WO2008107441A2 - Windkraftanlage mit zusätzlicher endseitiger flügellagerung - Google Patents

Windkraftanlage mit zusätzlicher endseitiger flügellagerung Download PDF

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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

Definitions

  • the present invention relates to a wind turbine of the windmill principle, which is used for energy supply.
  • Such wind turbines are suitable to cover a proportionate power requirement for all consumers, in the future they will also serve via the hydrolysis of water in addition to oxygen for the production of hydrogen fuel cells in motor vehicles via electricity generated herein the previous drive means gasoline, diesel or natural gas will replace. Furthermore, for the currently oil and gas producing countries, which currently do not live on a high-tech level, among other things, the installation of higher capacity wind turbines from the revenues of their oil and gas operations is an important issue for conservation and development their future existence, when the raw material sources have dried up.
  • wind turbines with a horizontal axis have prevailed worldwide, which usually carry three rotor blades or rotor blades on the rotor, which then supplies the energy generated by wind power to the small power house with gearbox, brake device, generator and control devices.
  • the plants are stationed on masts via a turntable and are operated via control equipment.
  • the present three-bladed wind turbines are exploited in view of the over-production of electricity from nuclear power plants and those with fossil Schu ⁇ toffen only a small proportion, that is, temporarily switched off according to demand of the power distribution, although sufficient wind power would be available.
  • the wind turbine has the following:
  • a circular guide means having a plurality of circumferentially arranged attachment points; - At least two rotor blades, each with its proximal end on the rotor and with its distal end are rotatably supported by the annular guide means; and a plurality of tension cables that pull the attachment points of the circular guide means to the stator for stably supporting the circular guide means in a position concentric with the rotor under tension.
  • a stable bearing portion is provided for the distal end of the rotor blades or the rotor blade heads, which are rotatably mounted for orbit on a circular path around the rotor unit.
  • the rotor blade ends By virtue of the rotor blade ends movably mounted and guided on a circular path through the stationary circular guide device, the forces of the individual rotor blades are transmitted to the rotor axis as a rotational force and can, among other things, be transmitted. be converted into electricity in the generator house in the generator. It would also be possible, instead of today usually three rotor blades attach a larger number to the wind turbine. Furthermore, the
  • Width of the tapered according to the prior art distal ends of the rotor blades are increased.
  • the guide means is supported by the plurality of tension cables concentric with the rotor axis.
  • the parallel to the Axis of the rotor acting on the guide means forces are derived via the multiple tension cables to the stator.
  • the stator has at least one first fastening anchor in the direction of an axis of the rotor in front of the rotor blades and at least one second fastening point in the direction of the axis of the rotor behind the rotor blades and that a first number of the plurality of tension cables with the at least a first fastening anchor and a second number of the plurality of tension cables can be connected to the at least one second fastening anchor.
  • the wind power plant has a machine housing, which forms part of the stator, wherein the at least one first fastening anchor is arranged on the machine housing.
  • the wind power plant has a body which forms part of the stator and is freely rotatably mounted on the rotor, wherein the at least one second fastening anchor is arranged on the body.
  • the machine housing is pivotally mounted in the horizontal plane.
  • the machine housing can be arranged on a column.
  • a running body is arranged, which runs in the annular guide means.
  • the running body has at least one rolling element on the surface lying on the annular guide device.
  • the annular guide device can be designed as an annular hollow rail for enclosing the running body.
  • the running body is connected via a resilient suspension with the distal end of the rotor blades under train and the tensile force caused by the elastic suspension on the rotor blade is adjustable.
  • the running body is formed of several axially staggered trays with ball cages.
  • the elastic suspension is coupled to an axle on which axially offset ball cage trays are mounted.
  • Each of the ball cage trays may have a plurality of supported rolling elements on its outer surface.
  • Figure 1 is a side view of a wind turbine according to an embodiment
  • Figure 2 is a front view of the wind turbine of Figure 1;
  • Figure 3 is a side view of a running body of the wind turbine
  • Figure 4 is a sectional view of the plane AA of Figure 3;
  • Figure 5 is a detail view of another embodiment;
  • FIG. 6 shows a detail view of a further embodiment.
  • Figures 1 and 2 illustrate a wind turbine according to a first embodiment in a side and a front view.
