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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischen
Stroms aus Windenergie.
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Es
ist zum Beispiel aus der EP-A-0 864 748 eine Vorrichtung zur Aufnahme
durch Wind erzeugter Energie, das heißt, eine Windkraftmaschine
bekannt, die einen senkrechten Mast aufweist, der auf dem Boden
oder dem Meeresgrund oder auf einer schwimmenden Plattform mit seinem
unteren Ende befestigt ist, sowie eine Gondel, die schwenkbar um eine
senkrechte Achse auf einem oberen Endbereich des Mastes angebracht
ist. An der Gondel ist der sich drehende Teil der Windkraftmaschine
um eine im Wesentlichen horizontale oder gegenüber der Horizontalen schwach
geneigte Achse drehbar befestigt, der eine Nabe und mindestens zwei
auf der Nabe radial bezüglich
der Drehachse der Nabe befestigte Flügel aufweist. Die Nabe ist
an der Gondel über
mindestens ein Lager drehbar gelagert. Die Stromerzeugung aus der
Windenergie, die durch den drehbaren Teil der Windkraftmaschine
aufgenommen wird, erfolgt durch einen Stromerzeuger, wie beispielsweise einen
Wechselstromgenerator, der mindestens einen an der Gondel starr
befestigten Stator und mindestens einen an der Nabe des sich drehenden
Teils der Windkraftmaschine befestigten Rotor aufweisen kann.
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Ein
Problem, welchem sich die Hersteller von Windkraftmaschinen gegenübersehen,
bezieht sich auf die Notwendigkeit, große elektrische Leistungen zu
erhalten bei gleichzeitiger Begrenzung der Größe des Stromerzeugers, die
die Größe der Gondel
bestimmt. Es ist bekannt, dass diskusförmige Generatoren, das heißt, Maschinen,
wel che mindestens einen Rotor und mindestens einen Stator aufweisen, die
sich gegenüberliegende
Ringflächen
aufweisen, auf denen Magnetelemente oder Elektromagnetelemente angeordnet
sind, welche zur Stromerzeugung zusammenwirken, bestimmte Vorteile
aufweisen, aufgrund der Tatsache, dass man eine relativ große Nutzfläche der
Maschine in einem kleinen Volumen erhalten kann. Diese Vorrichtungen
sind insbesondere deshalb von Vorteil, da der Rotor des Generators direkt
auf dem sich drehenden Teil der Windkraftmaschine befestigt ist
und man so die Verwendung eines mechanischen Getriebes vermeiden
kann.
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Diese
Technik wurde bis heute jedoch im industriellen Maßstab nicht
häufig
angewandt, aufgrund der Tatsache, dass es schwierig ist, eine drehbare
Montage des sich drehenden Teils und des Rotors vorzusehen, derart,
dass man den Kräften
entgegenwirken kann bzw. die Kräfte
auszugleichen, die insbesondere axial auf den sich drehenden Teil
wirken, um die Stellung des Rotors bzw. der Rotoren bezüglich der
Statorenscheiben zu halten.
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Der
sich drehende Teil der Windkraftmaschine ist von Wind erzeugten
Kräften
ausgesetzt, die insbesondere zu einer Verbiegung der Nabe und deren
drehbaren Trägerteilen
führen,
selbst dann, wenn ein oder mehrere Drucklager die Kompensation von Axialkräften sicherstellen,
die auf den sich drehenden Teil wirken.
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Wenn
der Rotor des Generators auf dem sich drehenden Teil der Windkraftmaschine
befestigt ist, werden die durch den Wind auf den sich drehenden
Teil ausgeübten
Kräfte
direkt auf den Rotor des Generators übertragen, derart, dass es
schwierig ist, die Größe des Luftspalts
des Generators klein und genau einzuhalten, wenn eine diskusförmige Maschine
eine oder mehrere Rotorscheiben gegenüber einer oder mehreren Statorscheiben
aufweist. Außerdem
erfahren der sich drehende Teil der Windkraftmaschine und insbesondere
der Rotor während
des Betriebs alternierende Deformationskräfte, die sich in einer Materialermüdung der
verwendeten Teile auswirken.
