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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Windturbine mit einer Drehachse, die im Wesentlichen senkrecht zur Windrichtung steht und normalerweise mit einer vertikalen Drehachse angeordnet ist, sowie auf eine Windkraftanlage mit einer solchen Windturbine.
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Heute macht die Windenergie ca. 8 - 10 % der jährlich weltweit installierten Stromkapazität aus (ca. 750 GW). Die Windenergie wird eine immer wichtigere Rolle bei der laufenden Energiewende hin zu erneuerbaren Energien spielen. Schätzungen zufolge wird sich die weltweit installierte Gesamtkapazität der Onshore-Windenergie bis 2030 auf 2.000 GW mehr als verdreifachen und kann sich bis 2050 auf 5.000 GW versiebenfachen, und es wird erwartet, dass die installierte Windenergiekapazität bis 2050 weltweit weiter erheblich ansteigen wird.
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Es gibt zwei Haupttechnologien für Windturbinen, die nach der Ausrichtung der Drehachse der Windturbinen unterschieden werden. Dreiblatt-Windturbinen mit horizontaler Achse (HAWT), bei denen sich die Rotorblätter in Windrichtung des Turms befinden, erzeugen heute den überwiegenden Teil der Windenergie in der Welt. Bei diesen Turbinen befinden sich die Hauptrotorwelle und der elektrische Generator an der Spitze eines Turms und sind in den Wind gerichtet. Der Generator befindet sich auf einer Welle in einer Gondel. Die Technologie für solche Windturbinen ist ausgereift, und alle heute hergestellten und installierten horizontalen Turbinen sind ähnlich aufgebaut. Die HAWTs haben in den letzten Jahren an Größe und installierter Leistung zugenommen und liegen jetzt zwischen 1 und 14 MW pro Turbine.
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Bei einer Windturbine mit vertikaler Achse (VAWT) hingegen steht die Drehachse senkrecht zur Windrichtung und wird in der Regel mit einer vertikalen Drehachse relativ zum Boden installiert. Es handelt sich also um einen Windturbinentyp, bei dem die Hauptrotorwelle quer zur Windrichtung ausgerichtet ist, während die Hauptkomponenten am Fuß der Turbine angeordnet sein können. Diese Anordnung ermöglicht es, den Generator in Bodennähe anzuordnen, mit einem niedrigen Schwerpunkt, was den Zugang für Wartung und Reparatur erleichtert. VAWTs müssen nicht in den Wind ausgerichtet werden, was die Notwendigkeit von Windmess- und Ausrichtungsmechanismen überflüssig macht. VAWT haben jedoch nicht die gleiche Aufmerksamkeit und die gleichen Investitionen erhalten wie HAWTs und machen heute weniger als 0,1 % der installierten Windkraftkapazität aus.
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Die bestehenden Technologien in Bezug auf VAWTs haben bestimmte Nachteile, was erklären kann, warum VAWTs bisher so wenig Beachtung gefunden haben. Erstens ist der Wirkungsgrad herkömmlicher Savonius-VAWT-Turbinen im Vergleich zu HAWTs geringer, da der Betrieb dieser Turbinen hauptsächlich vom Luftwiderstand abhängt und die windabgewandten Flügel nicht zur Stromerzeugung beitragen. Die kleineren Darius-Turbinen sind außerdem Vibrationen durch das auf den Mast ausgeübte Drehmoment ausgesetzt, was zu erhöhtem Verschleiß & Wartungsbedarf führt. Und schließlich, was vielleicht am wichtigsten ist, wurde in VAWTs nicht annähernd so viel in Forschung und Entwicklung investiert wie in HAWTs, so dass es sich um eine weit weniger ausgereifte Technologie handelt.
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Ein generelles Problem bei bestehenden Windturbinen ist das Getriebesystem, das großen und wechselnden Kräften ausgesetzt ist. Die Getriebesysteme müssen daher so konstruiert sein, dass sie über die Zeit großen und wechselnden Kräften standhalten können, und sind daher kostspielig. Die Windturbinen müssen trotzdem umfangreich gewartet und überwacht werden, um einen vollständigen Ausfall der Getriebe zu verhindern bzw. zu vermeiden.
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An den Standorten, an denen Windturbinen aufgestellt werden, herrschen oft raue Wetterbedingungen, und die Konstruktion der Windturbinen muss die Auswirkungen von starkem Wind und bei Offshore installierten Windturbinen auch von Wellen ausgleichen. Darüber hinaus können die Windverhältnisse erheblich variieren, je nachdem, wie weit die Windturbine vom Boden oder der Wasseroberfläche entfernt ist.
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Es war daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Windturbine zu entwickeln, bei der mindestens eines und vorzugsweise mehrere oder alle der oben genannten Probleme entschärft sind.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, eine Windturbine bereitzustellen, bei der die Kosten für Herstellung, Wartung und Überwachung des Getriebesystems von Windturbinen reduziert sind.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, eine Windkraftanlage bereitzustellen, die mit anderen zu errichtenden Strukturen kombiniert und/oder integriert werden kann.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, eine Windkraftanlage bereitzustellen, die geeignet ist, an einer bestehenden Struktur nachgerüstet zu werden.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, eine Windkraftanlage zu entwickeln, die die unterschiedlichen Windverhältnisse am Boden oder an der Wasseroberfläche und in einiger Entfernung vom Boden oder von der Wasseroberfläche berücksichtigt.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, eine Windkraftanlage mit einem Generator zu entwickeln, der kein Getriebe benötigt.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, eine Windkraftanlage mit einer effizienten Kühlung des Generators zu entwickeln.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, eine Windturbine mit einer vereinfachten Konstruktion im Vergleich zu den üblichen HAWT-Windturbinen zu entwickeln.
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Diese Aufgaben werden mit einer Windturbine gemäß Anspruch 1, einer Windkraftanlage gemäß Anspruch 22 und einer Verwendung der Windturbine oder der Windkraftanlage gemäß Anspruch 29 gelöst. Weitere Ausführungsformen der Windturbine sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Somit wird eine Windturbine bereitgestellt, die zumindest einen ersten Turbinenrotor und einen zweiten Turbinenrotor umfasst, wobei der erste Turbinenrotor und der zweite Turbinenrotor um dieselbe Drehachse (A) rotieren, die sich in einer Längsrichtung der Windturbine erstreckt, und der erste Turbinenrotor und der zweite Turbinenrotor gegenläufig rotieren. Die Windturbine umfasst ferner einen Generator, der einen ersten Generatorteil und einen zweiten Generatorteil umfasst, wobei der erste Generatorteil an dem ersten Turbinenrotor angebracht ist und der zweite Generatorteil an dem zweiten Turbinenrotor angebracht ist, und wobei der erste Generatorteil mindestens einen Generatormagneten und der zweite Generatorteil mindestens eine Generatorspule zur Erzeugung eines elektrischen Stroms umfasst, wenn die Windturbine in Betrieb ist, d.h. wenn sich der erste Turbinenrotor und/oder der zweite Turbinenrotor dreht/drehen.
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Die vorliegende Windturbine ist somit vorzugsweise eine VAWT, d.h. die Drehachse der Windturbine ist in einem Winkel von etwa 90 Grad zur Windrichtung angeordnet, und üblicherweise als Windturbine mit vertikaler Achse, obwohl es möglich ist, die Windturbine so anzuordnen, dass die Drehachse horizontal und gleichzeitig im Wesentlichen senkrecht zur Windrichtung steht. Es ist anzumerken, dass der Generatormagnet ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet sein kann. Es ist auch zu erwähnen, dass die Drehachse A und die Längsrichtung der Windturbine und des Turms so angeordnet sein können, dass sie relativ zu einer horizontalen Ebene etwas geneigt sind. Dies kann z.B. für im Wasser angeordnete schwimmende Windkraftanlagen geeignet sein.
