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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Strom aus Windkraft mit mindestens einem Windflügel, der auf einer Welle befestigt ist, deren Achse in vertikaler Richtung verläuft und in einer Lagerung drehbar gelagert ist.
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Derartige Vorrichtungen haben in Europa eine relativ geringe Verbreitung gefunden, sind jedoch insbesondere auf dem amerikanischen Kontinent bekannt. Ihre Windflügel bewegen sich in einer horizontalen Ebene. Ihr Strömungsprofil wird daher von einem im Regelfall aus einer Richtung anströmenden Wind während einer Umdrehung eines Rotors unterschiedlich angeströmt. Dieser Tatsache muß das Profil des Windflügels Rechnung tragen bzw. der Windflügel muß während einer Umdrehung des Rotors einer jeweils optimalen Windanströmung entsprechend nachgeführt werden.
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Die sich in horizontaler Ebene bewegenden Windflügel besitzen im Regelfall einen wesentlich geringeren Durchmesser als Windflügel mit in horizontaler Ebene verlaufender Welle, die in einer vertikalen Ebene rotieren. Daher können auch mehrere Windflügel dieser Art auf relativ geringem Raum angeordnet werden. Dadurch wird auch eine Anordnung von mehreren Windflügeln auf geringem Raum ermöglicht. Darüber hinaus ist der Betrieb von Windflügeln mit vertikaler Achse mit geringeren Betriebsrisiken versehen, insbesondere verursachen derartige Flügel keine so weit gehenden Störungen der Umwelt wie Windflügel mit horizontaler Achse, von denen jeder im Regelfall ein relativ hohes und stabiles Bauwerk für seine Lagerung benötigt und durch seine Bewegungen im anströmenden Wind eine relativ hohe Lärmbelästigung verursacht.
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Der Nachteil von Windflügeln mit vertikaler Achse bestand bisher jedoch darin, daß bei einer relativ kleinen Energieerzeugung pro Windflügel eine große Anzahl derartiger Windflügel errichtet werden mußte, so daß eine vergleichsweise große Fläche mit derartigen Windflügeln zu bedecken war, um einigermaßen lohnende Energieausbeuten zu ermöglichen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Möglichkeit aufzuzeigen, die auch bei Windflügeln mit vertikaler Achse zu einer räumlich hohen Energiedichte führen kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß alle Lagerungen an einem Gestell angebracht sind, das im Erdboden befestigt ist. Dieses Gestell ermöglicht einerseits eine sehr betriebssichere Lagerung der Windflügel und andererseits eine Anbringung mehrerer Windflügel an einem Gestell. Auf diese Weise werden die Kosten für die Lagerung eines oder mehrerer Windflügel relativ gering gehalten. Da bei Windflügeln mit vertikaler Achse auch bei starker Windanströmung relativ geringe Kräfte auf die Lagerung der Windflügel und damit auf das Gestell ausgeübt werden, können auf relativ engem Raum eine Vielzahl von Windflügeln untergebracht werden, ohne daß erhebliche Kräfte beispielsweise in Form von Biegemomenten auf das Gestell ausgeübt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verfügt das Gestell in vertikaler Richtung über mindestens zwei untereinander angeordnete Laufgitterroste und oberhalb der Laufgitterroste sind mehrere Lagerungen an Halterungen vorgesehen. Auf diese Weise erfolgt durch die Laufgitterroste eine Versteifung des Gestells mit der Folge, daß dieses für die Anbringung weiterer Windflügel genutzt werden kann. Außerdem sind die Laufgitterroste für die Anbringung der Halterung und Montage der Windräder unerläßlich.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Gestell aus einem Gitterwerk, das für Winde jeglicher Windrichtung gleichermaßen durchlässig ist. Auf diese Weise verringert sich der auf das Gestell einwirkende Winddruck.