DE202016001490U1 - Turmkonstruktion für eine Windenergieanlage - Google Patents

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    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/728Onshore wind turbines

Abstract

Eine aus mindestens drei Säulen bestehende Turmkonstruktion für eine Windenergieanlage mit horizontaler Rotorachse nach DE 20 2015 005 040 U1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Wind zugewandte Säule (3) vertikal angeordnet ist, eine vertikale Drehachse (2) aufweist und die gesamte Turmkonstruktion (1) auf einer Kreisringbahn (11) um eine Drehachse (2) beweglich angeordnet ist, wobei sich der Drehpunkt (2) der Kreisringbahn (11) für die Turmkonstruktion im Zentrum der Kreisringbahn (11) unter der vorderen Säule (3) befindet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage, die mit einer aus mindestens drei Säulen bestehenden Turmkonstruktion entweder nur mit Rotor oder mit einem Turm mit Gondel incl. Rotor ausgerüstet ist, und stets um die vertikale Achse der vorderen Säule des Turmes bei ausreichender Bewegungsfreiheit der Rotorblätter in den Wind dreht. Eine solche Turmkonstruktion wird nachfolgend als TURNING-TOWER bezeichnet.
  • Stand der Technik
  • In der Druckschrift DE 20 2015 005 040 U1 ist eine Turmkonstruktion mit mehreren gleichmäßig verteilten und zueinander geneigt angeordneten Turmsäulen bekannt, die insgesamt gegenüber Vollwandtürmen durch die prinzipiell veränderte Turmbelastung eine deutliche Senkung des Materialeinsatzes ermöglicht. Die Spreizung der Säulen führt während der Gondeldrehung in bestimmten Fällen sehr langer und sehr elastischer Rotorblätter zu einer ungewollten Annäherung oder im Extremfall zur Kollision zwischen Rotorblattspitze und Turmsäule. Zur Vermeidung solcher Kollisionen zwingt sich der Anlagenbetrieb im ”Down-Wind-Prinzip” – lee – also Wind von hinten auf. Diese Betriebsweise ist zwar bei modernen, schwimmenden Offshore-Anlagen wieder eingesetzt worden, wird aber bei Onshore-Anlagen wegen des Turmvorstaus im Down-Wind-Betrieb nicht gern genutzt. Andere Verhältnismäßigkeiten zwischen Spreizung und Blattverformung könnten auch zur notwendigen Verbesserung der Blattfreiheit führen. Aus der Druckschrift EP 2 065 593 A1 ist weiterhin eine Turmkonstruktion bekannt, deren Turm in bestimmter Höhe über seiner Standfläche ringsum durch einen umfassenden Ring mit mehreren Rollenpaaren gestützt und geführt wird, um die Biegebeanspruchung im Turm zu verringern und um den Turm zu einer möglichen Drehbewegung um seinen Fußpunkt zu ertüchtigen. Die Art und mögliche Höhe der Turmabstützung ist wenig dazu geeignet, große Nabenhöhen zu erreichen und hohe Anlagentürme mit günstigen Eigenmassenverhältnissen zu schaffen. Die Druckschrift DE 20 2009 009 517 U1 weist einen Hohlzylinder als Windenergieanlagenturm aus, der in der Basis tief eingesetzt ist und den Turm incl. der Gondel drehbar gestaltet, um den Rotor in den Wind drehen zu können. Diese Ausführung ist konstruktiv nicht so ausgebildet, dass die Biegebeanspruchung des Turmes verringert wird und so der Turm mit geringerem Materialeinsatz ausgeführt werden kann.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, die Turmkonstruktion durch Anwendung gespreizter Säulen, deren Mittellinien sich in Nabenhöhe schneiden, von Biegebeanspruchung zu befreien und gleichzeitig zwischen der Außenkante der Säule und der größten auftretenden elastischen Rotorblattverformung während des Vorbeidrehens des Blattes an einer Säule mit Sicherheit eine Kollision zu vermeiden. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass gegenüber der Turmkonstruktion nach DE 20 2015 005 040 U1 die in Windrichtung vordere Säule im Zentrum der Drehbewegung für die Anlage vertikal gestellt wird. Damit diese senkrechte Säule auch bei jeder Windrichtung die vordere Säule bleibt, ist die Turmkonstruktion auf einer Kreisbahn mit der Drehachse des Turmes im Zentrum der Kreisbahn angeordnet. Die Einführung der Drehbewegung des Turmes um die vordere vertikale Säule oder um das Zentrum der Kreisringbahn als neue Eigenschaft soll die Möglichkeit schaffen, dass diese Achse mit den beiden nach hinten gespreizten Säulen die Hauptachse des Turmes bildet und somit die Turmdimensionierung optimiert werden kann. Damit werden minimaler Materialeinsatz für den Turm und sehr große Nabenhöhen mit hohen Leistungsparametern wirtschaftlich ermöglicht. Gleichzeitig soll die vordere vertikale Säule durch die großen Nabenhöhen das entscheidende Element für die mechanische Fortleitung des Rotordrehmomentes sein und das Drehmoment auf den Generator im Maschinenhaus in eine für Montage, Service, Teiletausch und Kontrollen für Dienstleister, Verantwortliche oder Notdienste vernünftig erreichbare Höhe leiten.
  • Ausführungsbeispiel
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
  • 1 die Windenergieanlage mit einer als TURNING-TOWER bezeichneten Turmkonstruktion in einer Seitenansicht,
  • 2 die Windenergieanlage nach 1 in einer demgegenüber um 90° gedrehten Seitenansicht und
  • 3 die Windenergieanlage in der Stellung nach 2 in der Draufsicht.
  • Nach den 1 bis 3 besteht die als TURNING-TOWER bezeichneten Turmkonstruktion für eine Windenergieanlage aus drei Turmsäulen; der vertikalen, vorderen Säule 3 und den beiden gespreizten hinteren Säulen 4, die die vertikale vordere Säule 3 stützen. Alle drei Säulen 3, 4 bestehen aus fertiggewalzten Großrohren in Herstelllängen von ca. 12 bis 16 m und werden nach jeder Sektionslänge durch Stabilisierungen 8 gegen vertikale Knickkräfte und horizontale Zusatzkräfte gestützt und versteift. Der obere Säulenabschluss der vertikalen vorderen Säule 3 trägt die Umhausung für die Lagerung des Rotors 5 samt der Rotorwelle, auf der die Einzelteile zur Fortleitung des Drehmomentes 10 wie die Gurtscheibe, die Rotorbremse sowie die Kontroll- und Messapparaturen untergebracht sind. Das Rotorblatt 6 wird an modernen Windenergieanlagen mit zunehmenden Megawattleistungen immer größere Länge erhalten, sodass die damit verbundene große elastische Verformung durch den Wind die Gefahr einer Kollision mit Bauteilen des Turmes mit sich bringt, insbesondere wenn alle Säulen des Turmes zueinander gespreizt sind. Zur Vermeidung solcher Kollisionen wird erfindungsgemäß die vordere Säule 3 durchgängig vertikal angeordnet und die nach hinten gespreizten Säulen 4 übernehmen die Stützung der vertikalen Säule 3. Im Gegensatz zur bisherigen Ausführung der Windenergieanlagen mit feststehendem, nicht drehbaren Turm, auf dem die Gondel mit Rotor 5 sich stets in den Wind einstellt, und in alle Richtungen das mit zunehmender Größe der Turmkonstruktion 1 erforderliche Biegewiderstandsmoment aufweisen muss, bietet der TUNING-TOWER als drehbare Turmkonstruktion 1, die immer in Rotorlängsachse 16 und damit in Windrichtung steht, den herausragenden Vorteil, dass diese Turmkonstruktion 1 in ihrer Gestaltung und Dimensionierung auf voller Nabenhöhe 7 nach Gesichtspunkten geringer Eigenmasse und wirtschaftlicher Teileausbildung optimal ausgelegt werden kann. Der TURNING-TOWER hat bei mehreren Vorberechnungen mit Nabenhöhen 7 > 100 m und mit Antriebsleistungen > 3 Megawatt materialwirtschaftliche Vorteile in Größenordnung von 25 bis 50% aufgezeigt. Unterschiede mit solchen Ergebnissen sind verständlicherweise auch von schwankenden Marktpreisen für Zulieferungen abhängig. Die vertikale Säule 3 besitzt im Fundament 14 eine langjährig bewährte Kugelzapfenlagerung 13 aus Großgeräten des Schwermaschinenbaus und wird für diesen Einsatzfall so ausgeführt, dass sie auch erhebliche Zugkräfte vom Fundament 14 zur Sicherung der Standsicherheit übernimmt. Die Kreisringbahn 11, mit der zum Durchmesser