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Ein Vorteil der vorliegenden Turbine im Vergleich zu den heute üblichen Turbinen ist, dass die gegenläufigen Turbinen keine Drehmomente erzeugen, die von der Tragstruktur, wie dem Turm der Windkraftanlage, aufgenommen werden müssen. Die vorliegende Windturbine ist daher gut geeignet, um an einer bestehenden Struktur wie dem Turm bestehender Horizontalachsen-Windturbinen nachgerüstet zu werden. Bestehende Windkraftanlagen-Parks können daher leicht aufgerüstet und effizienter gestaltet werden.
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Ein weiterer Vorteil der hier beschriebenen Windturbine besteht darin, dass kein Getriebe erforderlich ist. Dadurch sind weniger Reibungsverluste und Kühlungsbedarf gegeben. Das Fehlen eines Getriebes macht die vorliegende Windturbine auch sehr viel zuverlässiger und erfordert weniger Wartung als die herkömmlichen Turbinen mit horizontaler Achse, die heute üblicherweise gebaut werden. Dadurch eignet sich die vorliegende Windturbine besser für den Einsatz an Orten mit rauen Wetterbedingungen, wie z.B. Off-Shore-Standorten. Da die Windturbine kein Getriebesystem benötigt, ist es außerdem einfacher als bei herkömmlichen Windturbinen, die Windturbine vergrößert zu bauen.
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Der erste Generatorteil ist vorzugsweise an einem ersten radialen Umfangsabschnitt des ersten Turbinenrotors angebracht, der dem zweiten Turbinenrotor zugewandt ist, und der zweite Generatorteil ist vorzugsweise an einem zweiten radialen Umfangsabschnitt des zweiten Turbinenrotors angebracht, der dem ersten Turbinenrotor zugewandt ist. Durch die Anordnung des Generators an der Peripherie der Turbinenrotoren besteht ein geringerer Kühlungsbedarf, da die Generatorteile eine große Oberfläche haben, die auf natürliche Weise durch Luft gekühlt wird.
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Der erste Turbinenrotor kann einen oberen ersten Turbinenrotor und einen unteren ersten Turbinenrotor umfassen, die auf gegenüberliegenden Seiten des zweiten Turbinenrotors in Längsrichtung der Windturbine angeordnet sind.
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Der obere erste Turbinenrotor und der untere erste Turbinenrotor sind vorzugsweise an einer ersten Turbinenwelle, d.h. einer gemeinsamen Welle für die beiden Turbinenrotoren, angebracht, die drehbar an einem Turm einer Windkraftanlage oder an einem Befestigungselement einer separaten Struktur angebracht werden kann. Die Windturbine kann zum Beispiel an einem Turm einer bestehenden Windkraftanlage oder gleichzeitig mit dem Bau einer separaten Windkraftanlage nachgerüstet werden. Der zweite Turbinenrotor hingegen ist vorzugsweise drehbar an der ersten Turbinenwelle angebracht.
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Der obere erste Turbinenrotor und der untere erste Turbinenrotor sind an einer ersten Turbinenwelle angebracht, die an einem Turm (13) einer Windkraftanlage (10) oder einem Befestigungselement (54) einer separaten Struktur drehbar angebracht werden kann.
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Der obere erste Turbinenrotor und der untere erste Turbinenrotor können in Längsrichtung gleiche Längen aufweisen. Alternativ können der obere erste Turbinenrotor und der untere erste Turbinenrotor in Längsrichtung unterschiedlich lang sein, beispielsweise aufgrund der unterschiedlichen Windintensität in verschiedenen Höhen über dem Boden, in denen sich die Windkraftanlage befindet.
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Der obere erste Turbinenrotor und der untere erste Turbinenrotor können gleiche Durchmesser haben.
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Alternativ dazu können der obere erste Turbinenrotor und der untere erste Turbinenrotor unterschiedliche Durchmesser haben, beispielsweise aufgrund der unterschiedlichen Windintensität in verschiedenen Höhen über dem Boden, in denen sich die Windkraftanlage befindet.
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Analog kann, wenn die Windturbine mit einem unteren ersten Turbinenrotor und einem oberen ersten Turbinenrotor ausgestattet ist, der untere erste Turbinenrotor einen kleineren Durchmesser und/oder eine geringere Höhe als der obere erste Turbinenrotor haben, beispielsweise aufgrund der unterschiedlichen Windintensität in verschiedenen Höhen über dem Boden, in denen sich die Windkraftanlage befindet.
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Wenn die Windkraftanlage mit einem unteren ersten Turbinenrotor und einem oberen ersten Turbinenrotor versehen ist, ist der erste Generatorteil vorzugsweise an einem ersten radialen Umfangsabschnitt des oberen ersten Turbinenrotors angebracht, der dem zweiten Turbinenrotor zugewandt ist, und der zweite Generatorteil ist vorzugsweise an einem zweiten radialen Umfangsabschnitt des zweiten Turbinenrotors angebracht, der dem ersten Turbinenrotor zugewandt ist. Alternativ kann der erste Generatorteil an einem ersten radialen Umfangsabschnitt des unteren ersten Turbinenrotors, der dem zweiten Turbinenrotor zugewandt ist, angebracht werden, und der zweite Generatorteil kann an einem zweiten radialen Umfangsabschnitt des zweiten Turbinenrotors, der dem ersten Turbinenrotor zugewandt ist, angebracht werden.
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Die Windturbine kann ferner einen äußeren zweiten Turbinenrotor umfassen, der radial außerhalb des ersten Turbinenrotors angeordnet und fest mit dem zweiten Turbinenrotor verbunden ist, beispielsweise mit Tragelementen wie Trägern, Verstrebungen, Streben oder ähnlichen Elementen, die zum Tragen des äußeren zweiten Turbinenrotors geeignet sind. Somit dreht sich der äußere zweite Turbinenrotor zusammen mit dem zweiten Turbinenrotor.
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Obwohl es in den Figuren nicht dargestellt ist, ist anzumerken, dass eine äußere zweite Turbine auf die gleiche Weise an dem zweiten Turbinenrotor der in 3 dargestellten Ausführungsform der Windturbine befestigt werden kann, so dass der äußere zweite Turbinenrotor radial außerhalb des oberen ersten Turbinenrotors angeordnet ist.
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Der erste Turbinenrotor und der äußere zweite Turbinenrotor haben vorzugsweise im Wesentlichen die gleiche Länge in Längsrichtung der Windkraftanlage.
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Wenn die Windturbine mit einem äußeren zweiten Turbinenrotor versehen ist, ist der erste Generatorteil vorzugsweise an einem ersten radialen Umfangsabschnitt des ersten Turbinenrotors angebracht, der dem zweiten Turbinenrotor zugewandt ist, und der zweite Generatorteil ist vorzugsweise an einem zweiten radialen Umfangsabschnitt des zweiten Turbinenrotors angebracht, der dem ersten Turbinenrotor zugewandt ist. Alternativ kann der erste Generatorteil an einem ersten radialen Umfangsabschnitt des ersten Turbinenrotors, der dem äußeren zweiten Turbinenrotor zugewandt ist, angebracht sein und der zweite Generatorteil kann an einem zweiten radialen Umfangsabschnitt des äußeren zweiten Turbinenrotors, der dem ersten Turbinenrotor zugewandt ist, angebracht sein.
