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Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Windkraftanlagen bzw. Windräder bestehen üblicherweise aus einem Turm an dessen oberen Ende ein Rotor sowie ein damit verbundener Generator angeordnet sind. Bei elektrischen Leistungen im Multi-Megawattbereich wird das Gewicht von Rotor und Generator sehr hoch und liegt im Bereich bis zu 800 Tonnen. Dieses hohe Gewicht am oberen Ende des Turms erfordert natürlich eine entsprechend mechanische Stabilität des Turms, was die Baukosten der Windkraftanlage wesentlich erhöht. Um das hohe Gewicht und die damit verbundene massive Bauweise des Turms zu vermeiden, lehrt sowohl die
DE 10 2008 024 829 B4 als auch die
DE-OS 28 17 483 am oberen Ende des Turms nur den Rotor anzuordnen und den Generator im Bodenbereich des Turms. Die Rotorwelle am oberen Ende des Turms ist mit der Generatorwelle über einen Zugmitteltrieb verbunden. Da der Turm nur das Gewischt des Rotors und der Windlasten tragen muss, ergibt sich für den Turm eine einfachere bzw. weniger massive Konstruktion und damit geringere Kosten. Bei der
DE-OS 28 17 483 ist der Turm und der Generator ortsfest am Boden angeordnet. Auch der Zugmitteltrieb verläuft ortsfest auf einer Seite des Turms. Der Seiltrieb von dem sich sowohl in vertikaler als auch in Querrichtung hierzu (Drehachse der Rotorblätter) drehenden Rotor wird über einen komplizierten Umlenkmechanismus nach unten zu dem ortsfesten Generator geführt. Nachteilig bei der
DE-OS 28 17 483 ist es, dass der komplizierte Umlenkmechanismus des Seiltriebs zwischen dem sich um zwei Drehrichtungen drehenden Rotor und dem ortsfestem Generator die Leistungsübertragung begrenzt und eine komplizierte Konstruktion bedeutet
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung das aus der
DE-OS 28 17 483 bekannten Windrad dahingehend zu verbessern, dass die mechanische Kopplung zwischen Rotor und Generator über den Zugmitteltrieb einfacher wird.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Dadurch, dass der Turm fest im Boden verankert und der Rotor, der Generator und der wenigstens eine Zugmitteltrieb zusammen um die Turmlängsachse drehbar am Turm montiert sind, vereinfacht sich die Übertragung der die Arbeitsleistung bringenden Rotation des Rotors auf den Generator. Es muss nicht der ganze Turm gedreht werden und es ist auch kein komplizierter Umlenkmechanismus für den Zugmitteltrieb am oberen Ende des Turmes nötig.
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Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 stellt eine einfache Möglichkeit dar die Drehbarkeit des Generators um den Turm bereitzustellen.
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Durch die parallel verlaufenden einander gegenüberliegenden Zugmitteltriebe gemäß Anspruch 16 oder 17 ergibt sich ein Verspannung des Turms, der dadurch weniger massiv gebaut werden kann.
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Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 oder 4 wird der Turm durch die Zugmittel bzw. Zugmitteltriebe nach Art des Mastes eines Segelschiffes verspannt. Hierdurch wird die Stabilität des Turms erhöht, ohne dass der Turm massiver ausgeführt werden müsste. Folglich kann der Turm bei gleichem Gewicht höher gebaut werden. Hierbei können die Zugmitteltriebe symmetrisch beidseitig des Turms – Anspruch 4 – oder auf nur einer Seite des Turms – Anspruch 2 – verlaufen.
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Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 5 ist die Rotorwelle und die Generatorwelle gleichzeitig Zugmitteltriebwelle, was eine vereinfachte Konstruktion bedeutet.
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Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 6 werden zwei Zugmitteltriebe über eine gemeinsame Zugmitteltriebwelle miteinander gekoppelt.
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Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 7 handelt es sich bei dem Zugmitteltrieb um einen Seiltrieb wie dies beispielsweise von Seilbahnen für Skilifte oder maritimen Kränen etc. bekannt ist. Derartige Seiltriebe sind technisch ausgereift und können ohne Probleme bei Windkraftanlagen bzw. Windrädern gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.
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Gemäß den vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung nach Anspruch 8 bis 10 wird der Seiltrieb bzw. das Zugmittel mit verschiedenen Maßnahmen gespannt, so dass die Kraftübertragung ohne Schlupf erfolgen kann.
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Durch die Schutzhülle gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 11 wird der Zugmitteltrieb gegen Witterungseinflüsse geschützt. Dies kann insbesondere bei Offshore-Anlagen möglich sein, da das salzige Seewasser das Zugmittel insbesondere in Form von Stahlseilen angreifen könnte.
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Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 12 kann der Schutz der Zugmitteltriebe auch dadurch erreicht werden, dass diese wenigstens zum Teil – vorzugsweise im unteren Bereich – im Inneren des Turms verlaufen.
