DE19851735A1 - Schwimmfähiges Windkraftwerk mit Rotorblättern die durch strömungsgünstig geformte Zugstränge verstärkt sind und vor und hinter den Rotorblättern gelagerter Rotorwelle - Google Patents

Schwimmfähiges Windkraftwerk mit Rotorblättern die durch strömungsgünstig geformte Zugstränge verstärkt sind und vor und hinter den Rotorblättern gelagerter Rotorwelle

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Abstract

Bei schwimmfähigen Windkraftwerken sind die Rotorblätter (5) durch strömungsgünstig geformte Zugstränge (6) und (7) verstärkt und die Rotorwellen vor und hinter den Rotorblättern (5) gelagert. Durch die Maßnahmen wird die Stabilität der Rotoren so erhöht, daß extrem große Rotordurchmesser, bei geringem Materialbedarf, ermöglicht werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein schwimmfähiges Windkraftwerk mit horizontaler Wellenachse dessen Rotorblätter durch strömungsgünstig geformte Zugstränge verstärkt sind und deren Rotorwelle vor und hinter den Rotorblättern (in Windrichtung gesehen) gelagert ist.
Die bekannten Windkraftwerke mit horizontalen Wellenachsen haben die Nachteile daß die Rotorwellen nur auf einer Seite von den Rotorblättern aus gesehen, gelagert sind und daß die Rotorblätter durch keine strömungsgünstig geformten Zugstränge verstärkt sind. Daher müssen die Rotorblätter und die Rotorwellen dieser Windkraftwerke großen Biege- und Verdrehbeanspruchungen standhalten. Diese großen Biege- und Verdrehbeanspruchungen resultieren im wesentlichen aus den Wind-, Schwingungs- und Gewichtskräften. Daher sind die bekannten Windkraftwerke mit horizontalen Wellenachsen in der Größe des Rotordurchmesser stark eingeschränkt, was insbesondere bei schwimmfähigen Windkraftwerken, die die günstigen hohen Windströmungen auf den Meeren nutzen könnten, zu wenig wirtschaftlichen Baugrößen führt. Die wegen der hohen Biege- und Verdrehmomente notwendigen Hohlprofile für die Rotorblätter, der bekannten Windkraftwerke mit horizontalen Wellenachsen, haben höhere Strömungswiderstandsbeiwerte als dünnere Vollprofile, was zu niedrigeren Schellaufzahlen (Verhältnissen von Rotorumfangsgeschwindigkeiten zu den Windgeschwindigkeiten) führt und damit zu entsprechend größeren Rotorblattbreiten und damit zu wesentlich höheren Rotorgewichten. Durch die niedrigen Schnellaufzahlen ergeben sich auch höhere Aufwendungen für Getriebe, die die Generatoren treiben, weil größere Übersetzungen erforderlich sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Nachteile zu vermeiden, das heißt wesentlich größere Rotordurchmesser bei geringem Materialbedarf und geringeren technischen Aufwand zu ermöglichen und höhere Schnellaufzahlen der Rotoren bei guten Wirkungsgraden zu erreichen.
Nach der Erfindung werden die Rotorblätter dadurch sehr biege-, schwingungs- und verdrehfest, daß die Rotorblätter durch strömungsgünstig geformte Zugstränge mehrfach gespannt sind, so daß die Wind- und Gewichtskräfte, die an den Rotorblättern wirken, im wesentlichen von den strömungsgünstig geformten Zugsträngen aufgenommen werden und Schwingungskräfte weitgehend vermieden werden. Die verbleibenden Biege- und Verdrehmomente, die zwischen den Befestigungspunkten der strömungsgünstig geformten Zugstränge an den Rotorblättern auftreten, sind, durch erhöhen der Zahl der strömungsgünstig geformten Zugstränge, so weit reduzierbar, daß sie von Rotorblättern mit dünnwandigem Vollquerschnitten dauerhaft und sicher ertragen werden können . Dünnwandige Vollprofile sind gegenüber Hohlprofilen wesentlich strömungsgünstiger. Daher können die Rotoren für schwimmfähige Windkraftwerke nach dieser Erfindung für höhere Schnellaufzahlen (das heißt für ein größeres Verhältnis von der Umfangsgeschwindigkeit der Rotoren zu der Windgeschwindigkeit) ausgelegt werden. Dies wiederum führt zu wesentlich geringeren Rotorblattbreiten und somit zu erheblichen Gewichts- und Materialeinsparungen bei den Rotoren. Darüber hinaus wird durch die höhere Schelläufigkeit das Übersetzungsverhältnis zwischen Rotor und Generator kleiner. Daher werden die an den Getrieben (wie beispielsweise Zahnrad-, Ketten, oder Reibradgetrieben) angreifende Kräfte und Momente geringer und somit die Baugrößen und der Gesamtaufwand für diese Getriebe erheblich reduziert. Über die Verstärkung der Rotorblätter durch die strömungsgünstig geformten Zugstränge hinaus wird der Rotor dadurch erheblich biege- und schwingungssteifer und der Materialaufwand für die Rotorwelle wesentlich reduziert, daß die Rotorwelle vor und nach den Rotorblättern (in Windrichtung gesehen) gelagert ist. Insgesamt ist ein Rotor nach dieser Erfindung, der durch die strömungsgünstig geformten Zugstränge verstärkt ist, so schwingungssteif, daß die noch auftretenden Schwingungen bei der Dimensionierung der Rotorblätter und der Rotorwelle kaum berücksichtigt werden müssen. Die sich somit ergebende hohe Gesamtstabilität der Rotoren nach dieser Erfindung führt insgesamt zu erheblichen Gewichts und Materialeinsparungen bei den Rotoren und den Getrieben und damit auch zur starken Reduzierung des Bauaufwandes.
