DE2506160B2

DE2506160B2 - Windkraftwerk

Info

Publication number: DE2506160B2
Application number: DE19752506160
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-02-14
Filing date: 1975-02-14
Publication date: 1977-08-18
Also published as: DE2506160A1; IN144774B; JPS51106842A; DK38376A; BE838562A; JPS5526307B2; AU1041076A; SE7601522L; FR2300912A1; CH614270A5; YU31876A; IT1057183B; MX145614A; ATA64976A; AT357121B; AR216434A1; US4088352A; IL48831A0; DD123219A5; FR2300912B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Windkraftwerk mit mindestens einem Rotor, der sowohl um eine Rotor-Drehachse drehbar als auch um eine einen Winkel mit der Rotordrehachse einschließenden Hochachse mittels einer Einstellvorrichtung zur Wind-Orientierung schwenkbar in einer Tragkonstruktion gelagert ist und eine Arbeitsmaschine, beispielsweise einen Stromgenerator, treibt

Aus der US-PS 20 52 816 ist ein Windkraftwerk der vorstehend erläuterten Art bekannt, bei welchem der Rotor auf einer aus dem Generator herausragenden Drehachse befestigt ist und das Generatorgehäuse seinerseits um eine waagrechte Schwenkachse, die senkrecht zur Generatordrehachse verläuft, an einem Traggerüst schwenkbar angelenkt ist, das seinerseits um eine im Abstand von der Schwenkachse und senkrecht zu dieser verlaufende Vertikalachse in einer Horizontalebene drehbar gelagert ist. Dieses Traggerüst erstreckt sich an seiner von dem Generator abgewandten Seite über die vertikale Drehachse hinaus und trägt eine Windfahne, mittels derer der Rotor des Generators durch Verdrehung des Traggerüsts in die Windrichtung eingestellt werden soll. Am oberen, über das Traggerüst hinausragenden Ende der vertikalen Hochachse des Windkraftwerks ist eine Reibbremse in Form eines in eine Ringnut eingehängten Hakens vorgesehen, welcher mit seinem von der Hochachse entfernten Ende an einem Ende eines zweiarmigen Hebels angelenkt ist, der zwischen seinen beiden Enden schwenkbar am Traggerüst gelagert ist und mit seinem anderen Ende über eine Zugfeder mit einem mit dem Generatorgehäuse fest verbundenen Arm gekoppelt ist. Durch ein Schwenken des Generators um die horizontale Schwenkachse in der Weise, daß der Rotor in einem Bogen nach oben geschwenkt wird, wird die Reibbremse stärker angezogen, so daß dann ein Verdrehen des Trägergerüstes um die Hochachse behindert ist. Ein Verschwenken des Generators mit dem Rotor um die horizontale Schwenkachse nach unten gegenüber dem Traggerüst ist nicht möglich, da an dem Traggerüst ein Anschlag vorgesehen ist, welcher ein Verschwenken des Generators nach unten vernindert. Bei diesem bekannten Windkraftwerk sollen Einrichtungen vorgesehen sein, die der Kreiselwirkung des Rotors, die bestrebt ist, die ganze Konstruktion um die Hochachse gegen das Bestreben der Windfahne, die das Windkraftwerk in die Windrichtung stellen will, zu verdrehen, entgegenwirken. Bereits diese Zielsetzung zeigt, daß bei der Gestaltung der bekannten Windkraftmaschine die aufgrund der Kreiselgesetze auftretenden Wirkungen nicht richtig erkannt und berücksichtigt worden sind. Auch die bei der Maschine gemäß der US-PS gegebene Zielsetzung, nämlich auftretenden Kreiselwirkungen entgegenzuwirken, ist unabhängig von der diesbezüglich in der US-PS 20 52 816 beschriebenen konstruktiven Lösung, die, wie nachstehend gezeigt wird, den Erfordernissen nicht gerecht wird, ein Versuch einer Problemlösung, der von vornherein zu sehr aufwendig und unzuverlässigen und unwirtschaftlichen Konstruktionen führen muß.

Bei aus dem Stand der Technik bekannten Windkraftmaschinen der eingangs zitierten Gattung des Anmeldungsgegenstandes, die nicht die bei der Vorrichtung gemäß der US-PS 2052 816 vorgesehene zusätzliche Schwenkbarkeit des Generators um eine horizontale $ Schwenkachse aufweisen, liegt die Propellerachse in der Regel horizontal und ist an einem um eine vertikale Hochachse schwenkbaren Traggerüst drehbar gelagert. Das Traggerüst weist an einem Ende eine Windfahne auf, die, in der Regel mit der Propellerachse fluchtend, diese in die Windrichtung stellen soll. Bei einer solchen Konstruktion tritt, wenn sich der Propeller dreht und als Kreisel wirkt, eine Präzessionswirkung ein, sobald sich die Windrichtung dreht und die Windfahne versucht, den Propeller zusammen mit dem Traggerüst um die vertikale Hochachse in die neue Windrichtung zu drehen. Eine solche Verdrehung bedeutet eine Verdrehung des Drallvektors des Propellers um die Hochachse. Dies führt nach den Kreiselgesetzen automatisch zu Präzessionskräften, die versuchen, die Propellerachse je nach dem Drehsinn des Propellers und dem durch die Windfahne verursachten Drehsinn des Traggerüstes nach oben oder nach unten zu verschwenken. In einem solchen Fall werden die I'räzessionskräfte versuchen, den Propeller nach oben ooer unten abzulenken. Diese Präzessionskräfte werden bei den bisher üblichen Windkraftmaschinen der in Rede stehenden Gattung in der Regel von dem jeweiligen Traggerüst und den Lagern, über die das Traggerüst an einer Vertikalachse gelagert ist, aufgenommen. Bei Windkraftmaschinen großer Leistung und entsprechend großer Rotoren wären jedoch, um diese Kräfte aufnehmen zu können, sehr starke und schwere Konstruktionen erforderlich, die dem Bau solcher Vorrichtungen eine Grenze setzen. Der bei der US-PS 20 52 816 versuchte Weg, den Rotor mit dem Generator um eine zusätzliche, horizontale, im Abstand von der Hochachse verlaufende Achse schwenkbar zu lagern und die Schwenkbewegungen auszunutzen, um eine Verdrehung der Tragvorrichtung um die Hochachse zu bremsen, ist völlig unzulänglich und geht fehl. Bei der Vorrichtung gemäß de¹ US-PS 20 52 816 soll ein Verschwenken des Propellers und des damit verbundenen Generators bei starken Winden nach oben dazu ausgenutzt werden, um durch das Verschwenken eine Bremsung einer mit der Verschwen· kung einhergehenden, durch Kreiselwirkung hervorgerufenen Verdrehung des Traggerüstes um die Hochachse zu bewirken und damit eine Ausrichtwirkung der Windfahne nicht zu beeinträchtigen. Durch die bei der US-PS 20 52 816 verwendete Ausgestaltung der Vor- so richtung wird jedoch gerade eine sehr störende Beeinträchtigung des gesamten Mechanismus bewirkt Bei der bekannten Windkraftmaschine wird eine Verschwenkung des Generators und Propellers um die horizontale Schwenkachse nach unten durch den an der Tragvorrichtung vorgesehenen Anschlag verhindert Damit ist jedoch von vornherein eine Präzession der Tragvorrichtung um die Hochachse Infolge eines eventuellen Abkippens des Generators und des Propellers nach unten unterbunden. Damit ist eine te Ausnutzung irgendwelcher Prlzessionswirkungen zumindest In einem Drehsinn von vornherein ausgeschlossen. Andererseits ist durch die Sehwenklagerung des Generators bei der bekannten Windkraftmaschine die Gefahr gegeben, daß bei einer durch die Windfahne bei 6s Wlndrlohtungsänderung hervorgerufenen Verdrehung der Tragvorrichtung um die Hochachse ein unerwünschtes starkes Hochschwenken des Generators und des Propellers um die horizontale Schwenkachse infolge einer Präzessionswirkung eintritt In einem solchen Fall wird der Rotor unerwünscht nach oben präzedieren. Die mit einer solchen Präzession gekoppelte Bremsung der Verdrehung der Tragvorrichtung um die Hochachse beeinträchtigt dabei wiederum die vor der Windfahne ausgeübte Verstellwirkung zum Einstellen des Propellers in die vorherrschende Windrichtung. Insgesamt gesehen stellt die Windkraftmaschine gemäß der US-PS 20 52 816 eine Vorrichtung dar, bei welcher der Zielsetzung nach entstehenden Präzessionskräften entgegengewirkt werden soll, und bei welcher infolge der dort verwendeten Lagerung des Generators und der Bremseinrichtungen eine gegenseitige Beeinträchtigung aller Funktionen und Stellbewegungen eintritt, die weder eine rasche und exakte Einstellung des Rotors der Vorrichtung in die Windrichtung noch eine feinfühlige Positionssteuerung zuläßt. Die bekannte Vorrichtung ist daher für einen praktischen Betrieb, insbesondere für große zu erzeugende Leistungen infolge des komplizierten Aufbaus, der Störanfälligkeit und der Unmöglichkeit einer sauberen Steuerung ungeeignet.

Aus der DT-PS 5 35 626 ist ein Windkraftwerk mit zwei koaxialen gegenläufigen Rotoren bekannt, bei denen an jedem Rotor auf einem Bereich seines Außenumfangs befindlichen Kreisring eine Anzahl von elektromagnetischen Polen in Form von elektrischen Spulen angeordnet ist, die mit entsprechend gegenüberliegenden Polen des anderen Rotors zusammenwirken. Die gegenläufigen Rotoren bilden somit die relativ zueinander drehbaren Teile eines Elektromotors. Bei diesem bekannten Windkraftwerk können sich die Rotoren nur um die gemeinsamen, horizontale Achse sowie, unter der Wirkung einer Windfahne, um eine senkrecht dazu verlaufende vertikale Achse drehen. Damit sind bei diesem bekannten Windkraftwerk die im Betrieb auftretenden Präzessionskräfte nicht berücksichtigt. Durch diese Präzessionskräfte wird die gesamte Konstruktion bei hohen Windbelastungen unter Umständen derartig beansprucht, daß eine Zerstörung eintreten kann. Falls die durch die Präzession auftretenden Kräfte von den Lagerungen aufgenommen werden müssen, muß die ganze Konstruktion derartig schwer und massiv ausgeführt werden, daß sie in ihrer Größe von vornherein stark begrenzt ist. Das bekannte Windkraftwerk kann daher bereits aus diesem Grunde nur für sehr geringe Leistungen ausgelegt werden. Eine Positionierungssteuerung der Rotoren unter Berücksichtigung der Präzessionskräfte ist bei dem bekannten Windkraftwerk nicht vorgesehen und auch nicht möglich.

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, ein Windkraftwerk der eingangs erläuterten Art zu schaffen, welches durch Ausnutzung von Präzessionskräften für die Rotorpositionierung auch als Großanlage einfach, konstruktiv leicht und wirtschaftlich aufgebaut werden kann und rasch, genau und zuverlässig und ohne das Auftreten schwer oder nicht beherrschbarer Kräfte in die Windrichtung steuerbar ist und im Betrieb bei optimalem Windkraftnutzungegrad sicher, zuverlässig und wirtschaftlich 1st

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Rotor-Drehachse in einer eine Präzession des Rotors oder der Rotoren gestattenden Weise um eine weitere, Ideelle, sowohl durch die Rotordrehachse als auch die Hochachse verlaufende, mit beiden je einen Winkel einschließende Kippachse In der Tragkonstruk-

tion drehbar gelagert ist und eine Positionierungseinrichtung zur Positionierung der Rotorhauptebene die Einstellvorrichtung für die Hochachsenschwenkung des oder der Rotoren aufweist, die unmittelbar oder mittelbar bzw. auf den oder die Rotoren ein Drehmoment ausübt, das eine senkrecht zur Rotordrehachse und senkrecht zur Kippachse verlaufende Momentenvektor-Komponente aufweist, deren jeweilige Größe in Abhängigkeit von der Rotorumlaufgeschwindigkeit und der auf den oder die Rotoren auszuübenden Windrichtungs-Orientierungsbewegung in Abstimmung mit dem von der Hochachsen-Einstellvorrichtung auszübenden Drehmoment mittels einer Steuervorrichtung zur Steuerung der Betätigungszeiten und Momente der Einstellvorrichtung unter Ausnutzung der Kreiselpräzessions-Gesetze steuerbar ist.