  • a rotor 1 is rotatably mounted about an axis.
  • the axis is preferably substantially parallel to the earth's surface.
  • the rotor 1 extends into a machine housing 2.
  • a generator for power generation or other energy consumers e.g. mechanical water pumps are coupled in the machine housing 2 to the rotor 1 for supply.
  • the machine housing 3 is mounted on a turntable 3.
  • the turntable 3 allows rotation of the machine housing about an axis which is substantially perpendicular to the earth's surface.
  • a suitable drive unit rotates the turntable 3 or the machine housing 2 relative to the turntable 3.
  • the drive unit can be coupled to a sensor for determining the wind direction. In response to the signals from the sensor, the rotor 1 is then aligned in the direction of the wind.
  • the turntable 3 together with the machine housing 2 is arranged on a base 4.
  • the base is 4 columnar trained like.
  • the base 4 is firmly anchored in the soil.
  • a plurality of rotor blades 5 are fixed on the rotor 1 .
  • two, three or four rotor blades or rotor blades are arranged on the rotor 1.
  • the present invention is not limited to this small number of rotor blades 5, but it can also be coupled to a plurality of rotor blades to the rotor 1.
  • Each of the rotor blades 5 is coupled at its proximal end to the rotor 1 in order to transmit a force of the wind acting on the rotor blades 5 to the rotor in the form of a torque.
  • the rotor blades 5 may have a shape tapering towards their distal end. At the proximal end, they are preferably narrow in order to couple them to the rotor 1.
  • the rotor blades 5 can also be formed in many other forms.
  • an adjusting device can be provided which can tilt the rotor blades 5 about their longitudinal axis.
  • the rotor blades 5 are adjusted by the adjusting device so against the wind, that an optimum efficiency is achieved.
  • the leaves can be aligned with their narrow side facing the wind.
  • the mechanical strength of the rotor blades 5 and the materials used for this purpose is limited. Due to the wind, the rotor blades experience a force that bends the rotor blades 5 in the direction of the axis of the rotor 1.
  • the wind power plant provides for the mechanical stabilization of the rotor blades 5, whose distal ends in a guide device 6 to Store to divert the rotational forces in the rotor axis of the rotor 1 with.
  • Each of the rotor blades 5 is thus mounted at its proximal end and at its distal end. As a result, the mechanical stresses on the rotor blade 5 are reduced. Material fatigue, in particular in the region of the coupling of the rotor blades 5 to the rotor 1, is reduced.
  • the storage of the rotor blades 5 thus allows longer rotor blades 5 to use. In this way, the power yield of the wind turbine can be increased, which depends on the swept by the rotor blades 5 surface.
  • the guide device 6 consists of a hollow rail which is bent into a circle or composed of a plurality of individual pieces, eg welded.
  • the guide device 6 is held by tension cables 7, 8 in position.
  • a first number of tensioning cables 7 connect the guide device 6 to the housing 2.
  • the tensioning cables 7 are under tension.
  • the individual tensioning cables 7 are subjected to a different force in order to raise the guide device 6 against the force of gravity and at the same time to keep it concentric with the rotor 1.
  • a second number of tensioning cables 8 connects the guiding device 6 to a plate 9.
  • the plate 9 is preferably rotatably mounted on the rotor 1.
  • the plate 9 is arranged at the end of the rotor 1, which is arranged at a distance from the housing 2.
  • the tensioning cables 8 are thus arranged in the wind direction in front of the rotor blades 5.
  • the first number of tensioning cables 7, however, is arranged behind the rotor blades 5.
  • the second number of tensioning cables 8 are also adjusted in their application of force so that they hold the guide means 6 concentric with the rotor 1. Furthermore, the forces acting along the axis of the rotor 1 compensate for the first number of tensioning cables and the second number of tensioning cables 8. In FIG. 2, five of these tensioning cables are schematically indicated.
  • At the guide device 6 are circumferentially, expediently in parallel Chen intervals attachment points 10 for the tension cables 7, 8 are arranged.
  • On the machine housing 2 first fixing anchors 11 are provided.
  • the first fastening anchor 11 are connected by the tension cables 7 with the Befest Trentspukte 10.
  • Second fastening anchors 12 are arranged on the plate 9. These are connected via a second number of tension cables 8 with the attachment points 10 on the guide device 6.