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Gestell als ein Turm ausgebildet, der auf seiner gesamten Höhe einen gleichbleibenden Querschnitt aufweist. Dadurch kann der Turm leicht hergestellt und auch gewartet werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Turm in Modulbauweise ausgebildet, dessen Höhe abhängig von der jeweiligen Windanströmung variabel ist. Dadurch können die einzelnen Module serienmäßig hergestellt und entsprechend den örtlichen Verhältnissen ihrer jeweiligen Aufstellung kombiniert werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann ein Turm abhängig von örtlichen Windverhältnissen mit 30 bis 60 Rotoren bestückt werden. Durch eine solche hohe Anzahl von Rotoren stellt sich jeder Turm als ein Energiezentrum dar, von dem die insgesamt erzeugte elektrische Energie in ein öffentliches Netz eingespeist werden kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die an einem Turm gelagerten Flügel jeweils in ihrer Gesamtheit für eine Energieerzeugung von 0,5 bis 1 MW ausgelegt. Dadurch wird eine Normeinheit von jedem Turm hergestellt, die leicht und schnell aufgestellt und installiert werden kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Windflügel eine gegen Umwelteinflüsse resistente Oberflächenbeschichtung mit Nano-Partikeln auf. Dadurch werden auch die Windflügel für eine hohe Lebensdauer vorbereitet, so daß mit einer hohen Nutzungsdauer eines jeden Turmes gerechnet werden kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Windflügel eine durch dreidimensionale Computersimulation bestimmte Bauform auf. Dadurch wird unabhängig von der jeweiligen Windrichtung ein Windflügelprofil ermöglicht, daß den auftretenden Windströmungen entsprechend eine optimale Energieausbeute besitzt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Windflügel auf Wellen befestigt, deren Lagerung am Turm auf Windstärken über 10 ausgelegt ist. Im Hinblick auf die relativ geringen statischen Kräfte, die vom Wind auf das Gitterwerk des Turmes ausgeübt werden, kann davon ausgegangen werden, daß auch bei hohen Windstärken eine Abschaltung der Energieerzeugung nicht notwendig ist, so daß mit einer sehr guten Energieausbeute zu rechnen ist.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist.
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In den Zeichnungen zeigen:
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1 Einen Längsschnitt durch eine Windkraftanlage gemäß der Schnittlinie I-I in 2 und
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2 einen Querschnitt durch eine Windkraftanlage gemäß der Schnittlinie II-II in 1.
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Eine Vorrichtung zum Erzeugen von Drehkraft aus Windkraft ist als eine Windkraftanlage 1 ausgebildet, die mit einer Anzahl von Windflügeln 2 versehen ist. Diese Windflügel 2 sind in eifern Gestell 3 angeordnet, das als ein Turm ausgebildet ist, der im Erdboden 4 mit einem Fundament 5 befestigt ist. Das als Turm 6 ausgebildete Gestell 3 besitzt einen gleichbleibenden Querschnitt vom Erdboden 4 über Laufgitterroste 7, 8, 9, 10, 19 bis zu einem oberen Abschluß 11. Dabei kann als Querschnitt für den Turm 6 beispielsweise ein Sechseck 12 oder eine andere Flächenfigur gewählt werden, beispielsweise ein Achteck.
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Der Turm 6 besteht aus Streben 13, 14, 15, 16, 17, 18, die sich in lotrechter Richtung auf dem Fundament 5 erheben. Mit diesen Streben 13, 14, 15, 16, 17, 18 sind die Laufgitterroste 7, 8, 9, 10, 19 und der obere Abschluß 11 verbunden. Für diese Verbindung kommen jegliche Verbindungsmittel in Betracht, beispielsweise Schweißverbindungen oder Schraubverbindungen, bei denen zweckmäßigerweise Schrauben mit sich nicht lösenden Muttern eingesetzt werden. Diese Bauweise kommt insbesondere bei Verwendung von verzinkten Stahlteilen in Betracht, die durch Schraubverbindungen miteinander verbunden werden, um beim Schweißen eine Beschädigung der Verzinkung zu verhindern.
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Die Laufgitterroste 7, 8, 9, 10, 19 besitzen Verstrebungen 21, 22, 23, 24, 25, 26, die mit den Streben 13, 14, 15, 16, 17, 18 verbunden sind. In einen von den Verstrebungen 21, 22, 23, 24, 25, 26 umschlossenen Innenraum 29 des Turmes 6 ragen von den Verstrebungen 21, 22, 23, 24, 25, 26 die Laufgitterroste 7, 8, 9, 10, 19 hinein, von denen die eines Zwischenbodens fest miteinander verbunden sind. Diese Laufgitterroste 7, 8, 9, 10, 19 versteifen einerseits den Turm 6 und dienen andererseits zum Begehen des Turmes, wenn beispielsweise Wartungsarbeiten notwendig sind. Diese können an den Windflügeln 2 von den Gitterrosten 7, 8, 9, 10, 19 aus vorgenommen werden. Diese Gitterroste 7, 8, 9, 10, 19 werden vom Erdboden 4 aus über eine Treppenleiter 31 erreicht, die durch entsprechende Öffnungen 32 vom jeweils einem unteren Zwischenboden auf einen darüber angeordneten Zwischenboden ragt.
