DE4236092A1 - Windenergieturm - Google Patents

Windenergieturm

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Wolfgang Prof Dr Zerna
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    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F03D7/02Controlling wind motors the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/0204Controlling wind motors the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor for orientation in relation to wind direction
    • F03D7/0208Orientating out of wind
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03DWIND MOTORS
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    • F03D1/02Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor  having a plurality of rotors
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05BINDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/72Wind turbines with rotation axis in wind direction

Description

Die Erfindung betrifft einen Windenergieturm zur Erzeugung von Elektrizität nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Mit Rücksicht auf die Umwelt wird mehr und mehr die Ausweitung des Marktanteils der erneuerbaren (regenerativen) Energieträger verlangt, also die Nutzung solcher Energien, welche die Natur immerwährend kontinuierlich erzeugt. Unter den verschiedenar­ tigen Energiesystemen dieser Art weist die Windenergie das größte technische Potential auf. Soll aber die Windenergie für den Kraftwerksverbund der Energieversorgungsunternehmen praktisch Bedeutung erlangen, müssen leistungsstarke Windkraft­ anlagen entwickelt werden, deren Eignung für möglichst viele Standorte gegeben ist. Windenergieparks, wie sie bisher er­ richtet worden sind, dürften kaum den zukünftigen Anforderungen genügen, da die Aufstellplätze mit nutzbaren Windgeschwindig­ keiten begrenzt sind. Um vorhandene Flächen besser zu nutzen, sind Bestrebungen zu erkennen, Windturbinen (Horizontalachsen­ windenergiekonverter) mit großen Rotordurchmessern (60 m und mehr) und elektrischen Leistungen im Megawattbereich zu ent­ wickeln. Mit solchen Anlagen würden sich die installierten Leistungen und die Energielieferungen bezogen auf die Aufstell­ fläche steigern lassen. Große Windkraftanlagen bringen aber eine Vielzahl technischer und betrieblicher Schwierigkeiten mit sich. Sie sind bisher auch auf wenige Prototypen beschränkt geblieben, und die Wirtschaftlichkeit solcher Anlagen erscheint fraglich, selbst wenn sie in größeren Stückzahlen hergestellt werden. Anlagen mittlerer Leistungsgröße von etwa 200 kW bis 500 kw können wirtschaftlicher sein und sind daher zu bevor­ zugen, wenn sie sich auf kleinen Flächen konzentrieren lassen.
Um dies zu erreichen, ist es bereits bekannt, mehrere Windtur­ binen an einem einzigen, vorzugsweise mit mehreren Seilen ab­ gespannten Turm zu installieren, der kurz als Windenergieturm bezeichnet werden kann (DE-OS 38 44 378). Bei ihm können ins­ besondere mehrere Windturbinen übereinander in gegenseitigen vertikalen Abständen angeordnet sein. Da mit zunehmender Höhe die Windgeschwindigkeit zunimmt und damit auch die Leistung der Windturbinen, ist die sich ergebende Turmhöhe von Vorteil. Allerdings ist der bekannte Windenergieturm mit mehreren um den Turmschaft drehbaren Gestellen, an denen die Windturbinen fest angebracht sind, unter Umständen recht aufwendig. Bekann­ te serienmäßig hergestellte Windturbinen lassen sich unter Umständen nicht ohne weiteres installieren.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wind­ energieturm der eingangs genannten Bauweise zu schaffen, der unkompliziert auch mit üblichen Windturbinen erstellt werden kann, welche insbesondere als Windrichtungsnachführungen Azi­ mutverstellantriebe aufweisen, und der in einem großen Wind­ geschwindigkeitsnutzbereich betriebssicher mit gutem Wirkungs­ grad betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Gestaltung des Windenergieturms mit den in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebe­ nen Merkmalen gelöst.