  • the plate 9 is fixed in such a way that it does not rotate with the rotor 1. On the one hand, this can be ensured by being rotatably mounted on the rotor 1. Further, it is possible to form the rotor 1 as a hollow tube in which a non-rotating core is located. The plate 9 is fixed to the non-rotating core in this case.
  • a running body 13 is arranged at the distal ends of the rotor blades 5, a running body 13 is arranged.
  • the running body 13 is enclosed by the hollow rail in a preferred embodiment.
  • the running body 13 is shown in detail, as it is mounted in the hollow rail 6 mounted.
  • the running rail 6 has a nearly closed profile. Only in the direction of the axis is there a gap.
  • a strut 14 connects the distal end of a rotor blade 5 with the running body 13.
  • the strut 14 is guided through the gap.
  • Rolling elements 20 can be arranged in the form of spherical or needle bearings in the gap 19 for friction-free guiding of the strut.
  • the running body 13 is adapted in its circumference of the hollow rail of the guide device 6.
  • the strut 14 preferably has a spring element 21.
  • the spring element 21 causes a clamping force, which clamps the wing between the rotor 1 and the guide device 6.
  • the spring force of the strut 14 is adjustable, so that the different thermal stresses can be compensated as a function of the temperatures detected by sensors.
  • the guide means can be rolled from a single piece of about 1.5 mm thick chromium steel sheet. The rolled sheet can be wound in spirals of about 10 m in diameter and welded together on site when the wind turbine is installed.
  • the inner diameter of the hollow rail should be about 6 to 7 cm.
  • the open gap has a width of about 2 cm.
  • small slit-like holes may be located to dissipate moisture.
  • the tensioning cables are preferably roped from a bundle of highly leveled, tension-resistant, stainless steel wires.
  • Fig. 5 shows in cross-section a detailed view of another embodiment of the wind turbine.
  • the guide device 6 may be formed by an annular hollow rail similar to the previous embodiments.
  • a running body 13 is freely movable.
  • the rotor blades (not shown) are coupled, for example via a spring element 21.
  • the running body can be formed by a plurality of axially offset ball cage trays 25 as in the previous embodiments.
  • the ball cage trays 15, 25 can be rotatably mounted on a bearing axis 31 in extension of the spring element 21.
  • the running body 13 is magnetised, as will be explained in detail, with a polarization direction 27 parallel to the rotor blades 5, i. in the radial direction of the rotor 1, runs.
  • the two outer ball cage trays 25 are magnetized for this purpose.
  • the magnetization is exemplified by N for north pole and S for south pole.
  • the magnetization can be done by magnetization of a special steel, or by embedding ceramic permanent magnets.
  • the running body 13 consequently has two facets 27, 28 which are opposite one another in the radial direction of the rotor 1 and which are magnetized.
  • a plurality of further permanent magnets 26 are attached on the guide device 6 .
  • the permanent magnets 26 are arranged opposite the magnetized facets 27, 28.
  • the orientation of the permanent magnets 26 is such that they repel the facets 27, 28.
  • the running body 13 is thus held by the repulsive forces in the guide device 6 "floating".
  • the running body 13 is arranged on the bearing axis 31.
  • the running body 13 is secured on the bearing shaft 31 by a nut or a split pin 30. It can also secure a ball bearing ring instead of a nut 30, the running body 13.
  • Fig. 6 shows a modification of the previously described embodiment.
  • One of the trays 35 of the running body 13 is rigidly connected to a rotor blade 5 or a spring element 21 connected therebetween.
  • the tray 35 is not rotatable about the axis of the spring element 21.
  • the tray 35 is designed as a bar magnet whose magnetic orientation 37 is perpendicular to the axis of the spring element or perpendicular to the rotor blade 5.
  • the magnetic poles are again indicated as N and S by way of example.
  • the two poles of the bar magnet opposite permanent magnets are arranged on both sides of the bar magnet 35.
  • the permanent magnets 36 are oriented so as to repel the bar magnet 35, respectively. This also results in a "floating" state of the running body 13.
