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Titel : Windkraftanlage
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Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit wenigstens einem Turbinenaggregat,
das an einem feststehenden Mast oder Turm in die Windrichtung schwenkbar angeordnet
ist.
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Bekanntewindkraftanlagen, wie solche beispielsweise aus der DE-PS
742 242 oder aus der DE-OS 21 38 500 bekannt sind, sehen üblicherweise eine Anordnung
der Turbinenaggregate einzeln oder in Gruppen mit Turbinenträgern bzw. Traggerüsten
vor, die ihrerseits um eine senkrechte Achse eines Turmschaftes drehbar gelagert
sind. Vielfach sind dabei mehrere Traggerüste etagenförmig übereinander vorgesehen
und beiderseits der Turmachse mit einem oder mehreren Aggregaten ausgerüstet. Der
Turm ist entsprechend seiner Funktion als zentraler Teil des zusammen mit detn Traggerüst
gebildeten Drehgelenkes entsprechend ausgestaltet und beispielsweise außen mit Rollen
versehen, die die kreisförmige Führungsbahn eines Traggerüstes drehbar aufnehmen.
Eine andere Anordnung, bei welcher das obere Ende eines Turmschaftes eine Art Drehscheibe
trägt, auf der ein Traggerüst für eine Windturbine mit Rädern auf kreisförmig verlegter
Schienenbahn drehbar gelagert ist, zeigt die DE-PS 357 583.
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Die bekannten Anordnungen haben den Nachteil, daß die Führunysringe
und Rollen mit ihren Lagerungen einen hohen Fertigungsaufwand verursachen, hervorgerufen
sowohl durch den insbesondere bei großen Durchmessern erforderlichen Einsatz von
Material als auch die erforderliche Genauigkeit
einer solchen Führung.
Hinzu kommt ein ständiger Wartunc1sbedarf mit laufenden Betriebskosten. Dabei ist
die gesamte Konstruktion witterungsempfindlich. Infolge ihrer Abmessungen und wegen
der notwendigen Fertigungstoleranzen neigen die bekannten Konstruktionen unter dem
Einfluß von Windkräften und Unwuchten zu unerwünschten Schwingungen. Bei Verwendung
von konischen Masten oder Türmen ist zudem für jeden Bauhöhenabschnitt ein anderer
Durchmesser des Drehgestells erforderlich. Und schließlich ist die Bauart und Gestaltung
des Mastes oder Turmes zwingend an den Verwendungszweck als Träger des Windkraftwerkes
gebunden, wodurch die freie Gestaltung eingeent ist und die sich gelegentlich bietende
Möglichkeit der Verwendung eines vorhandenen Turmes als Träger einer nachträglich
konzipierten Windkraftanlage sehr erschwert wird.
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Aufgabe der Erfindung ist die Uberwindung der aufgezählten Schwierigkeiten
und technischen Grenzen. Sie bezweckt eine wesentliche Verringerung des für Ausrichtung
einer Windturbine nach der Windrichtung erforderlichen Aufwands an Material und
Fertigungskosten. Insbesondere aber soll die Einbeziehung der Gestaltung des die
Turbinenaqgregate tragenden Mastes oder Turmes in die Unterstützungs- und/oder Schwenkkonstruktion
des oder der Aggregate entfallen.
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Die Lösung der Aufgabe gelingt bei einer Windkraftanlage mit wenigstens
einem Turbinenaggregat, das an einem feststehenden Mast oder Turm in die Windrichtung
schwenkbar angeordnet ist, dadurch, daß das Turbinenaggreqat am Ende eines Tragarmes
befestigt ist, dessen anderes Ende mit einem um eine vertikale Achse schwenkbaren
Gelenk am Mast oder Turm angelenkt und mit einem Schwenkantrieb ausgestattet ist.
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Bei dieser Anordnung entfällt die bekannte, aufwendige Ring- oder
Drehscheibenkonstruktion. An deren Stelle tritt ein einfaches, robustes Gelenk,
welches kostengünstig herstellbar ist und nur geringer Wartung bedarf.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind in zwei
oder mehr Ebenen jeweils zwei gleichartige Tragarme paarweise an diametral gegenüberliegenden
Stellen des Turmes oder Mastes angelenkt. Hierdurch werden die von den
Aggregaten
in den Mast oder Turm eingeleiteten Kräfte und Momente teilweise kompensiert.