Das erfindungsgemäße Windkraftwerk hat gegenüber dem Stand der Technik wesentliche Vorteile. Bei dem erfindungsgemäßen Windkraftwerk ist der Rotor oder sind die Rotoren um drei jeweils senkrecht zueinander stehende Achsen drehbar gelagert, die einen gemeinsamen Schnittpunkt haben. Dadurch stellt der Rotor des erfindungsgemäßen Windkraftwerks einen dreiachsig kardanisch aufgehängten Kreisel dar, der ohne das Aufbringen großer äußerer Kräfte auch für sich durch Ausnutzung der Präzessionsgesetze in jede gewünschte Himmelsrichtung rasch und präzise dadurch eingestellt werden kann, daß an mindestens einer der Achsen der Kreiselaufhängung Drehmomente aufgebracht werden. Bei den bekannten Windkraftwerken entspricht das Produkt aus dem zum Drehen des Rotors mit dem ihn tragenden Träger um die Hochachse erforderlichen Drehmoment und dem Drehwinkelbetrag der in das System gesteckten Arbeit, die in einer Verlangsamung der Drehbewegung des oder der Rotoren resultiert. Die Aufwendung dieser Energie ist als doppelter Verlust anzusehen, da die Energie, die zum Verdrehen des Systems um die Hochachse aufgewandt werden muß, in einem entsprechenden Verlust von Drehenergie des oder der Rotoren aufscheint. Demgegenüber beruht die Erfindung auf dem Gedanken, den oder die Rotoren eines Windkraftwerks als Kreisel zu betrachten, und die bei äußeren Drehmomenteinwirkungen auf einen sich drehenden Kreisel auftretende Präzession für die Positionierungsbewegung des oder der Rotoren, d. h. für die Einstellung in die Windrichtung, auszunutzen.

Der Begriff »Einstellvorrichtung für die Hochachsenschwenkung des oder der Rotoren« ist bei dem erfindungsgemäßen Windkraftwerk so zu verstehen, daß es sich um eine Einstellvorrichtung handelt, die eine Verschwenkung des ganzen Systems um die Hochachse mittels äußerer Kräfte bewirkt. Eine solohe Verschwenkung kann dann und nur dann ohne das Auftreten von Präzesslonskräften erfolgen, wenn die Rotoren bei der Betätigung der Einstellvorrichtung stillstehen. Der Begriff »Einstellvorrichtung für die Hochachsenschwenkung des oder der Rotoren« darf daher nicht in dem Sinne mißverstanden werden, daß diese Einstellvorrichtung eine Verschwenkung der Rotoren um die Hoehachse duroh Ausnutzung von Präzesslonskräften erreicht Die Einstellvorrichtung dient dazu, ein Drehmoment mit einer zur Kippachse senkreoht verlaufenden Momentenvektorkomponente auf das System auszuüben und dadurch Präzessionswirkungen hervorzurufen, die den oder die sich drehenden Rotoren um die Kippachse verschwenken.

Bei dem erfindungsgemäßen Wtndkraftwerk Ist jeder

Rotor um drei zueinander, jeweils Winkel einschließende Achsen, nämlich die Rotordrehachse, die Hochachse und zusätzlich eine Kippachse, drehbar gelagert. Geht man einmal zur Veranschaulichung davon aus, daß die Hochachse vertikal, die Rotordrehachse im wesentlichen horizontal und in Windrichtung und die Kippachse im wesentlichen horizortal und quer zur Windrichtung verlaufen, dann wird bei einer Verdrehung der den oder die Rotoren tragenden Tragkonstruktion um die Hochachse mittels einer Einstellvorrichtung, beispielsweise eines Drehantriebs oder von Steuerklappen, unter der Voraussetzung, daß sich der oder die Rotoren drehen und somit Kreisel bilden, die Rotordrehachse je nach dem Drehsinn der Drehung der Tragkonstruktion um die Hochachse nach oben oder nach unten infolge der sich einstellenden Präzession des oder der Rotoren um die Kippachse verschwenkt werden. Die Anordnung der Kippachse vermeidet somit, daß der Präzession entgegenwirkende Lagerkräfte von der Tragkonstruktion aufgenommen werden müßten. Derartige Lagerkräfte werden bei hohen Drehzahlen des oder der Rotoren oder bei Rotoren großer Dimensionierung (in der Größenordnung von 100 m), selbst wenn diese langsam umlaufen, so groß, daß zu ihrer Beherrschung unwirtschaftlich stark dimensionierte Tragkonstruktionen gebaut werden müßten. Im übrigen wäre bei einer Verdrehung um die Hochachse ohne das Vorhandensein einer Kippachse der vorstehend bereits diskutierte doppelt anzusetzende Energieverlust bei bekannten Windkraftanlagen in Kauf zu nehmen. Demgegenüber kann bei dem erfindungsgemäßen Windkraftwerk die Tragkonstruktion sehr leicht gehalten werden, weil sie nur das Gewicht des Rotors bzw. der Rotoren aufzunehmen hat, nicht jedoch zusätzliche durch Präzession entstehende Lagerkräfte aufnehmen muß. Ein erfindungsgemäßes Windkraftwerk, bei dem bei einer Drehung des Systems um die Hochachse eine Verschwenkung der Rotordrehachse nach oben oder unten erfolgt, ist ohne das Vorhandensein zusätzlicher Stellvorrichtungen in Fällen einsetzbar, in denen die horizontale Windrichtung im wesentlichen gleich bleibt, jedoch eine Anpassung der Rotorstellung an eine Veränderung der vertikalen Windkomponente, beispielsweise an Auf- oder Abwinde, erfolgen soll. Dies ist beispielsweise bei der Anordnung eines Windrades quer zu einem tief eingeschnittenen Teil oder Canyon denkbar, wo der Wind immer in Richtung des Tals oder Canyons weht, jedoch eine Variation in seiner Aufwärtsoder Abwärtskomponente haben kann. Während bei der bekannten Windkraftmaschine gemäß der US-PS 20 52 816 Bremsvorrichtungen vorgesehen sind, die einer von äußeren Kräften (Windfahne) hervorgerufenen Verdrehung zur Posltlonlorung des Propellers In die Windrichtung durch eine von Präzessionswirkungen abgeleitete Bremsung entgegenwirken sollen und damit von vornherein eine saubere Einstellung des Rotors in die Windrichtung vereiteln, werden bei dem erfindungsgemäßen Windkraftwerk Präzessionskräfte duroh entsprechende Steuerung der Drehung des Rotors um die drei Achsen seiner Lagerung hervorgerufen und ausgenutzt, um eine rasohe und exakte Positionierung des Rotors zu erzielen. Bei dem erfindungsgemäßen Windkraftwerk treten im Gegensatz zu der bekannten Windkraftmaschine gemäß der US-PS Im System selbst keine gegeneinanderwirkendle Kräfte, die die Steuer· kräfte beeinträchtigen oder sogar zunichte machen, und keine Inneren kräftemäßigen Belastungen des gesamten Systems auf.

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Wenn bei einem erfindungügemfißen Windkraftwerk eine Anpassung der Rotorstellung nicht nur an eine Veränderung der vertikalen Windirichtungskomponente, sondern auch der horizontalen Windrichtung erfolgen soll, dann wird das Windkraftwerk gemäß der Erfindung mit Vorteil so ausgebildet, daß die Positionierungseinrichtung neben der Einstellvorrichtung mindestens eine Stell-Vorrichtung zur Einstellung des oder der Rotoren in Abhängigkeit von horizontalen Windrichtungsänderungen aufweist, die unmittelbar oder mittelbar auf die Rotor-Drehachse bzw. auf den oder die Rotoren ein Drehmoment ausübt, das eine senkrecht zur Rotor-Drehachse und senkrecht zur Hochachse verlaufende Momentenvektor-Kornponente aufweist, deren jeweilige Größe in Abhängigkeit von der Rotorumlaufgeschwindigkeit und der auf den oder die Rotoren auszuübenden Windrichtungs-Orientierungsbewegung in Abstimmung mit dem von der Hochachsen-Einstellvorrichtung auszuübenden Drehmoment mittels einer Steuervorrichtung zur Steuerung der Betätigungszeiten und Momente der Einstellvorrichtung und der Stellvorrichtung unter Ausnutzung der Kreiselpräzessions-Gesetze steuerbar ist. Wenn sich der oder die Rotoren bei einem derartigen erfindungsgemäßen Windkraftwerk drehen, bewirkt die Ausübung eines Drehmoments auf die Kippachse eine Präzession des durch den oder die Rotoren gebildeten Kreiselsystems um die Hochachse, d. h. eine Einstellbewegung der Rotoren hinsichtlich der horizontalen Windrichtung. Wenn sowohl eine Anpassung an die horizontale Windrichtung als auch an die vertikale Windrichtung erfolgen soll, können unter Ausnutzung der Präzession Drehmomente mittels der Einstellvorrichtung auf die Hochachse des Systems und mittels der Stellvorrichtung auf die Kippachse des Systems aufgebracht werden.

Bei dem erfindungsgemäßen V/indkraftwerk in allen vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen kommen als Einstell- und Stellvorrichtungen beispielsweise an der Hochachse bzw. der Kippachse wirkende Elektromotore in Frage. Die Einstellvorrichtung und die Stellvorrichtung können mittels einer Steuervorrichtung beaufschlagt und gesteuert werden, die als Meßgrößen die Drehgeschwindigkeit des oder der Rotoren sowie die gewünschten Winkeländerungen der Rotordrehachse in horizontaler und in vertikaler Richtung eingespeist werden können. Die gewünschten Winkeländerungen können beispielsweise mittels einer kardanisch aufgehängten Windfahne, d. h mittels einer Windrichtungsänderungen sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung erfassenden Windfahne gemessen, in elektrische Signale umgesetzt und in eine Steuervorrichtung eingespeist werden. Die Rotordrenzahl kann mittels üblicher Drehzahlmesser gemensen und ebenfalls als elektrisches Signal In die Siteuervorrlohtung eingespeist werden. Die Steuervorrichtung,, die als elektronische Vorrichtung ausgestaltet nein kann, setzt die eingespeisten Signale nach den Bedienungen der Kreiseltheorie In Befehle an die Einstellvorrichtung bzw. die Stellvorrichtung um. Auf dies« Welse Ist eine laufende feinfühlige Richtungssteuerung des oder der Rotoren des erfindungsgemäßen Windkraftwerks in Abhängigkeit von der Windrichtung möglich.