  • the magnetic forces reduce the pressure or even prevent touching the running body 13 on the lateral wall of the guide device. 6
  • brace strut

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Abstract

Es wird eine neuartige Windkraftanlage vorgestellt. Diese umfasst einen Stator (2, 9), einen Rotor (1), der durch den Stator (2, 9) gelagert ist, eine kreisförmige Führungseinrichtung (6), die eine Mehrzahl von umlaufend angeordneten Befestigungspunkten (10) aufweist, mindestens zwei Rotorflügel (5), die jeweils mit ihrem proximalen Ende an dem Rotor (1) und mit ihrem distalen Ende durch die ringförmige Führungseinrichtung (6) drehbar gelagert sind und mehrere Spannseile (7), die die Befestigungspunkte (10) der kreisförmigen Führungseinrichtung (6) mit dem Stator (2, 9) zum stabilen Haltern der kreisförmigen Führungseinrichtung (6) in einer zu dem Rotor (1) konzentrischen Position unter Zug verbinden.

Description

Windkraftanlage mit zusätzlicher endeeitiger Flügellagerung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windkraftanlage vom Windmühlen-Prinzip, welche zur Energieversorgung Verwendung findet .
Obwohl die vorliegende Erfindung auf beliebige Windkraftanlagen anwendbar, werden ihre Merkmale sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf eine Windkraftanlage mit einer großen Bauart beschrieben.
Derartige Windkraftanlagen sind dazu geeignet, einen anteiligen Strombedarf für alle Verbraucher abzudecken, in der Zukunft werden diese auch über die Hydrolyse von Wasser neben Sauerstoff zur Erzeugung von Wasserstoff dienen, der mittels Brennstoffzellen in Kraftfahrzeugen über hierin erzeugten Strom die bisherigen Antriebsmittel Benzin, Diesel oder Erdgas ersetzen wird. Ferner ist es für die derzeitig Erdöl- und Erdgas produzierenden Länder, die zurzeit auf keinem hochtechnisierten Niveau leben, unter anderem die Installation höherer Kapazitäten an Windkraft-Großanlagen aus den Einnah- men ihrer Erdöl- und Erdgasgeschäfte heraus eine wichtige Frage zur Erhaltung und zum Ausbau ihrer zukünftigen Existenz, wenn die Rohstoffquellen versiegt sind.
Weltweit haben sich bisher Windräder mit horizontaler Achse durchgesetzt, die meist drei Rotorblätter bzw. Rotorflügel am Rotor tragen, der die durch Windkraft erzeugte Energie anschließend in das kleine Maschinenhaus mit Getriebe, Bremsvorrichtung, Generator und Steuereinrichtungen liefert. Die Anlagen sind über einen Drehkranz auf Masten stationiert und werden über Steuerungseinrichtungen betrieben. Die jetzigen drei-flügeligen Windkraftanlagen werden angesichts der Überproduktion an Strom aus Atomkraftwerken und solchen mit fossilen Heizεtoffen nur zu einem geringen Anteil ausgenutzt, das heißt, nach Forderung der Stromverteiler zeitweise abgeschaltet, obwohl genügend Windkraft vorhanden wäre. Bereits heute wäre es notwendig, das gesamte Energieangebot aus Windkraftanlagen abzunehmen, in Speicheranlagen zeitweise zu speichern oder in Energieträger, wie beispielsweise Wasserstoff, zu überführen. Die bisherige Ver~ fahrensweise sollte bei Vorhandensein ' der Windkraft-Großanlagen überwunden sein, denn angesichts des drohenden Endes der Welt-Ressourcen an Kohle und Kohlenwasserstoffen sollte die Verwendung von Kohle, Erdöl und Erdgas zur thermischen Nutzung auch in Kraftfahrzeugen dringend durch Weltkonventio- nen vorzeitig verboten und das Verbot auch durchgesetzt werden, damit die chemische Industrie der Welt und das Hüttenwesen noch über längere Zeit über diese wichtigen Rohstoffe verfügen kann. Erst dann wird Strom aus alternativen und regenerativen Energien die wichtigste Stromquelle werden. Wind- kraft-Großanlagen der vorgenanten Größe können bei der notwendigen Neuordnung des Welt-Energiekonsums und deren Umsetzung als eine wichtige Stützsäule dienen.
Zwar leisten die derzeit in Deutschland existierenden Wind- kraftanlagen eine beachtliche Stromerzeugung, aber insgesamt beträgt die Höhe der durch alternative Energien (Wind, Wasser, Sonne) erzeugte Strom nur etwa 10% des gesamten volkswirtschaftlichen Stromverbrauchs .
