WINDENERGIEANLAGE UND GONDEL DAFÜR
Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem eine sich etwa in Schwererichtung erstreckende Turmachse aufweisenden Turm, einer am oberen Ende des Turms bezüglich der Turmachse drehbar gelagerten Gondel und einem bezüglich einer quer, ins- bes. etwa senkrecht, zur Turmachse verlaufenden Rotorachse drehbar an der Gondel gelagerten Rotor, bei der die Gondel einen geometrisch von der Turmachse durchsetzten Grundrahmen und eine sich auf der dem Rotor abgewandten Seite des Grundrahmens ausgehend davon bezüglich der Turmachse radial nach außen erstreckende und eine zum Abstützen von Anlagenkomponenten, wie etwa eines ggf. über ein Getriebe an den Rotor gekoppelten Generators, dienende Abstützfläche aufweisende Trägeranordnung umfaßt.
Windenergieanlagen mit einem Turm, einer drehbar darauf angebrachten Gondel und einem drehbar an der Gondel gelagerten Rotor sind bspw. in der WO 2006/032237 A2 beschrieben. Bei diesen bekannten Windenergieanlagen ist ein Grundrahmen der Gondel wellenförmig ausgestattet, um die Lasteinleitung der statischen und dynamischen Kräfte in den Turm der Windenergieanlage zu verbessern. Das soll bei bekannten Windenergieanla-
gen dadurch geschehen, dass an den Verbindungspunkten zwischen dem wellenförmig ausgestalteten Grundrahmen und dem den Grundrahmen mit dem Turm verbindenden Drehlager nur Punktlasten entstehen, die optimal ableitbar sind. Bei der bekannten Anlage ist die Gondel oberhalb des Grundrahmens nach Art einer selbsttragenden Fachwerkkonstruktion ausgeführt.
Die in der genannten Schrift vorgeschlagene punktförmige Krafteinleitung ist im besonderen bei solchen Anlagen problematisch, bei denen Anlagenkomponenten, wie etwa Generatoren, Getriebe, Schaltschränke, in einem großen radialen Abstand von der Turmachse auf der Gondel abgestützt werden müssen, weil die punktförmige Krafteinleitung in diesen Fällen zu Instabilitäten führt. Entsprechend ist die in der WO 2006/032237 A2 beschriebene Gondel so konstruiert, dass diese Konstruktion keine Krafteinleitung von in einem großen radialen Abstand bezüglich der Turmachse auftretenden Gewichtskräften erfordert.
Die bekannte Konstruktion ist dann problematisch, wenn, wie bei modernen Windenergieanlagen üblich, in der Gondel der Windenergieanlage auch noch weitere Anlagenkomponenten, wie etwa Getriebe, Generatoren und/oder Schaltschränke, untergebracht werden sollen, so dass die über einen im wesentlichen durch die etwa horizontal verlaufende Rotorwelle gebildeten Haupttriebsstrang über das Getriebe an den Generator übertragene Windenergie unmittelbar in der Gondel in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Zur Lösung dieser Probleme werden Windenergieanlagen eingesetzt, bei denen die Gondel zusätzlich zu dem Grundrahmen auch noch einen sich auf der dem Rotor abgewandten Seite des Grundrahmens ausgehend davon bezüglich der Turmachse radial nach außen erstreckende und eine zum Abstützen von Anlagenkomponenten, wie etwa eines ggf. über ein Getriebe an den Rotor gekoppelten Generators, dienende Abstützfläche aufweisende Trägeranordnung umfaßt. Derartige Gondelkonstruktionen bieten genug Platz für die Unterbringung aller wesentlichen Anlagenkomponenten.
Entsprechende Windenergieanlagen sind bspw. in der DE-A-102008046210 beschrieben. Bei den in dieser Schrift angegebenen Windenergieanlagen ist die Trägeranordnung konsolenartig an den Grundrahmen angeschraubt, wobei der Trägerrahmen hauptsächlich durch Vertikalkräfte belastet wird und die Hauptlast durch das Gewicht und das Drehmoment des Generators erzeugt wird. Derartige konsolenartig an den Grundrahmen angeschraubte Trägeranordriungen erfahren bspw. durch aerodynamische und statische
Unwuchten Nick- und Seitenbeschleunigungen, welche zu Rißbildungen in der Trägeranordnung führen können. Gemäß der DE-A- 102008046210 werden diese Probleme durch eine gelenkige Verbindung der einzelnen die Trägeranordnung bildenden Trägerelemente gelöst.