Bin erflndungsgemäße« Windkraftwerk kann so ausgebildet sein, daß während des Andauerns von Stürmen großer Stärke, insbesondere von Orkanen, alle Vorrichtungen zur Erzeugung von Drehmomenten auf Achsen (Hochachse bzw. Klppaohse bzw. Rotordrehachse) des Systems, belsplelswiilse die Einstellvorrichtung, eine oder mehrere Stellvorrichtungen, außer Wirkung gesetzt werden, d. h. daß alle Zwangsbedingungen auf die drei vorgenannten Achsen ausgeschaltet werden. In einem solchen Falle werden sich dann der

S oder die Rotoren unter der Einwirkung der Windkraft von selbst durch Präzession automatisch in eine neutrale Position minimalen Windwiderstandes einstellen. Dadurch ist eine automatische Überlastungssicherung des Windkraftwerks bewerkstelligt.

to Bei dem erfindungsgemäßen Windkraftwerk können sowohl die Einstellvorrichtung zur Verdrehung um die Hochachse als auch gegebenenfalls vorhandene Stellvorrichtungen zur Drehung um die Kippachse, insbesondere wenn es sich um mechanische oder elektromechanische Vorrichtungen handelt, eine doppelte Funktion erfüllen. Mittels dieser Vorrichtungen kann das umlaufende Rotorsystem in eine gegebene Windrichtung durch Präzession geführt werden und in dieser Windrichtung gehalten werden. Bei stillstehendem Rotorsystem können die Vorrichtungen dazu dienen, den oder die Rotoren in eine gewünschte Position zu drehen.

Alle Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Windkraftwerks haben die großen Vorteile gemeinsam, daß sie mit sehr geringem konstruktiven Aufwand gewichtsmäßig leicht und damit mit relativ geringem Materialaufwand und Kostenaufwand hergestellt werden können und eine fortlaufende exakte Anpassung an die herrschende Windrichtung und damit eine besonders wirtschaftliche Ausnutzung der Windkräfte ermöglichen. Infolge der Ausschaltung der Einwirkung von Präzessionskräften auf das Traggerüst bei der erfindungsgemäßen Windkraftmaschine lassen sich auch Großanlagen bauen, die eine wirtschaftliche Ausnutzung auch von Winden mit sehr geringen Windgeschwindigkeiten ermöglichen.

Mit Vorteil kann ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Windkraftwerks so ausgestaltet sein, daß die Rotordrehachse des Rotors oder der Rotoren etwa in der Mitte einer Trägerkonstruktion drehbar gelagert ist, die sich auf mindestens einer Seite des Rotors bzw. der Rotoren diametral entlang der Rotorhauptebene erstreckt und mit ihren Enden in bezüglich der Rotordrehachse diametral gegenüberliegenden Lagern drehbar gelagert ist, deren ideelle Drehachsen in der Rotorhauptebene liegen und miteinander fluchten, und die ihrerseits an einer Stützkonstruktion befestigt sind. Eine solche Konstruktion ermöglicht es, bei leichtem und doch stabilen Aufbau die Schwenkbarkeit der Rotordrehachse um eine zusätzliche Kippachse zu bewerkstelligen.

Eine weitere Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels ist mit Vorteil so ausgebildet, daß die Stützkonstruktion als Gerüst ausgebildet 1st, das In einer Drehlagerkon·

struktlon um die Hochachse drehbar gelagert ist. Auf diese Weise ergibt sich ein Windkraftwerk, bei dem der oder die Rotoren um drei Achsen, nämlich die Rotordrehachse, die Kippachse und die Hochachse, drehbar ist bzw. sind.

Eine derartige Ausbildung der erfindungsgemäßen Windkraftmaschine Ist mit Vorteil welter so ausgebildet, daß an mindestens einem Ende der Trttgerkonstruktlon eine Vorrichtung zur Ausübung eines Drehmomente auf die Tragerkonstruktion mit einem In der Drehaohie der

es Tragerkonstruktion liegenden Drehmomentvektor all Stellvorrichtung angeordnet Ist. Die Vorrichtung zur Ausübung des Drehmoments kann beispielsweise all Elektromotor ausgebildet sein, der ein Drehmoment um

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die Drehachse der Trägerkonstruktion, d. h. um die Kippachse mit einem in der Kippachse liegenden Drehmomentvektor ausübt. Der Antrieb kann so ausgebildet sein, daß er, wenn er nicht eingeschaltet ist, ein freies Drehen der Trägerkonstruktion um die Kippachse, d. h. ein Leerlaufdrehen, ermöglicht.

Bei Verwendung koaxialer und koplanarer gegenläufiger Rotoren kann eine besonders günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Windkraftwerks auch dadurch erreicht werden, daß die Trägerkonstruktion einen Tragring aufweist, der zwischen den koaxialen, koplanaren, gegenläufigen Rotoren konzentrisch zu diesen angeordnet ist, und an dem der innere Rotor an seinem äußeren Umfang und der äußere Rotor an seinem Innenumfang drehbar gelagert sind. Bei dieser Konstruktion ist es möglich, sowohl am Außenumfang des Innenrotors als auch am Innenumfang des Außenrotors jeweils eine Polreihe aus Dauermagneten anzuordnen und an dem Umfang des Tragrings Magnetpole mit Leitungswicklungen anzuordnen, die mit den Dauermagnetpolreihen zusammenwirken. Bei dieser Ausgestaltung ist es nicht erforderlich, Schleifkontakte zur Leitung von Strom vom inneren Rotor oder vom äußeren Rotor zu dem Traggestell vorzusehen.

Die vorstehend beschriebene Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Windkraftwerks kann mit Vorteil so ausgebildet sein, daß am anströmseitigen Stirnrand des Tragrings mindestens eine Steuerklappe ein- und verstellbar gelagert ist. Mittels einer derartigen Steuerklappe oder mehrere diametral oder rings um den Umfang des Tragrings verteilter Steuerklappen ist es beispielsweise möglich, die Strömung des auf die Rotoren zuströmenden Windes vor den Rotor zu steuern, beispielsweise bevorzugt einem der Rotoren zuzuleiten. Weiterhin ist es mittels derartiger Steuerklappen möglich, unter Ausnutzung der auf die Steuerklappen wirkenden Windkräfte Kippmomente auf das Rotorsystem zu erzeugen, und dadurch eine Präzession des Rotorsystems zu erreichen. Derartige Steuerkiappen können somit unter Umständen anstelle vor mechanischen oder elektromechanischen Stellvorrichtungen zur Ausübung von Drehmomenten, beispielsweise mit in der Kippachse liegendem Vektor, eingesetzt werden. Dabei ist allerdings Voraussetzung, daß cine oder mehrere Steuerklappen so eingestellt werden kann oder können, daß nicht eine rings um den Umfang der Rotoren gleichmäßige Kraftwirkung durch den Wind auf die Steuerklappen erfolgt.

Eine andere Ausgestaltung des vorstehend genannten Ausfuhrungsbeispiels, bei dem eine der oder die Rotoren tragende Trägerkonstruktion um eine Kippachse schwenkbar in einer Stützkonstruktion gelagert (St₁ ist dadurch gegeben, daß die Stutzkonstruktion als starr mit dem Brdboden verbundene Gerüstkonstruktion ausgebildet ist Eine solohe Ausgestaltung ist beispielsweise bei der Anordnung eines oder mehrerer gegenläufiger Rotoren In einem Canyon denkbar, bei dem die Enden der Tragerkonstruktion an gegenüberliegenden Canyonenden jeweils In dort befestigten Stützkonstruktionen um die Kippachse schwenkbar gelagert sind.

Um bei einer solchen Ausbildung eine Anpassung des Rotors oder der Rotoren an eine Veränderung der vertikalen Wlndetrömungskomponente durch die Ausnutzung der Rotorpräuulon iu ermöglichen, kann das Ausführungsbeispiel so ausgestaltet sein, daß die Trlgerkonstruktlon iloh zu beiden Seiten des Rotors bzw. der Rotoren erstreckt und die Rotordrehachse über die Rotoren nach vorne und hinten herausragende Enden aufweist, die in Führungsbahnen im vorderen und hinteren Teil der Trägerkonstruktion in einer durch die

S Rotordrehachse und die Lagerstellen der Trägerkonstruktion verlaufenden ideellen Ebene in einem eine Drehmomenteinwirkung mit einem in der Hochachse liegenden Vektor bedeutenden Sinne mittels einer Einstellvorrichtung hin- und herbewegbar sind. Auf

ίο diese Weise läßt sich eine Verschwenkung der Rotordrehachse um die Hochachse innerhalb gewisser Drehwinkelgrenzen bewerkstelligen. Bei einer solchen Verschwenkung wird der Rotor präzedieren und sich dabei nach oben oder unten senken und sich damit an eine Veränderung der vertikalen Windströmungskomponente anpassen. Die horizontale Windrichtung muß bei einer derartigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Windkraftwerks im wesentlichen gleich bleiben, was bei der Windströmung in einem Canyon ohnehin gegeben ist.

Eine günstige konstruktive Ausbildung des vorstehend genannten Ausfuhrungsbeispiels des erfindungsgemäßen Windkraftwerks ist dadurch gegeben, daß die Enden der Rotordrehachse in Kugelgelenklagern in

Gleitsteinen gelagert sind, die ihrerseits in den Führungsbahnen der vorderen bzw. hinteren Teile der Trägerkonstruktion in gegenläufigem Sinne mittels Schraubspindelantrieben hin- und herbewegbar sind. Eine andere günstige konstruktive Ausgestaltung des

erfindungsgemäßen Windkraftwerks kann dadurch erreicht werden, daß die Rotordrehachse über die Rotorhauptebene nach vorne und hinten hinausragende Enden aufweist, die in Führungsbahnen in einem vorderen und einem hinteren Teil der Tragkonstruktion gelagert und in einer durch die Rotordrehachse und die Hochachse verlaufenden ideellen Ebene in einem eine Drehmomenteinwirkung mit einem in der Kippachse liegenden Vektor bedeutenden Sinne mittels einer Stellvorrichtung auf- und abbewegbar sind. Bei dieser Ausgestaltung wird eine Schwenkbarkeit des Rotorsystems um eine Kippachse nicht dadurch erreicht, daß die Rotordrehachse in einer Trägerkonstruktion gelagert ist, die ihrerseits um die Kippachse schwenkbar ist, sondern dadurch, daß die Rotordrehachse selbst in der Tragkonstruktion sowohl um die Rotordrehachse drehbar als auch durch entsprechende Führung der Enden der Rotordrehachse um eine Kippachse kippbar ist. Eine solche Konstruktion kann insbesondere bei kleineren Einheiten des erfindungsgemäßen Windkraft werks und dann, wenn relativ geringfügige Bewegungen um die Kippachse erforderlich sind, wegen ihrer Einfachheit von Vorteil sein.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine günstige Ausgestaltung gegeben, wenn die Enden der Rotordreh'

SS achse in Kugelgelenklagern in Gleitschienen gelagert sind, die Ihrerseits in den Führungsbahnen im gegenläu flgen Sinne mittels Antrieben, beispielsweise Schraub spindelantrieben oder pneumatischen oder hydraul! sehen Zylinder-Kolben-Einheiten auf· und abbewegbai

to sind,

Mit Vorteil ist das Windkraftwerk gemäß de Erfindung so ausgebildet, daß die Konstruktion alle Teile des Windkraftwerks und die Lagerung des Rotor oder der Rotoren so ausgestaltet 1st, daß für dli

es Drehbewegungen um Jede der drei Achsen, Rotordreh achse, Klppacnse, Hoohaohse, Jeweils ein Massenaus gleich gegeben Ist. Auf diese Weise Ist sichergestellt, dal nloht durch den Einfluß der Schwerkraft, belsplelswels

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lurch ungleichmäßige Verteilung der Gewichte der Tragkonstruktion um die Kippachse, Drehmomente lusgeübt werden, die eine Präzession des Rotorsystems, iobald sich die Rotoren drehen, hervorrufen würden. 1st :in solcher Gewichts- bzw. Massenausgleich nicht s gegeben, dann muß die Wirkung der Schwerkraft gegebenenfalls durch die um die jeweilige Achse wirkende Einstellvorrichtung oder Stellvorrichtung kompensiert werden, um unerwünschte Präzessionen zu vermeiden. Unter Umständen kann jedoch auch eine solche Konstruktion von Vorteil sein, wenn durch das Vorhandensein gewollten Ungleichgewichts bezüglich der Gewichtsverteilung eine automatische Präzession und damit eine automatische Überführung des oder der Rotoren in eine bestimmte Stellung bewerkstelligt werden soll, wenn die Einstellvorrichtung bzw. die Stellvorrichtung außer Betrieb sind.

