DE4413278A1 - Windkraftanlage mit einem Mast, der nach Maßgabe der Windgeschwindigkeit auf unterschiedliche Masthöhe ein- und ausfahrbar ist - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem Mast, der eine Mastbasis aufweist und der nach Maßgabe der Windge­ schwindigkeit auf unterschiedliche Masthöhe ein- und ausfahr­ bar ist, mit einem Mastkopf, der nach Maßgabe der Windrichtung drehbar ist, und mit einer in dem Mastkopf gelagerten Rotor­ welle mit aufgesetztem Rotor, der eine Rotornabe und daran an­ geschlossene, von der Rotornabe im wesentlichen radial abge­ hende Rotorblätter aufweist, bei welcher Windkraftanlage der Rotor bei ausreichend eingefahrenem Mast auf einer Rotorauf­ nahmeeinrichtung ablegbar ist. - Es versteht sich, daß über die Rotorwelle mittelbar oder unmittelbar ein Generator an­ treibbar ist.

Bei der bekannten Windkraftanlage, von der die Erfindung aus­ geht (DE 41 19 428 C1), sind an die Rotorwelle zumindest zwei in bezug auf den Rotorkreisdurchmesser unterschiedliche Roto­ ren anschließbar. Die unterschiedlichen Rotoren sind auf Ro­ toraufnahmeeinrichtungen, die um die Mastbasis verteilt sind, ablegbar. Der Mastkopf ist nach Maßgabe der Rotoraufnahmeein­ richtung um seine vertikale Achse einstellbar. Jedem Mast sind mehrere Rotoren zugeordnet, die ihrerseits für unterschied­ liche Windgeschwindigkeiten ausgelegt sind. Bei der bekannten Windkraftanlage wurde von der Erkenntnis ausgegangen, daß bei einer Windkraftanlage, die auf einfache Weise und bei gutem Wirkungsgrad an unterschiedliche Windgeschwindigkeiten anpaß­ bar sein soll, der Mast zu einer Maschine werden muß, deren Höhe aus statischen und stabilitätsmäßigen Gründen der Windge­ schwindigkeit anpaßbar ist und die darüber hinaus auf einfache Weise nach Maßgabe der Windgeschwindigkeit ein Auswechseln des Rotors ermöglicht, um bei allen Windgeschwindigkeiten mit günstigem Wirkungsgrad zu arbeiten. Das schließt nicht aus, außerdem eine Drehung der Rotorblätter um ihre Rotorblatt­ längsachse, die mehr oder weniger orthogonal zur Rotorwelle verläuft, zum Zwecke der Anpassung des Anstellwinkels an die Windgeschwindigkeit vorzunehmen. Im allgemeinen ist von den Rotoren zumindest einer mit kleinem Rotorkreisdurchmesser als Schnelläufer für hohe Windgeschwindigkeiten und ein anderer mit großem Rotorkreisdurchmesser für niedrige Windgeschwindig­ keiten ausgelegt. Das Auswechseln der Rotoren erfolgt zweck­ mäßigerweise automatisch, wozu auf die Hilfsmittel der moder­ nen Handlings- und Steuerungstechnik zurückgegriffen werden kann.

Die vorstehend beschriebenen bekannten Maßnahmen haben sich bewährt. Die bewährten Maßnahmen werden bei der erfindungsge­ mäßen Windkraftanlage übernommen. Die beschriebene Manipula­ tion der Rotoren und deren Ablage sowie die Rotoraufnahmeein­ richtungen selbst sind im Rahmen der bekannten Maßnahmen je­ doch aufwendig, und zwar insbesondere dann, wenn die Rotoren mehr als zwei Rotorblätter aufweisen. Andererseits empfiehlt es sich aus Gründen des Wirkungsgrades, mit Rotoren zu arbei­ ten, die mehr als zwei Rotorblätter besitzen.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Windkraftanlage zu schaffen, die auf einfache Weise und ohne besonderen Manipulationsaufwand mit sehr unterschiedlichen Ro­ toren und auch solchen, die mehr als zwei Rotorblätter aufwei­ sen, arbeiten kann, wobei die Rotoren mit geringem Raumbedarf ablegbar sind.