Dabei wird also auf die bisherige horizontal drehbare Lagerung der Gestelle, welche die Windgeneratoren tragen, verzichtet. Die Anbringung der Gestelle an dem Turmschaft ist daher un­ kompliziert. Trotzdem läßt sich ein hoher Turmwirkungsgrad der Windenergieumwandlung durch Einstellung der Windgenerato­ ren auf die Hauptwindrichtung erzielen, indem diese jeweils um eine Hochachse unabhängig voneinander drehbar bzw. schwenk­ bar an dem Gestell gelagert sind. Zur Einstellung auf die Hauptwindrichtung kann vorteilhaft von den Azimutverstellan­ trieben, die zu den Windgeneratoren üblicher Bauart gehören, als Windrichtungsnachführungen Gebrauch gemacht werden. Der Begriff Windgenerator umfaßt hier eine Windturbine, welche mit einem elektrischen Generator gekuppelt ist, sowie gegebenen­ falls den Azimutverstellantrieb als Windrichtungsnachführung. Das Gestell, welches vorzugsweise an seinen Enden je einen auf die Hauptwindrichtung einstellbaren Windgenerator trägt, ist als beidseitig von dem Turmschaft abstehender Kragarm in Form einer Bühne ausgebildet. Der Zugang zu der Bühne ist dadurch erleichtert, daß diese gegenüber dem Turmschaft nicht drehbar bzw. schwenkbar ist.
Nach Anspruch 2 können mehrere Gestelle an dem Turmschaft übereinander und/oder nebeneinander unbeweglich angebracht sein, je nach den im Einzelfall zu berücksichtigenden Erfor­ dernissen und Vorgaben der Windenergieumwandlung.
Damit die einzelnen Windgeneratoren nicht mit der übrigen Kon­ struktion des Turmschafts und dessen Abspannung sowie den Ge­ stellen kollidieren, ist die Einstellbarkeit der Drehstellung bzw. Schwenkstellung der einzelnen Windgeneratoren auf Bereiche außerhalb feststehender Windenergieturmteile begrenzt. Dies hat zur Folge, daß bei entsprechenden Windrichtungen einer von zwei an einem Gestell angebrachten Windgeneratoren schräg angeströmt wird oder aus dem Wind gedreht werden muß. Um diese Maßnahme in ihren ungünstigen Auswirkungen abzuschwächen, ist der Wind­ energieturm nach Anspruch 4 so ausgebildet, daß waagerechte Gestellachsen verschiedener, insbesondere übereinander angeord­ neter Gestelle zueinander im Grundriß rechtwinklig angeordnet sind. Es kreuzen sich somit die Gestelle, an deren Enden die Windgeneratoren gelagert sind, im Grundriß rechtwinklig. Wenn die Windrichtung für eines der beiden Gestelle gerade ungünstig ist, gilt dies nicht für das andere der beiden Gestelle.
Demgemäß sind nach Anspruch 5 zwei sich rechtwinklig kreuz ende übereinander angeordnete Kragarme als Gestelle mit an deren Enden gelagerten, insgesamt vier Windgeneratoren zu einem Windgeneratorblock zusammengefaßt. Dabei haben die insgesamt vier Windturbinen des Windgeneratorblocks zwar unter Umständen nur die Leistung von drei Windturbinen, was sich aber im Vergleich zu anderen erreichten Vorteilen als nicht schwer­ wiegend herausgestellt hat.
Der eine Windgeneratorblock ist vorteilhaft mit einem einzel­ nen Windgenerator kombiniert, der an der höchsten Stelle des Turmschaftes gelagert ist. Für diesen einzelnen Windgenerator ist die Einstellbarkeit der Windrichtungsnachführung unbe­ schränkt.
Von den nach Anspruch 7 möglichen Kombinationen der Windgenera­ torblöcke mit einem einzelnen über diesen angeordneten Windge­ nerator hat sich die Kombination eines einzigen Windgenerator­ blocks mit dem darüber befindlichen einzelnen Windgenerator als besonders wirksam herausgestellt.