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Es
sind andererseits Vorrichtungen zur Stromerzeugung aus Windenergie
bekannt, die einen klassischen Wechselstromerzeuger aufweisen mit
radialem Fluss, dessen sich drehender Teil drehbar an der Gondel über ein
Lager, wie beispielsweise ein Wälzlager,
befestigt ist, das wiederum auf einer mit der Gondel fest verbundenen
Achse fest verbunden ist, die rohrförmig ausgebildet ist und eine
Längsachse
aufweist, die gegenüber
der Horizontalen leicht geneigt ist. Die Nabe des sich drehenden
Teils der Windkraftmaschine ist mit einem rohrförmigen Träger fest verbunden, der drehbar
auf dem Außenring
des Lagers montiert ist und den Rotor des radialen elektrischen
Stromerzeugers auf einem Endbereich trägt, der gegenüber der
die Flügel
tragenden Nabe angeordnet ist. In diesem Fall erzeugt der Wind über die
Flügel
und die Nabe eine Kraft, die dazu neigt, den Rotor um das Lager
des sich drehenden Teils bezüglich
einer Achse senkrecht zur Lagerachse zu verkippen.
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Die
die Flügel
tragende Nabe ist mit Überstand
am Lager befestigt und übt
außerdem
ein großes
Drehmoment auf das Lager und die Trägerkonstruktion der Windkraftmaschine
aus.
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Da
man heute auf dem Markt sehr leistungsfähige Permanentmagnete erhält, ist
es möglich,
die Herstellung von diskusförmigen
Stromerzeugern vorzusehen, mit einem Rotor, der die Permanentmagnete
trägt.
In diesem Fall kann man Rotoren und Statoren diskusförmiger Maschinen
herstellen, so dass das Gewicht und die Gesamtlänge der Stromerzeuger begrenzt
ist. Die Herstellung einer Windkraftmaschine mit einem Aufbau, der
es ermöglicht,
einen diskusförmigen
Stromer zeuger mit Permanentmagneten zu verwenden, stellt somit einen
sehr großen Vorteil
dar.
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Es
ist daher das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
zur Erzeugung elektrischen Stroms aus Windenergie vorzuschlagen,
mit einem senkrechten Mast, der auf einer Tragfläche, wie dem Boden, dem Meeresgrund
oder einer schwimmenden Plattform mit einem unteren Endbereich befestigt
ist, mit einer Gondel, die schwenkbar um eine senkrechte Achse auf
dem oberen Endbereich des Mastes angebracht ist, mit einem sich
drehenden Teil, der eine Nabe und mindestens zwei Flügel aufweist,
die in im Wesentlichen radialen Richtungen auf der Nabe befestigt
sind, mit mindestens einem Drehlager für den sich drehenden Teil der
Gondel, das eine gegenüber der
Horizontalen schwach geneigte Achse aufweist und mit einem elektrischen
Stromerzeuger, der mindestens einen mit der Gondel fest verbundenen
Stator und mindestens einen Rotor aufweist, der durch ein Befestigungselement,
das im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse des sich drehenden Teil
ist, fest mit der Nabe des sich drehenden Teils verbunden ist, wobei
diese Vorrichtung es erlaubt, eine hohe Stromleistung bei kleinem
Volumen der Gondel zu erzeugen.
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Zu
diesem Zweck:
- – weist der Rotor und der Stator
jeweils mindestens einen aktiven scheibenförmigen Bereich auf, der sich
gegenüberliegende
elektromagnetische Elemente trägt,
- – ist
der sich drehende Teil schwenkbar auf der Gondel angebracht, durch
ein einziges Lager, dessen Durchmesser um mindestens 20% geringer
ist als der Durchmesser eines Kreises, der in einem rechten Segment
eingeschrieben ist, das senkrecht zur Achse des sich drehenden Teils
einer Fläche
steht, die von Anschlusszonen der Flügel auf der Nabe gebildet wird,
und
- – ist
das Befestigungselement des Rotors auf der Nabe in Bezug auf das
Lager in axialer Richtung des Lagers benachbart angeordnet.