Zur Lösung dieses technischen Problems lehrt die Erfindung, ausgehend von der eingangs beschriebenen Windkraftanlage, daß die Rotorblätter aus ihrer Arbeitsstellung, bei der sie im we­ sentlichen radial von der Rotornabe abgehen, mit Hilfe eines Schwenkantriebes an der Rotornabe zu einem Ablegeaggregat ab­ schwenkbar sind, in dem zumindest zwei Rotorblätter im wesent­ lichen parallel zueinander angeordnet sind, und daß die Rotor­ aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme des Ablegeaggregates einge­ richtet ist. - Ablegeaggregat bezeichnet einen Rotor, dessen Rotorblätter in der beschriebenen Weise abgeschwenkt sind, so daß das Aggregat aus den Rotorblättern und der Rotornabe im wesentlichen gerade verläuft, wenn auch mit mehreren abge­ schwenkten Rotorblättern gleichsam übereinander. Im allgemei­ nen wird man das Ablegeaggregat waagerecht in die Rotoraufnah­ meeinrichtung ablegen, in der es auch waagerecht gelagert wird.

Im einzelnen bestehen im Rahmen der Erfindung mehrere Möglich­ keiten der weiteren Ausbildung und Gestaltung. Das gilt insbe­ sondere in bezug auf die Kinematik der Schwenkbewegung der Ro­ torblätter. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung sind die Rotorblätter um eine zur Rotorwelle parallele Schwenkachse abschwenkbar. Die Rotorblätter können aber auch um eine zur Rotorwelle orthogonale Schwenkachse abschwenkbar sein. Im Rahmen der Erfindung liegt es, die Anordnung so zu treffen, daß die Rotorblätter zusätzlich zu ihrer Abschwenkbe­ wegung zu dem Ablegeaggregat mit Hilfe eines Drehantriebes um ihre Rotorblattlängsachse drehbar und dadurch für eine Ablege­ aggregatstellung einrichtbar sind. Auf diese Weise können die Rotorblätter in der Ablegeaggregatstellung so angeordnet wer­ den, daß das Ablegeaggregat ein möglichst kleines Volumen ein­ nimmt und die Windkraftanlage sich insoweit durch geringen Raumbedarf auszeichnet.