Die Rotoren der Windgeneratoren, insbesondere in verschiedenen Ebenen, können unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Vorteil­ haft hat der Rotor des einzelnen Windgenerators über den Wind­ generatorblöcken bzw. dem Windgeneratorblock einen verhältnis­ mäßig großen Durchmesser.
Nach Anspruch 9 wird eine verhältnismäßig leichte Bauweise des Turms dadurch erreicht, daß der Turmschaft mittels in verschiedenen Höhen befestigter Abspannelemente, insbesondere in zwei sich im Grundriß kreuzenden Ebenen, außerhalb der Rotorarbeitsbereiche abgespannt ist. Der Rotorarbeitsbereich ist dabei durch den Dreh- bzw. Schwenkbereich des Windgenera­ tors und den Rotationsbereich des Rotors begrenzt. Dadurch, daß die Gestelle bzw. Kragarme fest an dem Turmschaft ange­ bracht sind, wird auch eine kollisionsfreie Anordnung der Abspannelemente erleichtert.
Gemäß Anspruch 10 können in die Abspannelemente mittels dauernd installierten Spannvorrichtungen in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand des Turms variable Spannkräfte eingeführt werden. Damit wird die leichte, aber betriebssiche­ re Bauweise des Windenergieturms wesentlich gefördert.
Zur Optimierung des Energiewandlungsprozesses mit einem Windenergieturm, der mehrere Windgeneratoren umfaßt, wird nach Anspruch 11 zweckmäßig ein Prozeßrechner, vorzugsweise in Fuzzy-Logik, eingesetzt, der die Energieerzeugung der einzelnen Windgeneratoren unter Vermeidung von Überlastungen optimiert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand einer Zeichnung mit zwölf Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Windenergieturm mit einem Windgeneratorblock, der vier Windgeneratoren umfaßt, sowie darüber einen einzelnen Windgenerator in einer Ansicht in Hauptwind­ richtung,
Fig. 2 den Windenergieturm gemäß Fig. 1 in einer Ansicht quer zur Hauptwindrichtung,
Fig. 3 eine Ansicht auf einen Ausschnitt des Windenergieturms nach Fig. 1, nämlich ein Gestell mit zwei an dessen Enden gelagerten Windgeneratoren, Fig. 4 eine Aufsicht auf das Detail gemäß Fig. 3,
Fig. 5 einen Windgeneratorblock als größeren Ausschnitt aus dem Windenergieturm nach Fig. 1 und 2 in einer Ansicht von vorne,
Fig. 6 eine Draufsicht auf den Windgeneratorblock nach Fig. 5,
Fig. 7, 8, 9 verschiedene Ausrichtungen der Windgeneratoren des Windenergieblocks gemäß Fig. 5 und 6, in Abhängig­ keit von der Windrichtung,
Fig. 10 eine Ansicht auf eine zweite Ausführungsform des Windenergieturms mit zwei Windgeneratorblöcken und einem darüber angeordneten einzelnen Windgenerator in Hauptwindrichtung,
Fig. 11 den Windenergieturm gemäß Fig. 10 in einer Ansicht quer zur Hauptwindrichtung und
Fig. 12 eine Draufsicht auf den Windenergieturm gemäß Fig. 10 und 11.
In den Fig. 1-6 ist mit 1 ein Turmschaft eines Windenergie­ turms bezeichnet. An dem Turmschaft sind zwei Gestelle 2, 3 in Form von Bühnen, die wie Kragarme von dem Turmschaft vor­ stehen, fest angebracht. Sie befinden sich, wie ein Vergleich der Fig. 1 und 2 ergibt, in unterschiedlicher Höhenlage und sind im Aufriß rechtwinklig zueinander orientiert, vgl. Fig. 6. An beiden Enden jedes Gestells ist ein Windgenerator 4, 5 bzw. 6, 7 um eine Hochachse drehbar bzw. schwenkbar gelagert. Jeder Windgenerator besteht aus einer Windturbine und einem mit diesem gekuppelten elektrischen Generator in einer Gondel zusammenge­ faßt. An einer Nabe der Windturbine ist jeweils ein Rotor 8 bzw. 9 bzw. 10 bzw. 11 angeordnet. An der Spitze des Turmschafts ist in diesem ein weiterer Windgenerator ebenfalls um die Hochachse drehbar bzw. schwenkbar einzeln gelagert. Zu diesem Windgenera­ tor gehört ein Rotor 13, welcher größere Abmessungen als die Rotoren 8-11 aufweist.