Eine günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Windkraftwerks ist dadurch gegeben, daß zwei koaxiale, koplanare gegenläufige Rotoren um die Drehachse drehbar gelagert sind. Wenn bei einem erfindungsgemäßen Windkraftwerk zwei gegenläufige, koaxiale und koplanare Rotoren verwendet werden, dann beaufschlagt der auf die Rotoren zuströmende Wind diese mit der gleichen Geschwindigkeit. Hieraus folgt, daß der Luftimpuls, der auf jeden Rotor auftrifft, proportional zur jeweiligen Rotorfläche ist Damit ist aber auch die vom Wind auf jeden Rotor übertragene Energie proportional zur jeweiligen Rotorfläche. Bei koaxialen und koplanaren Rotoren hat der innere Rotor bei hinsichtlich aerodynamischer Gesichtspunkte angemessen dimensionierter Rotorblattlänge in der Regel eine geringere Fläche als der äußere Rotor. In aller Regel wird die Drehgeschwindigkeit des äußeren Rotors dann größer sein als die Drehgeschwindigkeit des Innenrotors, insbesondere dann, wenn die beiden gegenläufigen Rotoren die beiden Teile eines Stromgenerators bilden (»Stator« und »Rotor«), wie dies später noch erläutert werden wird, weil dann das Drehmoment des äußeren Rotors umgekehrt gleich groß dem Drehmoment des Innenrotors sein muß und die Leistung jede¹ Rotors proportional dem Produkt aus Drehgeschwindigkeit und Drehmoment ist. Es wäre theoretisch möglich, bei einer derartigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Windkraftwerks die Dralle (Drehimpulsmomente) der beiden koaxialen gegenläufigen Rotoren gegeneinander auszugleichen. Dies hätte den Effekt, daß die Kreiselwirkungen der gegenläufigen Rotoren in diesem Falle sich gegenseitig kompensieren würden und eine Drehmomenteneinwirkung auf die Rotordrehachse, unabhängig ob sie um die Hochachse, Kippachse oder Rotordrehachse erfolgen würde, keine Präzession mehr hervorrufen würde. In der Praxis ist ein derartiger Drailausgleich der Rotoren im Hinblick auf die vorstehend dargelegten Verhältnisse bei koaxialen gegenläufigen Rotoren eine schwierige Aufgabe, da entweder dem kleineren inneren Rotor ein unangemessen hohes Gewicht gegeben werden muß, um das Massenträgheitsmoment entsprechend zu erhöhen, oder die Drehgeschwindigkeit des Innenrotors über die Drehgeschwindigkeit des äußeren Rotors hinaus erhöht werden muß, beispielsweise durch geeignete Beeinflussung des auf die Rotoren zuströmenden Windes, wodurch jedoch der Wirkungsgrad des Gesamtsystems stark beeinträchtigt würde. Bei der Verwendung von koaxialen, koplanaren und gegenläuf igen Rotoren eines erfindungsgemäßen Windkraftwerks ist es daher in der Regel vorteilhaft, jeden der beiden Rotoren für sich auf möglichst geringes Gewicht hin auszulegen. Bei einer solchen Ausgestaltung werden sich die Kreiselwirkungen der beiden gegenläufigen Rotoren nicht gegenseitig aufheben, sondern es wird ein resultierendes Drallmoment verbleiben, das dann erfindungsgemäß zur Erleichterung der Orientierung des sich drehenden Rotorsystems in die gewünschte Windrichtung durch die Ausnützung der Präzession eingesetzt werden kann. Auf jeden Fall kann durch eine Anordnung koaxialer gegenläufiger Rotoren die Ge samtpräzessionswirkung auch bei sehr groß dimensionierten Rotoren bzw. bei sehr schnell laufenden Rotoren auf ein geringeres Maß als bei Verwendung nur eines Rotors gleichen Gesamtaußendurchmessers reduziert oder unter Umständen ganz ausgeschaltet werden, so daß dann bei den Einstellungsbewegungen der Rotoren die Präzessionswirkung relativ gering ist oder unter Umständen ganz wegfällt und insgesamt nur geringe Kräfte auftreten. Zum anderen ergeben sich durch die Doppel-Rotor-Ausgestaltung sehr vorteilhafte konstruktive Gestaltungsmög'iichkeiten, die nachstehend noch erörtert werden.

Mit Vorteil ist das erfhduagsgemäße Windkraftwerk mit zwei koaxialen, koplanaren und gegenläufigen Rotoren so ausgebildet, daß jeder der beiden gegenläufigen Rotoren rings um den Umfang verteilt eine Anzahl von Magnetpolen trägt, die mit den Magnetpolen des jeweils anderen Rotors zusamnenwirken, wobei mindestens die Pole eines Rotors elektrische Leitungswickiungen aufweisen, die über Leitungen mit einem Kollektor gekoppelt sind, so daß die beiden Rotoren die relativ zueinander drehbaren Teile (»Stator« und »Rotor«) eines Stromgenerators bzw. bei Einspeisung von Strom in den Kollektor eines Elektromotors bilden. Längs des Umfangs der gegenläufigen Rotoren läßt sich jeweils eine Vielzahl von Polen unterbringen. Diese Pole können dabei sehr klein und leicht dimensioniert sein. Auf diese Weise lassen sich Stromgeneratoren bzw. Elektromotore schaffen, die mit dem Rotor eine Einheit bilden und ein sehr geringes Leistungsgewicht aufweisen. Der in einem derartigen Stromgenerator erzeugte Strom kann über einen Kollektor und gegebenenfalls einen nachgeschalteten Gleichrichter oder eine Umformeinheit in ein Stromnetz eingespeist oder einem Arbeitsgerät zugeführt werden.

Eine andere günstige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Windkraftmaschine, bei der entweder ein einziger Rotor vorgesehen sein kann oder auch zwei koplanare und koaxiale gegenläufige Rotoren, wird dadurch erreicht, daß der Rotor oder jeder der gegenläufigen Rotoren rings um den Umfang verteilt eine Anzahl von Magnetpolen trägt, die mit Magnetpolen zusammenwirken, die rings um die Rotordrehachse gegen Drehung um die Rotordrehachse gesichert angeordnet sind, wobei entweder die Pole des oder der Rotoren oder die gegen Drehung um die Rotordrehachse gesicherten Pole elektrische Leitungswicklungen aufweisen, die über Leitungen mit einem Kollektor gekoppelt sind, so daß der Rotor oder jeder der gegenläufigen Rotoren zusammen mit den jeweils zugeordneten, gegen Drehung um die Rotordrehachse gesicherten Polen die Teile (»Rotor« und »Stator«) eines Stromgenerators bzw. bei Einspeisung von Strom in den Kollektor eines Elektromotors bilden. Auch bei dieser Ausgestaltung ist es möglich, eine Vielzahl von Polen rings um den Umfang des jeweiligen Rotors bzw. gegen Drehung relativ zur Drehachse gesichert um diese herum anzuordnen, und zwar auf einem Kreis mit einem relativ großen Durchmesser. Auf diese Weise läßt

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sich auch mit dieser Konstruktion ein Stromgenerator auch in anderen Stromgeperatoren oder Elektromoto- bzw. ein Elektromotor mit sehr geringem Leistungsge- ren, bei denen eine Axialverschiebung zwischen wicht schaffen. »Stator« und »Rotor« durch äußere Einwirkungen

Mit Vorteil ist eine erfindunpgernäße Windkraftma- eintreten kann.

schine gemäß einem der vorstehend beschriebenen s Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemä-Ausführungsbeispiele so ausgestaltet, daß die Pole Ben Windkraftwerks ist dadurch gegeben, daß an jedem jeweils eines Teils des Stromgenerators bzw. Elektro- Rotor in Richtung der Rotordrehachse jeweils eine motors, beispielsweise die Pole eines Rotors oder die Anzahl von Polreihen, die mit entsprechenden Polreigegen Drehung um die Rotordrehachse gesicherten hen des anderen mit dem Rotor einen Stromgenerator Pole als Dauermagnete ausgebildet sind. Bei einer io bzw. einen Elektromotor bildenden Teils zusammenwirsolchen Ausbildung muß Strom nur aus den Leitungs- ken, axial nebeneinander angebracht ist Auf diese wicklungen der Pole eines Teils, beispielsweise eines Weise läßt sich eine sehr große Anzahl von Polen sich drehenden Rotors bei zwei gegenläufigen Rotoren unterbringen und damit auf relativ kleinem Raum bei oder aus den Leitungswicklungen der gegen Drehung Verwendung nur eines oder zweier gegenläufiger um die Rotordrehachse gesicherten Pole abgeführt 15 Rotoren eine sehr hohe elektrische Leistung erzeugen werden bzw. zugeführt werden. Wie vorstehend bereits bzw. bei einem Betrieb als Motor aufnehmen, erwähnt, wird bei diesen Ausgestaltungen der erfin- Eine günstige Ausbildung der erfindungsgemäßen

dungsgemäßen Windkraftmaschine, sobald die Rotoren Windkraftmaschine ist auch dadurch gegeben, daß der durch den durchströmenden Wind gedreht werden, Rotorblattkranz jedes Rotors sowohl am Innenumfang Strom erzeugt. Diese Ausgestaltungen haben jedoch 20 als auch am Außenumfang von einem Mantelring den großen Vorteil, daß bei stillstehenden oder langsam umschlossen ist Hierdurch ergibt sich nicht nur ein laufenden Rotoren diese durch Einspeisung von Strom stabilerer Aufbau jedes Rotors, sondern darüber hinaus in die mit elektrischen Leitungswicklungen versehenen eine Strörnungsführung der die Rotorfläche durchströ-PoIe das System als Elektromotor wirkt, durch den der menden Windströmung, die eine weit günstigere oder die Rotoren in Drehung versetzt bzw. in ihrer 25 Ausnutzung der Windenergie ermöglicht Drehung beschleunigt werden können. Auf diese Weise Eine vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemäßen

ist es beispielsweise auch möglich, beim Starten der Windkraftwerks wird auch dadurch erreicht daß jeder Windkraftmaschine die Rotordrehzahl rasch an die für der koaxialen, koplanaren, gegenläufigen Rotoren die bei den herrschenden Windverhältnissen zur mittels mindestens einer Nabe auf dei Rotor-Drehachse Ausnutzung der Windströmung optimale Drehge- 30 gelagert ^:st, und daß der äußere Rotor mittels den schwindigkeit anzupassen. Sobald diese erreicht wird, inneren Rotor an beiden Seiten übergreifender, zur kann dann der Motorbetrieb durch Beendigung der jeweiligen Nabe hin schräg nach außen verlaufender Stromzufuhr und Umschaltung auf Generatorbetrieb Streben an seiner Nabe bzw. seinen Naben befestigt ist. umgestellt werden. Durch eine solche Konstruktion ergibt sich ein sehr

