-
[Technisches Gebiet]
-
Die Erfindung betrifft eine Schutzeinrichtung gegen Vogelschlag an Windkraftanlagen und insbesondere eine Vogelverbrämungseinrichtung gemäß Anspruch 1.
-
[Hintergrund der Erfindung]
-
Seit Jahren wird die Erzeugung von Strom durch die Nutzung von Windkraft kontinuierlich ausgebaut. Dies wird grundsätzlich gesellschaftlich begrüßt. Ein ökologischer Konflikt bei der Aufstellung neuer Windkraftanlagen besteht jedoch darin, dass diese an ihren Standorten die Flugrouten von Zug- und Greifvögeln schneiden können und dadurch bei Kollisionen der Vögel mit den rotierenden Elementen der Windkraftanlagen Wildschaden durch Vogelschlag verursacht wird.
-
Dieser Vogelschlag führt an den Anlagen selbst nicht zu nennenswerten technischen Schäden oder erhöhten Wartungs- oder Reparaturarbeiten. Daher ergibt sich kein direkter anlagentechnisch motivierter Handlungsbedarf der Anlagenbetreiber und/oder -hersteller. Ökonomische Nachteile aus dem Vogelschlag ergeben sich an anderer Stelle: bei der Genehmigung von Anlagenstandorten ist in vielen Ländern ein Unbedenklichkeitsnachweis in Form eines Umweltverträglichkeitsgutachtens in Bezug auf bekannte Vogelflugrouten zu erbringen. Da diese Routen häufig entlang natürlicher günstiger und konstanter Luftströmungen beispielsweise über Kuppen und Geländeerhebungen verlaufen, konkurrieren sie hier mit den gewünschten guten Standortbedingungen der Windkraftanlagen. Im Sinne des vorrangigen Vogelschutzes können solche Standorte nicht für die Erzeugung von Strom aus Windkraft genutzt werden, vielmehr muss auf weniger optimale Standorte ausgewichen werden.
-
Auch bei bestehenden Anlagen ist der Vogelschutz zu beachten: werden Vogelschwärme im Bereich der Windkraftanlage detektier bzw. prognostiziert, so erfolgt zumeist eine Abschaltung der Anlage betreiber- bzw. behördlicherseits. Bei sehr starker Beeinträchtigung der Vögel droht der Entzug der Betriebsgenehmigung für die Windkraftanlage, wodurch sich weitere, erhebliche wirtschaftliche Nachteile für die Windkraftanlagenbetreiber ergeben.
-
[Lösung aus dem Stand der Technik]
-
Aus
DE 20 2012 101 790 U1 ist eine Windkraftanlage bekannt, bei der ein Rotor einer Windkraftanlage im Innenraum des gitterartigen Traggerüstes eines Hochspannungsleitungsmastes angeordnet ist. Aufgrund der geometrischen Rahmenbedingungen im Mast ist die Windkraftanlage als Vertikalläufer, beispielsweise in Form eines Darrieus-, H-, Savonius oder Flettner-Rotors ausgebildet. Aufgrund des den Rotor vollständig umgebenden gitterartigen Traggerüstes bildet dieses einen starren mechanischen Käfig um den Rotor der Windkraftanlage herum, wodurch ein Vogelschlag verhindert wird.
-
Die offenbarte Lösung mit einem mechanischen Käfig weist jedoch wesentliche gravierende Nachteile auf: a) die Standortauswahl für die Windkraftanlage ist auf bestehende Standorte der Hochspannungsleitungsmasten beschränkt. Diese werden aber nach den Bedingungen des Stromtransports und nicht nach den vorherrschenden Windverhältnissen ausgewählt, wodurch sich nur eine geringe Energieausbeute ergibt; b) die Gitterstruktur der Hochspannungsmasten ist aufgrund der hohen mechanischen Belastung durch die Stromleitungen sehr massiv ausgeführt, wodurch sich eine erhebliche aerodynamische Abschattung des Rotors bzw. Störung der Windströmungsverhältnisse ergibt. Dies führt wiederum zu einer stark verringerten Energieausbeute; c) die überwältigende Mehrheit installierter Windkraftanlagen sind Horizontal-Luv-Läufer, bei denen sich der Rotor mit horizontaler Achse in Windrichtung gesehen vor dem vertikalen Turm dreht; für diesen Typ ist die vorgeschlagene Lösung weder einsetzbar noch nachrüstbar.