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung wird im Folgenden eine Ausführungsform mit Bezug auf die
beigefügte
Figur erläutert.
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Die
einzige Figur zeigt eine teilweise vertikal geschnittene Seitenansicht
des oberen Teils einer Windkraftmaschine nach der vorliegenden Erfindung.
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Der
obere Teil einer erfindungsgemäßen Windkraftmaschine
ist im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet.
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Die
Windkraftmaschine 1 weist einen vertikalen Mast 2 auf,
von dem lediglich der obere Endbereich in 1 gezeigt
ist.
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Der
Mast 2, von dem lediglich der obere Bereich in 1 gezeigt
ist, kann eine sehr große
Höhe aufweisen,
beispielsweise eine Höhe
der Größenordnung
40 bis 50 m, wobei der untere Bereich des Mastes in einem Fundament
auf dem Boden des Ortes zur Windenergieerzeugung befestigt ist oder
auf dem Meeresboden oder auf einer schwimmenden Plattform im Fall
einer Anordnung auf dem Meer.
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Auf
dem oberen Teil des in 1 gezeigten Mastes 2 ist
eine Gondel 3 montiert, die einen Boden 3a aufweist,
der drehbar auf dem oberen Bereich des Mastes 2 über einen
Laufkranz 4 befestigt ist und mit Klammern gehaltert ist,
so dass die Gondel 3 drehbar um die vertikale Achse des
Mastes 2 gelagert ist und von dem oberen Ende des Mastes 2 getragen
wird. Eine Scheibenbremse 5 weist Bügel 6 auf, die entlang
des Umfangs eines mit dem Boden 3a befestigten Kranzes
verteilt sind und es ermöglichen,
die Gondel zu bremsen, während
sich diese um die Vertikalachse des Mastes 2 dreht, gesteuert
durch untersetzte Antriebsmotorgetriebe 6'.
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Die
Gondel 3 weist eine geformte Hülle 7 auf, die den
Schutz der Bestandteile der Windkraftmaschine gewährleistet,
die in der Gondel angeordnet sind.
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Der
Boden 3a der Gondel stellt insbesondere das Tragen des
Hauptchassis 8 der Gondel und der Hydraulikzentrale 29 zur
Versorgung der Bremse 6 des Orientierungssystems der Gondel
um die Vertikalachse des Mastes und einer Bremse, die das Verlangsamen
und das Anhalten eines sich drehenden Teils 10 der Gondel
sicher, was im Folgenden beschrieben wird, sowie des Kühlsystems
des Stromerzeugers der Windkraftmaschine, eines Gehäuses, welches
die Steuerelektronik der Windkraftmaschine enthält und eines Gehäuses, das
einen elektrischen Stromwandler beinhaltet, zur Wandlung des von
dem Stromerzeuger erzeugten Stroms sowie verschiedene Steuer- und Regelungselemente
für den
Betrieb der Windkraftmaschine.
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Auf
dem Hauptgestell 8 der Gondel ist über ein zylinderförmiges Verbindungsstück 8a das
Traggestell 9 des Stators 17 des Stromgenerators
befestigt, welches die Form eines kegelstumpfförmigen Rohres aufweist. Das
zylinderförmige
Verbindungsstück 8a und
das Tragegestell 9 des Stators des Stromgenerators sind
mit ihren Achsen fluchtend und leicht gegenüber einer Horizontalen geneigt
angeordnet und in einer Verbindungsebene 11, welche leicht
gegenüber
einer senkrechten Ebene geneigt ist, miteinander verbunden.
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Die
Windkraftmaschine weist einen sich drehenden Teil auf, der allgemein
mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist und im Wesentlichen eine
Nabe 13 aufweist, die drehbar um die gemeinsame Achse des
Traggestells 9 und des Verbindungsteils 8a leicht gegenüber der
Horizontalen geneigt angeordnet ist, und mittels eines einzigen
Lagers 15 gelagert ist, welches vorzugsweise ein großes Wälzlager
ist.