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An einem Tragarm können auch mehrere Turbinenaggregate angeordnet
sein. Zweckmäßigerweise sind an den. Tragarmen vertikal stehende Traversen befestigt,
an deren oberem und unterem Ende je ein Turbinenaggregat angeordnet ist.
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Mit der neuen Bauart gelingt die Uberwindung konstruktiver Abhängigkeiten
zwischen den die Turbinenaggregate tragenden Teilen von den Konstruktionsmerkmalen
des Mastes oder Turmes. Damit ergibt sich eine erwünschte Freiheit in bautechnischer
Hinsicht, sei es, daß der Turm als Rohr oder als Gittermast ausgebildet oder aus
Beton oder Stahl hergestellt ist oder der Turmquerschnitt kreisförmig, quadratisch
oder scheibenförmig ist.
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Weil der Tragarm über einen festen Anlenkpunkt mit dem Tragarm verbunden
ist, entfallen aufwendige Stromschleppkabel oder Schleifringe, die die elektrischen
Windgeneratoren mit einer Zentrale verbinden. Es können deshalb die Windturbinen
auch mit mechanischen, hydraulischen oder pneumatischen Generatoren gekuppelt sein,
da die in den Generatoren erzeugten Energien in Form von Druckluft, Drucköl oder
mechanisch in den Turm eingespeist werden können.
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Die am Mast oder Turm angelenkten Tragarme können in waagerechter
Ebene auf eine relativ geringe Belastung von beispielsweise 40 - 60 kp/m2 dimensioniert
werden, wenn der Antrieb des Tragarmes mit einem Drehmomentbegrenzer ausgerüstet
ist. Wird die Windgeschwindigkeit im Hinblick auf die Dimensionierung der Tragarme
zu stark, können die-Tragarme zusammen mit den daran befestigten Windturbinen aus
dem Wind drehen.
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Um die Windkraftanlage bei allen vorkommenden Windrichtungen optimal
betreiben zu können, wird vorgeschlagen, daß die Flügel der Windturbine um ihre
Längsachse um einen Winkel von mindestens 1800 verstellbar sind. Eine andere Ausgestaltung
der Erfindung sieht vor, daß zwischen Tragarm und Turbinenaggregat eine antreibbare
Umkehreinrichtung angeordnet ist.
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Die Umkehreinrichtung kann Mittel zur Schwenkung des Turbinenaggregates
um die Längsachse des Tragarmes oder alternativ Mittel zum Schwenken des Turbinenaggregates
um eine senkrecht zur Längsachse des Tragarmes verlaufende Achse aufweisen.
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Beide Ausführungen der Umkehreinrichtung sind, ebenso wie der Tragarm
und das Gelenk, unter Verwendung handelsüblicher und funkt- ionssicher<r Maschinenbauteile
hergestellt und deshalb preisgünstiq und T)rc)l-llemlos beschaffbar.
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Zur Stabilisierung der Tragarmanordnung ist vorgeschen daß der Tragarm
wenigstens nach oben mit Zugmitteln, wie Stangen oder Stahlseilen, verspannt ist.
Diese können mit zu Gelenken der Tragarme koaxialen Gelenken am Mast oder Turm befestigt
sein. Hierdurch wird mit einfachen Mitteln die Belastbarkeit und die Schwingungsunempfindlichkeit
der Tragarme vergrößert.
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Zweckmäßigerweise ist der Schwenkantrieb des Tragarmes eine doppelt
wirkende hydraulische Kolben/Zylinder-Einheit.
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Dies schließt jedoch auch die Verwendung andersartiger, beispielsweise
aus dem Kran- und/oder Maschinenbau bekannter Schwenkantriebe, wie Zahnkranz mit
Ritzel, Motor/Getriebe-Einheit oder ähnliche nicht aus, deren Wahl nach Maßcrabe
betrieblicher Gegebenheiten im Ermessen des Fachnlanlles liegt.