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Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 13 ist es möglich, eine Übersetzung zwischen der Rotorwelle und der letztendlich angetriebenen Generatorwelle vorzuziehen.
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Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 14 umfasst die Generatoreinrichtung eine Mehrzahl von Generatoren die auf unterschiedlicher Höhe des Turms angeordnet sind. Durch das Vorsehen einer Mehrzahl von Generatoren verringert sich das Gewicht der einzelnen Generatoren, so dass diese in größerer Höhe angeordnet werden können ohne, dass der Turm dadurch massiver werden muss.
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Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 15 werden für unterschiedliche Abschnitte des Turms unterschiedliche Baumaterialien eingesetzt. Beispielsweise kann für die Turmspitze faserverstärkte Baumaterialien, für den mittleren Bereich Holz oder Aluminium und für den untersten Abschnitt Stahlbeton eingesetzt werden. Auf diese Weise sind hohe Turmhöhen bei geringem Gesamtgewicht möglich.
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Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 14 wird die Möglichkeit den Turm zu verspannen und damit noch eine leichtere Konstruktion zu ermöglichen, noch verbessert.
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Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 15 ist der Turm fest im Boden verankert und der Rotor, der Generator und der wenigstens eine Zugmitteltrieb ist um die Turmlängsachse drehbar am Turm montiert. Dies vereinfacht die Konstruktion, da nicht der ganze Turm drehbar ausgeführt werden muss.
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Durch die Führungseinrichtungen gemäß Anspruch 16 wird das Zugmittel sicher entlang des Turmes geführt.
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Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 17 kann die Drehgeschwindigkeit des Rotors optimal an den Generator angepasst werden.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einem Zugmitteltrieb,
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2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit jeweils einem Zugmitteltrieb auf einander gegenüberliegenden Seiten des Turmes,
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3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung mit zwei Zugmitteltrieben auf einer Seite des Turms und zwei Generatoren, und
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4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der Erfindung mit jeweils zwei Zugmitteltreiben auf einander gegenüberliegenden Seiten des Turmes und zwei Generatoren.
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In den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen sind einander entsprechende Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform mit einem Turm 2, der ein oberes und ein unteres Ende 3, 4 aufweist. Am oberen Ende 3 des vertikal angeordneten Turms 2 ist ein Rotor 5 mit einer horizontal verlaufenden Rotorwelle 7 angeordnet. Am Boden am unteren Ende 4 des Turms 2 ist auf einer drehbaren ringförmigen Plattform 9 ein Generator 11 mit einer Generatorwelle 13 angeordnet. Die Kopplung zwischen Generator 11 und Rotor 5 erfolgt über einen Seiltrieb 15, der ein an der Rotorwelle 7 montiertes Rotorwellenrad 17, ein an der Generatorwelle 13 montiertes Generatorwellenrad 19 und ein Stahlseil 21 umfasst, das die beiden Wellenräder 17 und 19 umschlingt. Der Roter 5 mit Rotorwelle 7 und Rotorwellenrad 17 ist über ein Drehlager 23 am oberen Ende 3 des Turms 2 um eine im Wesentlichen vertikale Achse drehbar gelagert. Die drehbare Plattform 9 mit Generator 11, Generatorwelle 13 und Generatorwellenrad 19 sind auf einem Fundament 25 um die im Wesentlichen vertikale Achse um den Turm drehbar gelagert. Durch das Drehlager 23 und die drehbare Plattform 9 kann der Seiltrieb 15 und der Generator 11 auf einfache Weise nachgeführt werden, wenn der Rotor 5 im Wind ausgerichtet wird. Durch die Nachführung wird verhindert, dass das die beiden Wellenräder 17 und 19 umschlingende Stahlseil 21 nicht verdreht wird und nicht in Kontakt mit dem Turm 2 gelangt.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die sich von der ersten Ausführungsform nach 1 dadurch unterscheidet, dass zusätzlich zu dem ersten Seiltrieb 15 ein zweiter Seiltrieb 30 vorgesehen ist, der parallel zum ersten Seiltrieb 15 auf der gegenüberliegenden Seite des Turms 2 verläuft. Der zweite Seiltrieb 30 umfasst ein zweites Rotorwellenrad 32, das fest auf der Rotorwelle 7 montiert ist, ein zweites Stahlseil 34 und ein zweites Generatorwellenrad 36. Das zweite Generatorwellenrad 36 ist auf einer zweiten Generatorwelle 38 eines zweiten Generators 40 angeordnet, der ebenfalls auf der ringförmigen drehbaren Plattform 9 dem ersten Generator 11 gegenüberliegend angeordnet ist. Durch die parallelen Seiltriebe 15 und 30 wird der Turm symmetrisch verspannt und kann dadurch bei gleichbleibender Stabilität weniger massiv gebaut werden.
