Bei der Umdrehung der Ausleger (2) um die Zentralachse werden die Segelmaste (3) durch einen Mechanismus derart gesteuert, daß zwei Drittel der Windbeaufschlagflächen ein gemeinsames Drehmoment in eine bestimmte Richtung ausüben. DOLLAR A Die Anlage kann aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung der Ausleger (2) und des Laufwerks so groß dimensioniert werden, daß sie zahlreiche Kleinanlagen ersetzen kann. Durch die niedrige Höhe der Beaufschlagflächen und die Stationierung der Aggregate im Bodenraum wird ein tiefer Schwerpunkt erreicht, wodurch die Anlage besonders zur Stationierung im maritimen Bereich geeignet ist.

Description

Das Scheitern der 1986 in Betrieb gegangenen Großwindanlage-Growian 1 hat gezeigt, daß den klassischen Windanlagen in der Dimension enge Grenzen gesetzt sind. Um die Windkraft trotzdem als erneuerbaren Energieträger zu nutzen, faßt man nun viele kleine Anlagen zu Windparks zusammen, deren Standorte aber nicht unbegrenzt zur Verfügung stehen.

Aufgrund mangelnder Standorte an Land, aber auch wegen der höheren Energieernte im maritimen Bereich, planen dänische Energieversorgungsunternehmer mit Unterstützung der Regierung, dort große Windparks zu errichten.

Nach dem Zeitplan der EVU's sollen über 4 000 Megawatt bis 2027 offshore installiert sein. Der erste Schritt wird ein 40 MW Park nahe Kopenhagen im Jahre 2000 sein. (Wind Kraft Journal Ausgabe 4/97 Seite 10-12)

Wie aus dem Bericht zu entnehmen ist, sind die Fundamente für die Windanlagen teuer, aufwendig und für Wassertiefen bis 15 m müssen erst noch neue Technologien erprobt werden.

Gegenstand der Erfindung ist eine Windanlage, die bei geringer Höhe einen großen Durchmesser zuläßt, dem Wind zahlreiche Beaufschlagflächen entgegensetzen kann, und sich der Schwerpunkt bzw. Generator am Boden der Anlage befindet.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Anlage eine vertikale Achse hat, die starr am Boden verankert ist. An einem Trägerteil, daß am oberen Achsende gelagert ist, sind zahlreiche Ausleger angeordnet, die sich radial schräg nach oben in den Luftraum richten. An den Enden dieser Ausleger sind senkrecht Windbeaufschlagflächen drehbar gelagert installiert. Diese werden durch einen einfachen Mechanismus bei der Umdrehung der Ausleger um die Zentralachse zwangsbewegt. Die Funktion dieser Vertikalwindanlagen ist bekannt. Sie besteht darin, daß bei einer Umdrehung der Ausleger in Rechtsrichtung, die Beaufschlagflächen eine halbe Umdrehung gegenläufig in Linksrichtung ausführen. Dabei nehmen alle Flächen, egal wie viele angeordnet sind, immer den optimalen Anstellwinkel zur Windrichtung ein, so daß der überwiegende Teil der Windflächen ein Drehmoment in die vorgegebene Drehrichtung bewirkt.

Die erfindungsgemäße Großanlage weist verschiedene Vorteile auf. Aufgrund der Tatsache, daß bei Erweiterung des Durchmessers die Funktion und Sturmsicherheit der Anlage positiv beeinflußt wird, und die Höhe dabei aber unberührt bleibt, kann die sie so groß dimensioniert werden, wie es die Statik bzw. die Stabilisierung der Ausleger zuläßt. Durch die hohe elektrische Leistung dieser Anlage, können zahlreiche Kleinanlagen dadurch ersetzt werden. Ein störender Effekt auf die nähere Umgebung, ist wegen der langsamen Drehgeschwindigkeit auszuschließen.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Ausleger des Laufwerks, und die Verlagerung des Schwerpunkts in den Bodenbereich, ist die Anlage besonders zur Stationierung im maritimen Bereich geeignet. Sie kann in allen Wassertiefen eingesetzt werden, soweit eine Verankerung möglich ist. Bei einer eventuellen Wasserstofferzeugung können die angebauten Stabilisierungsarme des Schwimmkörpers als Tanklager benutzt werden. Raum für die Generatoren und Aggregate ist mehr als erforderlich vorhanden. Die Mobilität dieser schwimmenden Anlage ist besonders hervorzuheben. Zum Beispiel können sie auf deutschen Werften gebaut und in die küstennahen Gewässer vieler Länder geschleppt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von sechs Zeichnungen erläutert:

Fig. 1 zeigt eine derartige Windkraftanlage auf einen Spezialschwimmkörper gebaut.