abgestimmten Neigung gegenüber dem Zentrum 2 der Anlage wird entsprechend der zu übernehmenden Druckkräfte von den beiden gespreizten Drucksäulen 4 mit bewährten Lauf- und Fahrwerken 12 wie z. B. an schweren Hafen-, Umschlag- oder Werftkrananlagen ausgeführt. Die vertikale vordere Säule 3 wird in der Drehachse 2 der Anlage, als entscheidende zugbelastete Säule 3 aus der Rotorkraft und als Umhausung für den das Rotordrehmoment mechanisch fortleitenden Triebstrang in ihrem Durchmesser und der Ausführung so dimensioniert, dass auch die Vorspannkraft des von oben nach unten führenden Steelcord-Triebes einwandfrei übernommen wird. Der Steelcord wird über Gurtscheiben, Führungswalzen und Elementen zur Erzeugung einer Vorspannkraft vom Rotor 5 zum Maschinenhaus 9 mit dem Generator geführt und bildet so den Steelcord-Trieb für die Drehmomentenübertragung. An der unteren Scheibe wird die Dehnung des Steelcord-Triebes übernommen und der gesamte Triebstrang automatisch auf optimale Gurtkraft eingestellt. Durch Anwendung der in der Literaturquelle von Siegfried Heier, "Windkraftanlagen", 5. Auflage, Seite 170 beschriebenen "Triebstrangverzweigung" lassen sich mit geschickter Gestaltung und Nutzung der Gegebenheiten an einem TURNING-TOWER sehr große Antriebsleistungen aus sehr großen, bisher nicht erreichten Nabenhöhen 7 in die aus mehreren Gründen vernünftigen Höhen herabführen. Die nicht stets und mit den gewünschten technischen Daten verfügbaren Großkrane – mit dem An- und Abtransport incl. des Auf- und Abbaus und des durchzuführenden Auftrages – verursachen immense Kosten. Auch aus Arbeitsschutz-Gesundheitsschutz- und Feuerschutzgründen ist das Begrenzen der vertretbaren Höhen für Megawatttriebe und der Einsatz von geeigneten Eigenhebezeugen in Nabenhöhen für Service- und später Rückbauaufgaben vernünftig.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Turmkonstruktion (TURNING-TOWER)
    2
    Drehachse der Turmkonstruktion
    3
    vertikale vordere Säule
    4
    gespreizte hintere Säulen
    5
    Rotor
    6
    Rotorblatt
    7
    Nabenhöhe
    8
    Stabilisierungen
    9
    Maschinenhaus mit Generator
    10
    Drehmomentenübertragung
    11
    Kreisringbahn um die Drehachse 2
    12
    Drucksäulen-Laufwerke
    13
    Kugelzapfen in der Drehachse 2
    14
    Fundament zum Kugelzapfen 13
    15
    Fundament zur Kreisringbahn 11
    16
    Rotorlängsachse
  • 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 202015005040 U1 [0002, 0003]
    • EP 2065593 A1 [0002]
    • DE 202009009517 U1 [0002]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Siegfried Heier, ”Windkraftanlagen”, 5. Auflage, Seite 170 beschriebenen ”Triebstrangverzweigung” [0008]

Claims (2)

  1. Eine aus mindestens drei Säulen bestehende Turmkonstruktion für eine Windenergieanlage mit horizontaler Rotorachse nach DE 20 2015 005 040 U1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Wind zugewandte Säule (3) vertikal angeordnet ist, eine vertikale Drehachse (2) aufweist und die gesamte Turmkonstruktion (1) auf einer Kreisringbahn (11) um eine Drehachse (2) beweglich angeordnet ist, wobei sich der Drehpunkt (2) der Kreisringbahn (11) für die Turmkonstruktion im Zentrum der Kreisringbahn (11) unter der vorderen Säule (3) befindet.
  2. Turmkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotornabe (5) mit der Rotorlagerung in Nabenhöhe (7) incl. einer Umhausung fest mit der vertikalen vorderen Säule (3) verbunden ist und durch die vordere Säule (3) ein von der Rotornabe (5) bis hinunter zum im Maschinenhaus (9) untergebrachten Generator ein Steelcord geführt wird, der über Gurtscheiben, Führungswalzen und Elementen zur Erzeugung einer Vorspannkraft geführt wird und so einen Steelcord-Trieb zur Drehmomentenübertragung (10) bildet.
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