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Zur Erhöhung der Sicherheit, insbesondere bei extremen Windgeschwindigkeiten,
und im Interesse einer problemlosen Einspeisung des erzeugten Stromes in ein Netz
ist es erstrebenswert, die Windturbine eines Turbinenaggregates mit Verstel] -flügeln
auszustatten, die sich in bekannter Art und Weise bei wechselnder Windgeschwindigkeit
von selbst verstellen und die Drehgeschwindigkeit der Turbine annähernd konstant
halten Dabei kann zusätzlich eine Einrichtung zur Ermittelung von Geschwindigkeit
und/oder Richtung des Windes vorgesehen sein sowie gegebenenfalls eine damit in
Verbindung stehende Recheneinheit, die aus den ermittelten Werten die Richten der
Tragarme und/oder die Stf11ung der Turbinenflügel errechnet und einen entsprechendtn
Stellbefehl an Stelleinrichtungen mit Stellungs-Rückmeldern überträgt.
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Vorteilhafterweise sind an einem Mast oder Turm 6 oder mehr Tragarme
angeordnet, die jeweils 3 oder 5 Windturbinenaggregate tragen mit Windrädern, deren
Durchmesser kleiner ist als 10 m.
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Bei gegebener Windgeschwindigkeit sinkt mit dem Durchmesser der Turbinenflügel
deren Drehzahl. Niedrige Drehzahlen haben aber eine Verteuerung des Generators zur
Folge, zum Beispiel bedin(lt durch die Baugröße oder die Zwischenschiltuncl eine
c;etliebes zwischen Turbine und Generator. Desiialb I,i.ltlt - wie Bekannt - die
l(llnellaufende Turbine in dircktcr Koppelung mit einem angepaßten Generator die
optimale Lösung, wobei auch Schwingungsprobleme weitgehend vermieden werden, wie
sie von Windturbinen mit Flügelspannweiten, beispielsweise über 10 m, bekannt sind.
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Wenn die Tragarmgelenke einer Windkraftturbine in einer vertikalen
Ebene angeordnet sind, sind am Mast oder Turm zwei diametral gegenüberliegende Bereiche
vorhanden, in welche die Tragarme nicht einschwenken können. In diesen beiden Bereichen
können Spannmittel, insbesondere Zugseile oder Spanndrähte, angeordnet werden, die
den Mast oder Turm gegenüber der Urde verstreben. Nach einem weiteren Vorschlag
ist am Mast oder Turm eine verfahrbare Revisionsbühne vorgesehen. Dies erleichtert
bei Windkraftanlagen mit zahlreichen Turbinenaggregaten deren Wartung und macht
dadurch solche Vielfachanordnungen von Windturbinen technisch und wirtschaftlich
attraktiv, die, obwohl beispielsweise bereits seit dem Jahre 1888 durch die DE-PS
44 308 bekannt, bisher keine reelle Chance einer qewerblichen Verwertung gefunden
hatten.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Frontansicht eines Windturbinenaggregates
an einem Betonturm, Fig. 2 die gleiche Anordnung in Draufsicht, mit dem Turm im
Schnitt, Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Windkraftanlage, deren Windturbinen in
einer Stellung für Nordwind oder Südwind stehen,
Fig. 4 eine Draufsicht
auf eine Windkraftanlage, deren Windturbinen in einer Stellung für Westwind oder
Ostwind stehen, Fig. 5 eine Frontansicht einer Windkraftanla<t<, Fig. 6 eine
Seitenansicht einer Windkraftanlage gemäß Fig. 5 , jedoch mit um 900 verschwenkten
Tragarmen, Fig. 7 eine Draufsicht auf eine Windkraftanlage gemäß Fig. 6 Fig. 8 unterschiedliche
Anordnungen von je zwei und fünf Turbinenaggregaten an jeweils einem Tragarm, in
Ansicht, Fig. 9 eine Seitenansicht und Fig. 10 eine Draufsicht einer Revisionsbühne,
Fig. 11 eine Draufsicht einer anderen Ausführung einer Revisionsbühne.