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Jeder Turbinenrotor umfasst vorzugsweise mindestens einen Tragarm, der sich in einer im Wesentlichen radialen Richtung relativ zur Drehachse der Windturbine erstreckt, und vorzugsweise mindestens ein Rotorblatt, das an dem Tragarm angebracht ist.
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Das mindestens eine Rotorblatt ist vorzugsweise drehbar an dem mindestens einen Tragarm angebracht. Dadurch kann die Position des mindestens einen Rotorblatts relativ zu dem mindestens einen Tragarm eingestellt werden, wenn sich die Windturbine und der mindestens eine Tragarm um die Drehachse der Windturbine drehen.
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Das mindestens eine Rotorblatt erstreckt sich vorzugsweise in einer Richtung, die im Wesentlichen parallel zur Drehachse der Windturbine ist. Das mindestens eine Rotorblatt erstreckt sich also im Wesentlichen in der gleichen Richtung wie die Drehachse der Windturbine und die Längsrichtung der Windturbine.
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Der mindestens eine Tragarm kann einen ersten Tragarm und einen zweiten Tragarm umfassen, die in Längsrichtung der Windturbine voneinander beabstandet sind, und das mindestens eine Rotorblatt kann drehbar an dem ersten Tragarm und an dem zweiten Tragarm angebracht sein. Das mindestens eine Rotorblatt kann somit in Längsrichtung an beiden Enden gehalten sein.
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Jeder Turbinenrotor der Windkraftanlage umfasst vorzugsweise eine Mehrzahl von Tragarmen, und vorzugsweise ist an jedem Tragarm mindestens ein Rotorblatt befestigt.
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Die mehreren Tragarme sind vorzugsweise gleichmäßig in Umfangsrichtung relativ zur Drehachse der Windturbine angeordnet.
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Jeder Tragarm kann auch mit einem äußeren Tragarm versehen sein, der mit dem Tragarm an einem radial äußeren Teil des Tragarms drehbar verbunden ist. Die äußeren Tragarme drehen sich vorzugsweise relativ zu ihren jeweiligen Tragarmen, wenn sich die Windturbine um die Drehachse der Windturbine dreht, so dass die äußeren Tragarme jederzeit eine gewünschte Position relativ zu ihren jeweiligen Tragarmen in Abhängigkeit von der Windrichtung, d.h. der Rotationsposition ihrer jeweiligen Tragarme in Umfangsrichtung um die Drehachse der Windturbine, einnehmen.
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Das mindestens eine Rotorblatt ist vorzugsweise an jedem äußeren Tragarm befestigt.
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Darüber hinaus kann mindestens ein Rotorblatt drehbar an dem äußeren Tragarm und/oder mindestens ein Rotorblatt drehbar an dem Tragarm angebracht sein.
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Alternativ kann eine Vielzahl von Rotorblättern drehbar an jedem Tragarm und/oder dem äußeren Tragarm angebracht sein, wobei die Rotorblätter in einer radialen Richtung relativ zur Drehachse der Windkraftanlage entlang der Länge des Tragarms und/oder des äußeren Tragarms beabstandet sind.
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Der äußere Tragarm ist vorzugsweise so ausgelegt, dass er relativ zum Tragarm aktiv gedreht werden kann, wenn sich die Turbinenrotoren um die Drehachse der Windturbine drehen.
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Außerdem ist jeder Tragarm vorzugsweise mit einem Betätigungsmittel versehen, das den äußeren Tragarm in eine gewünschte Position relativ zum Tragarm dreht. Bei dem Betätigungsmittel handelt es sich vorzugsweise um einen Motor, wie z.B. einen Elektromotor, einen Hydraulikmotor oder einen Pneumatikmotor eines Typs, der im Handel erhältlich und geeignet ist, die Drehbewegung der äußeren Arme relativ zu ihren jeweiligen Tragarmen zu bewirken, wenn sich die Turbinenrotoren um die Drehachse der Windkraftanlage drehen.
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Die Windturbine umfasst vorzugsweise ein Steuersystem, das die Antriebsvorrichtungen der Tragarme so steuert, dass jeder äußere Arm in Abhängigkeit von der Drehposition des Tragarms in eine gewünschte Position relativ zu dem Tragarm, an dem er drehbar befestigt ist, gedreht wird, wenn sich die Turbinenrotoren um die Drehachse der Windturbine drehen.
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Alternativ kann die Windturbine mit Ketten, Riemen, einem Zahnradsystem, einer Kombination davon oder einer anderen ähnlichen Vorrichtung versehen sein, die die Position der äußeren Arme relativ zu den jeweiligen Tragarmen, an denen sie angebracht sind, und ferner die Position der Rotorblätter relativ zu den Tragarmen und/oder den äußeren Tragarmen, an denen sie angebracht sind, steuern kann, wenn sich die Turbinenrotoren der Windturbine drehen.
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Die Windturbine kann ferner Federelemente beinhalten, um die Bewegung der äußeren Tragarme relativ zu den Tragarmen und/oder die Bewegung der Rotorblätter relativ zu den äußeren Tragarmen und/oder den Tragarmen zu erleichtern und/oder um dazu beizutragen, zumindest einen Teil der Energie zurückzugewinnen, die verwendet wird, um die Drehbewegung der äußeren Tragarme relativ zu ihren jeweiligen Tragarmen zu bewirken, wenn sich die äußeren Tragarme zwischen einer ersten Endposition und einer zweiten Endposition relativ zu dem Tragarm, d.h. einer imaginären Linie durch oder einer imaginären Verlängerung des Tragarms, drehen, während sich die Windturbine während des Betriebs der Windturbine um die Drehachse A dreht.
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Die Windturbine kann drehbar an einer separaten Struktur, wie z.B. einer Turmstruktur, angebracht sein. Die Längsrichtung der Turmstruktur ist vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Drehachse der Windturbine, d.h. die Windturbine ist typischerweise eine Windturbine mit vertikaler Achse, wenn die Windturbine installiert ist.
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Es wird auch eine Windkraftanlage bereitgestellt, die eine separate Struktur und eine Windturbine wie oben beschrieben umfasst, wobei die Windturbine an der separaten Struktur angebracht ist.
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Bei der separaten Struktur kann es sich um eine bestehende Struktur handeln, d.h. die Windturbine wird an einer bestehenden Struktur nachgerüstet. Alternativ kann es sich bei der separaten Struktur um eine im Bau befindliche Struktur handeln, d.h. die Windturbine wird an der separaten Struktur angebracht, während diese gebaut wird, und die Windturbine kann daher während der Planungsphase in die separate Struktur integriert werden.
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Bei der separaten Struktur kann es sich zum Beispiel um einen Turm einer bestehenden oder im Bau befindlichen Windkraftanlage handeln.
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Die separate Struktur kann auch ein Mast sein, wie z.B. ein Radiomast oder ein Fernsehmast oder ein Strommast oder ein Mobilfunkmast.
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Bei der separaten Struktur kann es sich auch um einen Pfahl handeln, z.B. einen Laternenpfahl oder einen Telegrafenmast.
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Bei der separaten Struktur kann es sich auch um einen Schornstein handeln.