Die Windgeneratoren sind mit im einzelnen nicht dargestellten Azimutverstellantrieben als Windrichtungsnachführung ausgestat­ tet. Die dadurch erzielbare Schwenkung bzw. Drehung der Windge­ neratoren unabhängig voneinander und entsprechend der Windrich­ tung ist besonders gut in den Fig. 4 und 6 darstellt. In Fig. 4 sind die möglichen Arbeitsbereiche mit Kreissegmenten angedeutet, welche die Rotoren umgeben. In Fig. 6 sind diese Arbeitsbereiche mit unterbrochenen Linien veranschaulicht. Wie insbesondere aus Fig. 4 hervorgeht, sind die Arbeitsbereiche bzw. Schwenkbereiche des Rotors bei der Windrichtungsnachfüh­ rung auf einen Winkel von < 360° beschränkt, so daß der Rotor 10 bzw. 11 nicht mit dem Gestell 3 kollidieren kann. Entspre­ chendes gilt auch für die Arbeitsbereiche der Rotoren 8 und 9 in Fig. 6.
Wie insbesondere aus den Fig. 1-3 ersichtlich, ist der Turm­ schaft mit Abspannelementen 14-21 abgespannt, die in verschiede­ ner Turmhöhe angreifen und zu den äußeren Enden der Gestelle 2, 3 bzw. bis zu dem Boden reichen. Die als Abspannseile ausge­ bildeten Abspannelementen laufen in zwei sich im Grundriß recht­ winklig kreuzenden Ebenen, in denen die Gestelle liegen, außer­ halb des Bewegungsraumes der Rotoren bzw. der Arbeitsbereiche. Durch die Abspannelemente bzw. Abspannseile werden die Knick­ stabilität und das dynamische Verhalten des Energieturms ver­ bessert.
Die beschriebene Ausführungsform mit einem Windgeneratorblock bestehend aus den vier Windgeneratoren 4-7 an den beiden Gestel­ len 2 und 3 sowie mit dem einzelnen darüber angeordneten Wind­ generator zeichnet sich durch einen verhältnismäßig hohen Turm­ wirkungsgrad in den meisten Anwendungsfällen aus, obwohl infolge der beschränkten Arbeitsbereiche der Windgeneratoren nicht sämt­ liche Windgeneratoren optimal auf die Windrichtung eingestellt werden können, wie es aus den Fig. 6-9 hervorgeht. Insbeson­ dere bleibt einer der vier Windgeneratoren eines Windgenerator­ blocks praktisch wirkungslos in der Konfiguration zu der Wind­ richtung gemäß den Fig. 4-7 und 9. In Fig. 8 werden zwei Windgeneratoren mit nicht bestmöglichem Wirkungsgrad betrieben, da hier die zugehörigen Rotoren 9 und 10 schräg angeströmt werden. Insgesamt erbringt jedoch der aus vier Windgeneratoren bestehende Windgeneratorblock bei allen Windrichtungen ungefähr wenigstens die Leistung von drei Windgeneratoren.
In der Ausführungsform des Windenergieturms mit den Fig. 10-12 sind zwei Windgeneratorblocke unter einem oberen einzel­ nen Windgenerator 22 mit dem Rotor 23 gebildet: Der untere Windgeneratorblock umfaßt vier nicht bezeichnete Windgeneratoren mit den Rotoren 24 sowie darüber an einem Gestell 27, welches in Draufsicht rechtwinklig zu dem Gestell 26 angeordnet ist (vgl. Fig. 12), zwei weitere Windgeneratoren mit den Rotoren 28, 29. Sinngemäß analog dazu wird ein oberer Windgeneratorblock ebenfalls aus vier Windgeneratoren mit den Rotoren 30, 31 an dem Gestell 32 sowie den Generatoren 33, 34 an dem dazu recht­ winklig angeordneten Gestell 35 gebildet. Die Abspannungen des Turmschafts zu dem Boden bzw. zu den Enden der Gestelle sind hier nicht mit Bezugszeichen versehen.
