DE19903846C2 - Modul mit einer Mantelturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Modul, insbesondere eine Windkraftanlage, mit einer Mantelturbine, deren Mantel wenigstens einen aus einem Stator und einem Rotor bestehenden Generator enthält.

In einer Veröffentlichung von Hans-Peter Molly "Windenergie in Theorie und Praxis" sind unter anderem als Vorteile der Mantelturbine angegeben, daß sie mit ihrem düsenförmigen Mantel eine hohe Steigerung des auf die Rotorkreisfläche bezogenen Leistungsbeiwerts erlaubt, der etwa zwei- bis dreimal so hoch ist wie bei der freifahrenden Turbine, daß sie relativ unempfindlich gegenüber Schwankungen der Windrichtung in einem Bereich von +30° bis -30° bezüglich der Längsachse des Mantels ist, daß sie die Möglichkeit bietet, den Massendurchfluß und damit die Leistung durch Verändern des Einstellwinkels der als Stützspeichen des Mantels ausgebildeten Statorblätter zu kontrollieren und daß ihr Rotor bei gleicher Leistung kleiner ist als der Rotor der freifahrenden Turbine. Die letztgenannte Eigenschaft hat höhere Drehzahlen zur Folge und damit verminderte Getriebeprobleme.

Bis heute wurde keine Mantelturbine gebaut, die den Rotordurchmesser von als Kleinanlagen zu bezeichnenden Windturbinen erreicht, wie sich zum Beispiel aus der DE 31 16 396 C2 ergibt. Hier wurden sogar zur Vergrößerung der wirksamen Fläche vier kleine Mantelturbinen übereinander aufgestellt, wobei die vier Rotorblätter über Kegelgetriebe mit einer gemeinsamen, senkrecht angeordneten Welle verbunden sind, die an ihrem unteren Ende eine gemeinsame Turbine antreibt. Diese umständliche Konstruktion hätte mit einem größeren Rotorblatt vermieden werden können, aber die Ungenauigkeit größerer, aus Metall bestehender Mäntel ließ bisher ein größeres Rotorblatt nicht zu.

Ein Rotordurchmesser von beispielsweise 5 m bis 10 m erfordert einen großflächigen Mantel, der bei optimaler Wirkung zwei- bis dreimal so lang sein sollte wie der Durchmesser des Rotors. Ein solcher Mantel muß wegen des notwendigen kleinen Spaltes zwischen den Spitzen der Rotorblätter und dem Mantel eine hohe Baugenauigkeit aufweisen. Der Mantel muß außerdem erheblichen Windlasten widerstehen können. Diese hohen strukturellen Belastungen, zum Beispiel bei Queranströmung des Mantels, verlangen eine wesentlich stabilere Turmkonstruktion als bei der freifahrenden Turbine. Auch die Richtungssteuerung des Mantels mit der dazugehörenden Lagerung muß wegen der erhöhten aufzunehmenden Kräfte aufwendiger ausgeführt werden. Es ist deshalb bisher nicht gelungen, das Kosten-Nutzen-Verhältnis zwischen erhöhtem Bauaufwand und gesteigertem Nutzungsgrad günstiger als bei der freifahrenden Windturbine zu gestalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Modul mit einer Mantelturbine der eingangs erwähnten Art anzugeben, deren Leistungsbeiwert trotz halber Kosten drei- bis viermal größer ist als bei einer freifahrenden Windturbine.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß der Mantel aus Beton gegossen und auf einer Metallplattform montiert ist, die auf einem Metallring drehbar gelagert ist, der auf einem aus Beton gegossenen Turm oder Fundament ruht. Da sich Beton bei einer Temperaturerhöhung wesentlich weniger ausdehnt als Stahl, läßt sich die notwendige Maßgenauigkeit auch bei großen Ausmaßen des Tubinenmantels erreichen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Um einen guten Wirkungsgrad zu erzielen, ist nach Anspruch 2 die Länge des Mantels wenigstens dreimal so groß ist wie der Durchmesser des Rotors.

Um den Wirkungsgrad weiter zu erhöhen, ist nach Anspruch 3 vorgesehen, daß zwei oder mehr als zwei Generatoren in dem Mantel hintereinander angeordnet sind.

Nach Anspruch 4 ist am Eingang des Mantels eine den einströmenden Wind in seiner Stärke steuernde Dämpfungsvorichtung angeordnet, mit der vermieden werden kann, die Turbine bei zu großen Windstärken abschalten zu müssen.

Diese Dämpfungsvorichtung besteht nach Anspruch 5 aus einem Rolladen oder aus einer mit Fenstern versehenen Metallplatte, wobei nach Anspruch 6 der Rolladen aus horizontal oder vertikal angeordneten mobilen Streifen besteht, die in zwei Metallschienen verschiebbar und/oder verdrehbar gelagert sind und in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit elektronisch steuerbar sind. Dagegen ist nach Anspruch 7 vorgesehen, daß die Fenster in der Metallplatte sich mit einem Winkel zwischen 0° und 90° in das Innere des Mantels öffnen, wobei der Öffnungswinkel in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit elektronisch steuerbar ist.

Um einen gleichbleibend kleinen Luftspalt zwischen den rotierenden Rotorblattspitzen und dem Mantel zu ermöglichen, ist nach Anspruch 8 vorgesehen, daß in dem Mantel ein justierbarer Metallring eingesetzt ist.