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Auf
der Nabe 13 sind die Flügel 14 des
sich drehenden Teils der Windkraftmaschine angeordnet, an welchen
die Windkraft angreift und den drehbaren Teil 10 der Windkraftmaschine
dreht.
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Bei
dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist
die Nabe 13 drei ebene Befestigungsringzonen für je einen
Flügel 14 auf,
die um die Achse der Nabe jeweils um etwa 120° winkelversetzt auf drei ebenen Flächen der
Nabe 13 angeordnet sind, welche eine prismatische Oberfläche bilden,
deren Schnitt in einer Ebene senkrecht zur Achse des drehbaren Teils 10 ein
gleichseitiges Dreieck bildet, welches in einer Ebene senkrecht
zur Achse der Nabe und zu dieser zentriert angeordnet ist.
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Der
drehbare Teil 10 der Windkraftmaschine weist ebenfalls
den Rotor 16 des Stromgenerators 12 der Windkraftmaschine
auf, deren Stator 17 auf dem Traggestell 9 über einen
Ringflansch 18, der senkrecht zur Achse des Traggestells 9 ausgerichtet
ist, befestigt.
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Der
Rotor 16 und der Stator 17 weisen jeweils zwei
Elemente 16a, 16b bzw. 17a, 17b auf,
deren aktive Bereiche in Form von Scheiben ausgebildet sind, die
sich gegenüberliegend
angeordnet sind. Der Doppelrotor 16 weist zwei aktive Flächen in
Form von Scheiben auf, von denen eine auf dem Element 16a gegenüber der
aktiven Fläche
des Elements 17a des Stators angeordnet ist und wobei die
andere Scheibe auf dem Element 16b gegenüber der
aktiven Fläche
des Elements 17b des Stators angeordnet ist. Die Elemente 17a und 17b des
Stators sind zur einen und zur anderen Seite eines Trägers ange ordnet,
der mit dem Befestigungsflansch des Stators am Traggestell 9 fest
verbunden ist.
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Auf
den aktiven Flächen
der Elemente 16a und 16b des Doppelrotors 16 sind
aufeinander folgend entlang dem Umfang der aktiven Flächen Permanentmagnete 19 und 19' angeordnet,
die beispielsweise Magnete aus einem Material wie Neodyneisenbor
hergestellt sein können.
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Die
aktiven Flächen
der Elemente 17a und 17b des Stators, welche gegenüber den
aktiven Flächen
der entsprechenden Elemente 16a und 16b des Rotors
angeordnet sind, bestehen aus in Ausnehmungen eines Statorkerns
eingefügten
Spulen, die aus einem Band magnetischen Blechs bestehen, welches
auf sich selbst aufgewickelt ist.
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Die
Verwendung von Permanentmagneten auf den aktiven Flächen des
Rotors erlaubt es, einen elektrischen Generator 12 herzustellen,
der eine sehr geringe Polteilung aufweist. Dadurch vermindert man somit
die Masse und den Umfang des Stromgenerators 12 bei vorgegebener
elektrischer Leistung.
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Die
Magneten 19 und 19' der
Elemente 16a und 16b des Doppelrotors 16 haben
eine geringe Dicke relativ zu der Summe der Dicken der Elemente 16a und 16b des
Rotors, wobei der größte Teil
der Masse des Rotors aus einer Stahlarmatur besteht, auf der die
Permanentmagnete gelagert sind, wobei die Stahlarmatur die mechanische
Festigkeit des Rotors gewährleistet.
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Die
Elemente 16a und 16b des Rotors sind miteinander
entlang des äußeren Umfangsbereichs des
Rotors im Wesentlichen ringförmig
derart miteinander verbunden, dass die aktiven Flächen der
Elemente 16a und 16b des Rotors, der die Permanentmagnete 19 und 19' trägt, sich
gegenüber
und mit einem Abstand, der größer ist
als die Gesamtdicke des Stators 17, befinden. Auf diese
Weise kann der Aufbau des Stromgenerators 12, wie in der
Figur gezeigt erstellt werden, wobei die Elemente des Rotors 16 den
Stator 17 überlappen,
der zwischen den Elementen 16a und 16b des Rotors 16 eingebaut
ist. Man erhält
somit einen kompakten Aufbau des Stromgenerators mit einer Gesamtnutzfläche, die
der Summe der aktiven Flächen
der Statorelemente und Rotorelemente entspricht.