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Es wird auch ein Verfahren zur Verwendung einer Windturbine, wie oben beschrieben, und/oder einer Windkraftanlage, wie oben beschrieben, bereitgestellt, wobei die Windturbine an einer separaten Struktur angebracht ist.
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Bei der separaten Struktur kann es sich um eine bestehende Struktur handeln. Alternativ kann es sich bei der separaten Struktur auch um eine im Bau befindliche Struktur handeln. Bei der separaten Struktur kann es sich beispielsweise um eine der folgenden Strukturen handeln: den Turm einer bestehenden oder im Bau befindlichen Windkraftanlage; einen Mast, wie beispielsweise einen Radiomast oder einen Fernsehmast oder einen Strommast oder einen Mobilfunkmast; einen Pfahl, wie beispielsweise einen Laternenpfahl oder einen Telegrafenmast; einen Schornstein.
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren mit einer Reihe von nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei:
- 1 eine schematische Darstellung einer Windkraftanlage gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem ersten Turbinenrotor und einem zweiten Turbinenrotor, die gegenläufig rotieren, zeigt.
- 2 eine schematische Darstellung des zweiten Turbinenrotors mit den Wicklungen der Spule des Stators des elektrischen Generators zeigt.
- 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage mit einem unteren ersten Turbinenrotor und einem oberen ersten Turbinenrotor, die auf einer gemeinsamen Welle und beiderseits des zweiten Turbinenrotors in Längsrichtung der Windkraftanlage angeordnet sind, zeigt.
- 4 eine schematische Darstellung einer Windturbine gemäß der vorliegenden Erfindung, umfassend einen ersten Turbinenrotor und einen zweiten Turbinenrotor, wie in 1 gezeigt, und einen äußeren zweiten Turbinenrotor, der fest mit dem zweiten Turbinenrotor verbunden ist und in Umfangsrichtung an der Außenseite des ersten Turbinenrotors relativ zum ersten Turbinenrotor angeordnet ist, zeigt.
- 5 eine schematische Darstellung einer Windturbine gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine Anzahl von Tragarmen umfasst, die jeweils mindestens ein Rotorblatt tragen, und wobei die Tragarme mit einem äußeren Tragarm versehen sind, an dem die Rotorblätter drehbar befestigt sind, zeigt.
- 6 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Windturbine, bei der vier gegenläufig rotierende Turbinenrotoren am Turm einer Windkraftanlage angebracht sind, zeigt.
- 7 eine schematische Darstellung einer Windturbine gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der drei Turbinenrotoren gemäß 3 am Turm einer Windkraftanlage angebracht sind, zeigt.
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Wie in den Figuren gezeigt, ist die Drehachse A aller in den 1 - 7 dargestellten Ausführungsformen der Windturbine 12 im Wesentlichen rechtwinklig oder senkrecht zur Windrichtung angeordnet. Daher ist die Drehachse A der Windturbine 12 im Wesentlichen vertikal im Verhältnis zu einem horizontalen Boden 56 oder der Meeresoberfläche 56 (siehe 6 und 7). Die Windturbine 12 ist daher eine Windturbine mit vertikaler Achse (VAWT). Es ist auch zu erwähnen, dass sich die Längsrichtung der Windturbine 12 in derselben Richtung wie die Drehachse A erstreckt. Es ist jedoch zu erwähnen, dass die Drehachse A und die Längsrichtung der Windturbine und des Turms so angeordnet sein können, dass sie relativ zu einer horizontalen Ebene geneigt sind. Dies kann z.B. für im Wasser angeordnete schwimmende Windkraftanlagen geeignet sein.
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In 1 ist eine Windkraftanlage 10 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt, die eine Windturbine 12 umfasst. Die Windturbine 12 ist an einem Turm 13 angebracht, bei dem es sich um einen Turm 13 einer bestehenden Struktur, beispielsweise einer bestehenden Windkraftanlage, aber auch um einen Mast, einen Pfahl, einen Schornstein oder eine andere geeignete bestehende Struktur handeln kann, an der die Windturbine 12 nachgerüstet werden kann. Die Windturbine 12 kann auch an einem Turm 13 oder einer ähnliche Struktur angebracht werden, während der Turm gebaut wird.
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Die in 1 dargestellte Windturbine umfasst einen ersten Turbinenrotor 16, der um eine Drehachse A drehbar an dem Turm 13 angebracht ist, und einen zweiten Turbinenrotor 23, der ebenfalls um dieselbe Drehachse A drehbar an dem Turm 13 angebracht ist.
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Der erste Turbinenrotor 16 ist auf mindestens einem, vorzugsweise aber auf zwei oder mehr ersten Turbinenrotorlagern 31 gelagert, die es dem ersten Turbinenrotor ermöglichen, sich um die Drehachse A zu drehen, und die sicherstellen, dass äußere Kräfte auf den ersten Turbinenrotor 16 aufgenommen und auf den Turm 13 übertragen werden.
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Analog wird der zweite Turbinenrotor 23 von mindestens einem, vorzugsweise aber von zwei oder mehr zweiten Turbinenrotorlagern 32 getragen, die es dem zweiten Turbinenrotor ermöglichen, sich um die Drehachse A zu drehen, und die sicherstellen, dass äußere Kräfte auf den zweiten Turbinenrotor 23 aufgenommen und auf den Turm 13 übertragen werden.
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Der erste Turbinenrotor 16 und der zweite Turbinenrotor 23 sind so angeordnet, dass sie sich in entgegengesetzter Richtung um die Drehachse A drehen, wenn die Windturbine 12 in Betrieb ist, d.h. der erste Turbinenrotor 16 und der zweite Turbinenrotor 23 sind gegenläufige Turbinen.
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Wie in den Figuren gezeigt, ist die Drehachse A der Windturbine 12 im Wesentlichen rechtwinklig bzw. senkrecht zur Windrichtung angeordnet. Daher ist die Drehachse A der Windturbine 12 im Wesentlichen vertikal in Bezug auf einen horizontalen Boden 56 oder die Meeresoberfläche 56 (siehe 6 und 7). Die Windturbine 12 ist daher eine Windturbine mit vertikaler Achse (VAWT). Wie bereits erwähnt, können die Drehachse A und die Längsrichtung der Windturbine und des Turms auch so angeordnet sein, dass sie gegenüber einer horizontalen Ebene geneigt sind. Dies kann z.B. für schwimmend im Wasser angeordnete Windkraftanlagen geeignet sein.
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Die Windturbine 12 ist mit einem Generator 35 zur Erzeugung von elektrischer Energie ausgestattet. Der Generator 35 umfasst einen ersten Generatorteil 36, der die Magnete des Generators 35 umfasst, und einen zweiten Generatorteil 38, der die Wicklungen des Generators 35 umfasst. Der erste Generatorteil 36 kann an dem ersten Turbinenrotor 16 angebracht werden, wie in 1 dargestellt, so dass der erste Generatorteil 36 dem zweiten Turbinenrotor 23 zugewandt ist. Der zweite Generatorteil 38 kann, wie in 1 dargestellt, an dem zweiten Turbinenrotor 23 angebracht werden, so dass der zweite Generatorteil 38 dem ersten Turbinenrotor 16 zugewandt ist.
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In 2 ist der zweite Turbinenrotor 23 schematisch dargestellt, wobei der zweite Generatorteil einschließlich seiner Wicklungen an dem zweiten Turbinenrotor 23 angebracht ist.