-
Weiterhin ist aus
US 2011/0144 829 A1 eine autonome und mobile Vogelverbrämungsvorrichtung für Flughäfen bekannt, welche mittels flächig schwenkbarer Strahlenbündel grüner Laser eine sichere Verbrämung der Vögel ohne Gewöhnungseffekt erzielt. Überstreicht das Laserstrahlenbündel eine gesperrte Zone – beispielsweise die Pilotenkanzel anfliegender Flugzeuge – so wird der Laser abgeschaltet. Diese Lösung ist mit einer Vielzahl von Sensoren und Steuerungseinrichtungen technisch sehr aufwendig und kostenintensiv, wodurch sie für den massenhaften Einsatz bei Windkraftanlagen nicht geeignet ist.
-
[Aufgabe der Erfindung]
-
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine einfache und kostengünstige Vogelverbrämungseinrichtung für Windkraftanlagen bereitzustellen, wobei diese insbesondere für den Anlagentypus der Horizontal-Luv-Läufer einsetz- und nachrüstbar sein soll. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Vogelverbrämungseinrichtung bereitzustellen, die bei sicherer Verbrämung gleichzeitig die Strömungseigenschaften um die Windkraftanlage nicht beeinträchtigt. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche, die in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Vorteile der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
-
[Zusammenfassung der Erfindung]
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Vogelverbrämung nur für bestimmte Teile und Betriebsarten der Windkraftanlage notwendig ist. So müssen statische Teile wie Mast oder Getriebegehäuse grundsätzlich nicht betrachtet werden, da hier kein Vogelschlag auftritt. Gleichzeitig ist eine Verbrämung nur für die Betriebszeiten der Windkraftanlage mit rotierenden Flügeln notwendig, da ansonsten die unbewegten Flügel keinerlei Gefährdung darstellen. Auch die rotierende Nabe der Rotorachse stellt in dieser Hinsicht ein in der Wahrnehmung eines Vogels statisches Bauteil ohne Schutzbedürfnis dar. Stillstands- oder Wartungszeiten bedürfen keines Schutzes. Die Hauptanflugsrichtung der Vögel auf eine Windkraftanlage ist in erster Näherung die jeweilige Windrichtung, sodass ein primärer Schutz der Windkraftanlage die jeweilige Luvseite notwendig ist. Dennoch hat sich gezeigt, dass insbesondere große Greifvögel die Anlage auch während des Betriebs umkreisen können, wobei sie die von den Rotorblättern überstrichene Fläche teilweise durchstechen und somit ein Anflug ebenfalls von der Leeseite grundsätzlich zu verhindern ist. Damit ergibt sich zusammenfassend die Anforderung einer Vogelverbrämungseinrichtung ausschließlich für die Luv- und Leeseite des bewegten Rotors.
-
Die Erfindung nutzt weiterhin eine Reihe von Einrichtungen, die in Windkraftanlagen üblicherweise bereits vorhanden bzw. verbaut sind. So existieren Sensoren für die Windrichtung zur Ausrichtung der Rotorachse, den Rotationswinkel der Rotorachse in Bezug auf ein (meist senkrechtes) Normal sowie die Rotationsgeschwindigkeit zur Abschaltung der Anlage bei zu geringen oder zu hohen Windgeschwindigkeiten. Ebenfalls vorhanden ist eine Energieversorgung für die Anlagensteuerung und die Versorgung der zuvor genannten Sensoren.
-
Kern der Erfindung ist wenigstens ein bevorzugt im grünen Bereich des sichtbaren optischen Spektrums emittierender Laser, der im Bereich der Rotornabe derart montiert ist, dass seine Emissionsrichtung im wesentlichen radial nach außen, d. h. von der Nabe weg in Richtung der Rotorblattspitzen erfolgt. Dabei rotiert seine Emissionsrichtung mit der Nabe mit, sodass bei einer Umdrehung des Rotors auch der Laser eine Umdrehung vollzogen hat. Die Emissionsrichtung liegt dabei nicht in der durch die Rotorblätter gebildeten Ebene, sondern ist vielmehr eine gewisse Strecke davor (in Luvrichtung) bzw. mittels eines weiteren Lasers zusätzlich dahinter (in Leerichtung) angeordnet.
