Anlage zur Nutzung der Windenergie
Das technische Sachgebiet
Die Erfindung betrifft Anlagen zur Nutzung der Windenergie, z. B. Windkraftanlagen, die aus einem Turm mit einer Luftschraube und einem Maschinenhaus bestehen.
Der Stand der Technik
Bisher bekannte Anlagen zur Nutzung der Windenergie z. B. Windkraftanlagen, bestehenden aus einem massiven Turm mit einer Luftschraube und einem Maschinenhaus mit Getriebemechanismus und einem Generator, die am Turmscheitel angeordnet sind.
Der Turm mit dem Rotor leisten dem strömenden Wind gewissen Widerstand und sind dadurch mit einem Kippmoment belastet, der durch ein massives und schweres Grundwerk, mit dem der Turmkörper meistens mit Schrauben verbunden ist, eliminiert wird. Zum Nachteil von solcher Anordnung sind beträchtliche materielle Ansprüche der Turmteile und des Grundwerkes geworden. Die Hochlage der Masse des Maschinenhauses am Turmscheitel neigt zum Aufschaukeln der gesamten Konstruktion. Als Folge der Einlagerung des Getriebes und der Generatoren in einer Gondel am Turmscheitel zeigt sich große Lärmreichweite, denn je höher die Lärmquelle installiert ist, desto weiter hört man sie. Die Montage von solchen Ausführungen der Windkraftanlagen ist sehr anspruchsvoll, was die technischen Anlagen ( Hochhebekräne, bzw. in unzugänglichen Gebieten Hubschrauber), die Qualifikation und physische Trefflichkeit des Montagepersonals betrifft. Ebenfalls die Leistungen des Bedienungs- und Instandhaltungspersonals sind sehr anspruchsvoll und mühsam.
Die genannten Nachteile verteuern den Anlagenwert und dadurch im Vergleich zu klassischen Stromquellen auch den Strompreis und verlängern auch die Rückflußdauer der gebrachten Finanzmitteln.
Das Wesen der Erfindung
Die o. y. Nachteile werden von einer Anlage zur Nutzung der Windenergie bestehenden mindestens aus einem Turm, einer Luftschraube und einem Maschinenhaus nach der Erfindung beseitigt. Der Sachgegenstand besteht darin, dass mindestens ein Turm in Form eines doppelarmigen Hebels gestaltet wird, der schwankend zu einer Drehhülse des mit dem Fundament verbundenen Tragmastes befestigt wird. Am längeren Arm des doppelarmigen Hebels ist eine Luftschraube und am kürzeren Arm des doppelarmigen Hebels ist ein Maschinenhaus untergebracht, wobei zwischen dem Turm und der Drehhülse mindestens eine Hebeeinheit in pneumatischen oder hydraulischen Ausführung angeordnet wird. Eine Dämpfung- und Hebeeinheit ist zwischen der Befestigung der Drehhülse des Tragmastes und der Aufhängung des Turmes gespreizt und dient gleichzeitig zum Umkippen des Turmes aus der horizontalen Ausgangsposition in die aufgerichtete Arbeitsposition und zurück. Die Drehhülse stellt die Drehung des Turmes in die Windrichtung sicher.
Der Vorteil der Anlage nach der Erfindung besteht darin, dass übermäßige
Windstöße an den aufgerichteten Turm und Windschraube durch teilweise gesenkten Turm in der Windrichtung eliminiert sind und im Rückkehr des Turmes in die Ausgangslage bei Abnahme der Windstärke. In Abhängigkeit vom
Neigungswinkel des Turmes ändert sich auch die Durchflußfläche der Luftschraube.
Der zur Strömungsrichtung senkrechte ringförmige Durchmesser der
Luftschraubefläche wechselt zu einer elliptischen bis sogar geraden Form in der
Nullhorizontlage des Turmes. Dadurch kommt zu der gewünschten Regelung der optimalen Leistung der Luftschraube im Verhältnis zu der Generatorleistung. Der zweite Vorteil der genannten Ausführung ist die Umlegung des Turmes sehr tief zum
Boden, so dass die Montage des Turmes und der Luftschraube sehr einfach ist und keine speziellen Mechanismen fordert. Aus diesem Grund ist auch die
Instandhaltung der Anlage einfach. Die Maschinenhausmontage wird auch in der tiefen Bodenstellung durchgeführt. Die Selbststabilisierung der Endlagen des
Turmes in der horizontalen und Arbeitsposition ist Folge des günstigen Einsatzes eines Hilfsgegengewichtes, dessen Gewicht im Abhängigkeit zu den Turmarmlängen so gewählt ist, dass in der horizontalen Turmlage der Kippmoment des längeren
Armes des Turmes mit der Luftschraube überwiegt, in der Arbeitsstellung dann der Kippmoment des kürzeren Turmarmes mit dem Maschinenhaus.