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Die Windflügel 2 können je nach den Abmessungen des Turmes 6 über diesen verteilt werden, beispielsweise oberhalb des Bereiches der Verstrebungen 21, 22, 23, 24, 25, 26 auf Halterungen 30, 33, 34, 35, 36, die nicht über das Profil des Turmes 6 hinausragen. Im Bereich dieser Halterungen 30, 33, 34, 35, 36 können Windflügel 2 mit ihren in lotrechter Richtung verlaufenden Wellen 37 in entsprechend vorgesehenen Lagerungen 38 drehbar gelagert sein. Diese Windflügel 2 besitzen den großen Vorteil, daß sie entsprechend der Höhe zwischen den Halterungen 30, 33, 34, 35, 36 und den darüber liegenden Laufgitterrosten 7, 8, 9, 10, 19 vergleichsweise Flügelblätter besitzen können, falls in einem für die Windkraftanlage 1 vorgesehenen Aufstellungsbereich mit entsprechen großen Windanströmungen gerechnet werden kann.
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Dabei wird im Regelfall für jeden Aufstellungsbereich eines Turmes 6 eine Hauptanströmrichtung 39 vorgesehen sein, die bei der Anordnung der einzelnen Windflügel 2 Berücksichtigung finden sollte. So werden etwa in der Hauptanströmrichtung 39 liegende Windflügel 40, 41 mit einer erheblichen Windenergie rechnen können, so daß ihnen nachgeschaltete Windflügel 42, 43 noch mit einer erheblichen Windenergie angeströmt werden. Demgegenüber ist die Windenergie auch in der Hauptanströmrichtung 39 schon stark gemindert, wenn der Wind die auf der jeweils gegenüber liegenden Seite 44 angeordneten Windflügel 45, 46 erreicht. Der von diesen Windflügeln 40, 41 abströmende Wind erreicht nach einer kurzen Entfernung die Windflügel 45, 46, die hinsichtlich der Einstellung ihres Profils so gestaltet sind, daß sie auch nach einer Abschwächung der Windenergie noch genügend elektrische Energie erzeugen können.
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Zu diesem Zweck ist mit der Welle 37 eines jeden Windflügels 2 ein Generator 49 verbunden, der beispielsweise mit Stützen 50, 51 gegenüber dem Turm 6 abgestützt ist. Dieser Generator 49 wird zur Stromerzeugung benutzt. Der entsprechend erzeugte Strom wird über Leitungen 52 in Richtung auf einen Schaltraum 53 abgeleitet, in dem die Einspeisung des erzeugten Stromes in ein öffentliches Netz vorgenommen wird. Dieser Schaltraum 53 ist in einem Container 54 untergebracht, der auf einem für diese Zwecke vorgesehenen Unterboden 55 aufgestellt ist und auch noch weitere Betriebsräume – beispielsweise für die Aufnahme von Werkzeug – enthält.
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Die Laufgitterroste 7, 8, 9, 10, 19 halten einen gegenseitigen Abstand von etwa 3 bis 5 m ein. Diese Entfernung reicht aus, damit auf den Halterungen 30, 33, 34, 35, 36 Windflügel 2 installiert werden können, die von umgebenden Teilen des Turmes 6 einen freien Abstand aufweisen. Dabei sollte im Einzelfall darauf geachtet werden, daß die Laufgitterroste 7, 8, 9, 10, 19 jeweils auf einer Höhe in den Turm 6 eingebaut werden, in der eine optimale Anströmung der Windflügel 2 zu erwarten ist.