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Die
Armatur des Elements 16a des Rotors, welche nach vorne
gebaut ist, das heißt,
auf die Nabe 13 und die Flügel 14 der Windkraftmaschine
zu, ist fest mit einem Flansch 20 verbunden, der im Wesentlichen
ringförmig
ist, und mittels dessen die Befestigung des Rotors 16 auf
der Nabe 13 und auf dem inneren sich drehenden Teil des
Lagers 15 gewährleistet
wird.
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Das
Lager 15, in Form eines Wälzlagers, weist einen äußeren Teil
oder Außenring
auf, der fest mit dem unteren Ende des Traggestells 9 verbunden ist,
in Koaxiallage zu dem Traggestell 9 und einem inneren Teil
oder Innenring, der drehbar bezüglich
des Außenrings über die
Wälzlager
des Lagers 15 angeordnet ist.
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Der
Zusammenbau der Nabe 13 und des Rotors 16 mit
dem Befestigungsflansch 20 und dem drehbaren Innenring
des Lagers 15 ist beispielsweise mittels Klammern gewährleistet,
die eine steife und widerstandsfähige
Montage gewährleisten.
Die Montage erfolgt so, dass die die Flügel 14 tragende Nabe, der
Rotor und das Lager 15 perfekt koaxial zueinander ausgerichtet
sind.
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Das
Lager 15 ist ein sehr großes Wälzlager, dessen Durchmesser
im Wesentlichen gleich oder etwas kleiner ist als der Durchmesser
des Kreises, der in das gleichseitige Dreieck eingeschrieben ist
und den Querschnitt der prismatischen Fläche bildet, die durch die ebenen
Verbindungsflächen
der Flügel 14 auf
der Nabe 13 gebildet werden. In jedem Fall ist der Durchmesser
des Lagers, das heißt,
der Durchmesser des Kreises, der durch die Mittelpunkte der Wälzelemente
verläuft,
nur wenig kleiner, das heißt,
weniger als 20% kleiner oder vorzugsweise weniger als 10% kleiner
als der Durchmesser des Kreises, der in den Querschnitt einer Oberfläche eingeschrieben
ist, die durch die Verbindungsbereiche der Flügel gebildet ist.
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Außerdem weist,
wie in der Figur zu sehen ist, der ringförmige Verbindungsflansch 20 des
Rotors 16 einen inneren Bereich auf, der zwischen der Nabe 13 und
dem drehbaren inneren Ring des Lagers 15 angeordnet ist,
auf, der unmittelbar benachbart zum Lager 15 in gemeinsamer
Axialrichtung des Lagers 15, des Rotors 16 und
der Nabe 13 angeordnet ist.
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Das
Befestigungselement 20 des Rotors ist fest mit der Nabe 13 und
dem Lager 15, beispielsweise über Klammern, verbunden.
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Die
Gesamtheit der empfindlichen Bestandteile der Windkraftmaschine,
die sich in der Gondel befinden, ist durch die Hülle der Gondel 7 geschützt, die
einen vorderen Teil 7a aufweist, der mit dem sich drehenden
Teil 10 der Windkraftmaschine fest verbunden ist. Es wird
eine Dichtheit gewährleistet
zwischen dem Teil der Hülle,
der mit dem Gerüst 3a der Gondel
fest verbunden ist, und dem Teil der Hülle 7, die mit dem
sich drehenden Teil 10 der Windkraftmaschine fest verbunden
ist.
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Die
Flügel 14 der
Windkraftmaschine sind auf der Nabe 13 montiert, entweder
starr oder derart, dass sie automatisch in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit
und der Drehgeschwindigkeit der Windkraftmaschine orientierbar sind
und ein Auskuppeln erfolgen kann, wenn die Drehgeschwindigkeit der
Windkraftmaschine oder die Windgeschwindigkeit einen kritischen
Wert überschreiten.