Eine besonders günstige Ausbildung, für die nicht nur 35 leichter und doch hinsichtlich Verbiegungen aus der in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Windkraft- Rotorhauptebene heraus unter der Wirkung von maschine, sondern auch unabhängig von dieser für sich Präzessionskräften steifer Aufbau, durch den mit in Anwendung auf Stromgeneratoren oder Elektromo- einfachen Mitteln gewährleistet ist daß die in toren mit radial übereinander liegenden relativ zueinan- entgegengesetzten Richtungen aus der Rotorhauptebeder bewegbaren Polen Schutz beansprucht wird, wird 40 ne heraus verlaufende Verbiegung der gegenläufigen dadurch erreicht daß von den sich gegenüberstehenden Rotoren unter der Wirkung von Präzessionskräften Polen relativ zueinander bewegbarer Polreihen der sehr gering bleibt und hierdurch eine Veränderung des einen Stromgenerator bzw. einen Motor bildenden Teile RingspaUs zwischen den gegenläufigen Rotoren und entweder die Pole des radial äußeren Teils oder die Pole damit eine Veränderung des Wirkungsgrades eines des radial inneren Teils sich parallel zur Richtung der 45 durch die Rotoren gebildeten Stromgenerators sehr Rotordrehachse nach beiden Seiten über die gegenüber- gering bleibt. Unabhängig von der vorstehend beschrieliegenden Pole des jeweils anderen Teils hinauserstrek- benen Strebenkonstruktion haben koaxiale, koplanare, ken. Wenn bei einer solchen Ausbildung die sich relativ gegenläufige Rotoren gegenüber einer bereits angezueinander drehenden Teile des Stromgenerators bzw. wandten bekannten Rotoranordnung von zwei koaxiades Motors in Richtung der Drehachse axial auseinan- so len, gegenläufigen, hintereinander angeordneten Rotoder bzw. aufeinanderhinbewegen, beispielsweise unter ren unter anderem den Vorteil, daß bei koplanaren der Einwirkung der Präzession auf gegenläufig rotieren- Rotoren bei der Verwendung derselben als Teile eines de Rotoren, dann wird dadurch, daß von jedem Polpaar Stromgenerators der Radialabstand maßgeblich ist, der ein Pol in Axialrichtung nach beiden Seiten hin länger ist auch bei geringfügigen, unter Präzessionseinwirkung als der gegenüberliegende Pol das vom einen zum 55 erfolgenden Verformungen im wesentlichen rings um anderen Pol laufende Magnetfeld auch durch die axiale den Umfang korstant bleibt während bei hintereinander Relatiwerschiebung nicht abgeschwächt oder unterbro- angeordneten Rotoren der Axialabstand maßgeblich ist chen, sondern bleibt in voller Stärke erhalten. Nachdem der sich unter der Einwirkung von Präzession bei es sich bei derartigen Axialverschiebungen um relativ gegenläufigen Rotoren rings um den Umfang herum kleine Verschiebungen handelt bei denen der Radialab- 60 stark verändert und damit die Verwendung derartiger stand zwischen den Polen im wesentlichen unverändert Rotoren als Teile eines Stromgenerators sehr erschwert bleibt wird durch eine solche Polkonstruktion gewähr- oder nahezu unmöglich macht wegen der zu starken leistet daß die Magnetfeldverhältnisse im Betrieb Veränderung des wirksamen Luftspaks, praktisch unverändert bleiben und damit eine störungs- Im folgenden werden Ausführungsbeispiele des freie Stromerzeugung bzw. Motorleistungserzeugung 65 erfindungsgemäßen Windkraftwerks in Verbindung mit gewährleistet ist Eine solche Polkonstruktion läßt sich der Zeichnung beschrieben. Es zeigt nicht nur in Verbindung mit den Rotoren von F i g. 1 eine Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels Windkraftmaschinen vorteilhaft anwenden, sondern eines erfindungsgemäßen Windkraftwerks, teilweise im

AA

Schnitt,

Pig.2 eine Ansicht eines zweiten Ausführungsbei· spiels eines erfindungsgemäßen Windkraftwerks, teilweise schematisiert und teilweise im Schnitt,

F i g. 3 eine Schnitt-Teilansicht des Ausführungsbei- s spiels gemäß F i g. 2 entsprechend der Schnittlinie ΙΙΙ-ΙΠ in F i g. 2 in vergrößertem Maßstab,

Fig.4 eine Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Windkraftwerks, das in einem Canyon angeordnet ist, teilweise schematisiert und teilweise im Schnitt,

F i g. 5 einen Längsschnitt durch ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Windkraftwerks,

Fig.6 einen Längsschnitt durch ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Windkraftwerks,

F i g. 7 einen Längsschnitt durch ein sechstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Windkraftwerks,

F i g. 8 eine Ansicht eines Polpaares eines Stromkraftgenerators, der in einem erfindungsgemäßen Windkraftwerk gebildet wird, teilweise im Schnitt.

Bei dem in F i g. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel des Windkraftwerk» sind zwei koaxiale, koplanare gegenläufige Rotoren 1 und 2 um eine gemeinsame Rotordrehachse 3 drehbar angeordnet Der Rotorblattkranz jedes Rotors 1 bzw. 2 ist sowohl am Innenumfang als auch am Außenumfang von je einem Mantelring 1' bzw. 1" bzw. 2' bzw. 2" umschlossen. Die Rotordrehachse 3 ist in der Mitte einer Trägerkonstruktion 4 drehbar gelagert. Die Trägerkonstruktion ist im gezeichneten Ausführungsbeispiel als aus mehreren Profiler! oder Rohren zusammengeschweißte Ko ns truktion ausgeführt, wobei sich ein Teil der Konstruktion entlang der einen Seite der beiden Rotoren erstreckt (in F i g. 1 sichtbar) und der andere Teil entlang dor anderen Seite der beiden Rotoren. An den beiden Enden der Trägerkonstruktion sind die zu beiden Seiten der Rotoren verlaufenden Teile zusammengefaßt. An^-I einen Ende der Trägerkonstruktion sitzt eine Achse 4', am anderen Ende sitzt eine Achse 4", die mit der Achse 4' fluchtet, wobei beide Achsen 4' und 4" in der Ftotorhauptebene liegen. Die Achse 4' und 4" sind in bezüglich der Rotoren diametral gegenüberliegenden Lagern 5 und 6, deren ideelle Drehachsen in der Rotoirhauptebene liegen und miteinander fluchten, drehbar gelagert. Die Lager 5 und 6, die im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel als Kugellager ausgebildet sind, sind in einer Stützkonstruktion 7 befestigt, die im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel als aus Streben zusammengeschweißtes Gerüst ausgebildet ist. Im unteren Bereich der Stützkonstruktion 7 befindet sich eine Basisplatte 7', die über Laufrollenpaare 8 auf einem Drehkranz 9 um eine vertikale, durch die SS Drehachse 3 und die ideelle Verbindung der Achsen der Lager 5 und 6 gegebene Achse hindurchgehende Hochachse drehbar gelagert ist. Der Laufkranz 9 ist mittels einer Verankerungskonstruktion 10 am Erdboden befestigt

Eine der Laufrollen 8 steht mit einem Elektromotor U, der an der Grundplatte T befestigt ist, in Antriebsverbindung. Bei Einschalten des Elektromotors U versetzt die Laufrolle 8, die als Reibrolle ausgebildet ist, die Stützkonstruktion und damit auch die Rotoren um die Hochachse, d. h. im vorliegenden Beispiel um die Vertikalachse, in Drehung.
Die Achse 4" der Träjge>-konstruktion 4 steht mit einem Elektromotor 12, der an der Stützkonstruktion 7 befestigt ist, in Antriebsverbindung. Wenn der Elektromotor 12 eingeschaltet ist, übt er auf die Achse 4" ein Drehmonsnt mit einem in dieser Achse liegenden Vektor aus. Hierdurch werden die Rotoren und die Kippachse 4'-4" geschwenkt. Bei diesem Ausführungsbeispiel des Windkraftwerks sind die beiden gegenläufi. gen Rotoren somit um drei jeweils einen Winkel miteinander einschließenden Achsen drehbar, nämlich um die Achsen 3, 4'-4", und die im Zentrum des Drehkranzes 9 liegende vertikale Hochachse.

Befinden sich die beiden gegenläufigen Rotoren des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels des Windkraftwerks in Drehung, so stellen sie zwei koaxiale und koplanare gegenläufige Kreisel dar. Falls diese beiden Kreisel nicht so dimensioniert sind, daß ihre Dralle entgegengesetzt gleich groß sind, dann wird, wenn die Stützkonstruktion 7 um die Hochachse mittels des Elektromotors 11 gedreht wird, nach dem Kreiselgesetz eine Präzession der beider Rotoren 1 und 2 resultieren, durch die die Rotordrehachse 3 um die Kippachse 4'-4" nach oben oder unten verschwenkt wird. Andererseits wird, wenn unter den vorgenannten Voraussetzungen der Elektromotor 12 eingeschaltet wird und damit die Rotordrehachse um die Kippachse 4'-4" mit den Rotoren 1 und 2 verschwenkt wird, eine Präzession des Systems um die vertikale Hochachse stattfinden, d. h. die Stützkonstruktion 7 wird sich dann um die Hochachse drehen. Bei dem dargestellten Windkraftwerk hat man es somit in der Hand, durch Ausübung von Drehmomenten auf das System um die Hochachse mittels des Elektromotors 11 bzw. um die Kippachse mittels des Elektromotors 12 eine exakte Ausrichtung der Rotoren auf die jeweils herrschende Windrichtung durch Ausnutzung der Kreiselpräzession zu bewerkstelligen. Unter Umständen müssen beide Elektromotoren 11 und 12 für eine gewisse Zeit gleichzeitig eingeschaltet werden, um die gewünschte Ausrichtung zu erreichen. In jedem Falle genügen jedoch sehr geringe, von den Elektromotoren 11 und 12 aufgebrachte Drehmomente, um auch bei sehr groß dimensionierten Rotorsystemen die richtige Positionierung rasch und exakt zu erreichen, da die Verstellung der großen Massen durch die Präzession erfolgt, ohne daß zu einer Lageänderung der Rotoren deren Drehung vorher auf Null heruntergebremst werden müßte. Dabei müssen die Trägerkonstruktion 4 und die Stützkonstruktion 7 nur äußerst geringe, durch das Gewicht der Rotoren bestimmte Kräfte aufnehmen. Durch Präzession hervorgerufene Lagerkräfte, wie sie bei bekannten Windkraftwerken des Standes der Technik in schädlichem Maße auftreten, sind durch die dreiachsige Lagerung der Rotoren vollständig ausgeschaltet.

Die Steuerung der Rotorausrichtung kann bei dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel mittels einer Steuervorrichtung, die Steuersignale in Abhängigkeit von der Umlaufgeschwindigkeit der Rotoren und der gewünschten Richtung ausgibt, erfolgen. Die gewünschte Richtung, nämlich die Richtung der Windströmung, kann dabei beispielsweise mittels eines Meßgeräts, wie einer kardanisch aufgehängten Meßfahne, festgestellt werden, mittels der sowohl der erforderliche Drehwinkel in vertikaler als auch in horizontaler Richtung laufend festgestellt werden kann. Die Meßfahnensignale können in elektrische Signale umgewandelt werden, die in der Steuervorrichtung verarbeitet und in Steuerbefehle an die Elektromotoren U und 12 umgesetzt werden können. Auf diese Weise ist eine laufende

automatische Ausrichtung der Rotoren auf die Windrichtung möglich

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausfuhrungsbeispiel ist am Innenumfang des äußeren Rotors und am Außenumfang des Innenrotors je eine ir. der Figur nicht dargestellte Anzahl von Magnetpolen rings um den Umfang verteilt befestigt. Die Pole des inneren Rotors sind als Dauermagnete ausgebildet, die Pole des äußeren Rotors als mit elektrischen Leitungswicklungen umgebene Elektromagnetpole. Die Anordnung dieser j ο Pole ist in Fig. 1 nicht dargestellt, die später noch erörtert wird. Die elektrischen Leitungswicklungen der Pole des äußeren Rotors sind über einen ebenfalls nicht dargestellten Kollektor, der um die Drehachse 3 herum vorgesehen ist und über eine ebenfalls nicht dargestellte, ' entlang der Trägerkonstruktion 4 laufende und sich über einen Schleifringkontakt zur Stützkonstruktion 7 hin fortsetzende Leitung mit einem Stromnetz bzw. einem stromverbrauchenden Gerät verbunden. Die gegenläufigen Rotoren 1 und 2 bilden bei dieser Ausgestaltung die relativ zueinander drehbaren Teile eines Stromgenerators. Werden die Rotoren daher von der Windströmung in gegenläufige Drehung versetzt, so liefert dieser Generator einen Strom an das angeschlossene Netz oder Verbrauchsgerät. Umgekehrt können die gegenläufigen Rotoren 1 und 2 aus dem Stillstand heraus in Drehung versetzt werden, wenn von einer Stromquelle ein geeigneter Strom in die Pole des äußeren Rotors eingespeist wird, weil dann die Rotoren 1 und 2 wie die Teile eines Elektromotors wirken. Auf diese Weise ist es möglich, beim Anfahren des Windkraftwerks die Rotoren rasch auf eine Umlaufgeschwindigkeit zu bringen, die der zur Ausnutzung der vorhandenen Windströmung optimalen Umlaufgeschwindigkeit entspricht

Die Art der Lagerung der Rotoren 1 und 2 um die Drehachse 3 ist in F i g. 1 nur schematisch dargestellt. Die Rotorkonstruktion und Lagerung kann jedoch in der gleichen Weise erfolgen, wie dies in Fig.5 dargestellt ist und später noch besprochen werden wird.