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Alternativ ist der zweite Generatorteil 38, der die Wicklungen des Generators 35 umfasst, an dem ersten Turbinenrotor 16 angebracht und der erste Generatorteil 36, der die Magnete des Generators 35 umfasst, ist an dem zweiten Turbinenrotor 23 angebracht.
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Der Generator 35 ist vorzugsweise an einem radialen Umfangsabschnitt der Turbinenrotoren 16, 23 angebracht, d.h. am relativ zur Drehachse A äußeren Abschnitt der Turbinenrotoren 16, 23. Dadurch wird eine größere Relativgeschwindigkeit zwischen den Magneten des ersten Generatorteils 36 und den Wicklungen des zweiten Generatorteils 38 erreicht. Wie in 1 und auch in den 3 - 4 gezeigt, ist der erste Generatorteil 36 an einem ersten radialen Umfangsabschnitt 17 des ersten Turbinenrotors 16 angebracht, der dem zweiten Turbinenrotor 23 zugewandt ist, und der zweite Generatorteil 38 ist an einem zweiten radialen Umfangsabschnitt 24 des zweiten Turbinenrotors 23 angebracht, der dem ersten Turbinenrotor 16 zugewandt ist.
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Wie in 1 dargestellt, ist die Windkraftanlage 10 ferner mit einem Schleifring 41 versehen, der an dem zweiten Turbinenrotor 23 angebracht ist. Die Windkraftanlage 10 ist ferner mit Bürsten 42 versehen, die an dem Turm 13 angebracht sind und mit dem Schleifring 41 zusammenwirken, so dass die vom Generator 35 erzeugte elektrische Energie von der Windturbine 12 übertragen und an einen beliebigen externen Ort geleitet werden kann.
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In 3 ist eine Ausführungsform einer Windturbine 12 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt, die sich geringfügig von der in 1 dargestellten Windturbine 12 unterscheidet.
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Anstelle eines einzelnen ersten Turbinenrotors 16 umfasst die in 3 dargestellte Windturbine 12 einen oberen ersten Turbinenrotor 19 und einen unteren ersten Turbinenrotor 20. Der obere erste Turbinenrotor 19 und der untere erste Turbinenrotor 20 sind beide an einer ersten Turbinenwelle 21 angebracht.
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Der obere erste Turbinenrotor 19 und der zweite Turbinenrotor 23 sind in Längsrichtung der Windturbine 12, d.h. in Richtung der Drehachse A, voneinander beabstandet, und der zweite Turbinenrotor 23 ist zwischen dem oberen ersten Turbinenrotor 19 und dem unteren ersten Turbinenrotor 20 angeordnet.
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Der zweite Turbinenrotor 23 ist fest an einer zweiten Turbinenwelle 25 angebracht. Die zweite Turbinenwelle 25 ist drehbar an der ersten Turbinenwelle 21 angebracht, wie in 3 gezeigt. Die zweite Turbinenwelle 25 wird von mindestens einem, vorzugsweise aber von zwei oder mehr zweiten Turbinenrotorlagern 32 getragen, die es dem zweiten Turbinenrotor ermöglichen, sich um die Drehachse A in entgegengesetzter Richtung zu dem oberen ersten Turbinenrotor 19 und dem unteren ersten Turbinenrotor 20 zu drehen und die sicherstellen, dass äußere Kräfte und Lasten auf den zweiten Turbinenrotor 23 aufgenommen und auf die erste Turbinenwelle 21 und anschließend auf den Turm 13 übertragen werden. Der obere und untere erste Turbinenrotor 19, 20 und der zweite Turbinenrotor 23 sind also gegenläufige Turbinen.
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Die erste Turbinenwelle 21 ist um die Drehachse A drehbar am Turm 13 angebracht. Die erste Turbinenwelle 21 wird von mindestens einem, vorzugsweise aber von zwei oder mehr ersten Turbinenrotorlagern 31 getragen, die es dem unteren ersten Turbinenrotor 20 und dem oberen ersten Turbinenrotor ermöglichen, sich um die Drehachse A zu drehen, und die sicherstellen, dass äußere Kräfte und Lasten auf den unteren ersten Turbinenrotor 20, den oberen ersten Turbinenrotor 19 und den zweiten Turbinenrotor 23 aufgenommen und auf den Turm 13 übertragen werden.
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Wie in der in 1 dargestellten Ausführungsform umfasst der Generator 35 einen ersten Generatorteil 36, der die Magnete des Generators 35 umfasst, und einen zweiten Generatorteil 38, der die Wicklungen des Generators 35 umfasst. Der erste Generatorteil 36 kann an dem oberen ersten Turbinenrotor 19 angebracht werden, vorzugsweise an einem ersten Umfangsabschnitt 17 des oberen ersten Turbinenrotors 19, wie in 3 gezeigt, und der zweite Generatorteil 38 kann an dem zweiten Turbinenrotor 23 angebracht werden, vorzugsweise an einem zweiten Umfangsabschnitt 24 des zweiten Turbinenrotors 23, oder umgekehrt.
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Natürlich kann alternativ der erste Generatorteil 36 an dem zweiten Turbinenrotor 23 angebracht werden, vorzugsweise an einem peripheren zweiten Abschnitt des zweiten Turbinenrotors 23, und der zweite Generatorteil 38 kann an dem unteren ersten Turbinenrotor 20 angebracht werden, vorzugsweise an einem peripheren ersten Abschnitt des unteren ersten Turbinenrotors 20, oder umgekehrt.
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Obwohl in 3 nicht dargestellt, ist die Windkraftanlage 10 ferner mit einem Schleifring versehen, der an dem oberen ersten Turbinenrotor 19 oder der ersten Turbinenwelle 21 angebracht werden kann, und mit Bürsten, die an dem Turm 13 oberhalb der Windturbine 12 angebracht sind. Die Bürsten wirken mit dem Schleifring zusammen, so dass die vom Generator 35 erzeugte elektrische Energie von der Windturbine 12 übertragen und an einen beliebigen externen Ort geleitet werden kann.
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In 4 ist eine weitere Ausführungsform einer Windturbine 12 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Windturbine 12 umfasst einen ersten Turbinenrotor 16, der um die Drehachse A drehbar am Turm 13 angebracht ist, und einen zweiten Turbinenrotor 23, der ebenfalls um dieselbe Drehachse A drehbar am Turm 13 angebracht ist.
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Der erste Turbinenrotor 16 wird von mindestens einem, vorzugsweise aber von zwei oder mehr ersten Turbinenrotorlagern 31 getragen, die es dem ersten Turbinenrotor ermöglichen, sich um die Drehachse A zu drehen, und die sicherstellen, dass äußere Kräfte auf den ersten Turbinenrotor 16 aufgenommen und auf den Turm 13 übertragen werden.
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Analog wird der zweite Turbinenrotor 23 von mindestens einem, vorzugsweise aber von zwei oder mehr zweiten Turbinenrotorlagern 32 getragen, die es dem zweiten Turbinenrotor ermöglichen, sich um die Drehachse A zu drehen, und die sicherstellen, dass äußere Kräfte auf den zweiten Turbinenrotor 23 aufgenommen und auf den Turm 13 übertragen werden.
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Der erste Turbinenrotor 16 und der zweite Turbinenrotor 23 sind so angeordnet, dass sie sich im Betrieb der Windturbine 12 in entgegengesetzter Richtung um die Drehachse A drehen, d.h. der erste Turbinenrotor 16 und der zweite Turbinenrotor 23 sind gegenläufige Turbinen.