-
Bei Anflug eines Vogels auf die Windkraftanlage wird dieser – noch bevor er die Ebene der Rotorblätter erreicht – vom rotierenden Laserstrahlbündel getroffen. Dies schreckt den Vogel ab und er ändert seine Flugrichtung, noch bevor es durch Kontakt mit den Rotoren zu einem Vogelschlag kommen könnte. Der Laser erzielt dabei die Wirkung eines Käfiggehäuses um den Rotor herum, ohne dass der Käfig als mechanisches Element vorhanden wäre. Der Käfig wird vielmehr durch die elektromagnetische Strahlung des Lasers gebildet. In Bezug auf den Tierschutz werden im grünen Bereich des sichtbaren optischen Spektrums emittierende Laser mit Leistungen im Bereich einiger mW als unbedenklich eingeschätzt. Daher ist erfindungsgemäss eine abgestrahlte Dauerstrich-Leistung von 5 mW bis 20 mW vorgesehen.
-
Die Erfindung wird anhand der Figuren nachfolgend detailliert beschrieben. Dabei zeigt 1 eine Seitenansicht einer Windkraftanlage mit der erfindungsgemässen Vogelverbrämungseinrichtung und 2 eine Ansicht in Windrichtung derselben Anlage.
-
[Detaillierte Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen]
-
1 zeigt schematisch eine erfindungsgemässe Vogelverbrämungseinrichtung für Windkraftanlagen 100 mit der entsprechenden Windkraftanlage in Seitenansicht. Die Windkraftanlage steht mit einem Mast 1 auf geeignetem Untergrund B. Das Gehäuse 2 für Getriebe und Generator der Windkraftanlage ist mittels Achse 3 derart drehbar auf dem Mast 1 gelagert, dass die Achse 4 optimal zur jeweils symbolisch durch den Pfeil gekennzeichneten vorherrschenden Windrichtung ausgerichtet werden kann. Achse 4 trägt die Rotorblätter 6a, 6b und endet in der Nabe 5. Bei Rotation der Achse 4 beispielsweise während des Betriebs der Windkraftanlage durchlaufen die Rotorblätter 6a, 6b ein Volumen E, welches im Wesentlichen einer Scheibe senkrecht zur Achse 4 entspricht. Ausschließlich innerhalb dieses Volumens E kann es bei Anlagenbetrieb zu Vogelschlag kommen. Fest mit der Achse 4 ist zwischen der Nabe 5 und den Rotorblätter 6a, 6b wenigstens eine grundsätzlich bekannte Laserlichtabstrahleinheit 7a (nachfolgend als Luvseiteneinheit bezeichnet) angeordnet, welche ein bevorzugt grünes Laserstrahllichtbündel 8a abstrahlt. Der Parameter d1 zur Position der Laserlichtabstrahleinheit 7a auf der Achse 4 ist mindestens so gross gewählt, dass bei achsensenkrechter Abstrahlung – dies entspricht einem Wert des Winkels α von 0° – das Laserstrahllichtbündel 8a gerade entlang des Randes des Volumens E orientiert ist. Bevorzugt ist der Winkel α grösser als 0° gewählt, damit eine Verbrämung eines von der Luvseite auf die Rotorblätter zufliegenden Vogels noch sicher vor dem Volumen E erfolgen kann.
-
Weiterhin ist wenigstens eine weitere Laserlichtabstrahleinheit 7b (nachfolgend als Leeseiteneinheit bezeichnet) vorgesehen, welche zwischen den Rotorblättern 6a, 6b und dem Gehäuse 2 fest mit der Achse 4 verbunden ist und ebenfalls ein bevorzugt grünes Laserstrahllichtbündel 8b abstrahlt. Der Parameter d2 zur Position der Laserlichtabstrahleinheit 7b auf der Achse 4 ist mindestens so gross gewählt, dass bei achsensenkrechter Abstrahlung – dies entspricht einem Wert des Winkels β von 0° – das Laserstrahllichtbündel 8b gerade entlang des Randes des Volumens E orientiert ist. Bevorzugt ist der Winkel β grösser als 0° gewählt, damit eine Verbrämung eines von der Leeseite auf die Rotorblätter zufliegenden Vogels noch sicher vor dem Volumen E erfolgen kann.