Mit den beschriebenen elektrischen Energietürmen können mit Windturbinen bzw. Windgeneratoren aus serienmäßiger Fertigung elektrische Leistungen im Megawattbereich betriebssicher und zuverlässig erzeugt werden. Die Windenergietürme haben besonders gute Wirkungskennwerte bei den häufig auftretenden kleinen bis mittelgroßen Windgeschwindigkeiten. Gegenüber Windenergieparks weisen die Windenergietürme die Vorteile eines wesentlich ge­ ringeren Geländebedarfs mit Zuwegen auf. Aufwendige elektrische Verbindungen von Einzelanlagen sind weitgehend vermieden.
Die Windenergietürme eignen sich nicht nur zur Aufstellung in Küstenlandschaften, sondern auch im Binnenland, insbesondere in Mittelgebirgen.

Claims (11)

1. Windenergieturm zur Erzeugung von Elektrizität mit mehreren Windgeneratoren, die an einem Gestell angebracht sind, welches mit einem insbesondere mit Seilen abgespannten Turmschaft in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Windgeneratoren (4-7, 12) um je eine Hochachse unabhängig voneinander drehbar bzw. schwenkbar an dem Gestell (2, 3) gelagert sind und daß das Gestell (2, 3) mit dem Turmschaft (1) fest verbunden ist.
2. Windenergieturm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Gestelle (2, 3; 26, 27; 32, 35) an dem Turmschaft (1, 1′) übereinander und/oder nebeneinander angebracht sind.
3. Windenergieturm nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß Dreh- bzw. Schwenkbereiche der Windgeneratoren (4-8) auf Bereiche außerhalb feststehender Windenergieturmteile begrenzt sind.
4. Windenergieturm nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß waagerechte Gestellachsen insbesondere übereinander angeordneter Gestelle (2, 3; 26, 27; 33, 34) zueinander im Grundriß rechtwinklig angeordnet sind.
5. Windenergieturm nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei sich rechtwinklig kreuzende übereinander angeord­ nete Kragarme als Gestell (2, 3; 26, 27; 32, 35) mit an deren Enden gelagerten insgesamt vier Windgeneratoren (2-7) zu einem Windgeneratorblock zusammengefaßt sind.
6. Windenergieturm nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an einer höchsten Stelle des Turmschaftes (1, 1′) ein einzelner Windgenerator (12, 22) gelagert ist.
7. Windenergieturm nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Windenergieturm mindestens einen Windgenerator­ block (4-7) mit einem einzelnen über diesem angeordnetem Windgenerator (12) aufweist.
8. Windenergieturm nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Rotoren (8-11; 13) der Windgeneratoren (4-7; 12) insbe­ sondere in verschiedenen Ebenen unterschiedliche Durchmes­ ser aufweisen.
9. Windenergieturm nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Turmschaft (1) mittels in verschiedenen Höhen be­ festigten Spannelementen (14-21) insbesondere in zwei sich im Grundriß kreuz enden Ebenen außerhalb der Rotorarbeits­ bereiche abgespannt ist.
10. Windenergieturm nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in die Abspannelemente (14-21) durch dauernd instal­ lierte Spannvorrichtungen in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand des Turms variable Spannkräfte einführbar sind.
11. Windenergieturm nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Prozeßrechner, vorzugsweise in Fuzzy-Logik-Struk­ tur, die Ausrichtung der einzelnen Windgeneratoren so steuert, daß die Energieerzeugung der Gesamtheit der Wind­ generatoren an dem Turmschaft mit Überlastungssicherung der einzelnen Rotoren optimiert wird.
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