Man erhält auf
diese Weise eine vollkommene Sicherheit des Betriebs der Windkraftmaschine.
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Die
Verwendung eines einzigen Lagers 15 mit großen Ausmaßen für die Montage
des sich drehenden Teils der Windkraftmaschine und die hohle Ausgestaltung
des Traggerüsts
des Stators und des Lagers 15 erlauben es einem Operateur 21,
in das Innere von dem Gestell 3a aus, in die Bereiche der
Verbindung der Flügel 14 auf
der Nabe 13 einzutreten, um beispielsweise Kontrollen oder
Reparaturen auszuführen.
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Jeder
der Flügel 14 der
Windkraftmaschine weist einen Endbereich 14a auf, der automatisch
um die Längsachse
in Radialrichtung des Flügels 14 mittels
eines Gestänges
orientierbar ist. Somit wird eine aerodynamische Bremsung des sich
drehenden Teils der Windkraftmaschine erreicht, wobei das Ende 14a der
Flügel 14 der
Windkraftmaschine durch Verschwenkung um die Längsachse des Flügels, gesteuert
von einem Hauptsteuersystem der Windkraftmaschine in Abhängigkeit
von der Windgeschwindigkeit oder von der Rotationsgeschwindigkeit
des sich drehenden Teils 10 oder im Fall einer zu hohen
Geschwindigkeit des sich drehenden Teils mittels Zentrifugalkräften verstellt
wird.
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Die
Windkraftmaschine weist ebenfalls eine mechanische Bremse 22 auf,
die als Scheibenbremse ausgeführt
ist, deren Scheibe fest mit dem Element 16b des Rotors 16 verbunden
ist und die koaxial bezüglich
des Rotors angeordnet ist. Die Scheibenbremse 22 weist
ferner eine Mehrzahl von Flügeln
auf, die entlang des Außenumfangs
des Verbindungsteils 8a des Hauptgestells 8 der
Gondel angeordnet sind, derart, dass sie mit der am Rotor befestigten
Scheibe in Eingriff kommen, um die Bremsung des Rotors und der Gesamtheit
der Teile des sich drehenden Teils der Windkraftmaschine zu bewirken oder
gegebenenfalls das Anhalten der Windkraftmaschine.
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Die
Kombination der aerodynamischen Bremsung und der mechanischen Bremsung
erlaubt es, die Betriebssicherheit der Windkraftmaschine zu erhöhen. Außerdem ermöglicht es
die Integration der Scheibenbremse im Rotor des Stromgenerators 12 der
Windkraftmaschine, Platz sparend zu bauen und Platz im Inneren der
Gondel zu sparen.
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Außerdem weist
die Gondel zur Steuerung und Kontrolle der Windkraftmaschine eine
Antenne auf, auf der ein Windrichtungsanzeiger 23 und ein Anemometer
angeordnet sind, die es ermöglichen, die
Windrichtung und Windgeschwindigkeit präzise zu bestimmen.
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Die
Orientierung der Windkraftmaschine gegenüber dem Wind wird mit Hilfe
einer Servosteuerung ausgerichtet, ausgehend von einer Information von
dem Windrichtungsanzeiger 23. Wenn ein Winkelunterschied
größer als
ein bestimmter Grenzwert zwischen der Winkelposition der Windkraftmaschine und
der Windrichtung von den Windrichtungsanzeigern erfasst wird, werden
elektrische Servomotoren betätigt,
um die Gondel senkrecht um die Achse des Mastes 2 derart
zu drehen, dass der vordere Bereich der Gondel in Windrichtung steht.
Die Drehbewegung der Gondel wird durch die Scheibenbremsen 5, 6 amortisiert
und hydraulisch gebremst. Die Gondel kann sich bis zu einer bestimmten
Anzahl von Umdrehungsbruchteilen drehen, beispielsweise drei Umdrehungen,
bevor ein automatisches Programm die Windkraftmaschine anhält, um sie
wieder in ihre Ausgangsposition zu bringen. Dieses automatische Programm
ermöglicht
es zu verhindern, dass Beschädigungen
aufgrund eines zu häufigen Aufrollens der
Kabel erfolgt, die die Gondel 3 mit dem Mast 2 verbunden.
