DE2601069C3 - Windkraftwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Windkraftwerk im Turmbauweise mit mehreren übereinander angeordneten Bauabschnitten, die senkrechtsiehende Rotoren ausweisen, von einem gemeinsamen Turmgestell getragen und im Inneren des Turmgestells durchgehend miteinander verbunden sind, und sich zusammen als Turmfassade frei in den Wind drehen können.

Ein derartiges Windkraftwerk zeigt die FR-PS 22 91 380. Dabei sind sechs Rotoren in vier Etagen übereinander rings um einen Holm angeordnet, wobei an dom Holm Leitbleche vorgesehen sind, um ein Drehen der Rotoren z:j ermöglichen, gleichgültig, aus welcher Richtung der Wind kommt Die Nutzleistung dieser bekannten Bauart ist äußerst gering, weil sie nur eine schlechte Ausnutzung der Anströmungsenergie gewährleistet

Bei einer anderen Windturbine mit senkrechter Welle sind zwei nebeneinander liegende Rotoren vorgesehen (DE-PS 8 10 500). Dabei sind die Rotoren in einem Leitgehäuse angeordnet, das einen Abschirmkörper am Windeintritt aufweist, der die eine Hälfte des Rotors gegen eine Beaufschlagung durch den Wind abdeckt. Die Rotoren haben eine Außenverkleidung, die in Verbindung mit dem Abschirmkörper einen Staubkörper mit einer verhältnismäßig großen Stirnfläche darstellt, so daß den Windströmungen ein ganz erheblicher Widerstand entgegengesetzt wird. Bei großen Windgeschwindigkeiten entstehen dadurch nicht nur enorme Sogwirbel hinter dem Staukörper, sondern auch große Gefahren für die Zerstörung des gesamten Bauwerks. Ein Übereinandersetzen von mehreren Rotoren zu einem Turmbauwerk zur Erzielung einer größeren Leistung scheitert an dem erheblichen Stirnwiderstand. Dazu kommt noch, daß die Windrichtkraft nicht in der Lage wäre, das gesamte Turmgewicht zu bewegen, so daß die Windturbine sich schwankenden oder umspringenden Windrichtungen überhaupt nicht oder zumindest nicht schnell genug anpassen kann.

Das Windkraftwerk in Turmbauweise nach der FR-PS 9 73 968 weist ebenfalls zwei nebeneinander liegende Rotoren auf, die in einem stromlinienförmig verkleideten Kopfteil sitzen. Der Kopfteil besteht dabei aus einem Mittelteil, der die beiden Rotoren trägt. Der anströmende Wind wird in zwei Passagen getrennt, wobei in jede Passage je ein Rotor mit etwa einem Drittel seines Umfangs hineinragt Zur Zwangsleitung der Luftströmung sind gegenüber einem jeden Rotor je ein umgekehrtes Tragflächenprofil angeordnet. Die Tragflächen sind verstellbar. Die hinter den Rotoren erfolgende Abtrennung eines Teiles der Luftströmung bezweckt neben der Verminderung von Wirbelbildungen hinter den Rotoren vor allem die Stabilisierung des drehbaren Kopfteiles durch den Luftaustritt am Schwanzende des Turmkörpers in Verbindung mit einem dort angebrachten Ruder. Die bekannte Anlage kann nur bei ziemlich hohen Windgeschwindigkeiten eine Leistung abgeben, die im Verhältnis zum Aufwand der Anlage gering ist.

Schließlich ist durch die FR-PS 9 46 724 ein Windrad bekannt geworden, das eine senkrechte Welle hat, wobei das Windrad halbseitig verkleidet ist und die Verkleidung eine Windrichtfahne besitzt. Wegen der

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asymmetrischen Ausführung muß das Bauwerk erhebliche Seitenkräfte aufnehmen, die Ausbeute der Windenergie ist gering.

Die sogenannten Savonius-Rotoren nahen ebenfalls senkrecht stehende offene Rotoren. Sie können bei Windkraftwerken nicht befriedigen, yeil sie viel zu schlechte Windnutzungen ermöglichen.