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In entsprechender Weise werden auch die Windflügel 2 im Turm 6 angeordnet. Dabei ist darauf zu achten, daß sich die Windflügel 2 weder in ihren jeweiligen Drehkreisen gegenseitig beeinträchtigen noch hinsichtlich der gegenseitigen Windan- bzw. -abströmungen. Dabei können für die Windflügel 2 Steuerungen vorgesehen sein, die die Windflügel 2 in ihrer Lage gegenüber der Welle 37 so verdrehen, daß sie vom jeweiligen Wind optimal angeströmt werden. Im Falle einer Drehung der Windrichtung können von den in der jeweiligen Hauptanströmrichtung angeströmten Windflügeln 2 die Profile so geformt sein, daß eine optimale Umsetzung der Windenergie in Drehenergie und damit in Strom erfolgt. Ebenso findet eine Verdrehung der Windflügel 2 um ihre jeweilige Achse statt, während der Windflügel 2 sich um die Achse seiner Welle 37 um 360° dreht. Während dieser Drehung um die Längsachse der Welle 37 findet eine kontinuierliche Verschwenkung der Windflügel 2 um deren Längsachse statt, so daß jeweils das für die Anströmung und Umsetzung der Windenergie am besten geeignete Profil vom Wind angeströmt wird.
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Die Windflügel 2 besitzen Flügeloberflächen, die gegen Verschleiß aufgrund von Umwelteinflüssen geschützt sind. Auf diese Weise behalten die Windflügel 2 eine für die Windan- und -abströmung optimale Oberflächenbeschaffenheit. Am günstigsten hat sich eine Beschichtung mit Nano-Partikeln erwiesen.
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Ein von zwei oder mehr Windflügeln 2 gebildeter Rotor besitzt einen Durchmesser von max. 1,50 m. Dabei ist der Rotor dreiflüglig ausgebildet.
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Die Wellen 37 der Windflügel 2 sind in sehr robusten Lagerungen 38 gelagert, die in Lagerhalterungen angeordnet sind. Diese Lagerhalterungen sind an den Halterungen 30, 33, 34, 35, 36 befestigt, und dienen der Lagerung der Windflügel 2. Sowohl die Lager 38 der Wellen 37 als auch deren Lagerhalterungen sind so ausgelegt, daß sie auch hohen auf die Windflügel 2 einwirkenden Windstärken standhalten können.
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Der Turm 6 besteht im Wesentlichen aus verzinkten Teilen. So sind die Streben 13, 14, 15, 16, 17, 18 und auch die Verstrebungen 21, 22, 23, 24, 25, 26 aus verzinkten Rohren hergestellt, so daß sie weitgehend gegen Umwelteinflüsse geschützt sind. Ebenso bestehen auch die Laufgitterroste 7, 8, 9, 10, 19 aus verzinkten Blechen. Dabei ist der gesamte Turm 6 so konzipiert, daß er dem anströmenden Wind wenig Widerstand entgegensetzt, so daß ein fast ungestörter Windstrom auf die Windflügel 2 auftrifft und für deren konstante Beaufschlagung sorgt.
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Am Turm 6 ist eine ortsveränderliche Seilwinde angebracht, die beispielsweise auf Schienen verfahren werden kann. Mit Hilfe dieser Seilwinde sind Montagen im Bereich des Turmes 6 vereinfacht durchzuführen, da schwere Teile mit der Seilwinde befördert werden können.
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Schließlich ist der gesamte Turm 6 in Modulbauweise gefertigt. Auf diese Weise können einzelne Module verwendet werden, wenn beispielsweise Erweiterungen des Turmes oder Reparaturen notwendig sind. Beispielsweise kann ein gesamter Zwischenboden als Modul ausgebildet sein. Dieses Modul besitzt ein für den Straßenverkehr geeignetes begrenztes Gewicht und kann daher auf vergleichsweise einfache Weise zu einem Turm 6 selbst dann befördert werden, wenn dieser abseits von Straßen auf unbefestigtem Untergrund steht. Infolge dessen können zum Anheben eines solchen Moduls auch vergleichsweise leichte Kräne zur Anwendung kommen, die das jeweilige Modul auf eine für seine Montage geeignete Höhe heben. Die Einzelteile der Module können auch per Seilwinde an die jeweiligen Montageorte gebracht werden. Auf diese Weise können auch Aufstockungen an bereits vorhandenen Türmen 6 vorgenommen werden, so daß mit relativ einfachen Mitteln bei ausreichend vorhandenem Wind die Energieausbeute der an einem Turm 6 montierten Windflügel 2 vergrößert werden kann.