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Die Windturbine 12 ist ferner mit einem äußeren zweiten Turbinenrotor 28 versehen. Wie in 4 gezeigt, ist der äußere zweite Turbinenrotor 28 radial auf der Außenseite des ersten Turbinenrotors 16 relativ zur Drehachse A angeordnet und erstreckt sich um den ersten Turbinenrotor 16 in Umfangsrichtung der Windturbine 12.
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Der äußere zweite Turbinenrotor 28 wird von mindestens einem, vorzugsweise aber einer Vielzahl von Tragelementen 28 getragen, wie in 4 gezeigt. Die Tragelemente 28 sind fest mit dem zweiten Turbinenrotor 23 und dem äußeren zweiten Turbinenrotor 23 verbunden, zum Beispiel durch Schweißen oder mit Bolzen, Schrauben oder anderen geeigneten Befestigungsmitteln. Der zweite Turbinenrotor 23 und der äußere zweite Turbinenrotor 28 rotieren daher zusammen als eine Einheit, wenn die Windturbine 12 in Betrieb ist. Der erste Turbinenrotor 16 und der zweite und der äußere zweite Turbinenrotor 23, 28 sind daher gegenläufige Turbinenrotoren.
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Wie bei den anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst der Generator 35 einen ersten Generatorteil 36, der die Magnete des Generators 35 umfasst, und einen zweiten Generatorteil 38, der die Wicklungen des Generators 35 umfasst. Der erste Generatorteil 36 kann, wie in 4 gezeigt, an dem ersten Turbinenrotor 16 angebracht werden, so dass der erste Generatorteil 36 dem zweiten Turbinenrotor 23 zugewandt ist. Der zweite Generatorteil 38 kann, wie in 4 dargestellt, an dem zweiten Turbinenrotor 23 angebracht werden, so dass der zweite Generatorteil 38 dem ersten Turbinenrotor 16 zugewandt ist.
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Alternativ wird der zweite Generatorteil 38, der die Wicklungen des Generators 35 umfasst, an dem ersten Turbinenrotor 16 angebracht, und der erste Generatorteil 36, der die Magnete des Generators 35 umfasst, wird an dem zweiten Turbinenrotor 23 angebracht.
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Wie bei den anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist der Generator 35 vorzugsweise an einem radialen Umfangsabschnitt der Turbinenrotoren 16, 23 angebracht, d.h. am äußeren Abschnitt der Turbinenrotoren 16, 23 relativ zur Drehachse A. Dadurch wird eine größere Relativgeschwindigkeit zwischen den Magneten des ersten Generatorteils 36 und den Wicklungen des zweiten Generatorteils 38 bereitgestellt.
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Wie in 4 gezeigt, ist der erste Generatorteil 36 daher an einem ersten radialen Umfangsabschnitt 17 des ersten Turbinenrotors 16 angebracht, der dem zweiten Turbinenrotor 23 zugewandt ist, und der zweite Generatorteil 38 ist an einem zweiten radialen Umfangsabschnitt 24 des zweiten Turbinenrotors 23 angebracht, der dem ersten Turbinenrotor 16 zugewandt ist.
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Obwohl in 4 nicht dargestellt, ist die Windkraftanlage 10 ferner mit einem Schleifring versehen, der vorzugsweise auf dem zweiten Turbinenrotor 23 angebracht ist. Die Windkraftanlage 10 ist auch mit Bürsten versehen, die am Turm 13 angebracht sind und mit dem Schleifring zusammenwirken, so dass die vom Generator 35 erzeugte elektrische Energie von der Windturbine 12 übertragen und an einen beliebigen externen Ort geleitet werden kann.
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Die Windturbine 12 kann mit einer bekannten Konstruktion versehen werden, die eine Anzahl von Tragarmen umfasst, die sich in radialer Richtung relativ zur Drehachse A nach außen erstrecken. Die Tragarme sind vorzugsweise gleichmäßig um die Windturbine 12 in Umfangsrichtung der Windturbine 12 um die Drehachse A herum verteilt.
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Jeder Tragarm kann ein einzelnes Rotorblatt tragen, das drehbar an einem radial äußeren Teil des Tragarms angebracht ist. Alternativ kann jeder Tragarm eine Vielzahl von Rotorblättern tragen, die entlang des Tragarms mit einem gewünschten Abstand zueinander angeordnet sind.
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Jeder Tragarm umfasst vorzugsweise einen oberen Tragarm und einen unteren Tragarm. Das Rotorblatt oder die Rotorblätter sind dann zwischen dem oberen Tragarm und dem unteren Tragarm angeordnet und in bekannter Weise drehbar an dem oberen Tragarm und dem unteren Tragarm angebracht. Im Betrieb der Windturbine 12 werden die Rotorblätter der Tragarme in Abhängigkeit von der Drehposition der Windturbine kontinuierlich in eine gewünschte Position relativ zu ihren jeweiligen Tragarmen gedreht, um einen möglichst großen und/oder gewünschten Windschub auf die Windturbine 12 bereitzustellen.
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Anstelle der bekannten, oben beschriebenen Turbinenrotoren kann auch ein alternativer Turbinenrotor, wie in 5 dargestellt, verwendet werden.
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In 5 ist eine mögliche Ausführungsform der Windturbine 12 dargestellt, die acht Tragarme 45 umfasst, die fest mit einem zentralen Turbinenrotor-Tragelement 14 der Windturbine 12 verbunden sind. Die Tragarme 45 sind gleichmäßig in Umfangsrichtung um den Turm 13 verteilt. Die Windturbine 12 kann, wie in 5 gezeigt, mit 8 Tragarmen 45 versehen sein, die Windturbine 12 kann aber natürlich auch mit einer beliebigen Anzahl von Tragarmen 45 versehen sein, die für eine jeweilige Windkraftanlage 10 geeignet ist.
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Die Tragarme 45 erstrecken sich vorzugsweise in einer im Wesentlichen radialen Richtung vom Turm 13 nach außen. Am radial äußeren Endabschnitt der Tragarme 45 ist, wie in der Figur gezeigt, ein äußerer Tragarm 50 angebracht. Die äußeren Tragarme 50 sind gelenkig, d.h. sie sind drehbar an den jeweiligen Tragarmen 45 mit einer Gelenkvorrichtung 51 befestigt, die es den äußeren Tragarmen 50 ermöglicht, sich relativ zu den Tragarmen 45 zu drehen.
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Die Gelenkvorrichtungen 51 können mit Betätigungsmitteln versehen werden, so dass die Drehung der äußeren Tragarme 50 relativ zu den Tragarmen 45 so gesteuert werden kann, dass die äußeren Tragarme 50 kontinuierlich in eine gewünschte Position relativ zu ihren jeweiligen Tragarmen 45 gedreht werden, wenn sich die Windturbine 12 dreht. Wie in 5 angezeigt, ändert sich die gewünschte Position der äußeren Tragarme 50 relativ zu ihren jeweiligen Tragarmen 45 während einer vollständigen Drehung des Turbinenrotors um die Drehachse A und hängt davon ab, wo sich die Tragarme 45 im Drehzyklus des Turbinenrotors zu einem bestimmten Zeitpunkt befinden.