Um die beschriebenen Maßnahmen zu verwirklichen, kann auf be­ kannte getriebetechnische, antriebstechnische und steuerungs­ technische Maßnahmen zurückgegriffen werden. Das gilt auch für die einzusetzenden Stelltriebe. Im Rahmen dieser Maßnahmen kann jedes Rotorblatt einen eigenen Schwenkantrieb aufweisen, so daß auf einfache Weise unterschiedliche Schwenkbewegungen der Rotorblätter zum Zwecke der Einrichtung eines Ablegeaggre­ gates mit geringem Raumbedarf vorzunehmen. Entsprechend kann jedes Rotorblatt auch einen eigenen Drehantrieb aufweisen. Der Drehantrieb der Rotorblätter kann im Rahmen der Erfindung eine doppelte Funktion erfüllen. Neben der bereits beschriebenen Funktion auf eine Einrichtung der Rotorblätter für eine be­ sondere Stellung im Ablegeaggregat besteht auch die Möglich­ keit, die Rotorblätter durch den Drehantrieb auf einen aerody­ namischen Anstellwinkel für die Arbeitsstellung einstellbar zu machen. Diese Einstellung kann auch betriebsmäßig nach Maßgabe unterschiedlicher Windgeschwindigkeiten erfolgen. Im Rahmen der Erfindung liegt es, die Schwenkantriebe der Rotorblätter getriebetechnisch zu koppeln. Auch die Drehantriebe der Rotor­ blätter können getriebetechnisch gekoppelt sein. Wie bei der Windkraftanlage, von der die Erfindung ausgeht, sind auch im Rahmen der Erfindung der Rotorwelle zweckmäßigerweise mehrere Rotoren zugeordnet, die auswechselbar sind, und diese sind in zugeordneten Rotoraufnahmeeinrichtungen ablegbar. Die Rotorab­ legeeinrichtungen können um die Mastbasis des Mastes der er­ findungsgemäßen Windkraftanlage mit geringem Raumbedarf ange­ ordnet sein.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei Windkraft­ anlagen des eingangs beschriebenen Aufbaus und der eingangs beschriebenen Zweckbestimmung die Rotoren, insbesondere Roto­ ren mit mehr als zwei Rotorblättern, es nicht erforderlich ist, die Rotoren mit radial von der Rotornabe ausgehenden Ro­ torblättern, gleichsam als sperrige Aggregate, in den Rotor­ aufnahmeeinrichtungen abzulegen. Die Rotoren können, wie die Erfindung erkannt hat, vielmehr auf einfache Weise in kompakte und wenig raumaufwendige Ablegeaggregate transformiert werden, wenn die Rotorblätter, wie beschrieben, mit zusätzlichen Bewe­ gungsfreiheitsgraden an die Rotornabe angeschlossen sind. Diese zusätzlichen Bewegungsfreiheitsgrade können kinematisch und antriebs- bzw. steuerungstechnisch auf einfache Weise ver­ wirklicht werden. Es versteht sich, daß das Einschwenken der Rotorblätter eines Rotors, der der Rotoraufnahmeeinrichtung zugeführt wird, schon beim Einfahren des Mastes erfolgen kann. Umgekehrt kann beim Ausfahren des Mastes ein Ausschwenken der Rotorblätter in die Arbeitsstellung erfolgen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher er­ läutert. Es zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1 die Ansicht einer erfindungsgemäßen Windkraft­ anlage, Rotorblätter in Arbeitsstellung,

Fig. 2 den Gegenstand nach Fig. 1, Rotorblätter zu einem Ablegeaggregat abgeschwenkt,

Fig. 3 in gegenüber den Fig. 1 und 2 vergrößertem Maß­ stab den Gegenstand nach Fig. 2 mit in der Rotoraufnahmeeinrichtung abgelegten Ablegeag­ gregat und wieder ausgefahrenem Mast,

Fig. 4 eine andere Ausführungsform des Gegenstandes nach Fig. 1 in der Seitenansicht,

Fig. 5 den Gegenstand nach Fig. 4, Rotorblätter zu einem Ablegeaggregat abgeschwenkt,

Fig. 6 in gegenüber den Fig. 4 und 5 vergrößertem Maß­ stab den Gegenstand nach Fig. 5 mit in der Rotoraufnahmeeinrichtung abgelegten Ablegeag­ gregat und bei wieder ausgefahrenem Mast und die

Fig. 7 bis 10 Schwenkgetriebe für die Gegenstände der Fig. 1 bis 3 bzw. der Fig. 4 bis 6.

Die in den Figuren dargestellte Windkraftanlage besitzt einen Mast 1, der eine Mastbasis 2 aufweist und der nach Maßgabe der Windgeschwindigkeit auf unterschiedliche Masthöhe ein- und ausfahrbar ist. Der Mast 1 trägt einen Mastkopf 3, der nach Maßgabe der Windrichtung drehbar ist. In dem Mastkopf 3 ist eine Rotorwelle 4 mit aufgesetztem Rotor 5 gelagert. Der Rotor 5 besitzt eine Rotornabe 6 und daran angeschlossene, von der Rotornabe 6 im wesentlichen radial abgehende Rotorblätter 7. Der Rotor 5 ist bei ausreichend eingefahrenem Mast 1 auf einer Rotoraufnahmeeinrichtung 8 ablegbar. Umgekehrt können auf einer Rotoraufnahmeeinrichtung 8 abgelegte Rotoren 5 von dem Mastkopf 3 des eingefahrenen Mastes 1 wieder aufgenommen werden.