Fig. 2 zeigt eine Binnenlandanlage mit den Auslegern und den Windbeaufschlag­ flächen schematisch dargestellt. Der jeweilige Anstellwinkel der Windflächen ist gut erkennbar.

Fig. 3 zeigt die Silhouette der Schwimmanlage von der Seite gesehen.

Fig. 4 zeigt den Innenraum der Schwimm- bzw. Landanlage mit dem Laufwerk, Auslegerträgerteil und der Windrichtungssteueranlage.

Fig. 5 zeigt die Windrichtungssteueranlage in Explosionsdarstellung.

Fig. 6 zeigt die an den beiden Halterungen der Ausleger drehbar gelagerten Segelmaste.

Da die Anlage bei 12 m/s Windweg für eine Umdrehung ca. 1 Minute benötigt, und die Ausstattung mit Segel relevante Vorteile mit sich bringt, kann nur diese Form von Windbeaufschlagflächen in Frage kommen.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Windkraftanlage weist eine senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnete, am Boden starr verankerte zentrale Achse 7 auf, an deren oberen Ende ein Trägerteil 8 drehbar gelagert ist. An diesem Trägerteil 8 sind zahlreiche Ausleger 2 angesetzt, die sich radial schräg nach oben in den Luftraum richten. An den Außenseiten der Ausleger 2 sind an zwei Halterungen 22 die Segelmaste 3 drehbar gelagert befestigt. Diese sind mit einer mehrfach gelagerten Gelenkwelle 9 mit dem Zentralkegelzahnrad 14 der Windrichtungssteuerung verbunden. Dieses Zentralkegelzahnrad 14 ist als Abdeckplatte ausgebildet und ist an der Achsoberkante 7 drehbar gelagert aufgesetzt. Bei einem Radius, der etwa ein Drittel des Gesamtradius beträgt, sind an dem Trägerteil 8 Laufräder 11 montiert, die auf einer kreisrunden Laufschiene 12 rotieren. Der Innenraum wird bis zu den Auslegern überdacht 20 und an den Seiten bis zur Oberkante des Schwimmkörpers als Schutzverkleidung weitergeführt, so daß sich dieser Teil als drehbare Plattform darstellt. Durch eine umlaufende Schutzwand 23 ist die Anlage gegen eindringendes Seewasser geschützt.

Die Ausleger 2 werden an einem zentral platzierten Pylon 10 an Seilen aufgehängt und auch gegenseitig mit Seilen stabilisiert.

Dem Drehmechanismus der Segelmaste ist ein Untersetzungsverhältnis von 2 : 1 vorgegeben. Dies ist ein einfacher Vorgang und wird nachfolgend erläutert:
Das Zentralkegelzahnrad 14 hat eine bestimmte Anzahl Zähne. Die Kegelzahnräder 13 an der Achsseite der Gelenkwellen 9 haben den zehnten Teil dieser Zähne. Bei einer Umdrehung der Ausleger 2 um die Zentralachse 7 führen die Gelenkwellen 9 zehn Umdrehungen aus. An der Mastseite haben die Gelenkwellen 9 eine Getriebeschnecke und an den Masten 3 befinden sich Schneckenräder mit zwanzig Zähnen. Bei dieser Anordnung der Zahnräder kommt es zu der vorgegebenen Untersetzung 2 : 1. Schnecke und Schneckenrad müssen so gerichtet sein, daß die Maste ihre Rotation in gegenläufiger Richtung ausführen. Haben Ausleger und Segelmast die gleiche Drehrichtung, nehmen die im 90° Winkel zur Windrichtung stehenden Maste einen entgegengesetzten Anstellwinkel ein, so daß sich die Beaufschlagflächen gegenseitig sperren und so kein gemeinsames Drehmoment zustande kommt.