Alle bekannten Windkraftanlagen sind in ihren Verwendungsmöglichkeiten auf eine untere Mindestgeschwindigkeit angewiesen, die selbst bei holländischen Windmühlen nach Messungen nur selten vorkommen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Windkraftwerk zu schaffen, das Winde für die Krafterzeugung nutzen kann, deren Geschwindigkeit wesentlich unter der bisher allgemein notwendigen Geschwindigkeit zum Betrieb von Windkraftwerken liegt, und das eine gesteigerte Ausnutzung der Windenergie gestattet

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die einzelnen Bauabschnitte im wesentlichen aus Zellenkörpern und Innenzellen bestehen, die miteinander verbunden und um das stationäre Turmgestell drehbar sind, und daß in den Innenzellen Zentraldurchgänge für den Wind derart vorgesehen sind, daß sich die das Windkraftwerk anströmenden Luftmassen vor den Rotoren in einen Teil trennen, der außen das Profil der Zellenkörper umströmt und dabei die Rotoren beaufschlagt, und einen zweiten Teil, der durch die Zentraldurchgänge strömt.

Eine besonders zweckmäßige Ausführung besteht darin, daß die Zelle lkörper und die Innenzellen spiegelbildlich einander zugekehrte Hohlprofile bilden, die so miteinander verbunden sind, daß sich die daran entstehenden Windkräfte im wesentlichen gegenseitig aufheben und so gegenüber dem Turmgestell neutral bleiben.

Es ist vorteilhaft, daß die Außenflächen der Hohlprofile, bestehend aus den Profilzellen und den Innenzellen so gekrümmt sind, daß die strömenden Luftvolumina zum Anliegen an die windführenden Flächen gezwungen werden, wobei dieses Luftvolumina am maximalen Krümmungspunkt starke Sogkräfte erzeugen und daß die senkrecht stehenden Rotoren stark gekrümmte Schaufelblattrücken besitzen, die an diesem maximalen Sogpunkt heraustreten und an den Rotoren starke Drehkräfte erzeugen.

Zur Erzielung einer möglichst großen Sicherheit des Bauwerks gegen dynamische Zerstörungseinflüsse kann das Bauwerk getrennt sein in ein statisches Tjrmgestell aus strömungsgünstigen Profilholmen und in windführende Bauteile, wobei diese beiden Baugruppen durch schwingungsdämpfende Verbindungseinrichtungen miteinander verbunden sind.

Die senkrecht stehenden Rotoren können kammzahnartig ausgebildet sein, um einen möglichst ,virbellosen Luftabfluß bei hoher Rotordrehkraft zu ermöglichen.

Zweckmäßigerweise sind verstellbare strömungsgünstige Profilkörper auf ganzer Länge senkrecht vor den Rotoren angeordnet, die ein gutes Anliegen der Luftströmung und der Luftvol'iminas an der Außenfläche des Zellenkörpers bewi.Li;:: uiid in Endstellung den jeweiligen Rotor bei Montagen, Defekten oder Stürmen voll abschirmen.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, daß verstellbare, strömungsgünstige Profilkörper auf ganzer Länge senkrecht hinter den Rotoren angeordnet sind, um die Wirbel hinter den Rotoren, die als Sog wirken, zu verhindern.

In den Innenzellen können Fahrstühle und Treppen bis in den gemeinsamen Turmkopf angeordnet sein. Von diesen Fahrstühlen und Treppen in den Innenzellen sind Zugänge zu den außerhalb angeordneten Bauabschmtten und den Zellenkörpern -vorgesehen, um die Lagerung der Rotoren und der daran angeschlossenen Nutzungsmaschinen zu erreichen.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele des Windkraftwerkes gemäß der Erfindung dargestellt Es

to zeigt

F i g. 1 die Ansicht eines Kraftwerkturmes mit drei Bauabschnitten übereinander, von der Wind-Anströmseite aus gesehen,