In einer günstigen Ausführung kann die Dämpfung- und Hebeeinheit mit einer schiebbaren Vorrichtung für den Vorschub der Dämpfung- und Hebeeinheit aus der horizontalen Grundlage in die aufgerichtete Arbeitsposition zum Zweck der Verkürzung des Kolbenweges der Dämpfungeinheit versorgt werden.
Die Dämpfung- und Hebeeinheit kann in günstigen Ausführung aus einem Druckwerk gebaut werden, dass aus einem Zylinder, Kolben und eine Quelle des Druckmediums, z. B. Luft ( Kompressor ) besteht. Bei Anlagen, die mit einer Quelle des Druckmediums nicht ausgerüstet sind, kann die Dämpfung- und Hebeeinheit mit einer Schubvorrichtung nachgerüstet werden, die aus einer Laufschraube mit Mutter besteht, die in einem mit der Dämpfung- und Hebeeinheit verbundenen Schubfuß befestigt ist.
Der größte Vorteil der Anlagen nach der Erfindung sind der Bau und der Betrieb von zweitürmigen Ausführungen von diesen Windkraftanlagen auf einem Grundwerkkomplex. In dieser günstigen Ausführung besteht diese Anlage nach der Erfindung von zwei miteinander verbundenen Türmen, die gemeinsam an einer Drehhülse des Tragmastes befestigt und mit einer gemeinsamen Dämpfung- und Hebeeinheit verbunden sind.
In einer weiteren günstigen Ausführung ist das Maschinenhaus mittels einer Drehaufhängung am kürzeren Turmarm aufgehängt und mit einem Stabilisierungsstab mit der Drehhülse des Tragmastes verbunden. Diese Ausführung ermöglicht eine Stabilisierung der horizontalen Lage des Maschinenhausbodens unabhängig von der Neigung des Turmes.
In der letzten günstigen Ausführung der Erfindung ist der Turm mindestens von einem Rohr gebildet, das mit einem Druckmedium, z. B. Gas oder Flüssigkeit für die Druckenergieübertragung von der Luftschraube zum Maschinenhaus, gefüllt wird.
Der Vorteil der Erfindung besteht weiterhin darin, dass in Folge der Reduktion des Kippmoments des Turmes auf Minimalwerte die Belastung der Grundwerkblöcke geringfügig und dadurch auch der Grundwerkgewicht ebenfalls minimal ist, was nur von den örtlichen geologischen Bedingungen und des Gesamtgewichtes der Anlage abhängt. Dieser Vorteil ermöglicht den Einsatz von solchen Anlagen auch z. B. an stillgelegten Bohrinseln, die man sonst nicht nutzen kann. Die gewonnene Stromenergie kann man z. B. zur billigen Meerwasserentsalzung oder zur Wasser- und Sauerstoffproduktion anhand Zersetzung des entsalzten Wassers einsetzen.
Zeichnungsübersicht
Die Anlage nach der Erfindung wird näher anhand von Zeichnungen erklärt, wobei diese - wie folgt - bezeichnen: Abb. 1 Fachwerk-Einturmwindkraftanlage in aufgerichteten Arbeitsposition, Abb. 2 zeigt die gleiche Windkraftanlage in der gekippten Stellung, beide Zeichnungen in Seitensicht. Abb. 3 zeigt den Plan der Dämpfung- und Hebeeinheit mit einem Druckwerk und Drosselventilen für umkehrbaren Kolbenweg mit differenzieller Einstellung der Drosselwerte, Abb. 4 stellt die Vorschubvorrichtung mit der Laufschraube im vertikalem Schnitt dar, Abb. 5 zeigt die gleiche Vorrichtung in Draufsicht, Abb. 6 stellt die zweitürmige Ausführung der Windkraftanlage mit der Stabilisierung der horizontalen Stellung in der Seitensicht dar, die Abb. 7 die gleiche Anlage in der Windrichtungssicht. Abb. 8 stellt in der Seitensicht eine Windkraftanlage mit Rohren dar, die mit einem Druckmedium gefüllt sind. Abb. 9 zeigt eintürmige Ausführung der Windkraftanlage mit Auflegung des Turmes an den Seiten der Hülse des Tragmastes.