Bei den drei-flügeligen Windkraftanlagen gemäß dem Stand der Technik hat sich die Tatsache als nachteilig herausgestellt, dass diese drei-flügeligen Windkraftanlagen eine geringe Leistungsfähigkeit aufweisen, da die Flügel eine dem Wind ausgesetzte Fläche von lediglich etwa 60 qm nutzen. Ferner ist die Leistungsfähigkeit durch die von den Flügeln über- strichene Kreisfläche begrenzt. Die bisher verwendeten Auf- bauten von Windkraftanlagen begrenzen die Länge der Flügel und damit die überstrichene Kreisfläche aufgrund einer maximalen Beanspruchbarkeit verwendeter Materialien für die Flügel .
Im Stand der Technik findet sich der Ansatz zur Lösung dieses Problems, die Leistungsfähigkeit der drei-flügeligen Windkraftanlagen dadurch zu erhöhen, dasε die Maße der Rotorflügel in Länge und Breite erhöht werden.
An diesem Ansatz hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt, dass die derzeitigen Verbundwerkstoffe wie Glasfaser und Kunstharz es nicht zulassen, die Maße der Rotorflügel erheblich zu erhöhen, da eine Gewichtszunahme mit den Anforderungen an die Stabilität konkurriert und diese nachteilig beeinflusst oder sogar ausschließt. Die Möglichkeit, die Rotorflügel für eine erhöhte Aufnahme von Windkraft dort zu verbreitern, wo sie gemäß dem Stand der Technik eher einen spitzförmigen Verlauf einnehmen, scheitert ebenfalls an den Stabilitätsanforderungen, da auch in diesem Fall mit einer erheblichen Gewichtszunahme zu rechnen ist.
Somit ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Windkraftanlage mit einer erhöhten Leistungsfähigkeit auf Grund erhöhter Aufnahme von Windkraft gegenüber den Ansätzen gemäß dem Stand der Technik zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Windkraftanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Demgemäß weist die Windkraftanlage folgendes auf:
- einen Stator,-
- einen Rotor, der durch den Stator gelagert ist;
- eine kreisförmige Führungseinrichtung, die eine Mehrzahl von umlaufend angeordneten Befestigungspunkten aufweist; - mindestens zwei Rotorflügel, die jeweils mit ihrem proximalen Ende an dem Rotor und mit ihrem distalen Ende durch die ringförmige Führungseinrichtung drehbar gelagert sind; und mehrere Spannseile, die die Befestigungspunkte der kreisförmigen Führungseinrichtung mit dem Stator zum stabilen Haltern der kreisförmigen Führungseinrichtung in einer zu dem Rotor konzentrischen Position unter Zug verbinden .
Ein stabiler Lagerabschnitt wird für das distale Ende der Ro- torflügel bzw. der Rotorflügel-Köpfe geschaffen, wobei diese für einen Umlauf auf einer Kreisbahn um die Rotoreinheit drehbar gelagert sind. Durch diese zusätzliche Lagerung der distalen Enden der Rotorflügel durch die kreisförmige oder ringförmige Führungεeinrichtung oder Ringträgerelement können die einzelnen Rotorflügel mit einer größeren Länge, erwartet ohne Einschränkung des Schutzgegenstandes von der doppelten Länge von etwa 100 m oder länger, einer größeren Breite und einem erhöhten Gewicht ausgebildet werden. Ferner können mehrere Rotorflügel mit verschmälerten ausgebildeten proximalen Enden mit der Rotoreinheit verbunden werden, da die Rotoreinheit im Gegensatz zum Stand der Technik nicht das gesamte Gewicht der Rotorflügel aufnehmen muss, und somit ein verjüngter Lagerabschnitt ausreicht. Durch die auf einer Kreisbahn beweglich gelagerten und geführten Rotorflügel- Enden durch die feststehende kreisförmige Führungseinrichtung werden die Kräfte der einzelnen Rotorflügel auf die Rotorachse als Drehkraft übertragen und können u.A. im Maschinenhaus im Generator zu Strom umgewandelt werden. Es wäre ferner möglich, statt heute üblicherweise drei Rotorflügel eine größere Anzahl an der Windkraftanlage anzubringen. Ferner kann die
Breite der gemäß dem Stand der Technik spitz auslaufenden distalen Enden der Rotorflügel vergrößert werden.