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Die Windkraftanlage nach yig. 1 und 2 wtsisL eine dreiflügelige Windturbine
1 auf, mit deren Welle 2 ein Generator 3 gekoppelt ist. Eine Turbine 1 und ein Generator
3 bilden zusammen ein Turbinenaggregat 4. Dieses ist an einem Tragarm 5 angeordnet,
der mittels eines um eine vertikale Achse 7 schwenkbaren Gelenks 8 an der Außenseite
des Turmes 6 angelenkt und mit einem Schwenkantrieb 9 ausgestattet ist. Am anderen
Ende des Tragarmes 5 ist eine antreibbare Umkehreinrichtung 10 angeordnet, die das
Turbinenaggreqai' 4 zu wenden vermag. Der Tragarm 5 ist nach oben und unten über
Zugmittel 14, 15, insbesondere Spanndrähte, gegenüber dem Mast 6 verspannt. Damit
die Zugmittel 14, 15 den Schwenkbewegungen des Tragarmes 5 folgen können, sind sie
in Gelenken 16, 17 befestigt, deren Schwenkachsen zur Schwenkachse 7 des Tragarm-Gelenkes
8 koaxial sind.
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Wie Fig. 2 zeigt, ist der Tragarm 5 um ca. 1800 um die Achse 7 schwenkbar
am Mast 6 angelenkt.
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Der Schwenkantrieb 9 wird beispielsweise von einer hydraulischen
Kolben/Zylinder-Einheit gebildet, deren gezahnte Kolbenstange mit dem Ritzel der
Gelenkwelle im Eingriff steht und den Tragarm 5 verschwenkt. Als Schwenkantrieb
9 kann auch eine Kolben/Zylinder-Einheit dienen, der zwischen dem Mast oder Turm
6 und dem Tragarm 5 angeordnet ist, wie
dies Fig. 10 zeigt.
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Die Umkehreinrichtung 10 weist eine um die Wendeachse 12 drehbar
gelagerte Welle auf, die ein Turbinenaggregat 4 tr.iqt und von einem Wendeantrieb
11 um 1800 gedreht werden kann.
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Die Richtungsumkehr des Turbinenaggregates 4 kann anstelle mit einer
Drehung um die horizontale Wendeachse 12 auch durch Schwenken um 1800 um eine vertikale
Wendeachse 13 erfolgen, wie dies Fig. 3 zeigt.
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Wie die Fig. 3 und 4 zeigen, können durch eine Kombination von Schwenkbewegung
der Tragarme 5 und Umkehrbewegung der Turbinenaggregate 4 die Turbinen oder Windräder
1 in für alle Windrichtungen optimale Stellungen gebracht werden. In Fig 3 stehen
die Windräder 1 in einer für Nordwind optimalen Stellung. Durch Wenden der Turbinenaggregate
4 um 1800 können,wie strich-punktiert eingezeichnet, die Windräder 1 in eine für
Südwind optimale Stellung gebracht werden.
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In Fig. 4 stehen die Windräder 1 in einer für Westwind optimalen
Stellung. Durch Schwenken der beiden Tragarme 5 um 1800 können die Windräder 1 -
wie strich-punktiert eingezeichnet - in eine für Ostwind optimale Stellung gebracht
werden. Werden die Tragarme 5 in Fig. 4 nicht geschwenkt, aber die Turbinenaggregate
4 um 1800 um die senkrechten Achsen 13 gedreht, dann ist ebenfalls eine für Ostwind
optimale Stellung der Windräder 1 erreicht.
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Durch entsprechende, insbesondere elektronische, Steuerung der Schwenkantriebe9sowie
auch der Wendeantriebe i1 können die Turbinenräder 1 stets in einer zur Nutzung
der Windenergie optimalenStellung gehalten werden.
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Wie dI( tj(. 4 zeigt, k5nlltn die beiden Tragarme 5 mit den Turbinenaggregaten
4 nicht in die Bereiche zu beiden Seiten des Turmes 6 einschwenken, die im wesentlichen
in einer Ebene liegen, die rechtwinklig zur Ebene der Tragarmgelenke 8 steht. In
diesen Bereichen kann der Mast oder Turm 6 gegenüber der Erde verspannt werden.
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Wie die Fig. 5, 6 und 7 zeigen, können die Tragarme 5 der Turbinenaggregate
4 von einem scheibenartigen Gittermast 6' getragen werden, der über mehrere symmetrisch
angeordnete
Spanndrähte 18, 19 und 20 gegenüber der Erde verspannt
ist.
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Die Spanndrähte 18, 19 und 20 verlaufen im wesentlichen in einer Ebene,
die rechtwinklig zu der vertikalen Ebene steht, in der die Tragarmgelenke 8, 8'
angeordnet sind.