Fig.2 eine Darstellung des inneren tragenden Holmskeletts aus strömungsgünstigen Profilstäben mit darauf umlaufenden Windleit-Bauabschnitten,

Fig.3 einen vereinfachten Querschnitt durch den Kraftwerksturm zur Verdeutlichung von F i g. 1, Fig.4 einen Querschnitt in vergrößertem Maßstab längs der Linie I-I der Fig. 1,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel für einen der senkrechten Rotore mit gezahnten Schaufeln für den teilweisen Luftstromdurchlaß.
F i g. 6 ein Ausführungsbeispiel für einen Rotor mn unterem Luftstromdurchlaß.

Bei dem in F i g. 1 bis F i g. 6 dargestellten Windkraftwerk soll das statische Turmgestell 1, das für die Festigkeit des gesamten Turmbauwerks sorgt, möglichst gut vor den dynamischen Einflüssen, die von Wind und Maschinen als Vibrationen auf die beweglichen Etagenteile 2 einwirken, geschützt werden. Die Kopfrollen 3, die auf dem oberen Ringverband 4 des Turmgestells umlaufen und die Seitenrollen 5, die jede Fassadenetage 2 auf den Knotenringen 6 des Turmgestells 1 abstützen, sind ebenso wie die Sockelrollen 7 am Boden, schwingungsdämpfend und schwingungsabsorbierend gelagert und bereift.

F i g. 1 und F i g. 2 zeigen ein Kraftwerk mit nur drei Etagen 2, selbstverständlich beschränkt sind die Ausführung eines solchen Kraftwerks nicht nur auf diese Zahl. Es ist zu empfehlen, in der Praxis solche Kraftwerke so auszulegen, daß immer zwei Rotoren 8, je einer mit seinem oberen Ende und einer mit seinem unteren Ende, am Maschinenpunkt 9 zusammentreffen.

Es können auch vier, sechs oder acht und noch mehr Etagenteile 2 zu einem Kraftwerksturm nach F i g. 1 und Fi g. 2 zusammengefaßt sein. Die sich daraus ergebende Höhe des Turmbaues bestimmt natürlich indirekt über die Statik des Turmgestells 1 den Durchmesser des Kraftwerkes und damit auch alle weiteren daran gebundenen Kraftwerksmaße.

Die Beschleunigung der Luftmassen, die den Querschnitt des Kraftwerkes nach F i g. 3 und Γ i g. 4 an den Zellenkörpern 10 der Fassaden- und Etagenteile 2 umströmen, wird hervorgerufen durch die ausreichend große Luftmenge, die sich geradlinig durch die Zentraldurchgänge 11 der Innenzellen 13 hindurchbewegt. Nach den Gesetzten der Aerodynamik kann eine rechnerische Erfassung der Beschleunigung an der gekrümmten Außenfläche und eine Berechnung der Sogkräfte durchgeführt werden, welche auf die Außenwülste der Rotorschaufeln 12 saugend einwirken. Die Achsenlinie H-II in Fig.4, ist die Linie, an der die höchsten Sogkräfte auftreten. Die Pfeilrichtungen zeigen an, daß die Sogkräfte sich gegenseitig aufheben und verdeutlichen die Beanspruchung der Etagenteile 2. Die sich um den Innenturm drehenden Etagenteile 2 nach F i g. 3 und F i g. 4 sind in der Bauweise der Zellen

von Luftfahrzeugen erstellt, die sich im Unterschallbereich bewegen. Leichtmetalle, Kunststoffe und imprägnierte Holzbauweise sind für die Herstellung geeignet. Die Fassadenteile 2 sind innen hohl und von Fahrstühlen oder Treppen 14, die innen in den im Turmgestell 1 umlaufenden Innenzellen 13 angeordnet sind, erreichbar Beim Durchschreiten der Turmgestellzwischenräume durch das Bedienpersonal, das aus den Öffnungen 15 tritt, wird selbstverständlich für kurze Zeit eine Bremse gegen die Fassadendrehung durch den Wind wirksam.