Die Zeichnungen zeigen in
Fig. 1 eine Seitenansicht geschnitten eines schwimmfähigen Windkraftwerkes nach dieser Erfindung.
Fig. 2 einen horizontalen Schnitt durch ein Windkraftwerk nach Fig. 1
Fig. 3 einen Querschnitt durch ein Rotorblatt 5 nach dieser Erfindung.
Fig. 4 jeweils ein Beispiel eines strömungsgünstig geformten Profilschnittes der strömungsgünstig geformten Zugstränge 6 und 7 und der Reibradspeiche 8
Fig. 5 einen Teilschnitt durch ein keilnutförmiges Reibradgetriebe
Fig. 6 einen Schnitt hinter den Rotorblättern 5 der Rotorwelle.
Ein Ausführungsbeispiel eines schwimmfähigen Windkraftwerkes nach dieser Erfindung hat beispielsweise einen Rotordurchmesser von 200 m und ist für eine Schnellaufzahl von 12 ausgelegt. Die Rotorwelle des Rotors 1 ist beispielsweise aus Aluminiumlegierungs-Gußteilen und Aluminiumlegierungs-Schleudergußteilen zusammengeschweißt. Die feststehenden Rotorblätter 5 sind an angeschweißten Auslegern der Rotorwelle mittels Schrauben angeflanscht. Die Rotorblätter 5 sind etwa bis 6 mm dicke Vollprofile aus einer festen, schweißbaren und witterungsbeständigen Aluminiumiegierung. Die Teile der Rotorblätter 5 sind Kokillengußteile die zusammengeschweißt die Rotorblätter 5 ergeben. In den Bereichen, wo die strömungsgünstig geformten Zugstränge 6 und 7 an den Rotorblättern 5 befestigt sind, sind die Rotorblätter 5, entsprechend den Festigkeitserfordernissen strömungsgünstig geformt, verstärkt. Die strömungsgünstig geformten Zugstränge 6 und 7 bestehen zum Beispiel aus hochfestem Profilstahl, der an den Enden durch Warmformgebung verstärkt ist und sind an den Enden, wo sie an der Rotorwelle befestigt sind, mit Spannelementen versehen, mit denen sie auf die notwendige Vorspannung gebracht werden. Auf der Rotorwelle des Rotors 1 ist ein ringförmiges, keilförmig geschliffenes, großes Reibrad 14 aus oberflächengehärtetem Stahl, mit Reibradspeichen 16 zum Beispiel aus hochfestem Profilstahl bestehend, vorgespannt befestigt. Der Rotor 1 ist auf einem schwimmfähigen Tragwerk 2 montiert, das mit drei Stück Schwimmkörper 11 ausgestattet ist und dort (in Windrichtung gesehen) vor und hinter den Rotorblättern 5 gelagert. Die Lagerung 3 nimmt neben den Radialkräften die großen Achsialkräfte auf, die durch die Windkräfte auf den Rotor 1 wirken, während das Lager 4, neben den Radialkräften, nur geringe Achsialkräfte aufnehmen muß. Das schwimmfähige Tragwerk 2 besteht aus Stahlgußteilen und Schleudergußteilen aus Stahl die miteinander verschweißt sind. Auf dem schwimmfähigen Tragwerk 2 ist ein Drehstromgenerator für Drehstromerzeugung montiert, dessen Wellenende mit einem kleinen Reibrad 15 bestückt ist, das mit seiner umlaufenden, keilförmigen Nut, mit einer ausreichenden Kraft, gegen das große Reibrad 14 gepreßt wird. Daneben ist ein Transformator 9 angebracht, der den vom Generator 8 erzeugten, niedrig gespannten Strom in hochgespannten, wirtschaftlich übertragbaren Strom wandelt. Das schwimmfähige Windkraftwerk ist am Meeresgrund mittels eines schweren Ankers 12 aus Gußeisen und einem aus gerecktem Polyethylen (PE) bestehenden Seiles 13 verankert. Die Seilbefestigung am schwimmfähigen Tragwerk 2 ist drehbar kugelgelagert und mit einem Durchbruch für drei durchgeführte PE-ummantelte Kabelstränge 10, für die Drehstromübertragung zum Land hin, versehen.