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Bei dem Betätigungsmittel kann es sich um einen Motor, z.B. einen Elektromotor, oder eine hydraulische Vorrichtung, z.B. eine Kolben-ZylinderAnordnung, oder ein mechanisches System umfassend Ketten oder Riemen oder um ein anderes geeignetes Betätigungsmittel handeln, das in der Lage ist, die äußeren Tragarme 50 relativ zu ihren jeweiligen Tragarmen 45 zu drehen.
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Wie in 5 gezeigt, ist ein Rotorblatt 47 drehbar an einem äußeren Endabschnitt der äußeren Tragarme 50 angebracht, vorzugsweise mit entsprechenden Rotorblatt-Verbindungsvorrichtungen 48. Es ist zu erwähnen, dass zwei oder mehr Rotorblätter 47 an jedem äußeren Tragarm 50 angebracht sein können, die entlang des äußeren Tragarms 50 beabstandet sind. Ein oder mehrere Rotorblätter können auch an dem Tragarm 45 entlang des Tragarms 45 beabstandet angebracht werden.
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Die Rotorblatt-Verbindungsvorrichtungen 48 sind vorzugsweise auch mit Betätigungsmitteln versehen, so dass die Drehung der Rotorblätter 47 relativ zu den äußeren Tragarmen 50 so gesteuert werden kann, dass die Rotorblätter 47 kontinuierlich in eine gewünschte Position relativ zu ihren jeweiligen äußeren Tragarmen 50 gedreht werden, wenn sich die Windturbine 12 dreht und sich die äußeren Tragarme 50 relativ zu ihren jeweiligen Tragarmen 45 drehen. Bei den Betätigungsmitteln kann es sich um einen Motor, wie z.B. einen Elektromotor, oder um eine hydraulische Vorrichtung, wie z.B. eine Kolben/ZylinderAnordnung, oder um ein mechanisches System umfassend Ketten oder Riemen oder um jedes andere geeignete Betätigungsmittel handeln, das in der Lage ist, die Rotorblätter 47 relativ zu ihren jeweiligen äußeren Tragarmen 50 zu drehen.
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Die Windturbine 12 kann auch Federelemente beinhalten, um die Bewegung der äußeren Tragarme 50 relativ zu den Tragarmen 45 und/oder die Bewegung der Rotorblätter 47 relativ zu den äußeren Tragarmen 50 und/oder den Tragarmen 45 zu erleichtern und/oder um dazu beizutragen, zumindest einen Teil der Energie zurückzugewinnen, die verwendet wird, um die Drehbewegung der äußeren Tragarme 50 relativ zu ihren jeweiligen Tragarmen 45 zu bewirken, wenn sich die äußeren Tragarme 50 zwischen einer ersten Endposition und einer zweiten Endposition relativ zu dem Tragarm 45, d.h. einer imaginären Linie durch oder einer imaginären Verlängerung des Tragarms 45, drehen wenn sich die Windturbine während des Betriebs der Windturbine um die Drehachse A dreht.
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Obwohl in den Figuren nicht dargestellt, umfasst jeder äußere Tragarm 50 vorzugsweise einen oberen äußeren Tragarm und einen unteren äußeren Tragarm, und optional, aber vorzugsweise, ist jeder Tragarm 45 mit einem oberen Tragarm und einem unteren Tragarm versehen, selbst wenn kein Rotorblatt an den Tragarmen 45 angebracht ist. Das Rotorblatt 47 oder die Rotorblätter ist/sind dann zwischen dem oberen äußeren Tragarm und dem unteren äußeren Tragarm angeordnet und in bekannter Weise drehbar an dem oberen Tragarm und dem unteren Tragarm angebracht.
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Die in 5 dargestellte Windturbine ist mit acht Tragarmen 45 und entsprechend acht äußeren Tragarmen 50 versehen, die an den jeweiligen Tragarmen 45 mit einer Gelenkvorrichtung 51 drehbar angebracht sind. Eine kurze Beschreibung der Drehung der äußeren Tragarme 50 relativ zu ihren jeweiligen Tragarmen 45, wenn sich die Windturbine 12 aufgrund des Windes gegen den Uhrzeigersinn dreht, ist durch den Pfeil P gezeigt.
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Wenn die Windturbine 12 in Betrieb ist, werden die Rotorblätter der Tragarme kontinuierlich in eine gewünschte Position relativ zu ihren jeweiligen Tragarmen gedreht, die von der Drehposition der Windturbine abhängt, um den größtmöglichen und/oder wünschenswerten Windschub auf die Windturbine 12 bereitzustellen. Die Drehung der äußeren Tragarme 50 relativ zu den Tragarmen 45 an verschiedenen Positionen während der Drehbewegung der Windturbine 12 wird mit dem Pfeil V in jeder der acht Positionen angezeigt, d.h. für jeden der acht äußeren Tragarme 50, wenn sich die Windturbine 12 in dieser spezifischen Position in ihrer kontinuierlichen Drehbewegung gegen den Uhrzeigersinn befindet.
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Ein Rotorblatt 47 des in 5 dargestellten Turbinenrotors erzeugt Energie, wenn es sich von der mit dem Buchstaben A gezeigten Position bis zu der mit dem Buchstaben E gezeigten Position bewegt. In der mit dem Buchstaben A gezeigten Position befindet sich der äußere Tragarm 50 in seiner ersten Endposition, in der er im Uhrzeigersinn relativ zu einer geraden Linie durch den Tragarm 45 gedreht wird, die mit der gestrichelten Linie B angezeigt wird. Wenn sich der Turbinenrotor gegen den Uhrzeigersinn dreht, beginnt der in der Position A befindliche äußere Tragarm 50 seine Drehung, die durch den Pfeil TB angezeigt wird, relativ zum Tragarm 45 in Richtung seiner zweiten Endposition relativ zum Tragarm 45. Zwischen den mit den Buchstaben A und C gekennzeichneten Positionen ist die Auftriebskraft auf das Rotorblatt 47 größer als die durch den Gegenwind verursachten Gegenkräfte, und die Rotorblätter 47 tragen zur Stromerzeugung bei. Durch Drehen der äußeren Tragarme 50 in der mit dem Pfeil TB angezeigten Richtung aus der Position A wird die Auftriebskraft auf die Rotorblätter 47 erhöht.
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In der mit dem Buchstaben C gekennzeichneten Position ist der äußere Tragarm 50 relativ zum Tragarm 45 so gedreht worden, dass beide auf einer geraden Linie liegen, und wird weiter in Richtung der zweiten Endposition relativ zum Tragarm 45 gedreht, wie durch den Pfeil Vc angezeigt. In der mit dem Buchstaben E gekennzeichneten Position befindet sich der äußere Tragarm 50 in seiner anderen Endposition relativ zum Tragarm 45.
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Der Winkel, den die äußeren Tragarme 50 mit einer geraden Linie durch ihre jeweiligen Tragarme 45 bilden, wenn sich die äußeren Tragarme 50 in der ersten Endposition oder der zweiten Endposition befinden, kann von einem Turbinenrotor zu einem anderen und von einer Windturbine 12 zu einer anderen variieren, kann aber ein beliebiger Winkel im Bereich von 0 - 45 Grad sein. Die Tragarme 45 und/oder die äußeren Tragarme 50 und/oder die Gelenkvorrichtungen 51 können ferner mit einstellbaren Anschlagvorrichtungen versehen sein, die es ermöglichen, den ersten Endwinkel und/oder den zweiten Endwinkel, den die äußeren Tragarme 50 relativ zu den Tragarmen 45 einnehmen, auf einen gewünschten Winkel einzustellen, der beispielsweise von den vorherrschenden Wind- und Wetterbedingungen abhängt.