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Während die
Windkraftmaschine in Betrieb ist, ist ihr Vorderteil in Windrichtung
ausgerichtet und der drehbare Teil wird durch die Windkraft auf
die Flügel 14 in
Rotation versetzt. Der Rotor 16 dreht sich bezüglich des
Stators 17 und erzeugt ein Drehfeld, welches elektromagnetische
Kräfte
in den Wicklungen des Stators erzeugt. Strom wird gewonnen und in
einer Starkstromelektronik umgeformt, derart, dass er elektrischen
Strom an ein Netz liefern kann. Die elektronische Steuerung des
Generators der Windkraftmaschine ermöglicht es, die elektronischen
Leistungsschaltungen zu steuern, um an ein Netz einen Strom mit
konstanter Frequenz zu liefern, unabhängig von der Drehgeschwindigkeit
des sich drehenden Teils der Windkraftmaschine und somit den Betrieb des
Generators in Abhängigkeit
von der Geschwindigkeit des Windes und des sich drehenden Teils 10 der
Windkraftmaschine zu gewährleisten.
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Der
Rotor 16 des Stromgenerators 12, welcher fest
mit der Nabe 13 verbunden ist, die die Flügel 14 trägt, wird
somit direkt mit der Geschwindigkeit des sich drehenden Teils angetrieben,
was jede Verwendung einer mechanischen Transmission, wie beispielsweise
einem Getriebe, vermeidet.
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Die Änderungen
der Geschwindigkeit des sich drehenden Teils 10 der Windkraftmaschine
werden durch die Leistungselektronik kompensiert, welche es ermöglicht,
den von dem Stromgenerator 12 erzeugten Strom zu transformieren.
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Der
Wind übt
nicht nur Kräfte
aus, die es ermöglichen,
den drehbaren Teil der Windkraftmaschine zu drehen, sondern auch
Kräfte
in Axialrichtung, die aufgenommen werden müssen, um jede Verschie bung
und jede Deformation der Bestandteile des sich drehenden Teils der
Windkraftmaschine, insbesondere des Rotors 16, zu verhindern.
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Die
steife Verbindung der Nabe 13 mit dem sich drehenden Ring
des Lagers 15 erlaubt eine unmittelbare Aufnahme der Axialkräfte am Lager 15, durch
das Traggerüst
der Gondel, welches das Traggerüst 9 und
das Hauptgerüst 8 umfasst.
Es erfolgt somit keinerlei Verschiebung der Elemente des Rotors
in Axialrichtung derart, dass der Luftspalt perfekt konstant gehalten
werden kann.
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Der
Luftspalt zwischen den Rotorelementen und den Statorelementen kann
so geregelt werden, dass der Stator auf dem Rotor magnetische Kräfte in Axialrichtung
ausübt,
die mindestens teilweise die Windkraft in Axialrichtung kompensieren.
Das Lager 15 erfährt
somit minimale Belastungen. Außerdem kann
der Abstand längs
der gemeinsamen Achse der Nabe und des Lagers 15 auf einen
sehr kleinen Wert eingestellt werden, derart, dass die Nabe 13 und
die Flügel 14 benachbart
zum Lager 15 nur sehr wenig gegenüber dem Lager 15 vorstehen,
was zusätzlich Belastungen
des Lagers 15 reduziert.
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Die
Befestigung des Rotors 16 auf der Nabe 13 und
dem sich drehenden Teil des Lagers in einer Stellung unmittelbar
anschließend
an das Lager erlaubt ferner, die Deformation und Ermüdungserscheinungen,
die durch den Betrieb des Rotors 16 auftreten können, zu
reduzieren.