Es gibt noch viele Ausführungsarten von schwimmfähigen Windkraftwerken nach dieser Erfindung.
Bezugszeichenliste
1
Rotor
2
schwimmfähiges Tragwerk
3
Lagerung
4
Lager
5
Rotorblatt
6
strömungsgünstig geformter Zugstrang
7
strömungsgünstig geformter Zugstrang
8
Generator
9
Transformator
10
Stromleitung
11
Schwimmkörper
12
Anker
13
Seil
14
großes Reibrad
15
kleines Reibrad
16
Reibradspeiche
17
aerodynamische Bremse

Claims (22)

1. Schwimmfähiges Windkraftwerk, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter (5) des Rotors (1) durch einen oder mehrere der strömungsgünstig geformten Zugstränge (6) verstärkt sind und zusätzlich durch einen oder mehrere der strömungsgünstig geformten Zugstränge (7) verstärkt sein können und daß die Rotorwelle des Rotors (1), in Windrichtung gesehen, vor den Rotorblättern (5) ein- oder mehrfach gelagert ist und hinter den Rotorblättern ein- oder mehrfach gelagert ist.
2. Schwimmfähiges Windkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter (5) dünnwandige strömungsgünstig geformte Vollprofile sind, die an den Stellen und in den Bereichen, wo die strömungsgünstig geformten Zugstränge (6) und (7) befestigt sind, verstärkt sind.
3. Schwimmfähiges Windkraftwerk nach einem oder beiden der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter (5) aus Blechen gefertigt sind, oder aus Blechen und/oder Gußteilen und/oder Preßteilen gefertigt sind, die durch Schweißen und/oder Schrauben und/oder Nieten und/oder Kleben verbunden sind.
4. Schwimmfähiges Windkraftwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter aus Kunststoff, insbesondere aus faserverstärktem Kunststoff gefertigt sind.
5. Schwimmfähiges Windkraftwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die strömungsgünstig geformten Zugstränge (6) und (7) aus hoch festen Materialien wie Federstahl oder kohlefaserverstärkten Kunststoffen bestehen.
6. Schwimmfähiges Windkraftwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die strömungsgünstig geformten Zugstränge (6) zu den Rotorblättern (5) hin ein- oder mehrfach fest oder gelenkig verzweigt sind und somit jeweils an zwei oder mehreren Stellen (Punkten) mit den Rotorblättern (5) verbunden sind.
7. Schwimmfähiges Windkraftwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter (5) in Bereichen, in denen die strömungsgünstig geformten Zugstränge (6) und (7) mit den Rotorblättern (5) verbunden sind, verstärkt ausgeführt sind.
8. Schwimmfähiges Windkraftwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorwelle ein Übersetzungsgetriebe, wie Zahnradgetriebe Kettengetriebe oder Reibradgetriebe treibt, welches dann jeweils einen Generator treibt.
9. Schwimmfähiges Windkraftwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein großes Reibrad (14), das ringförmig und keilförmig nach außen geformt ist, an der Rotorwelle mit strömungsgünstig geformten Reibradspeichen (16) befestigt ist und daß das große Reibrad (14) ein kleines Reibrad (15) treibt,daß eine zum großen Reibrad (14) passende umlaufende (wenn nötig) gehärtete Keilnutrille aufweist und daß dieses kleine Reibrad (15) einen Generator (8) antreibt.
10. Schwimmfähiges Windkraftwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Dreh- oder Wechselstromeizeugung mittels des Generators (8) ein Transformator (9), der auf das schwimmfähige Tragwerk (2) montiert ist, den von dem Generator (8) erzeugten Strom auf eine hohe Spannung transformiert.