In den Zellenkörpern 10 sind alle Beobachtungseinrichtungen für die Rotoren 8 oder 8a und die Antriebseinrichtungen für die strörnungsgünstigen Profilkörper 16 vor dem Rotor und die Profilkörper 17 hinter dem Rotor installiert, Staudruckniessungen an der Vorderkante der beiden Zellenkörper 10 in Fig.3 und F i g. 4 bestimmen die Stellung dieser die Strömung beeinflussenden Profilkörper 16 und 17, die mechanischelektrisch, hydraulisch, oder von Hand, über ein Hebelsystem 18 verstellt werden können.

Bei großen Kraftwerken kann diese Vorstellung von elektronischen Rechnern, nach Meßwerten am Bauwerk bestimmt werden. In der Endstellung 16a der Profilkörper 16 ist ein Schutz des Rotors gegen Orkane gewährleistet. Die vordere Position der Profilkörper 16 soll ein gutes Anliegen der Windströmung an der gekrümmten Außenhaut der Zellenkörper 10 bewirken. Der Profilkörper 17 muß so in die Wirbelzöpfe gestellt werden, daß sie von der Kraftwerkhinterkante bei 17a abströmen und Schwingungserzeugende Einwirkungen auf den Turmbau ausgeschaltet werden. Auch die Kamm-Bauform des Rotors 8 nach F i g. 5 strebt dieses Ziel an, denn hinter den Rotoren 8a entsteht eine größere Verwirbelung als hinter den Rotoren 8. Ein großer Anteil der Luft streicht über die gekrümmten Zwischenteile 19 durch den Rotor 8, ohne auf die Rotor Zahlflächen 20 zu treffen. Die Strömungsanteile, die glatt hindurchstreichen, glätten die Wirbelzöpfe, welche die Rotorfläche 20 nach hinten saugen und dabei große Drehkräfte erzeugen.

Auf dem Kopf des Windkraftwerkes, sitzen 2 Hebezeuge 21 in strömungsgünstiger Verkleidung 22, wobei jede Kraftwerksanteilhälfte nach F i g. 3 und F i g. 4 von je einem Hebezeug 21 bedient werden. Bei der Montage eines solchen Windkraftwerks werden diese Hebezeuge 21 als erste Einrichtungen mit den Kraftwerkskopf installiert. Mit ihrer Hilfe können dann alle Etageneinzelteile für die gesamte Turmhöhe und auch die Rotoren 8 oder 8a montiert werden. Beim laufenden Kraftwerksbetrieb dienen die Hebezeuge 21 dem Teilaustausch bei Reparaturen. Das gesamte Kraftwerk besteht grundsätzlich aus einer Vielzahl von Standardbauteilen, die austauschbar sind. Die Fundamentierung 23 des Kraftwerkes ist durch die Besonderheiten des senkrecht stehenden Turmgestells 1 für alle Bodenverhältnisse günstig. Der Innenturm besteht von oben bis unten aus den Formteilen 1 und 6, die untersten Verlängerungen finden direkt im Untergrund ihren I IaIt.

Die nach F i g. 5 und F i g. 6 dargestellten senkrechten und starren Rotore wurden als universale Bauteile zur Preßluft- und Stromerzeugung gewählt, weil sie für die Stromerzeugung die notwendigen Drehzahlbereiche erreichen. In das erfindungsgemäße Windkraftwerk können natürlich auch andere Rotore, von in sich beweglicher Konstruktion eingebaut sein, die noch stärker auf den erzeugten Sog am Sogzentralpunkt H-II der Außenfassade der Zellenkörper 10 ansprechen. Diese Rotoren sind aber nur interessant, wenn das Kraftwerk für die alleinige Erzeugung von Preßluft mit ölfreien Kompressoren ausgelegt ist, wo jeder Drehzahlbereich genutzt werden kann.