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Wenn sich die äußeren Tragarme 50 zwischen den mit den Buchstaben C und I gekennzeichneten Positionen bewegen, haben sie Rückenwind, und zwischen den mit den Buchstaben E und G gekennzeichneten Positionen bewegen sich die Rotorblätter 47 normalerweise schneller als der Wind, so dass die Rotorblätter 47 Gegenwind erfahren. Um diesem Gegenwind entgegenzuwirken, werden die äußeren Rotorblätter 47 wieder in die entgegengesetzte Richtung gedreht, und die Geschwindigkeit der Rotorblätter 47 ist geringer als die Windgeschwindigkeit, und die Rotorblätter 47 tragen in dieser Phase zur Stromerzeugung bei. Ausgehend von der mit dem Buchstaben E gekennzeichneten Position wird der äußere Tragarm 50 in der mit dem Buchstaben VE angezeigte Richtung relativ zum Tragarm 45 gedreht, d.h. in der entgegengesetzten Richtung der Windrichtung P, bis die äußeren Tragarme 50 wieder ihre erste Endposition erreichen, d.h. die äußeren Tragarme 50 haben in den mit den Buchstaben A und G gekennzeichneten Positionen die gleiche Position relativ zu den Tragarmen 45.
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Zwischen den mit den Buchstaben G und K gekennzeichneten Positionen der äußeren Tragarme sind die Rotorblätter 47 erneut einer Auftriebskraft ausgesetzt, die zur Stromerzeugung beiträgt. Um die Auftriebskräfte auf die Rotorblätter 47 zu erhöhen, werden die äußeren Tragarme 50 relativ zu ihren jeweiligen Tragarmen 45 von der ersten Endposition, die sie in Position G einnehmen, in der mit dem Pfeil TG angezeigten Richtung in die zweite Endposition gedreht, die sie in der mit dem Buchstaben K gekennzeichneten Position einnehmen.
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Wenn sich der Turbinenrotor dreht, so dass sich die äußeren Tragarme 50 von der mit dem Buchstaben K gekennzeichneten Position in die mit dem Buchstaben A gekennzeichnete Position bewegen, werden die äußeren Tragarme 50 in der mit dem Pfeil VK und VL angezeigten Richtung relativ zu den Tragarmen 45 von der zweiten Endposition der äußeren Tragarme 50 in der mit dem Buchstaben K gekennzeichneten Position in die erste Endposition der äußeren Tragarme 50 in die mit dem Buchstaben A gekennzeichnete Position gedreht. Wie in 5 zu sehen ist, liegen die äußeren Tragarme in dieser Phase näher beieinander, und der/die vordere(n) äußere(n) Tragarm(e) überdeckt/überdecken bis zu einem gewissen Grad den/die hinteren Tragarm(e), was dazu führt, dass insgesamt weniger Gegenwind auf die äußeren Tragarme 50 einwirkt.
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Die in den 1 - 5 dargestellten Windturbinen 12 können an verschiedenen Arten von Türmen, Masten, Pfosten, Schornsteinen oder anderen Arten von geeigneten Strukturen angebracht werden. Die Windturbinen 12 können an separaten, bestehenden Strukturen nachgerüstet werden. Alternativ können eine oder mehrere Windturbinen gemäß der vorliegenden Erfindung in eine Trägerstruktur, wie z.B. einen Turm, integriert werden, während die Trägerstruktur gebaut wird. Eine solche separate Struktur kann ein Turm einer bestehenden oder im Bau befindlichen Windkraftanlage sein. Bei der separaten Struktur kann es sich auch um einen Mast handeln, z.B. einen Radiomast oder einen Fernsehmast oder einen Strommast oder einen Mobilfunkmast, oder um einen Pfahl, z.B. einen Laternenpfahl oder einen Telegrafenmast, oder um einen Schornstein, z.B. einen Schornstein eines Kraftwerks.
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In den 6 und 7 sind zwei Beispiele für Windkraftanlagen 10 dargestellt, die Windturbinen 12 gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen.
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In 6 ist eine Windkraftanlage 10 dargestellt, die eine separate Struktur 53 in Form einer Windkraftanlage mit horizontaler Achse umfasst, die eine Befestigungsstruktur 54 in Form eines Turms aufweist. Die Befestigungsstruktur 54 kann auf dem Boden 56 errichtet werden oder in einem Gewässer mit einer Wasseroberfläche 56 angeordnet sein. Zwei gegenläufige Windturbinen 12 gemäß der vorliegenden Erfindung, die jeweils einen ersten Turbinenrotor 16 und einen zweiten Turbinenrotor 23, wie oben beschrieben, umfassen, sind an der Befestigungsstruktur 54, d.h. dem Turm 54, angebracht dargestellt. In 6 sind zwei Windturbinen an der Befestigungsstruktur 54, d.h. in diesem Fall dem Turm der Windkraftanlage, angebracht, aber es kann jede beliebige Anzahl von Windturbinen 12 an einer Befestigungsstruktur angebracht werden. Wenn mehrere Windturbinen 12 übereinander angeordnet werden, kann jede Turbine an den Abstand über dem Boden oder der Wasseroberfläche 56 angepasst werden, in dem sie angebracht wird, um unterschiedliche Windbedingungen, Turbulenzen usw. zu berücksichtigen, die von der Lage der Windkraftanlage, dem umgebenden Gelände und dem Abstand über dem Boden 56 abhängen.
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In 7 ist eine Windkraftanlage 10 dargestellt, die eine ähnliche separate Struktur 53 aufweist wie die in 6 gezeigte. Bei der separaten Struktur 53 handelt es sich um eine Windkraftanlage mit horizontaler Achse, die eine Befestigungsstruktur 54 in Form eines Turms 54 umfasst. Die Befestigungsstruktur 54 kann auf dem Boden 56 errichtet werden oder in einem Gewässer mit einer Wasseroberfläche 56 angeordnet sein. Eine gegenläufige Windturbine 12 gemäß der vorliegenden Erfindung, die einen oberen ersten Turbinenrotor 19, einen unteren ersten Turbinenrotor 20 und einen zweiten Turbinenrotor 23 umfasst, wie in Verbindung mit 3 oben beschrieben, ist an der Befestigungsstruktur 54, d.h. dem Turm 54, angebracht dargestellt. In 7 ist eine Windturbine 12 an der Befestigungsstruktur 54, d.h. in diesem Fall dem Turm der Windkraftanlage, angebracht, aber auch hier kann eine beliebige Anzahl von Windturbinen 12 an der Befestigungsstruktur 54 angebracht werden. Wenn mehrere Windturbinen 12 übereinander angeordnet werden, kann auch hier jede von ihnen an den Abstand über dem Boden oder der Wasseroberfläche 56 angepasst werden, um den unterschiedlichen Windbedingungen, Turbulenzen usw. Rechnung zu tragen, die von der Lage der Windkraftanlage, dem umgebenden Gelände und dem Abstand über dem Boden 56 abhängen. Außerdem können der obere erste Turbinenrotor 19 und der untere erste Turbinenrotor 20 unterschiedlich ausgelegt sein, um unterschiedlichen Windbedingungen und Turbulenzen Rechnung zu tragen, denen der obere erste Turbinenrotor 19 und der untere erste Turbinenrotor 20 ausgesetzt sein können, da sie sich in unterschiedlichen Höhen über dem Boden oder Wasser 56 befinden.