In den Fig. 1 und 4 erkennt man die Rotorblätter 7 in ihrer Arbeitsstellung. In dieser Arbeitsstellung gehen sie im we­ sentlichen radial von der Rotornabe 6 ab. In den Fig. 2 und 5 erkennt man, daß die Rotorblätter 7 an der Rotornabe 6 zu einem Ablegeaggregat 9 abgeschwenkt sind, in dem zumindest zwei Rotorblätter 7 im wesentlichen parallel zueinander ange­ ordnet sind. Das Abschwenken erfolgt mit Hilfe von entspre­ chenden Schwenkantrieben, die nicht gezeichnet wurden. Die Rotoraufnahmeeinrichtung 8 ist zur Aufnahme des Ablegeaggre­ gates 9 eingerichtet, wozu auf die Fig. 3 und 6 verwiesen wird.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 3 sind die Rotor­ blätter 7 um eine zur Rotorwelle 4 parallele Schwenkachse 10 abschwenkbar. Bei der Ausführungsform nach den Fig. 4 bis 6 sind demgegenüber die Rotorblätter 7 um eine zur Rotorwelle 4 orthogonale Schwenkachse 11 abschwenkbar. Zusätzlich könnten, was in den Fig. 2 und 5 durch Ringpfeile angedeutet wurde, die Rotorblätter 7 mit Hilfe eines Drehantriebes um ihre Rotor­ blattlängsachse drehbar und dadurch für eine Ablegeaggregat­ stellung einrichtbar sein. Mit den gleichen Drehantrieben könnte auch der aerodynamische Anstellwinkel in Arbeitsstel­ lung der Rotorblätter 7 eingestellt werden. Die Rotorblätter 7 mögen jedes einen eigenen Schwenkantrieb bzw. auch einen eige­ nen Drehantrieb aufweisen. Die Schwenkantriebe der Rotor­ blätter 7 und auch die Drehantriebe könnten getriebetechnisch gekoppelt sein.

Die Fig. 7, 8, 9 und 10 erläutern Schwenkgetriebe für die Schwenkbewegung der Rotorblätter 7 zu einem Ablegeaggregat 9 und zurück in die Arbeitsstellung bzw. zur Verstellung der Rotorblätter 7 um ihre Längsachse.

Zur Fig. 7 wird auf die Fig. 1, 2 und 3 verwiesen. Die Rotor­ blätter 7 sind hier abgebrochen gezeichnet oder nur durch ihre Achsen angedeutet. Das Rotorblatt 7a befindet sich ebenso wie das Rotorblatt 7b in Arbeitsstellung. Die Rotorblätter 7c und 7d sind bereits in der Stellung gezeichnet worden, die sie im Ablegeaggregat 9 einnehmen. Den einzelnen Rotorblättern 7a bis 7d sind Schneckenradsegmente 12 zugeordnet, die, der angege­ benen Kinematik entsprechend, mit den Schnecken 13 kämmen und die ihrerseits den einzelnen Schneckenradsegmenten 12 zugeord­ net sowie über ein Getriebe 14 angetrieben sind. Das Dreh­ moment bringt ein nicht gezeichneter Antriebsmotor auf.

Fig. 8 zeigt ausschnittsweise ein im kinematischen Ergebnis der Ausführungsform nach Fig. 7 ähnliches Schwenkgetriebe, es arbeitet jedoch mit einem Malteserkreuz 15. Die Rotorblätter sind wieder mit 7a bis 7d angedeutet worden. Sie sind mit Schienen 16 verbunden, welche mit zentral gelagerten, hinter­ einander angeordneten Rädern 17 über Rollen 18 in Eingriff stehen. Das Rotorblatt 7a befindet sich in der Arbeits­ stellung, das Rotorblatt 7b wurde in einer eingeschwenkten Stellung gezeichnet. Zwecks Verstellung müssen die Räder 17 um 120° gedreht werden.