Ausführungsbeispiel
Auf den Abbildungen 1 und 2 ist die Anlage nach der Erfindung mit dem Turm 1_ in einer Fachwerkkonstruktion dargestellt, die mit Hilfe des Bolzen 9_ im Gabelblock 10 der Drehhülse 11_ des Tragmastes 2_ gelagert ist. Der Tragmast 2_ ist mit der Basis
3 mit Hilfe der Profilträger 23_ und der Betonschuhen 24 verbunden. Der Turm 1 bildet einen doppelarmigen Hebel, wobei am längeren Arm die Luftschraube 5 und
am kürzeren Arm das Maschinenhaus 7 mit einem Hilfsgegengewicht 25 untergebracht sind. Zwischen dem Turm 1 und der Drehhülse V\_ befindet sich die Dämpfung- und Hebeeinheit 8. Der Tragmast 2 ist ein Hohlkörper, im dessen Inneren die Kabel der Schleifringe und Kabel von sonstigen Meldern und der Steuerung der Hilfselemente führen. Die Drehhülse V\_ ist am Tragmast 2 in Radial- und Axiallagern untergebracht, die die wirkende Kräfte auffangen und das Drehen des Turmes in die Windrichtung ermöglichen. Unter der Drehhülse H des Tragmastes 2 befindet sich das Zahnrad 26, mit einem Ritzel 27 des Mechanismus fürs Drehen des Turmes 1 und gleichzeitig zur Dämpfung des Turmdrehens M Bei einer kleineren Anlage kann die Drehung des Turmes 1 mit der Luftschraube 5 in die optimale Windlage automatisch, anhand der leeseitigen Plazierung der Luftschraube 5 stattfinden. Für die Erhebung des Turmes 1 aus der horizontalen Grundstellung in die aufgerichtete Arbeitsposition ist die Dämpfung- und Hebeeinheit 8 nach Abb. 3 von einem Druckwerk, z. B. Luftdruckwerk, das aus Zylinder 13, des Kolbens 14, Kompressor 1_5, Drosselventilen 27, 2 und eines Vierwegeventils 33 besteht, gebildet. Nach Abb. 4 und 5 setzt sich die Schubvorrichtung 12 aus der Laufschraube 16 mit der Mutter 17_, die im Schubfuß 18 befestigt und mit dem ein Ende der Dämpfung- und Hebeeinheit 8_verbunden ist, zusammen. Der Schubfuß 18 wird in der Prismenführung des festen Teiles der Schubvorrichtung 12, die mit der Drehhülse H verbunden ist, geführt. Die Laufschraube 16 ist durch das Getriebe 28 mit dem Elektromotor 29 verbunden. Die Abbildungen 6 und 7 zeigen ein Beispiel der zweitürmigen Ausführung der Windkraftanlage, wo die Türme 1 und V_ der Fachwerkkonstruktion miteinander in einem Stützpunkt verbunden und im Gabelblock 10 der Drehhülse V\_ des Tragmastes 2 befestigt und mit gemeinsamer Dämpfung- und Hebestangeinheit 8 verbunden sind. Die längeren Arme 4 und _ T sind mit dem Versteifungsbalken 30 verbunden. Das Maschinenhaus 7 ist durch Drehbolzen 19 an den kürzeren Armen 6, 6' der Türme 1, Y aufgehängt und mit einem Stabilisierungsstab 20 mit der Drehhülse H des Tragmastes 2 verbunden. Die Abbildung 8 zeigt ein Beispiel einer Ausführung der Anlage nach der Erfindung, wo der Turm 1 von drei mittig plazierten Rohren 21. mit der Steife 31 gebildet wird, wobei der Innenraum der Rohren 21 für die Kraftübertragung von der Luftschraube 5 zum Maschinenhaus 7 mit Flüssigkeit 22 gefüllt wird. In der genannten Ausführung nach diesem Beispiel ist der Tragmast 2 auf einem zentralen Grundwerkblock 32 befestigt.
Ein anderes günstiges Beispiel der Ausführung der Einturmwindkraftanlage stellt die Abb. 9 dar, wo die Lagerung des Turmes 1 an Seiten der Drehhülse 1_1 des Tragmastes 2 durchgeführt wird. Diese Lösung bringt einen Vorteil in der Verringerung der Turmhöhe 1 in der horizontalen Stellung und auch den Einsatz einer Luvluftschraube.
Industrielle Nutzung
Die Anlagen zur Nutzung der Windenergie nach der Erfindung kann man beispielsweise als Windkraftanlagen entweder für den Aufbau auf dem Festland, oder z. B. an stillgelegten Bohrinseln einsetzen.