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3 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform der Erfindung, die ebenfalls einen ersten Seiltrieb 50 und einen zweiten Seiltrieb 52 aufweist. Der erste Seiltrieb umfasst ein erstes Stahlseil 54, das ein Rotorwellenrad 56 und ein erstes Wellenrad 58 umschlingt. Das erste Wellenrad 58 ist auf einer mittleren gemeinsamen Seiltriebwelle 60 angeordnet, die mittels einer rohrförmigen Hülse 62 um die vertikale Achse drehbar und in axialer Richtung verschiebbar am Turm 2 angeordnet ist. Der zweite Seiltrieb 52 umfasst ein zweites Wellenrad 64, das ebenfalls auf der mittleren Seiltriebwelle 60 angeordnet ist, und ein zweites Stahlseil 66, das das zweite Wellenrad 64 und das Generatorwellenrad 19 umschlingt.
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4 zeigt schematisch eine vierte Ausführungsform der Erfindung, die sich von der dritten Ausführungsform nach 3 dadurch unterscheidet, dass nicht nur auf einer Seite des Turms 2 ein erster und ein zweiter Seiltrieb 50, 52, sondern auch auf gegenüberliegenden Seiten des Turms ein dritter und ein vierter Seiltrieb 70, 72 also insgesamt vier Seiltriebe vorgesehen sind. Dem dritten und vierten Seiltrieb 70, 72 ist auch ein zweiter Generator 74 zugeordnet, der auf der drehbaren Plattform 9 dem ersten Generator 11 gegenüberliegend angeordnet ist. Der dritte Seiltrieb 70 umfasst ein zweites Rotorwellenrad 76 ein drittes Stahlseil 78 und ein drittes Wellenrad 80, das auf einer zweiten gemeinsamen Seiltriebwelle 82 angeordnet ist. Die zweite Seiltriebwelle 82 erstreckt sich in entgegengesetzter Richtung zu der ersten gemeinsamen Seiltriebwelle 60 ebenfalls von der rohrförmigen Hülse 62 seitlich weg. Der vierte Seiltrieb 72 umfasst ein viertes Wellenrad 84, das auf der zweiten gemeinsamen Seiltriebwelle 82 neben dem dritten Wellenrad 80 angeordnet ist, ein viertes Stahlseil 86 und ein zweites Generatorwellenrad 88, das auf einer zweiten Generatorwelle 90 des zweiten Generators 74 angeordnet ist.
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Durch den spiegelsymmetrischen Aufbau der vierten Ausführungsform mit jeweils zwei Seiltrieben 50, 52 und 70, 72 auf einander gegenüberliegenden Seiten des Turms 2 wird dieser nach Art eine Mastes eines Segelschiffes verspannt und der Turm kann bei gleicher Höhe weniger massiv gebaut werden.
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Die Nachführung des Rotors 5, der Seiltriebe 15; 15, 30; 50, 52; 70, 72 und der drehbaren Plattform 9 kann bei allen Ausführungsformen mittels Elektromotoren erfolgen.
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Es ist auch möglich einseitig oder beidseitig drei, vier oder noch mehr Seiltriebe mit entsprechenden gemeinsamen Seiltriebwellen vorzusehen. Auch können den gemeinsamen Seiltriebwellen und der Rotorwelle zusätzlich kleinere Generatoren zugeordnet werden. Hierdurch wird die Erzeugung der elektrischen Leistung auf mehrere (kleinere) Generatoren verteilt.
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Die Rohrförmige Hülse 62 kann mittels einem Gleitlager oder einem Wälzlager am Turm 2 befestigt sein.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Turm
- 3
- oberes Ende von 2
- 4
- unteres Ende von 2
- 5
- Rotor
- 7
- Rotorwelle
- 9
- drehbare Plattform
- 11
- (erster) Generator
- 13
- (erste) Generatorwelle
- 15
- (erster) Seiltrieb
- 17
- (erstes) Rotorwellenrad
- 19
- (erstes) Generatorwellenrad
- 21
- (erstes) Stahlseil
- 23
- Drehlager
- 25
- Fundament
- 30
- zweiter Seiltrieb
- 32
- zweites Rotorwellenrad
- 34
- zweites Stahlseil
- 36
- zweites Generatorwellenrad
- 38
- zweite Generatorwelle
- 40
- zweiter Generator
- 50
- erster Seiltrieb
- 52
- zweiter Seiltrieb
- 54
- erstes Stahlseil
- 56
- Rotorwellenrad
- 58
- erstes Wellenrad
- 60
- gemeinsame Seiltriebwelle
- 62
- rohrförmige Hülse
- 64
- zweites Wellenrad
- 66
- zweites Stahlseil
- 70
- dritter Seiltrieb
- 72
- vierter Seiltrieb
- 74
- zweiter Generator
- 76
- zweites Rotorwellenrad
- 78
- drittes Stahlseil
- 80
- drittes Wellenrad
- 82
- zweite gemeinsame Seiltriebwelle
- 84
- viertes Wellenrad
- 86
- viertes Stahlseil
- 88
- zweites Generatorwellenrad
- 90
- zweite Generatorwelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008024829 B4 [0002]
- DE 2817483 A [0002, 0002, 0002, 0003]