Bei den bekannten Windenergieanlagen wird die zur Abstützung besonders schwerer Anlagenkomponenten, wie etwa Generatoren, benötigte Vertikalsteifigkeit durch Vergrößerung der Trägerelemente der Trägeranordnung erreicht. Ferner kommen Trägerelemente mit entsprechenden Querschnittsprofilen, wie etwa Doppel-T-Profilen, zum Einsatz, welche ein besonders hohes Drehmoment in der gewünschten Richtung aufweisen. Dabei wird auch von der Erkenntnis Gebrauch gemacht, dass die Auslenkung der Trägeranordnung umgekehrt proportional zur dritten Potenz der Trägerhöhe ist. Dennoch werden bei modernen Windenergieanlagen mit besonders hoher Nennleistung (Multimegawattanlagen) im Hinblick auf die Größe und das Gewicht der in diesen Anlagen benötigten Generatoren Trägerprofile benötigt, welche eine Höhe von bis zu 800 mm erreichen. Das ist mit einem entsprechend hohen Materialeinsatz und einem im Hinblick auf das hohe Eigengewicht der Trägerelemente besonders hohen Montageaufwand verbunden.
Angesichts dieser Probleme im Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Windenergieanlagen der eingangs beschriebenen Art bereitzustellen, die sich bei geringerem Materialeinsatz ohne übermäßigen Montageaufwand montieren lassen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Weiterbildung der bekannten Windenergieanlagen gelöst, die im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass die Trägeranordnung eine zumindest teilweise mit Abstand oberhalb der Abstützfläche angeordnete Stabilisierungsanordnung aufweist, in die bei Beaufschlagung der Abstützfläche mit einer Kraft in die Schwererichtung eine Zugkraft eingeleitet wird.
Bei der erfindungsgemäßen Windenergieanlage wirkt die Stabilisierungseinrichtung wie der Obergurt einer Brücke, dessen Untergurt durch die die Abstützfläche bildenden und vom Grundrahmen ausgehenden Bauelemente der Trägeranordnung gebildet wird. Der durch die Stabilisierungseinrichtung gebildete Obergurt kann in einem grundsätzlich frei wählbaren Abstand oberhalb der Abstützfläche angeordnet sein, um so das statische Moment der Gesamtkonstruktion zu vergrößern, ohne dadurch das Gewicht der Trägeranordnung insgesamt zu erhöhen. Die Anlagenkomponenten, wie etwa der Generator, können
zumindest teilweise zwischen Stabilisierungseinrichtung und Abstützfläche angeordnet sein. Daher kann unter gleichzeitiger Verbesserung der Steifigkeit der Gesamtanordnung auch eine deutliche Reduzierung der Gesamthöhe der Gesamtanordnung bzw. der die Abstützfläche bildenden Bauelemente erreicht werden, weil es nicht mehr erforderlich ist, einzelne Trägerelemente mit einer besonders großen Bauhöhe einzusetzen. Es ergibt sich so eine Verminderung des Gesamtgewichts der Trägeranordnung, eine Verminderung der Höhe der einzelnen Elemente der Trägeranordnung, eine Erhöhung der Steifigkeit der Trägeranordnung in vertikaler Richtung und die Möglichkeit, die Auskragung bzw. Spannweite der Trägeranordnung zu erhöhen. Insgesamt trägt die Verminderung des Gewichts der Trägeranordnung und der Höhe der Trägerelemente bei gleichzeitiger Erhöhung der Steifigkeit der Trägeranordnung in Vertikalrichtung zur Vereinfachung der Montage der Windenergieanlage bei, wobei auch die Möglichkeit, die Auskragung bzw. Spannweite der Trägeranordnung zu erhöhen, eine Montageerleichterung mit sich bringt, weil die einzelnen Anlagenkomponenten nunmehr auf einer insgesamt vergrößerten Abstützfläche angeordnet werden können. Die Auskragung der Trägeranordnung erfindungsgemäßer Windenergieanlagen über den Grundrahmen hinaus kann 5 m oder mehr, insbes. 7 m oder mehr, betragen, wobei sich eine Gesamthöhe von 2 m oder mehr, insbes. etwa 3 m oder mehr, ergeben kann.