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Jeder Tragarm der Windkraftanlage nach den Fig. 5, 6 und 7 ist mit
drei Turbinenaggregaten 4 ausgerüstet. Zwei dieser Turbinenaggregate 4 sind an den
Enden einer senkrechten Traverse 21 angeordnet, die am Tragarm 5 befestigt ist.
Die Tragarme 5 sowie die Traversen 21 sind gegenüber dem Mast mittels Zugmitteln,
insbesondere Spanndrahten 14, 15 verspannt.
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Die Fig. 8 zeigt einen zylindrischen Mast 6 mit einem oberen Tragarm
5', der als A-förmiger Gitterträger ausgebildet ist. Dieser Tragarm 5' ist mit zwei
Turbinenaggregata 4 versehen, deren Flügel um ihre Längsachsexum 1800 drebar sind.
Bei Turbinenaggregaten mit um 1800 drehbaren Flügeln ist ein Wendeantrieb nicht
erforderlich, um die Windräder in eine zur Windrichtung optimalen Lage zu bringen.
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Damit die Turbinenaggregate 4 an den Enden der Traverse 21 nicht
mit den Spanndrähten 14 und 15 kollidieren, wenn sie gewendet werden müssen, sind
sie um horizontale Achsen 12 wendbar, während das am äußeren Ende des Tragarmes
5 angeordnete Turbinenaggregat 4 um eine senkrechte Achse 13 wendbar ist.
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Die Turbinenräder 1 können zwei-, drei- oder vier-flügelig sein.
Je nach Anordnung der Spanndrähte} 14, 15 und cl Flügelzahl der Windräder 1 ist
die Anordnung dt Wend(lachs 12 und 13 zu wählen. In manchen Fällen können die Turbinenaggregate
4 nur bei in bestimmter Stellung stehenden Flügeln gewendet werden. Sind die Turbinenaggregate
4 an den äußeren Enden der Tragarme 5 oder der Traverse 21 angeordnet, dann können
auch drehende W;nd-turbinen 1 um eine rechtwinklig zur Längsachse der Traverse 21
oder des Tragarmes 5 stehenden Wendeachse gewendet werden.
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Ein Vorteil ergibt sich mit der Erfindung gegenüber turmumfassenden
Ringanordnungen durch die unkomplizierte Lösung der Anordnung einer höhenverfahrbaren
Revisionsbühne 24 bzw. 25, die in den Fig. 9, 10 und 11 dargestellt ist.
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In Fig. 9 und 10 sind am Turm 6 Führungsschienen 26 angeordnet, in
denen ein Fahrwerk 27 höhenverstellbar geführt ist.
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Am Fahrwerk 27 sind über ein Knickgelenk 30 gelenkig miteinander verbundene,
in einer horizontalen Ebene verschwenkbare Gitterholme 28 angelenkt, die eine Arbeitsplattform
29 tragen. Der Monteur kann von dieser Arbeitsplattform 29 sowohl die Turbinenaggregate
4 als auch die Gelenke 8 der Tragarme 5 und deren Schwenkantriebe 9 ohne Schwierigkeiten
erreichen und daran arbeiten.
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Wie die Flig. 11 zeigt, kDnmlt für Windkraftanlagen mit einem sehr
hohen Mast 6 eine größere, höhenverfahrbare Arbeitsbühne 25 in Frage, die in der
Lage ist, mehrere Monteure aufzunehmen, die gleichzeitig an den Turbinenaggregaten
beider Tragarme 5 arbeiten können, wenn die beiden Tragarme 5 an die Arbeitsbühne
25 herangeschwenkt sind.
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Bezugszeichenliste 1 Windturbine, Windrad 2 Welle 3 Generator 4 Turbinenaggregat
5, 5' Tragarm 6 Mast oder Turm 6' Gittermast 7 vertikale Achse 8, 8' Gelenk 9 Schwenkantrieb
10 Umkehreinrichtung 11 Wendeantrieb 12 horizontale Wendeachse 13 vertikale Wendeachse
14 Zugmittel 15 Zugmittel 16 Gelenk 17 Gelenk 18 Spanndrähte 19 Spanndrähte 20 Spanndrähte
21 Traverse 24 Revisionsbühne 25 Revisionsbühne 26 Führungsschienen 27 Fahrwerk
28 Holme 29 Arbeitsplattform 30 Knickgelenk