In der Fig. 9 erkennt man, wie die Rotorblätter 7a bis 7d, die einerseits wie beschrieben schwenkbar sind, um ihre Achse ver­ stellt werden können. Es sind dazu Kegelräder 20 vorgesehen, die ihrerseits von einem Kegelrad 21 angetrieben sind. Es ver­ steht sich, daß die Gelenke verstarrt werden können.

Wenn die Schwenkbewegung so erfolgt, wie es sich aus einer vergleichenden Betrachtung der Fig. 4, 5 und 6 ergibt, kann z. B. mit einem Getriebe gearbeitet werden, wie es in der Fig. 10 angedeutet wurde. Ein Ausschnitt zur Fig. 10 zeigt eine Seitenansicht. Hier befinden sich hintereinander Schnecken 13 parallel zur Rotornabe, sie kämmen mit Schneckenradsegmenten 12, die den einzelnen Rotorblättern 7a, 7b zugeordnet sind. In der Fig. 10 möge sich das Rotorblatt 7a in der Arbeitsstellung befinden, das Rotorblatt 7b ist bereits in die Stellung ge­ schwenkt, die es im Ablegeaggregat einnimmt. Nicht gezeichnet wurde, wie das Drehmoment aufgebracht wird.

Claims (10)

1. Windkraftanlage mit einem Mast (1), der eine Mastbasis (2) aufweist und der nach Maßgabe der Windgeschwindigkeit auf unterschiedliche Masthöhe ein- und ausfahrbar ist, mit einem Mastkopf (3), der nach Maßgabe der Windrichtung drehbar ist, und mit einer in dem Mastkopf (3) gelagerten Rotorwelle (4) mit aufgesetztem Rotor (5), der eine Rotornabe (6) und daran angeschlossene, von der Rotornabe (6) im wesentlichen radial abgehende Rotorblätter (7) aufweist, bei welcher Windkraft­ anlage der Rotor (5) bei ausreichend eingefahrenem Mast (1) auf einer Rotoraufnahmeeinrichtung (8) ablegbar ist, da­ durch gekennzeichnet, daß die Rotorblät­ ter (7) aus ihrer Arbeitsstellung, bei der sie im wesentlichen radial von der Rotornabe (6) abgehen, mit Hilfe eines Schwenk­ antriebes an der Rotornabe (6) zu einem Ablegeaggregat (9) ab­ schwenkbar sind, in dem zumindest zwei Rotorblätter (7) im we­ sentlichen parallel zueinander angeordnet sind, und daß die Rotoraufnahmeeinrichtung (8) zur Aufnahme des Ablegeaggregates (9) eingerichtet ist.

2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter (7) um eine zur Rotorwelle (4) parallele Schwenkachse (10) abschwenkbar sind.

3. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter (7) um eine Rotorwelle (4) orthogonale Schwenkachse (11) abschwenkbar sind.

4. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter (7) zusätzlich zu ihrer Abschwenkbewegung zu dem Ablegeaggregat (9) mit Hilfe eines Drehantriebes um ihre Rotorblattlängsachse drehbar und dadurch für eine Ablegeaggregatstellung einrichtbar sind.

5. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Rotorblatt (7) einen eigenen Schwenkantrieb aufweist.

6. Windkraftanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Rotorblatt (7) einen eigenen Drehantrieb aufweist.

7. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter (7) durch den Drehantrieb auf einen Anstellwinkel für die Arbeitsstellung einstellbar sind.

8. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkantriebe der Rotorblätter (7) getriebetechnisch gekoppelt sind.

9. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehantriebe der Rotorblätter (7) ge­ triebetechnisch gekoppelt sind.

10. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorwelle (11) mehrere Rotoren (5) zugeordnet und diese in zugeordneten Rotoraufnahmeeinrich­ tungen (8) ablegbar sind.