Die Führungseinrichtung wird durch die mehreren Spannseile konzentrisch zu der Rotorachse gehaltert. Die parallel zur Achse des Rotors auf die Führungseinrichtung wirkenden Kräfte werden über die mehreren Spannseile an den Stator abgeleitet.
In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Stator min- destens einen ersten Befestigungsanker in Richtung einer Achse des Rotors vor den Rotorflügein und mindestens einen zweiten Befestigungspunkt in Richtung der Achse des Rotors hinter den Rotorflügeln aufweist und dass eine erste Anzahl der mehreren Spannseile mit dem mindestens einen ersten Befesti- gungsanker und eine zweite Anzahl der mehreren Spannseile mit dem mindestens einen zweiten Befestigungsanker verbindbar sind.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Windkraftanlage ein Maschinengehäuse aufweist, das einen Teil des Stators bildet, wobei der mindestens eine erste Befestigungsanker an dem Maschinengehäuse angeordnet ist.
Gemäß einer Weiterbildung weist die Windkraftanlage einen Körper auf, der einen Teil des Stators bildet und an dem Rotor frei drehbar gelagert ist, wobei der mindestens eine zweite Befestigungsanker an dem Körper angeordnet ist.
in einer Ausgestaltung ist das Maschinengehäuse in der hori- zontalen Ebene schwenkbar gelagert.
Das Maschinengehäuse kann auf einer Säule angeordnet sein.
In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass an dem distalen Ende der Rotorflügel ein Laufkörper angeordnet ist, der in der ringförmigen Führungseinrichtung läuft.
Gemäß einer Weiterbildung weist der Laufkörper mindestens einen Wälzkörper an der ringförmigen Führungseinrichtung auf- liegenden Oberfläche auf. Die ringförmige Führungseinrichtung kann als ringförmige Hohlschiene für ein Umschließen des Laufkörpers ausgebildet sein.
In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Laufkörper über eine elastische Aufhängung mit dem distalen Ende der Rotorflügel unter Zug verbunden und die durch die elastische Aufhängung auf den Rotorflügel bewirkte Zugkraft einstellbar ist.
Gemäß einer Weiterbildung ist der Laufkörper aus mehreren axial zueinander versetzten Tabletts mit Kugelkäfigen gebildet.
In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die elastische Aufhängung mit einer Achse gekoppelt ist, auf der axial zueinander versetzte Kugelkäfig-Tabletts gelagert sind.
Jedes der Kugelkäfig-Tabletts kann an seiner äußeren Oberflä- che mehrere gelagerte Wälzkörper aufweisen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden in den Figuren der Zeichnung illustriert und detaillierter in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung näher erläutert. Von den Figuren zeigt:
Figur 1 eine Seitenansicht einer Windkraftanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Figur 2 eine Vorderansicht der Windkraftanlage gemäß Figur 1;
Figur 3 eine Seitenansicht eines Laufkörpers der Windkraftanlage;
Figur 4 eine Schnittansicht der Ebene A-A von Figur 3; Figur 5 eine Detailansicht einer weiteren Ausführungsform; und
Figur 6 eine Detailansicht einer weiteren Ausführungs- form.
In den Figuren der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.
Die Figuren 1 und 2 illustrieren eine Windkraftanlage gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer Seiten- bzw. einer Vorderansicht .
Ein Rotor 1 ist um eine Achse drehbar gelagert. Die Achse ist vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Erdoberfläche. Der Rotor 1 erstreckt sich bis in ein Maschinengehäuse 2. In dem Maschinengehäuse sind unter Anderem die zur Führung des Rotors notwendigen Lager angeordnet. Ein Generator zur Stromge- winnung oder andere Energieverbraucher, z.B. mechanische Wasserpumpen, sind in dem Maschinengehäuse 2 an den Rotor 1 zur Versorgung angekoppelt. Das Maschinengehäuse 3 ist auf einem Drehteller 3 gelagert. Der Drehteller 3 ermöglicht eine Rotation des Maschinengehäuses um eine Achse, die im Wesentlichen senkrecht zur Erdoberfläche steht. Hierdurch wird eine Ausrichtung des Maschinengehäuses einschließlich des Rotors 1 in eine gewünschte Himmelsrichtung ermöglicht. Eine geeignete Antriebseinheit dreht den Drehteller 3 bzw. das Maschinengehäuse 2 relativ zu dem Drehteller 3. Die Antriebseinheit kann mit einem Sensor zu Bestimmung der Windrichtung gekoppelt werden. Ansprechend auf die Signale des Sensors wird dann der Rotor 1 in Richtung zu dem Wind ausgerichtet.