Die Windrichtungssteuerung wird ebenfalls durch einen einfachen Mechanismus betrieben und ist in Fig. 5 dargestellt:
Das Zentralkegelzahnrad 14 und der Kontaktgeber 18, der über eine Welle mit der oben am Pylon 10 positionierten Windfahne 19 verbunden ist, bilden eine Einheit. Bei einer Windrichtungsänderung setzt der Kontaktgeber 18 den Stellmotor 17 in Betrieb, dessen Schneckenradgetriebe 16 in das konstante Stirnzahnrad 15 eingereift und somit das Zentralzahnrad 14 in Bewegung setzt. Der Stellmotor 17 muß derart gepolt sein, daß das Zentralzahnrad 14 die gleiche Drehrichtung ausführt wie die Windfahne. Durch die Drehbewegung des Zentralzahnrades 14 werden die Anstellwinkel der Segelmaste 3 über die Gelenkwelle 9 auf die neue Windrichtung nachgeführt. Diese Windrichtungsanlage hat den Vorteil, daß sie von der automatischen Steuerung der Windfahne auf manuellen Betrieb umgeschaltet werden kann. Die Umdrehung der Anlage kann dann nach Belieben verringert, angehalten oder in die Gegenrichtung gesteuert werden.

Die Ausstattung der Windbeaufschlagflächen mit leichten Segel hat viele Vorteile:
Die Segelausstattung bringt im Vergleich zu festen Profilen eine Leistungssteigerung der Anlage von 17%. Durch das geringe Gewicht der Segel, können die Ausleger dementsprechend leicht konstruiert werden, was sich auch auf die Kosten auswirkt. Durchgehende Stahlmaste können bei Sturm einer großen Belastung widerstehen. Die Segel werden an speziellen Karabinerhaken, die außen an einem gespannten Seil, und innen am Mast befestigt sind, eingehängt. Durch eine in die Maste integrierte Seilwinde kann eine Arbeitsbühne am Mast hochgezogen werden. Auf diese Weise kann man in kurzer Zeit problemlos und sicher die Segel setzen, bei Beschädigung auswechseln, oder bei ausreichender Sturmvorwarnung teilweise oder vollständig abhängen.

Die Energieübertragung der Windkraftanlage auf die Generatoren kann wegen der extrem langsamen Drehgeschwindigkeit nur über den Energieträger Wasser erfolgen. Unter dem Trägerteil 8 werden Kolbenpumpen installiert, die Wasser in einem geschlossenen Kreislauf auf die Gleichdruckturbinen pumpen. Da herkömmliche Wasserpumpen völlig ungeeignet sind, mußte erst ein neuartiges Pumpensystem errunden werden, daß bei mehrfach geringerer Energieaufnahme, höchsten Druck erzeugen kann. Diese Erfindung ist der wichtigste Teil des Windkraftwerks und wird zu einem späteren Zeitpunkt zum Patent angemeldet. Aus diesem Grund können über das Wasserkraftwerk, mit Ausnahme der Förderleistung der Wasserpumpen, keine Angaben gemacht werden.

Nachfolgend die Förderleistung der Pumpen pro Sekunde:
Windweg 7 m/s Förderleistung 1 676 l/s ca. 8 MW
Windweg 12 m/s Förderleistung 3 353 l/s ca. 16 MW
Windweg 16 m/s Förderleistung 5 029 l/s ca. 24 MW

Die Drehzahl der Generatoren ist unabhängig von der Umdrehung der Windkraftanlage.

Claims (4)

1. Windkraft-Großanlage mit einer vertikalen Achse (7), am oberen Ende der Achse (7) ein Trägerteil (8), drehbar gelagert angeordnet, und an diesem zahlreiche Ausleger (2) mit Segelmaste (3) angesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Durchmesser des Trägerteils (8) ein Drittel der Gesamtanlage beträgt,
• - außen am Trägerteil (8) Laufräder (11) angebracht sind, die auf einer kreisrunden Laufschiene (12) rotieren,
• - an dem Trägerteil (8) zahlreich angesetzte Ausleger (2) radial schräg nach oben in den Luftraum gerichtet sind.

2. Windkraft-Großanlage nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß seitlich auf dem Zentralzahnrad (14) ein Stellmotor (17) angebracht ist, der von der Windfahne (19) über den Kontaktgeber (18) gesteuert wird.

3. Windkraft-Großanlage nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Stellmotor (17) über ein Schneckenradgetriebe (16) in das konstante Stirnzahnrad (15) eingreift, und so das Zahnrad in Bewegung setzt.

4. Windkraft-Großanlage nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Windbeaufschlagflächen mit Segel ausgestattet sind.