11. Schwimmfähiges Windkraftwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Anker (12), der zum Beispiel aus Gußeisen gegossen und sehr schwer sein kann, der mit einem Seil (13) oder einer Kette verbunden ist, das schwimmfähige Windkraftwerk am Meeresboden verankert ist, wobei das andere Ende des Seiles (13) oder der Kette, leicht drehbar (zum Beispiel kugelgelagert) an dem schwimmfähigen Tragwerk (2) befestigt ist und daß diese leicht drehbare Befestigung einen Durchbruch zur Durchführung von Stromkabeln (10) aufweisen können und daß das Seil (13) vorteilhaft aus gerecktem Kunststoff wie beispielsweise aus gerecktem Polyethylen (PE) bestehen kann.
12. Schwimmfähiges Windkraftwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Stromkabel (10), von dem schwimmfähigen Windkraftwerk zum Stromempfänger an Land hin, im Meer verlegt sind, die den erzeugten Strom zum Stromempfänger übertragen.
13. Schwimmfähiges Windkraftwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem schwimmfähigen Tragwerk (2), des schwimmfähige Windkraftwerkes, Anlagen zur Erzeugung von Wasserstoff installiert sind, die aus Wasser, mit Hilfe des erzeugten Stromes, Wasserstoff erzeugen und das der erzeugte Wasserstoff, über eine (flexible) Rohrleitung, die auf dem Meeresgrund verlegt ist, zum Empfänger an Land hin transportiert wird.
14. Schwimmfähiges Windkraftwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem schwimmfähigen Tragwerk (2) des schwimmfähigen Windkraftwerkes Anlagen installiert sind, mit denen man mit dem erzeugten Strom aus Wasser Wasserstoff gewinnt, diesen Wasserstoff verflüssigt und ihn in einem oder mehreren gut wärmeisolierten Flüssigwasserstoffspeicher speichert, wobei der/die Flüssigwasserstoffspeicher auf dein schwimmfähigen Tragwerk (2) montiert sein kann, oder selbst schwimmfähig an dem schwimmfähigen Tragwerk (2) angekoppelt sein kann und daß von Flüssigwasserstoff-Tankschiffen der Flüssigwasserstoff übernommen wird und abtransportiert wird.
15. Schwimmfähiges Windkraftwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine aerodynamische Bremse mit der Generatorwelle des Generators (8) gekoppelt ist, die durch Flügelverstellung zum Abbremsen und Regulierung der Rotordrehzahl dient.
16. Schwimmfähiges Windkraftwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß Bremsbacken einer Einrichtung zum abbremsen des Rotors (1) an den Ring des großen Reibrades (14) wirken, oder am kleinen Reibrad (15) wirken, oder an einem Ring oder einer Scheibe wirken, der/die mit der Welle des Generators (8) gekoppelt oder verbunden ist.
17. Schwimmfähiges Windkraftwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser, auch der anfallende Sauerstoff, mit einer auf dem schwimmfähigen Tragwerk (2) installierten hierfür notwendigen Einrichtung, aufgefangen und gegebenen Falls verflüssigt und tiefgekühlt gespeichert wird und mit Tankschiffen für flüssigen Sauerstoff abtransportiert wird.
18. Schwimmfähiges Windkraftwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1) einen Generator (8), zum Beispiel einen Ringgenerator, ohne zwischengeschaltetem Getriebe, direkt antreibt.
19. Schwimmfähiges Windkraftwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwimmkörper (11) die am schwimmfähigen Tragwerk (2) befestigt sind beispielsweise jeweils aus zwei gegossenen kugelförmigen Halbschalen bestehen, die durch Schweißen miteinander luft- und wasserdicht verbunden sind.
20. Schwimmfähiges Windkraftwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwimmfähige Windkraftwerk dadurch auch an Land genutzt werden kann, insbesondere auch in windreichen flachen Wüstengegenden, daß der Schwimmkörper (11), der vor den Rotorblättern (5) des Rotors (1) angeordnet ist, durch eine Einrichtung ersetzt ist, die das schwimmfähige Tragwerk (2) drehbar lagert und am Erdboden verankert und daß die Schwimmkörper (11), die hinter den Rotorblättern (5) des Rotors (1) angebracht sind, durch Räder ersetzt sind, die entweder auf Schienen oder auf einer zum Beispiel planierten Fläche laufen.
21. Schwimmfähiges Windkraftwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die strömungsgünstig geformten Zugstränge (6) und (7) und die Speichen des großen Reibrades (14) mit Spannelementen versehen sind.
22. Schwimmfähiges Windkraftwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die strömungsgünstig geformten Zugstränge (6) so ausgerichtet sind, daß sie den resultierenden Kräften an den Rotorblättern (5) entgegenwirken.
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