Der Drehteller 3 samt dem Maschinengehäuse 2 ist auf einem Sockel 4 angeordnet. Typischerweise ist der Sockel 4 säulen- artig ausgebildet. Der Sockel 4 ist fest in dem Erdreich verankert .
An dem Rotor 1 sind mehrere Rotorblätter 5 befestigt. Vor- zugsweise sind zwei, drei oder vier Rotorblätter bzw. Rotorflügel an dem Rotor 1 angeordnet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese geringe Anzahl an Rotorblättern 5 eingeschränkt, sondern es können auch mehrere Rotorblätter an den Rotor 1 angekoppelt werden. Jedes der Rotorblätter 5 ist mit seinem proximalen Ende mit dem Rotor 1 gekoppelt, um eine auf die Rotorblätter 5 wirkende Kraft des Windes auf den Rotor in Form eines Drehmoments zu übertragen.
Die Rotorblätter 5 können wie in Figur 2 dargestellt eine zu ihrem distalen Ende zulaufende Form aufweisen. An dem proximalen Ende sind sie vorzugsweise schmal, um sie an dem Rotor 1 anzukoppeln. Die Rotorblätter 5 können auch in vielfältigen anderen Formen ausgebildet werden.
In dem Rotor 1 oder an der Aufhängung der Rotorblätter 5 an dem Rotor 1 kann eine Stellvorrichtung vorgesehen sein, die die Rotorblätter 5 um ihre Längsachse kippen kann. In Kombination mit einer Windgeschwindigkeitseinrichtung oder entsprechender Steuerungseinrichtung werden die Rotorblätter 5 durch die Stellvorrichtung so gegen den Wind angestellt, dass ein optimaler Wirkungsgrad erreicht wird. Bei hohen Windstärken oder wenn aus Wartungsgründen die Windkraftanlage aus dem Betrieb genommen wird, können die Blätter mit ihrer schmalen Seite dem Wind zugewandt ausgerichtet werden.
Die mechanische Belastbarkeit der Rotorblätter 5 und der hierfür verwendeten Materialien ist begrenzt. Durch den Wind erfahren die Rotorblätter eine Kraft, die die Rotorblätter 5 in Richtung der Achse des Rotors 1 verbiegt. Die Windkraftan- läge sieht zur mechanischen Stabilisierung der Rotorblätter 5 vor, deren distale Enden in einer Führungseinrichtung 6 zu lagern, um die Drehkräfte in der Rotorachse des Rotors 1 mit abzuleiten. Jedes der Rotorblätter 5 ist somit an seinem proximalen Ende und an seinem distalen Ende gelagert. Hierdurch verringern sich die mechanischen Belastungen auf das Rotor- blatt 5. Materialermüdungen, insbesondere im Bereich der An- kopplung der Rotorblätter 5 an dem Rotor 1, werden verringert. Die Lagerung der Rotorblätter 5 ermöglicht somit längere Rotorblätter 5 zu verwenden. Hierdurch kann die Leistungs- ausbeute der Windkraftanlage erhöht werden, die von der von den Rotorblättern 5 überstrichenen Fläche abhängt.