In Fig.2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Windkraftwerkes dargestellt. Bei diesem sind wiederum zwei koaxiale, koplanare, gegenläufige Rotoren 1 und 2 vorgesehen, die in einer Trägerkonstruktion 4Λ drehbar gelagert sind. Die Trägerkonütruktion weist einen Tragring 33 auf, an dessen Außenumfang der äußere Rotor 1 drehbar gelagert ist, und an dessen Innenumfang der innere Rotor 2 drehbar gelagert ist. Zu beiden Seiten der Rotorhauptebene erstrecken sich von dem Tragring 33 nach beiden Seiten in diametral entgegengesetzter Richtung Tragarme 34 bzw. 34'. An den beiden Enden der aus dem Tragring 33 und den zu beiden Seiten der Rotorhauptebene verlaufenden Tragarmen 34 und 34' gebildeten Trägerkonstruktion AA sind die Enden der Tragarme 34 bzw. die Enden der Tragarme 34' jeweils zusammengefaßt und tragen dort miteinander fluchtende Achsen 4' bzw. 4", die in der Rotorhauptebene liegen. Die Lagerung dieser Achsen 4' und 4", die miteinander eine Kippachse 4'-4" bilden, in gegenüberliegenden Lagern 5 und 6 sowie die Halterung dieser Lager in einer Stützkonstruktion 7 und die drehbare Lagerung derselben entsprechen in ihrem Aufbau dem anhand des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 bereits beschriebenen Aufbau, so daß diesbezüglich auf die dortigen Ausführungen verwiesen werden kann. Dies gilt auch für die Anordnung des Elektromotors 12 als Stellvorrichtung zur Ausübung eines Drehmoments um die Kippachse 4' bzw. 4". Die Orientierung der Rotoren in die gewünschte Richtung erfolgt bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g, 2 in der gleichen Weise wie bei dem Ausfuhrungsbeispiel gemäß Fig. 1, so daß auf die dortigen Ausführungen verwiesen werden kann.

In F i g. 3 ist, in vergrößertem Maßstab, ein Schnitt durch die Rotoranordnung bei dem Ausfuhrungsbeispiel gemäß F i g. 2 dargestellt. Aus der Schnittdarstellung ist erkennbar, daß am Tragring 33, rings um dessen Umfang verteilt, Rollen 35' und 35" drehbar gelagert sind, deren Laufflächen am Außenumfang des Tragrings 33 freiliegen, und an denen der äußere Rotor 1 mittels Laufschienen 37 drehbar gelagert ist In analoger Weise ist der innere Rotor 2 am Innenumfang des Tragrings 33 an Laufrollen 36' und 36" mittels Laufschienen 37 drehbar gelagert Beim gegensinnigen Umlauf der Rotoren t und 2 steht der Tragring 33, der als Halterung für die Laufrollen 35', 35", 36', 36" dient, und der Teil der Trägerkonstruktion 4Λ ist, still. Der Tragring 33 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als »Stator« eines Stromgenerators ausgebildet, während beide Rotoren 1 und 2 jeweils als »Rotor« eines Stromgenerators ausgebildet sind. Am Tragring 33 sind sowohl am Außenumfang als auch am Innenumfang jeweils rings um den Umfang herum elektromagnetische Pole 21 verteilt angeordnet, die mit Leitungswicklungen versehen sind, durch die Strom fließen kann. Über diesen Polen sind sowohl am äußeren Rotor 1 als auch am Innenrotor 2 Dauermagnetpole 25 befestigt, die mit den jeweiligen Polen 21 zur Stromerzeugung zusammenwirken. Die Anordnung und Ausgestaltung dieser Pole wird anhand der Ausführungsbeispiele gemäß F i g. 5 und 7 nachstehend noch im einzelnen erläutert werden. Das Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2 hat den Vorteil, daß weder vom Rotor 1 noch vom Rotor 2 Strom über Schleifkontakte zu der Trägerkonstruktion AA weggeleitet werden muß, sondern daß der erzeugte Strom in den Leitungen der Pole 21 des ohnehin zur Trägerkonstruktion AA gehörenden Tragrings 33 erzeugt wird und fließt. Hierdurch ergibt sich eine schleifkontaktfreie und damit einfache Konstruktion des aus dem Tragring 33 und den beiden Rotoren gebildeten Stromgenerators.

Wie aus den Fig.2 und 3 ersichtlich ist, sind am Tragring 33 an dessen anströmseitigem Stirnrand 33' rings um den Umfang verteilt vier Steuerklappen 38 schwenkbar und in ihrer jeweiligen Stellung feststellbar gelagert. Jede der Steuerklappen 38 ist über je einen in Fig.3 dargestellten Stellmotor 39, beispielsweise ein elektromagnetisches Solenoid oder eine hydraulische oder pneumatische Kolben-Zylinder-Einheit verstellbar und feststellbar. Erfolgt das Ausschwenken aller vier Steuerklappen 38 gleichzeitig, so wird dadurch der Anströmquerschnitt des äußeren Rotors an vier am Umfang verteilten Stellen verengt. Hierdurch ist eine Beeinflussung der Zuströmung zu dem gesamten Rotorsystem möglich. Die Steuerklappen 38 sind jedoch auch wahlweise einzeln ausfahrbar. Wird beispielsweise die in Fig.2 oben dargestellte Steuerklappe für sich ausgefahren, während die anderen Steuerklappen in geschlossener Position gehalten werden, so wird hierdurch eine hinsichtlich der Kippachse unsymmetrische Anströmung des Rotors 1 bewirkt, die eir Kippmoment um die Kippachse auf das Rotcrsysten zur Folge hat. Auf diese Weise lassen sich die Steuerklappen als Stellvorrichtung zur Ausübung eine: Drehmoments um die Kippachse und damit zu Positionierung des Rotorsystems entweder anstelle de Motors 12 oder zusätzlich zu diesem einsetzen. Di

Größe des durch Ausfahren einer Steuerklappe 38 erzeugbaren Kippmoments kann durch den jeweiligen Ausfahrwinkel der Steuerklappe, die stufenlos verstellbar ist, beeinflußt werden.

In F i g. 4 ist ein Ausführungsbeispiel des Windkraft- S werks gezeigt, bei dem zwei gegenläufige koaxiale und koplanare Rotoren 1 und 2 um eine Drehachse 3 umlaufen, die ihrerseits in einer Trägerkonstruktion 13 gelagert ist. Die Trägerkonstruktion 13 ist als Schweißkonstruktion aus Rohren oder Profilen ausgeführt und entspricht in ihrem Aufbau weitgehend der anhand des Ausführungsbeispiels der F i g. 1 beschriebenen Trägerkonstruktion 4. Die Enden der Trägerkonstruktion 13 sind wiederum in Lagern 5 und 6 drehbar gelagert, deren ideelle Achsen miteinander fluchten und in der Hauptebene der Rotoren 1 und 2 liegen und somit wiederum eine Kippachse 13'-13" für die Rotoren 1 und

2 definieren. Die Lager 5 und 6 sind in Stützgerüsten 14 und 15 gehaltert, die ihrerseits an gegenüberliegenden Wänden eines Canyons befestigt sind. Die Rotorhauptebene der Rotoren 1 und 2 erstreckt sich quer zu diesem Canyon.

Die Ausbildung der Trägerkonstruktion 13 weicht insofern von der in F i g. 1 beschriebenen Trägerkonstruktion 4 prinzipiell ao, als in der Mitte der Trägerkonstruktion 13 in deren vor und hinter der Rotorhauptebene verlaufenden Teilen jeweils Führungsbahnen 16 vorgesehen sind. In diesen Führungsbahnen 16 sind die aus der Rotorhauptebene nach vorne und hinten herausragenden Enden der Rotordrehachse

3 geführt. Beispielsweise sind die Enden der Rotordrehachse 3 in in F i g. 3 aus Anschaulichkeitsgründen nicht dargestellten Kugelgelenklagern in ebenfalls nicht dargestellten Gleitsteinen gelagert, wobei die Gleitsteine ihrerseits in den Führungsbahnen der vorderen und hinderen Teile der Trägerkonstruktion 13 in gegenläufigem Sinne mittels aus Übersichtlichkeitsgründen auch nicht dargestellten Schraubspindelantrieben hin- und herbewegbar sind. Diese Antriebe können ihrerseits durch eine Steuervorrichtung gesteuert sein, in die als Meßsignal die vertikale Windrichtungskom.jonente,

z. B. durch eine Windfahne gemessen, eingespeist wird. Die Führungsbahnen 16 verlaufen quer zur Rotordrehachse parallel zur Kippachse 13'-13". Durch eine Verstellung der Enden der Rotordrehachse in diesen Führungsbahnen ist es somit möglich, die Rotorhauptebene der Rotoren 1 und 2 zusammen mit der Rotordrehachse 3 um eine senkrecht zur Kippachse 13'-13" und senkrecht zur Rotordrehachse 3 verlaufende Hochachse zu verschwenken. Wenn die gegenläufigen Rotoren 1 und 2 sich bei dieser Anlage in Drehung befinden und eine solche Verschwenkung der Rotordrehachse 3 in den Führungen 16 stattfindet, wird eine Präzession der Rotoren 1 und 2 stattfinden, durch die die Rotordrehachse nach oben bzw. unten um die Kippachse 13-13" gekippt wird. Auf diese Weise 1st eine Anpassung der Stellung der Rotoren an eine Aufwind· oder Abwindrichtung, d. h. an eine Veränderung der vertikalen Strömungskomponente des Windes durch Ausnutzung der Krelselpräzession möglich. Dabei «0 genügen schon sehr geringe Auslenkungen der Richtung der Rotordrehachse 3 In den Führungen 16, um dies zu bewirken. Eine Anpassung an horizontale Windrichtungsänderungen 1st in dem gezeigten Ausführungsbeispiel nioht erforderlich, da in einem Canyon der Wind In Richtung des Canyons strömt und seine Richtung dabei nicht wesentlich ändern wird. Am Stützgerüst 13 Ist ein Elektromotor 12 befestigt, der auf die Achse 13' ein Kippmoment ausüben kann. Dieser Elektromotor wirkt in analoger Weise wie der Elektromotor 12 der Ausfuhrungsbeispiele der Fig. 1 und 2. Bei dem Ausfuhrungsbeispiel gemäß F i g. 4 wird er jedoch, da eine Anpassung an eine horizontale Windrichtung hier im wesentlichen nicht erforderlich ist, nur in sehr geringem Umfang, wenn überhaupt, als Stellvorrichtung verwendet; er wird bei bei diesem Ausführungsbeispiel jedoch zum Kippen des gesamten Systems um die Kippachse bei stillstehendem Rotor eingesetzt

In Fig.5 ist ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel des Windkraftwerks in einer Längsschnittansicht dargestellt. Soweit Teile dieses Ausführungsbeispiels mit Teilen bereits besprochener Ausfuhrungsbeispiele prinzipiell übereinstimmen, sind wieder die gleichen Bezugszeichen verwendet. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind wieder zwei koaxiale, koplanare und gegenläufige Rotoren 1 und 2 vorgesehen, die um eine Rotordrehachse 3' drehbar gelagert sind. Der Rotorblattkranz jedes Rotors ist sowohl am Innenumfang als auch am Außenumfang jeweils von einem Mantelring umschlossen. Auf diese Weise ergibt sich eine Strömungsführung, die zu einer optimalen Windenergieausnutzung führt. Der innere Rotor 2 ist mittels einer Nabe 17 auf der Rotordrehachse 3' über Kugellager gelagert, der äußere Rotor 1 ist mittels zweier zu beiden Seiten der Nabe 17 angeordneter Naben 18 und 18' über Kugellager auf der Rotordrehachse 3' drehbar gelagert. Der äußere Rotor 1 ist mittels den Innenrotor 2 an beiden Seiten übergreifender, zu den Naben 18 bzw. 18' hin schräg nach außen verlaufender Streben 19 und 19' an den Naben 18 und 18' befestigt. Der innere Rotor 2 ist seinerseits über eine Anzahl von schräg verlaufenden Streben 20 an seiner Nabe 17 befestigt Durch eine solche Strebenkonstruktion wird ein sehr leichter und doch gegen Verbiegungen aus der Rotorhauptebene heraus steifer Aufbau erzielt.

Auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 5 sind wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen jeweils am inneren Umfang des äußeren Rotors 1 und am äußeren Umfang des inneren Rotors 2 Magnetpole rings um den Umfang verteilt angeordnet Im Ausfuhrungsbeispiel gemäß F i g. 5 sind in Axialrichtung jeweils zwei Pole nebeneinander vorgesehen. Die am äußeren Rotor 1 angebrachten Pole 21 weisen elektrische Leitungswicklungen auf, die über nicht dargestellte Leitungen, die entlang der Streben 19 bzw. 19' verlaufen, mit Kollektoren 22 gekoppelt sind, die mit Schleifkontakten 23 in Berührung stehen, die an einer Tragkonstruktion 24 befestigt sind. Von den Schleifkontakten 23 führen aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellte Leitungen zu einem Stromnetz oder zu einem stromverbrauchenden Gerät Gegebenenfalls ist auch noch ein Stromumformer dazwlschengeschaltet, Die Pole 23 am äußeren Umfang des Innenrotors 2 sind als Dauermagnete ausgebildet. Die gegenläufigen Rotoren 1 und 2 bilden somit die Teile eines Stromgenerators oder, wenn Strom von außen in die Wicklungen der Pole 21 eingespeist wird, die Teile eines Elektromotors.

Beim Ausfuhrungsbeispiel gemäß Fig.3 weist die Rotorachse 3' über die Rotorhauptebene nach vorne und hinten hinausgehende Enden auf. die in Führungsbahnen 16' und 16" in einem vorderen und einem hinteren Teil der Tragkonstruktion 24 gelagert sind Diese Führungebahnen erstrecken sich parallel zueinander In vertikaler Richtung. Im Bereich jeder Führungsbahn 16' bzw. 16" ist je ein Stellmotor, beispielsweise je

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eine hydraulische oder pneumatische Zylinder-Kolben-Einheit oder ein Elektromotor mit Spindelantrieb 39 an der Tragkonstruktion 24 angebracht. Diese Stellmotoren 39 wirken auf die Enden der Drehachse 3' derartig ein, daß beim Anheben des einen Endes der Drehachse das andere Ende gleichzeitig um einen gleich großen Betrag abgesenkt wird. Auf diese Weise wird auf die Drehachse ein Drehmoment mit einem in der Kippachse liegenden, dh. in der Rotorhauptebene liegenden und die Hochachse durchstoßenden Vektor to ausgeübt Durch ein derartiges Kippmoment kann die Rotordrehachse und damit das Rotorsystem aus den gegenläufigen Rotoren 1 und 2 um die Kippachse verschwenkt werden. Bei sich drehenden Rotoren tritt dabei eine Präzession um die Hochachse ein, durch die die Rotoren in ihrer Orientierung an eine sich ändernde horizontale Windrichtung angepaßt werden können. Die Richtungseinstellung der Rotoren erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel in analoger Weise wie bei dem Ausfuhrungsbeispiel gemäß Fig. 1. Bei dem no Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 5 ist die Tragkonstruktion 24 mittels einer in ihrem unteren Bereich vorgesehenen Platte 24' um die Hochachse drehbar gelagert. Diese Lagerung und der als Einstellvorrichtung vorgesehene Elektromotor 11 entsprechen in as Aufbau und Wirkungsweise der Hochachsenlagerung des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1, so daß diesbezüglich auf die dortigen Ausführungen verwiesen werden kann.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.5 ist das Ausmaß einer Kippbewegung der Rotoren durch die Ausdehnung der Führungsbahnen 16' und 16" naturgemäß sehr begrenzt. In vielen Fällen reicht jedoch eine derartige begrenzte Kippbarkeit zur Orientierungssteuerung der Rotoren ohne weiteres aus.

Die bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.5 angewandte Strebenkonstruktion für die Rotoren kann beispielsweise auch bei den Windkraftwerken gemäß den F i g. 1,3 und 4 verwendet werden.

In Fig.6 ist ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel eines +0 Windkraftwerks gezeigt, das in seinem prinzipiellen Aufbau dem Aufbau des Windkraftfwerks gemäß F i g. 5 entspricht. Soweit Teile in ihrer Funktion prinzipiell übereinstimmen, sind die gleichen Bezugszeichen verwendet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist an jedem Rotor 1 bzw. 2 in Richtung der Rotordrehachse 3' jeweils eine Anzahl von Polreihen, die mit entsprechenden Polreihen des anderen Rotors zusammenwirken, axial nebeneinander angebracht. Dabei sind am Innenumfang des äußeren Rotors 1 zwei Polreihcn 21 axial nebeneinander vorgesehen, denen am äußeren Umfang des Innenrotors 2 zwei Polreihen 23 gegenüberstehen. Darüber hinaus sind an den Streben 19 und 19' des äußeren Rotors 1 in Höhe des inneren Umfangs des Innenrotors 2 welter Polreihen 21' axial nebenelnander vorgesehen, denen an den Streben 20 des Innenrotors 2 befestigte Polreihen 25' des Innenrotors gegenüberstehen. Durch die Erhöhung der Zahl der Polreihen läßt sich die Im Stromgenerator erzielbare Leistung erhöhen bzw., wenn das System als Motor arbeitet, die aufnehmbare Leistung.

In PIg.7 1st ein weiteres Ausführungsbeispiel des Windkraftwerks in einen Längsschnitt gezeigt Der prinzipielle Aufbau stimmt wiederum mit dem Ausführungsbeispiel gemäß FIg.S oder dem Ausführungsbel· eg spiel gemäß Pig.6 überein. Beim Ausführungsbeispiel gemäß PI g. 7 Ist jedoch der äußere Rotor über Streben 19" unmittelbar an der Rotordrehachse 3" befestigt, während der innere Rotor über Streben 20' und 20" an Naben 27 und 27', die drehbar auf der Rotordrehachse 3" gelagert sind, befestigt ist Die Rotordrehachse, die in diesem Ausführungsbeispiel mit dem Rotor 1 umläuft, ist in ihrem mittleren Bereich im Durchmesser verstärkt und trägt am Außenumfang eine Anzahl von Magnetpolreihen mit um den Umfang verteilten Magnetpolen. Diese Magnetpolreihen 28 sind im axialen Abstand voneinander angeordnet. An den Streben 20' und 20" des Innenrotors 2 ist eine Anzahl von Magnetpolreihen 29, bei denen die Magnetpole von elektrischen Wicklungen umgeben sind, so angeordnet, daß sie den Magnetpolreihen 28 gegenüberliegen. Die Polwicklungen der Magnetpolreihen 29 sind wiederum über nicht dargestellte Leitungen mit einem ebenfalls nicht dargestellten Kollektor verbunden, über den der erzeugte Strom über Schleifkontakte an das Verbrauchersystem abgeführt wird, oder über den auch Strom zugeführt werden kann, falls die Rotoren als Elektromotor arbeiten sollen.

Zur Verbesserung der Strömungsverhältnisse ist der zentrale Bereich im Zentrum der koaxialen Rotoren 1 und 2 bei den in den F i g. 1 bis 8 dargestellten Ausfuhrungsbeispielen des Windkraftwerks durch Verkleidungen bzw. Ummantelungen aerodynamisch verkleidet. Derartige Verkleidungen und Ummantelungen sind in den F i g. 5,6 und 7 im Schnitt dargestellt.

In F i g. 8 sind Magnetpole, wie sie am äußeren Rotor 1 bzw. am inneren Rotor 2 eines der vorstehend beschriebenen Beispiele einer Windkraftmaschine angebracht sein können, in größerem Maßstabe dargestellt. In dem Beispiel sind am inneren Umfang des äußeren Rotors 1 zwei Reihen von dauermagnetischen Polen 30 und 30' in axialem Abstand voneinander angeordnet. Am äußeren Umfang des Innenrotors 2 sind zwei Elektromagnetpolreihen 31 und 3Γ, den Polreihen

30 und 30' radial gegenüberliegend, angeordnet. Jeder der Pole der Polreihen 31 und 31' weist eine elektrische Leitungswicklung 32 auf. Diese Leitungswicklungen sind über nicht dargestellte Leitungen mit bereits erwähnten Kollektoren verbunden. Aus F i g. 8 ist ersichtlich, daß von den sich gegenüberstehenden Polen 30 und 30' bzw.

31 und 31' jeweils die Pole 30 und 30' in einer parallel zur Richtung der Rotordrehachse verlaufenden Richtung nach beiden Seiten über die gegenüberliegenden Pole 31 bzw. 31' sich hinauserstrecken. Wenn bei einer Lageänderung der Rotordrehachse eine Präzession der Rotoren 1 und 2 eintritt, werden diese, da sie sich gegenläufig drehen, in entgegengesetzten Richtungen zu präzedieren versuchen und damit entgegengesetzt gerichteten Drehmomenten unterworfen, die versuchen, die Rotoren 1 und 2 aus der Rotorhauptebene nach entgegengesetzten Richtungen hinauszubiegen. Infolge der Elastizität der Rotoren 1 und 2 kann es durch diese Momente zu geringfügigen axialen Verlagerungen zwischen dem Inneren Umfang des äußeren Rotors 1 und dem äußeren Umfang des Innenrotors 2 kommen, d. h. zu axialen Verschiebungen, durch die die Pole 30 und 30' des äußeren Rotors gegenüber den Polen 31 und 31' des Innenrotors axial nach der einen oder anderen Seite auswandern. Durch den Umstand, daß die Pole 30 und 30' sich jedoch In unbelasteter Stellung der Rotoren nach beiden Seiten in axialer Richtung über die Pole 31 bzw. 31' des Innenrotors hinauserstrecken, ist auch bei einer derartigen geringfügigen axialen Verlagerung gewährleistet, daß das magnetische Feld zwischen den Polen 31 bzw. 31' und den Polen 30 bzw. 30' nicht verringert oder unterbrochen wird, sondern In voller

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Stärke aufrechterhalten bleibt. Auch die Luftspaltdicke zwischen den Polen bleibt durch die geringfügige axiale Verlagerung zwischen den Rotoren, bei der der Radialabstand im wesentlichen gleich bleibt, im wesentlichen unverändert. Auf diese Weise ist sicherge- s stellt, daß die Generatorleistung auch bei einer Einstellbewegung der gegenläufigen Rotoren und dabei auftretenden Präzessionsmomenten nicht beeinträchtigt wird.