Im Sinne einer weiteren Montagevereinfachung hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn Grundrahmen und Trägeranordnung mindestens zweiteilig ausgeführt sind, wobei die Trägeranordnung mindestens ein am Grundrahmen befestigtes und sich quer zur Turmachse, insbes. etwa in horizontaler Richtung, erstreckendes Abstützelement, wie etwa einen Doppel-T-Träger, aufweist. Zweckmäßigerweise weist die Trägeranordnung zwei etwa parallel zueinander verlaufende und die Abstützfläche begrenzende Abstützelemente auf, von denen jedes über eine Schraubverbindung am Grundrahmen befestigt sein kann. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Stabilisierungseinrichtung können die einzelnen Abstützelemente, wie etwa einzelne Doppel-T-Träger, ohne Beeinträchtigung der Vertikal- steifigkeit mit einer geringeren Bauhöhe und einem entsprechend geringeren Gewicht ausgeführt sein, so dass auch geringere Anforderungen an die Schraubverbindungen gestellt werden. Mithin können entsprechende Schrauben kleiner und wirtschaftlicher gewählt werden. Die Trägerelemente können geschlossene oder offene Querschnitte aufweisen, wobei sich der Einsatz von Doppel-T-Profilen als besonders günstig erwiesen hat.
Die Trägeranordnung einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage weist zweckmäßigerweise mindestens ein sich etwa parallel zur Turmachse erstreckendes oder einen
spitzen Winkel von weniger als 15 °, insbes. weniger als 10 °, mit der Turmachse einschließendes und zum Abstützen der Stabilisierungseinrichtung an dem Turm dienendes Trägerelement auf, wobei das untere Ende des Trägerelements vorzugsweise auf dem drehbar am Turm abgestützten Grundrahmen ruht, um so eine direkte Krafteinleitung von der Stabilisierungseinrichtung (über den Grundrahmen) in den Turm zu ermöglichen. Die Stabilisierungseinrichtung kann mindestens ein den Obergurt aufweisendes und sich mit Abstand vorzugsweise etwa parallel zum Abstützelement in horizontaler Richtung erstreckendes oder einen spitzen Winkel von weniger als 15 °, insbes. weniger als 10 °, mit dem Abstützelement einschließendes Stabilisierungselement aufweisen, das bspw. mit einer Schraubverbindung an das obere Ende des Trägerelements angeschlossen ist.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Stabilisierungseinrichtung zwei etwa parallel zueinander verlaufende, bspw. jeweils nach Art eines Doppel-T-Trägers oder L-Trägers ausgeführte, Stabilisierungselemente auf, welche eine Kranbahn für einen auf der Gondel montierten Kran bilden können. Eine weitere Stabilisierung der Gesamtanordnung ist erreichbar, wenn das Stabilisierungselement über ein einerseits an ein Abstützelement und andererseits an das Stabilisierungselement befestigtes Kopplungselement mit dem Abstützelement verbunden ist, wobei sich das Kopplungselement nach Art einer Strebe etwa parallel zum Trägerelement zwischen Stabilisierungselement und Abstützelement erstrecken kann. Zusätzlich oder alternativ können strebenartige Kopplungselemente zum Einsatz kommen, die einen spitzen Winkel von vorzugsweise etwa 30 bis 60 ° mit dem Stabilisierungselement einschließen.
Eine weitere Stabilisierung der Gesamtanordnung ist möglich, wenn das Trägerelement nach Art eines die Spannweite eines Kragarms reduzierenden Pylons eingesetzt wird und die Stabilisierungseinrichtung mindestens ein sich ausgehend vom dem Grundrahmen abgewandten oberen Ende des Trägerelements und/oder eines Kopplungselements auf dessen dem Rotor abgewandten Seite schräg nach unten in Richtung auf das Abstützelement erstreckendes und damit verbundenes Zugelement und/oder ein sich ausgehend vom oberen Ende des Trägerelements und/oder eines Kopplungselements auf dessen dem Rotor zugewandten Seite schräg nach unten in Richtung auf den Grundträger erstreckendes und damit verbundenes Zugelement aufweist.
Im Hinblick auf den Erhalt der gewünschten Gesamtstabilität der Trägeranordnung bezüglich Torsionslasten, Schublasten in horizontaler Richtung u. dgl. hat es sich als be-
sonders zweckmäßig erwiesen, wenn die Trägeranordnung zwei in einer etwa horizontal verlaufenden Abstützebene nebeneinander angeordnete längsgestreckte Abstützelemente aufweist, von denen jedes an einer dem Rotor abgewandten Seite des Grundrahmens befestigt ist und die Stabilisierungseinrichtung mindestens zwei in einer oberhalb der Abstützebene verlaufenden Stabilisierungsebene angeordnete längsgestreckte Stabilisierungselemente umfaßt, wobei die Abstützelemente und die Stabilisierungselemente in einer senkrecht zur Längsrichtung eines Abstützelements verlaufenden Schnittebene auf den Eckpunkten eines Rechtecks angeordnet sind. Bei erfindungsgemäßen Windenergieanlagen kann der Grundrahmen aus einem Gußmaterial gebildet sein, während die lösbar damit verbundene Trägeranordnung eine geschweißte Stahlstrebenkonstruktion umfassen kann.
Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung, auf die hinsichtlich aller erfindungswesentlichen und in der Beschreibung nicht näher herausgestellten Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird, erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage und
Fig. 2 eine Draufsicht auf die an dem Grundrahmen befestigte Trägeranordnung.
Die in der Zeichnung dargestellte Windenergieanlage umfaßt einen Turm 5 und eine insgesamt mit 10 bezeichnete Gondel. Die Gondel 10 weist einen bezüglich der Turmachse A drehbar am oberen Ende des Turms 5 gelagerten Grundrahmen 20 und eine insgesamt mit 30 bezeichnete Trägeranordnung auf. Die Trägeranordnung 30 erstreckt sich auf der dem durch die strichpunktiert angedeutete Rotornabe 8 abgewandten Seite des Grundrahmens 20 ausgehend davon bezüglich der Achse A des Turms 5 radial nach außen. Die Trägeranordnung 30 dient im wesentlichen zum Abstützen des Generators der Windenergieanlage. Sie umfaßt zwei an den Grundrahmen 20 angeschraubte und sich ausgehend davon etwa in horizontaler Richtung radial nach außen erstreckende, bspw. nach Art eines Doppel-T-Profils gebildete, Abstützelemente 12, welche über Querträger 13 miteinander verbunden sind. So ergibt sich ein Trägerrahmen der bspw. in der DE 10 2008 046 210 beschriebenen Art. Der Offenbarungsgehalt dieser Schrift wird im Hinblick auf im Rahmen dieser Erfindung einsetzbare Trägerrahmen hiermit durch ausdrückliche Inbezugnahme in diese Beschreibung aufgenommen. Die oberen Begrenzungsflächen der Abstützelemente 12 und Querträger 13 bilden zum Abstützen von Anlagenkomponenten dienende Abstützflächen 32. Die oberhalb des durch die Abstützelemente 12 gebildeten Trägerrahmens an-
geordnete Stabilisierungseinrichtung umfaßt ebenfalls zwei sich etwa parallel zu den Abstützelementen 12 erstreckende Stabilisierungselemente 14, welche über sich etwa parallel zur Turmachse A in Schwererichtung erstreckende bzw. einen spitzen Winkel von weniger als 10 ° mit der Turmachse A einschließende Streben 16 sowie über einen Winkel γ von 30 bis 60 0 C mit den Stabilisierungselementen einschließende Streben 42 mit den Abstützelementen 12 verbunden sind. In einer senkrecht zur Längsachse der Abstützelemente 12 verlaufenden Schnittebene liegen die Abstützelemente 12 und die Stabilisierungselemente 14 etwa auf den Eckpunkten eines Rechtecks.
Zusätzlich zu den Abstützelementen 12 und den Stabilisierungselementen 14 umfaßt die erfindungsgemäße Trägeranordnung 30 auch noch ein an seinem unteren Ende auf dem Grundrahmen 20 ruhendes Trägerelement 40, welches sich ausgehend vom Grundrahmen 20 etwa parallel zur Turmachse A bzw. einen spitzen Winkel ß von weniger als 10 ° mit dem Grundrahmen einschließend nach oben erstreckt. Die Stabilisierungselemente 14 sind mit der dem Rotor 8 abgewandten Begrenzungsfläche des Trägerelements 40 verbunden. Ferner dient das Trägerelement 40 als Pylon, an dessen oberen Ende auf der dem Rotor 8 zugewandten Seite sich schräg nach unten in Richtung auf den Grundrahmen 20 erstreckenden Zugelemente 44 angebracht sind, um so die wirksame Spannweite des durch die Trägeranordnung 30 gebildeten Kragarms zu vermindern. Bei Beaufschlagung der von den Abstützelementen 12 begrenzten Abstützfläche 32 mit einer Last in Schwererichtung werden die Kräfte über die Streben 16 in die Stabilisierungselemente 14 eingeleitet, welche dann als Obergurt der Gesamtkonstruktion eine Zugbelastung erfahren. Zusätzlich werden auch noch Zugkräfte über das Zugelement 44 in den Grundrahmen 20 eingeleitet. Auf diese Art und Weise kann eine Erhöhung der Vertikalsteifigkeit der Gesamtkonstruktion und gleichzeitig eine Verminderung der Beanspruchung der Schraubverbindung 22 zwischen Grundrahmen 20 und Abstützelementen 12 erreicht werden.