Die meisten in der Literatur bisher vorgeschlagenen Windkraftanlagen beliebiger Konstruktion lassen die besondere Eignung zur direkten Erzeugung von Preßluft vermissen. Die erfindungsgemäße Windkraftanlage jedoch ist dann besonders geeignet. Die Preßluftleitungen 25, an deren Stelle selbstverständlich auch stromführende Kabeln laufen können, sind von den, mit den Rotoren verbundenen Erzeugungsmaschinen am Maschinenpunkt 9 über den Turmkopf 26 in den Fahrstuhl oder Treppenschächten der Turminnenprofile 14 nach unten geführt, wo sie über einen zentralen Drehpunkt 26 die Erdleitungen 27 erreichen, die zu den Verwendungspunkten führen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Windkraftwerk in Turmbauweise mit mehreren übereinander angeordneten Bauabschnitten, die senkrecht stehende Rotoren aufweisen von einem gemeinsamen Turmgestell getragen und im Inneren des Turmgestells durchgehend miteinander verbunden sind, und sich zusammen als Turmfassade frei in den Wind drehen können, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Bauabschnitte im wesentlichen aus Zellenkörpern (10) und Innenzellen (13) bestehen, die miteinander verbunden und um das stationäre Turmgestell (1) drehbar sind, und daß in den Innenzellen Zentraldurchgänge (11) für den Wind derart vorgesehen sind, daß sich die das Windkraftwerk anströmenden I uftmassen vor den Rotoren (8, 8a) in einen Teil trennen, der außen das Profil der Zellenkörper umströmt und dabei die Rotoren beaufschlagt, und einen zweiten Teil, der durch die Zentraldurchgänge strömt

2. Windkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellenkörper (10) und die .Innenzellen (13) zwei spiegelbildlich einander zugekehrte Hohlprofile bilden, die so miteinander verbunden sind, daß sich die daran entstehenden Windkräfte im wesentlichen gegenseitig aufheben und so gegenüber dem Turmgestell (1) neutral bleiben.

3. Windkraftwerk nach Anspruch J oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenflächen der Hohlprofile, bestehend aus den Zellenkörpern (10) und den Innenzellen (13) so gekrümmt sind, daß die strömenden Luftvolumina zum Anliegen an die windführenden Flächen gezwungen werden, wobei diese Luftvolumina am maximalen Krümmungspunkt (Achse H-II in Fig.4) starke Sogkräfte erzeugen und daß die senkrecht stehenden Rotoren (8, 8a) stark gekrümmte Schaufelblattrücken besitzen, die an diesem maximalen Sogpunkt heraustreten und an den Rotoren starke Drehkräfte erzeugen.

4. Windkraftwerk nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer möglichst großen Sicherheit des Bauwerks gegen dynamische Zerstörungseinflüsse das Bauwerk getrennt ist in ein statisches Turmgestell (1) aus strömungsgünstigen Profilholmen und in windführende Bauteile, wobei diese beiden Baugruppen durch schwingungsdämpfende Verbindungseinrichtungen (5) miteinander verbunden sind.

5. Windkraftwerk nach Anspruch 1—4, dadurch gekennzeichnet, daß die senkrechten Rotore (8) kammzahnartig ausgebildet sind.

6. Windkraftwerk nach Anspruch 1 — 5, dadurch gekennzeichnet, daß verstellbare, strömungsgünstige Profilkörper (16) auf ganzer Länge senkrecht vor den Rotoren (8,8a,Jangeordnet sind.

7. Windkraftwerk nach Anspruch 1 — 6, dadurch gekennzeichnet, daß verstellbare, strömungsgünstige Profilkörper (17) auf ganzer Länge hinter den Rotoren (8,8a) angeordnet sind.

8. Windkraftwerk nach Anspruch 1—7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Innenzellen (13) Fahrstühle und Treppen (14) bis in den gemeinsamen Turmkopf (26) angeordnet sind.

9. Windkraftwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß von den Fahrstühlen und Treppen (14) in den Innenzellen (13) Zugänge (15) zu den außerhalb angeordneten Bauabschnitten (2) und den Zellenkörpern (10) vorgesehen sind.