Die in Fig.8 dargestellte Polkonstruktion ist nicht nur bei gegenläufigen Rotoren von Windkraftwerken anwendbar, sondern ganz allgemein bei Stromgeneratoren oder Elektromotoren, bei denen eine axiale Verschiebung der relativ zueinander um eine Drehachse drehbaren Teile (z. B. »Stator« und »Rotor«) auftreten kann. Dabei ist es für die Wicklung der Polkonstruktion gleichgültig, durch welche Umstände die Axialverschiebung zwischen den Polen herbeigeführt wird.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend geschilderten Beispiele beschränkt. Beispielsweise kann ein _ao erfindungsgemäßes Windkraftwerk auch so ausgebildet sein, daß mehr als zwei koplanare, koaxiale Rotoren vorgesehen sind. Es ist auch möglich, bei mehereren koaxialen, koplanaren Rotoren alle im gleichen Sinne umlaufen zu lassen. Hierbei addieren sich die Kreiselwirkungen der Rotoren, während sie sich bei gegenläufigen Rotoren parallel kompensieren.

Bei den vorstehend anhand der Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen bildeten zwei gegenläufige Rotoren jeweils in sich einen Stromgenerator. Es ist jedoch ohne weiteres möglich, ein erfindungsgemäßes Windkraftwerk auch so auszubilden, daß ein Rotor oder mehrere gegenläufige Rotoren über eine Rotordrehachse, gegebenenfalls unter Einschaltung von Getrieben, einen separaten Stromgenerator oder unmittelbar eine andere Arbeitsmaschine, beispielsweise eine Pumpe, antreibt. Dabei kann das angetriebene Gerät beispielsweise über eine Kardanwelle mit der Rotordrehachse gekoppelt sein, so daß eine allseitige Schwenkbarkeit der Rotordrehachse durch die Koppelung mit dem anzutreibenden Gerät nicht beeinträchtigt ist.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Windkraltwerk mit mindestens einem Rotor, der sowohl um eine Rotor-Drehachse drehbar als $ auch um eine einen Winkel mit der Rotordrehachse einschließenden Hochachse mittels einer Einstellvorrichtung zur Wind-Orientierung schwenkbar in einer Tragkonstruktion gelagert ist und eine Arbeitsmaschine, beispielsweise einen Stromgenera· tor treibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotor-Drehachse (3) in einer eine Präzession des Rotors oder der Rotoren (1, 2) gestattenden Weise um eine weitere ideelle, sowohl durch die Rotordrehachse als auch die Hochachse verlaufende, mit beiden je einen Winkel einschließende Kippachse (4', 4"; 13'-13") in der Tragkonstruktion drehbar gelagert ist und eine Positionierungseinrichtung zur Positionierung der Rotorhauptebene die Einstellvorrichtung (11) für die Hochachsenschwenkung des oder der Rotoren aufweist, die unmittelbar oder mittelbar bzw. auf den oder die Rotoren ein Drehmoment ausübt, das eine senkrecht zur Rotor-Drehachse und senkrecht zur Kippachse verlaufende Momenten vektor-Komponente aufweist, deren jeweilige Größe in Abhängigkeit von der Rotorumlaufgeschwindigkeit und der auf den oder die Rotoren auszuübenden Windrichtungs-Orientierungsbewegung in Abstimmung mit dem von der Hochachsen-Einstellvorrichtung (11) auszuübenden Drehmoment mittels einer Steuervorrichtung zur Steuerung der Betätigungszeiten und Momente der Einstellvorrichtung unter Ausnutzung der Kreiselpräzesiiions-Gesetze steuerbar ist.

2. Windkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierungseinrichtung neben der Einstellvorrichtung (11) mindestens eine Stell-Vorrichtung (12) zur Einstellung des oder der Rotoren in Abhängigkeit von horizontalen Windrichtungsänderungen aufweist, die unmittelbar oder mittelbar auf die Rot or-Drehachse bzw. auf den oder die Rotoren ein Drehmoment ausübt, das eine senkrecht zur Rotor-Drehachse und senkrecht zur Hochachse verlaufende Momentenvektor-Komponente aufweist, deren jeweilige Größe in Abhängigkeit von der Rotorumlaul'geschwindigkeit und der auf den oder die Rotoren auszuübenden Windrichtungs-Orientierungsbewegung in Abstimmung mit dem von der Hochachsen-Einstellvorrichtung (11) auszuübenden Drehmoment mittels einer Steuervorrichtung zur Steuerung der Betätigungszeiten und Momente der Einstellvorrichtung und der Stellvorrichtung unter Ausnutzung der Kreiselpräzessions-Gesetze steuerbar ist.

3. Windkrafitwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotor-Drehachse (3) des Rotors oder dei Rotoren etwa in der Mitte einer Trägerkonstraktion (4 bzw. 13) drehbar gelagert ist, die sich auf mindestens einer Seite des Rotors bzw. der Rotoren diametral entlang der Rotorhauptebene erstreckt und mit ihren Enden (4', 4") in bezüglich der Rotor-Drehachse (3) diametral gegenüberliegenden! Lagern (5, 6) drehbar gelagert ist, deren ideelle! Drehachsen in der Rotorhauptebene liegen und miteinander fluchten, und die ihrerseits an einer Stützkonstruktion (7,14,15) befestigt sind.

4. Windkrafcweik nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daB die Stützkonstruktion (7) als Gerüst ausgebildet ist, das in einer Drehlagerkonstruktion (8,9) um die Hochachse drehbar gelagert ist

5. Windkraftwerk nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß an mindestens einem Ende der Trägerkonstruktion eine Vorrichtung (12) zur Ausübung eines Drehmoments auf die Trägerkonstruktion (4) mit einem in der Drehachse (4'-4") der Trägerkonstruktion liegenden Drehmomentvektor als Stellvorrichtung angeordnet ist.

6. Windkraftwerk nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerkonstruktion einen Tragring aufweist, der zwischen den koaxialen, koplanaren, gegenüberliegenden Rotoren konzentrisch zu diesen angeordnet ist, und an dem der innere Rotor an seinem äußeren Umfang und dei· äußere Rotor an seinem Innenumfang drehbar gelagert sind.

7. Windkraftwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß am anströmsehigen Stirnrand des Tragrings mindestens eine Steuerklappe ein- und verstellbar gelagert ist.

8. Windkraftwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützkonstruktion (14, 15) als starr mit dem Erdboden verbundene Gerüstkonstruktion ausgebildet ist.

9. V/indkraftwerk nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerkonstruktion (13) sich zu beiden Seiten des Rotors bzw. der Rotoren erstreckt und die Rotordrehachse (3) über die Rotoren nach vorne und hinten herausragende Enden aufweist, die in Führungsbahnen (16) im vorderen und hinteren Teil der Trägerkonstruktion in einer durch die Rotordrehachse (3) und die Lagersiellen (5, 6) der Trägerkonstruktion (13) verlaufenden ideellen Ebene in einem eine Drehmomenteinwirkung mit einem in der Hochachse liegenden Vektor bedeutenden Sinne mittels einer Einstellvorrichtung hin- und herbewegbar sind.

10. Windkraftwerk nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotor-Drehachse über die Rotorhauptebene nach vorne und hinten hinausragende Enden aufweist, die in Führungsbahnen in einem vorderen und einem hinteren Teil der Tragkonstruktion gelagert und in einer durch die Rotordrehachse und die Hochachse verlaufenden ideellen Ebene in einem eine Drehmomenteinwirkung mit einem in der Kippachse liegenden Vektor bedeutenden Sinne mittels einer Stellvorrichtung auf- und abbewegbar sind.

11. Windkraftwerk nach Ansprüche oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Rotor-Drehachse (3) in Kugelgelenklagern in Gleitsteinen gelagert sind, die ihrerseits in den Führungsbahnen (16) der vorderen bzw. hinteren Teile der Trägerkonstruktion (13) in gegenläufigem Sinne mittels Schraubspindelantrieben hin- und herbewegbar sind.

12. Windkraftwerk nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstruktion aller Teile des Windkraftwerks und die Lagerung des Rotors oder der Rotoren so angeordnet bzw. ausgebildet ist, daß für die Drehbewegungen um jede der drei Achsen ( — Rotor-Drehachse, Kippachse, Hochachse — ) jeweils ein Massenausgleich gegeben ist.

13. Windkraftwerk nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß

zwei koaxiale, koplanare gegenläufige Rotoren (1,2) um die Drehachse (3 bzw. 3') drehbar gelagert sind.

14. Windkraftwerk nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden gegenläufigen Rotoren (1. 2) rings um den Umfang verteilt eine s Anzahl von Magnetpolen (21 bzw. 2S) trägt, die mit den Magnetpolen des jeweils anderen Rotors zusammenwirken, wobei mindestens die Pole (21) eines Rotors elektrische Leitungswicklungen aufweisen, die über Leitungen mit einem Kollektor gekuppelt sind, so daß die beiden Rotoren die relativ zueinander drehbaren Teile (»Stator« und »Rotor«) eines Stromgenerators bzw., bei Einspeisung von Strom in den Kollektor, eines Elektromotors bilden.

15. Windkraftwerk nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor oder jeder der gegenläufigen Rotoren rings um den Umfang verteilt eine Anzahl von Magnetpolen trägt, die mit Magnetpolen zusammenwirken, die rings um die Rotor-Drehachse gegen Drehung um die Rotor-Drehachse gesichert angeordnet sind, wobei entweder die Pole des oder der Rotoren oder die gegen Drehung um die Rotordrehachse gesicherten Pole elektrische Leitungswicklungen aufweisen, die über Leitungen mit einem Kollektor gekoppelt sind, so daß der Rotor oder jeder der gegenläufigen Rotoren zusammen mit den jeweils zugeordneten gegen Drehung um die Rotor-Drehachse gesicherten Polen die Teile (»Rotor« und »Stator«) eines Stromgenerators bzw. bei Einspeisung von Strom in den Kollektor eines Elektromotors bilden.

16. Windkraftwerk nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole jeweils eines Teils des Stromgenerators bzw. Elektromotors, beispielsweise die Pole eines Rotors oder die gegen Drehung um die Rotor-Drechachse gesicherten Pole als Dauermagnete (25,30,30') ausgebildet sind.

17. Windkraftwerk insbesondere wenigstens nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß von den sich gegenüberstehenden Polen (30, 31) relativ zueinander bewegbarer Polreihen der einen Stromgenerator bzw. einen Motor bildenden Teile entweder die Pole (30) des radial äußeren Teils oder die Pole (3i) des radial inneren Teils sich parallel zur Richtung der Rotor-Drehachse nach beiden Seiten über die gegenüberliegenden Pole (31) des jeweils anderen Teils hinauserstrecken.

18. Windkraftwerk nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Rotor (1,2) in Richtung der Ro'nrdrehach se (3') jeweils eine Anzahl von Polreihen (21'), aie mit entsprechenden Polreihen (26') des anderen mit dem Rotor einen Stromgenerator bzw. einen Elektromotor bildenden Teils zusammenwirkt, axial nebeneinander angebracht ist.

19. Windkraftwerk nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorblattkranz jedes Rotors sowohl am Innenumfang als auch am Außenumfang von einem Mantelring (1', 1" bzw. 2', 2") umschlossen ist.

20. Windkraftwerk nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der koaxialen, koplanaren gegenläufigen Rotoren (1,2) mittels mindestens einer Nabe (18,18'; 17) auf der Rotor-Drehachse (3') gelagert ist, und daß der äußere Rotor (1) mittels den inneren Rotor an beiden Seiten übergreifender, zur jeweiligen Nabe (18 bzw. 18') hin schräg nach außen verlaufender Streben (19 bzw. 19') an seiner Nabe bzw. seinen Naben befestigt ist.