Nach Anspruch 9 ist schließlich vorgesehen, daß die Metallplattform auf Metallrollen gelagert und von in Abhängigkeit von der Windrichtung elektronisch steuerbaren Giermotoren auf einem Drehkranz in die optimale Richtung zum Wind drehbar ist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Mantelturbine in einer Größenordnung herstellbar ist, die bei den bekannten Anlagen bisher noch nicht erreicht werden konnte. Außerdem kann diese Mantelturbine bei jeder beliebigen Windstärke in Betrieb bleiben, ohne dadurch beschädigt oder zerstört zu werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 die Seitenansicht einer Windkraftanlage, teilweise im Längsschnitt,

Fig. 2 eine Dämpfungsvorrichtung zum Steuern der in den Mantel einströmenden Luftmassen und

Fig. 3 eine andere Ausführungsform einer solchen Dämpfungsvorrichtung.

Die Fig. 1 zeigt im Längsschnitt eine Windkraftanlage mit einer Mantelturbine, deren Mantel 1 aus Beton gegossen ist und einen Generator enthält, der aus einem Stator 6 und einem Rotor 5 besteht. Die komplette Mantelturbine ist auf einer Metallplattform 10 montiert, die ihrerseits auf einem Metallring 9 drehbar gelagert ist, der auf einem aus Beton gegossenen Turm 14 ruht.

Die Länge des Mantels 1 ist deutlich mehr als dreimal so groß ist wie der Durchmesser des Rotors 5. Dadurch wird ein besonders hoher Wirkungsgrad erreicht.

In dem Mantel 1 ist im Bereich der rotierenden Rotorblattspitzen ein justierbarer Metallring 3 eingesetzt, der zum Minimieren des Luftspaltes zwischen den Rotorblattspitzen und dem Mantel 1 dient. Dadurch läßt sich der Wirkungsgrad der Turbine weiter erhöhen.

Die Metallplattform 10 ist auf Metallrollen 7, 8 gelagert und wird von zwei Giermotoren 12, 13, die in Abhängigkeit von der Windrichtung elektronisch gesteuert werden, auf einem Drehkranz 11 in die optimale Richtung zum Wind gedreht.

Zur Steuerung der Stärke des Windes, der in den Mantel 1 einströmt, ist an seinem Eingang eine Dämpfungsvorichtung 2 angeordnet. Diese besteht entweder nach Fig. 2 aus einem Rolladen 18, der aus horizontal angeordneten mobilen Streifen 19 zusammengesetzt ist, die in zwei Metallschienen 16, 17 verschiebbar und/oder verdrehbar gelagert sind und in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit elektronisch gesteuert werden, oder nach Fig. 3 aus einer mit Fenstern 20 versehenen Metallplatte, wobei die Fenster 20 sich mit einem Winkel zwischen 0° und 90° in das Innere des Mantels 1 öffnen lassen. Der Öffnungswinkel ist in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit elektronisch steuerbar.

Auf dem Mantel 1 befindet sich eine Windfahne 4, vorzugsweise aus Metall, durch die mit der direkten Kraft des Windes die Drehung der Turbine in die richtige Richtung zum Wind unterstützt wird.

Im Innern des Turmes 14 sind Räume 15 für technisches Gerät, sowie Labor- und Aufenthaltsräume für das technische Personal untergebracht.

Claims (9)

1. Modul, insbesondere Windkraftanlage, mit einer Mantelturbine, deren Mantel (1) wenigstens einen aus einem Stator (6) und einem Rotor (5) bestehenden Generator enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (1) aus Beton gegossen und auf einer Metallplattform (10) montiert ist, die auf einem Metallring (9) drehbar gelagert ist, der auf einem aus Beton gegossenen Turm (14) oder Fundament ruht.

2. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Mantels (1) wenigstens dreimal so groß ist wie der Durchmesser des Rotors (5).

3. Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr als zwei Generatoren in dem Mantel (1) hintereinander angeordnet sind.

4. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang des Mantels (1) eine den einströmenden Wind in seiner Stärke steuernde Dämpfungsvorichtung (2) angeordnet ist.

5. Modul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsvorichtung (2) aus einem Rolladen (18) oder aus einer mit Fenstern (20) versehenen Metallplatte besteht.

6. Modul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rolladen (18) aus horizontal oder vertikal angeordneten mobilen Streifen (19) besteht, die in zwei Metallschienen (16, 17) verschiebbar gelagert sind und in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit elektronisch steuerbar sind.

7. Modul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fenster (20) in der Metallplatte sich mit einem Winkel zwischen 0° und 90° in das Innere des Mantels (1) öffnen, wobei der Öffnungswinkel in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit elektronisch steuerbar ist.

8. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Mantel (1) im Bereich der rotierenden Rotorblattspitzen ein zum Minimieren des Luftspaltes zwischen diesen Spitzen und dem Mantel (1) dienender justierbarer Metallring (3) eingesetzt ist.

9. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplattform (10) auf Metallrollen (7, 8) gelagert und von in Abhängigkeit von der Windrichtung elektronisch steuerbaren Giermotoren (12, 13) auf einem Drehkranz (11) in die optimale Richtung zum Wind drehbar ist.