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Wenn
der Wind eine Biegekraft auf die Nabe 13 über die
Bügel 14 um
eine Achse senkrecht zur Drehachse des sich drehenden Teils 10 der
Windkraftmaschine ausübt,
erfährt
der Rotor 16 eine sehr geringe, praktisch vernachlässigbare
Verschiebung, daher, dass er mit der Nabe 13 in einer Lage
verbunden ist, die sich unmittelbar an das Lager 15 anschließt. Das
Lager 15 nimmt die Biegekräfte auf, ohne dass diese an
den Rotor 16 weitergegeben werden. Auf diese Weise vermeidet
man jegliche Verschiebung des Rotors 16, was den Luftspalt
verändern
würde und
gegebenenfalls zu einer Beschädigung
des Rotors durch Ermüdungserscheinungen führen könnte.
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Wie
oben beschrieben, liegt ein Vorteil der Montage des sich drehenden
Teils 10 der Windkraftmaschine auf dem festen Teil über ein
Lager großen Durchmessers
mit einer Befestigung des Rotors des Stromgenerators in einer Stellung
unmittelbar benachbart zum Lager darin, dass eine direkte Kraftübertragung
von Kräften,
die durch den Wind auf den sich drehenden Teil ausgeübt werden,
auf den starren Teil der Gondel 3, ohne über das
Gestell des Stromgenerators zu erfolgen, der somit geringeren Kräften ausgesetzt
ist und der leichter gebaut werden kann. Andererseits ist das Wälzlager,
welches das Lager 15 darstellt, konstant kraftbeaufschlagt
und ein Risiko einer vorzeitigen Ermüdung aufgrund einer zu geringen
Kraftbeaufschlagung der Elemente des Wälzlagers wird somit vermieden.
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Außerdem wird
das Funktionieren des Wälzlagers,
welches das Lager 15 darstellt, durch ein automatisches
Schmiersystem gewährleistet,
welches es erlaubt, in jedem Moment das ausreichende Vorhandensein
von Schmiermitteln an jeder Stelle des Wälzlagers zu gewährleisten,
unabhängig
von der Drehgeschwindigkeit.
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Das
Gerüst
der Windkraftmaschine besteht aus mehreren Untergruppen, die in
Verbindungsebenen mit Verbindungsflanschen miteinander verbunden
sind.
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Eine
erste Untergruppe weist das Hauptgerüst 8 auf, welches
fest mit dem Boden 3a verbunden ist und die verschiedenen
oben angegebenen Bestandteile umschließt und das drehbar um eine
vertikale Achse auf dem oberen Teil des Mastes 2 auf der Höhe der ersten
Verbin dungsebene befestigt ist. Die erste Untergruppe ist an einer
zweiten Untergruppe durch Flansche in der Ebene der Verbindung 11 verbunden.
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Die
zweite Untergruppe, welche das Traggerüst 9 und den Generator 12 umfasst,
besteht aus dem Stator 17 und dem Rotor 16 und
dem Lager 15 und ist mit Flanschen an der ersten Untergruppe
in der Ebene der Verbindung 11 verbunden und auf der Höhe des Lagers 15 mit
einer dritten Untergruppe, die neben der Nabe 13 und den
Flügeln 14 des
drehbaren Teils 10 alle zugehörigen Elemente aufweist, wie
die Bestandteile der aerodynamischen Bremse. Die durch den Wind
auf die dritte Untergruppe ausgeübten
Kräfte
werden durch die erste Untergruppe über die zweite Untergruppe
aufgenommen.
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Die
erste Untergruppe umschließt
ebenfalls verschiedene Elemente, wie den Konverterkasten, den Steuerkasten
der Windkraftmaschine und die Schmier- und Kühlorgane.
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Der
sich drehende Teil 10 der Windkraftmaschine ist am Ende
des Traggerüsts 9 über das
Lager 15, dessen Innenring und dessen Außenring
jeweils mit dem sich drehenden Teil und mit dem Traggerüst 9 verbunden
sind, verbunden.
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Die
Gesamtheit der auf den sich drehenden Teil ausgeübten Kräfte wird auf der Höhe des Lagers 15 durch
den mit dem Boden fest verbundenen Teil der Gondel aufgenommen.