-
2 zeigt schematisch eine erfindungsgemässe Vogelverbrämungseinrichtung für Windkraftanlagen 100 in Frontalansicht. Gleiche Komponenten tragen gleiche Bezugszeichen. Der Rotor der Windkraftanlage umfasst beispielhaft drei Rotorblätter 6a, 6b, 6c, welche üblicherweise in gleichen Winkelabständen von jeweils 120° an der Achse 4 befestigt sind. Die Rotationsrichtung der Achse 4 während des normalen Betriebs der Windkraftanlage ist durch den Pfeil R dargestellt; hier im Uhrzeigersinn. Wenigstens eine Laserlichtabstrahleinheit 7a emittiert ein bevorzugt grünes Laserstrahllichtbündel 8a. Bei Drehung des Windkraftanlagenrotors dreht sich das Laserstrahllichtbündel 8a entsprechend dieser Drehung mit, d. h. bei einer Rotation des Rotors hat auch das Laserstrahllichtbündel 8a im Allgemeinen eine Umdrehung um die Achse 4 vollzogen.
-
Es ist vorgesehen, dass das Laserstrahllichtbündel 8a beispielsweise mit dem zugeordneten Rotorblatt 6a einen Winkel γ grösser als 0° einschließt. Bei Rotation des Rotors in der angegebenen Richtung R während des Betriebs eilt das Laserstrahllichtbündel 8a dem Rotorblatt 6a jeweils um einen festen Winkel γ grösser als 0° voraus. Dies bedeutet, dass ein die Windkraftanlage anfliegender Vogel zuerst vom Laserstrahllichtbündel 8a getroffen und wirkungsvoll verbrämt würde, noch bevor ein Vogelschlag durch Kollision mit dem Rotorblatt 6a erfolgen könnte.
-
Die Wahl der Winkel α, β und γ ist abhängig von den jeweiligen Gegebenheiten der Windkraftanlage. Die Winkel können bei Installation der Vogelverbrämungsanlage einmal fest eingestellt werden; oder aber durch grundsätzlich bekannte Einrichtungen auch variabel während des Betriebs vorgesehen sein. Grundsätzlich kann als Regel festgehalten werden, dass bei höherer bzw. zunehmender Windgeschwindigkeit der Winkel α grösser und der Winkel β kleiner als ein voreingestellter Standardwert von beispielsweise 10–20° gewählt werden kann. Gleichzeitig wird man bei zunehmender Rotationsgeschwindigkeit den Winkel γ grösser als einen voreingestellten Standardwert von beispielsweise 40–60° wählen.
-
Zur Erläuterung der Erfindung anhand der 1 bzw. 2 wurde nur eine Luvseiteneinheit dargestellt. Es ist aber vorgesehen, je nach Ausführungsform eine Vielzahl von Luvseiteneinheiten und diese dann bevorzugt äquidistant über den Umfang der Nabe 5 anzuordnen und ebenso eines oder mehrere Leeseiteneinheiten in derselben Art zu installieren.
-
Sofern eine Vielzahl von Luv- bzw. Leeseiteneinheiten entlang des Umfangs der Nabe 5 installiert ist, kann die zuvor genannte Wahl der gewünschten Winkelparameter auch sehr einfach durch die rein elektrische Ansteuerung der an der gewünschten Winkelposition befindlichen Laserlichtabstrahleinheit 7 erfolgen. Diese Ausführungsform ist besonders bevorzugt, da hier keinerlei bewegliche Teile zur erfindungsgemässen Lösung notwendig sind. Damit ist diese Lösung besonders robust und einfach aufgebaut.
-
Die Ansteuerung und Energieversorgung der Laserlichtabstrahleinheiten 7a, 7b erfolgt in grundsätzlich bekannter Weise durch Nutzung der ohnehin bereits im Gehäuse 2 üblicherweise vorhandenen Steuer- und Sensoraggregate.
-
In Abhängigkeit vom Aufstellungsort der Vogelverbrämungseinrichtung kann es möglich sein, dass sich in ihrer Nähe Zonen Z befinden, in denen eine Beleuchtung mittels Laserstrahllichtbündel 8a unerwünscht bzw. unzulässig ist. Dies können am Boden beispielsweise Häuser, Straßen oder Wanderwege bzw. Parkplätze sein. Ebenso sind ggfs. am Himmel die Korridore der Luftfahrt zu berücksichtigen. Diese Zonen Z sind grundsätzlich vor Aufstellung der Windkraftanlage bzw. vor Installation der Verbrämungseinrichtung bekannt, sodass es entsprechend der Darstellung anhand 2 leicht möglich ist, die Laserlichtabstrahleinheit 7a für ausgewählte Rotationswinkel bzw. Betriebszeiten abzuschalten bzw. in der Leistung so zu verringern, dass im Bereich des Winkels δ keine gefährdende Laserlichtemission erfolgt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 202012101790 U1 [0005]
- US 2011/0144829 A1 [0007]