Die Führungseinrichtung 6 besteht in der dargestellten Ausführungsform in Figur 1 aus einer Hohlschiene, die zu einem Kreis gebogen ist bzw. aus mehreren Einzelstücken zusammenge- setzt, z.B. geschweißt, wird. Die Führungseinrichtung 6 wird durch Spannseile 7, 8 in Position gehalten. Eine erste Anzahl von Spannseilen 7 verbinden die Führungseinrichtung 6 mit dem Gehäuse 2. Die Spannseile 7 stehen unter Zug. Die einzelnen Spannseile 7 werden mit einer unterschiedlichen Kraft beauf- schlagt, um die Führungseinrichtung 6 gegen die Schwerkraft anzuheben und zugleich konzentrisch zu dem Rotor 1 zu halten. Eine zweite Anzahl von Spannseilen 8 verbindet die Führungs- einrichtung 6 mit einer Platte 9. Die Platte 9 ist vorzugsweise an dem Rotor 1 drehbar gelagert. Die Platte 9 ist an dem Ende des Rotors 1 angeordnet, das beabstandet von dem Gehäuse 2 angeordnet ist. Die Spannseile 8 sind somit in Windrichtung gesehen vor den Rotorblättern 5 angeordnet. Die erste Anzahl von Spannseilen 7 hingegen ist hinter den Rotorblättern 5 angeordnet. Die zweite Anzahl von Spannseilen 8 sind ebenfalls in ihrer Kraftbeaufschlagung so eingestellt, dass sie die Führungseinrichtung 6 konzentrisch zu dem Rotor 1 halten. Ferner kompensieren sich die längs der Achse des Rotors 1 wirkenden Kräfte der ersten Anzahl von Spannseilen und der zweiten Anzahl von Spannseilen 8. In Figur 2 sind schematisch fünf dieser Spannseile angedeutet. An der Führungseinrichtung 6 sind umlaufend, zweckmäßigerweise in glei- chen Abständen Befestigungspunkte 10 für die Spannseile 7, 8 angeordnet. An dem Maschinengehäuse 2 sind erste Befestigungsanker 11 vorgesehen. Die ersten Befestigungsanker 11 werden durch die Spannseile 7 mit den Befestigungspuήkten 10 verbunden. Zweite Befestigungsanker 12 sind an der Platte 9 angeordnet. Diese werden über eine zweite Anzahl von Spannseilen 8 mit den Befestigungspunkten 10 an der Führungseinrichtung 6 verbunden.
Die Platte 9 ist derart befestigt, dass sie sich mit dem Rotor 1 nicht mitdreht. Dies kann einerseits dadurch gewährleistet werden, dass sie drehbar an dem Rotor 1 gelagert ist. Ferner ist es möglich, den Rotor 1 als hohle Röhre auszubilden, in der ein sich nicht rotierender Kern befindet. Die Platte 9 wird in diesem Fall an dem nicht rotierenden Kern befestigt .
An den distalen Enden der Rotorflügel 5 ist ein Laufkörper 13 angeordnet. Der Laufkörper 13 wird von der Hohlschiene in ei~ ner bevorzugten Ausführungsform umschlossen. In Figur 3 ist der Laufkörper 13 im Detail dargestellt, wie er in der Hohlschiene 6 gelagert angeordnet ist. Die Laufschiene 6 weist ein nahezu geschlossenes Profil auf. Nur in Richtung zu der Achse besteht ein Spalt. Eine Verstrebung 14 verbindet das distale Ende eines Rotorflügels 5 mit dem Laufkörper 13. Die Strebe 14 wird durch den Spalt geführt. Wälzkörper 20 können in Form von Kugel- oder Nadellagern in dem Spalt 19 zum rei- bungsfreien Führen der Verstrebung angeordnet werden.
Der Laufkörper 13 ist in seinem Umfang der Hohlschiene der Führungseinrichtung 6 angepasst. In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform setzt sich der Laufkörper aus einer Mehrzahl von Kugelkäfig-Tabletts 15, frei drehbar an der Verstrebung 14 gelagert, zusammen (Figur 4). Die Verstrebung 14 weist vorzugsweise ein Federelement 21 auf. Das Federelement 21 bewirkt eine Spannkraft, welche den Flügel zwischen dem Rotor 1 und der Führungseinrichtung 6 einspannt. Zweckmäßigerweise ist die Federkraft der Verstre- bung 14 einstellbar, so dass die unterschiedlichen thermischen Spannungen in Abhängigkeit der Temperaturen, erfasst durch Sensoren, ausgeglichen werden können. Die Führungseinrichtung kann aus einem einzigen Stück eines etwa 1,5 mm starken Chromstahlblechs gewalzt werden. Das gewalzte Blech kann in Spiralen von etwa 10 m Durchmesser aufgewickelt werden und vor Ort bei Montage der Windkraftanlage zusammengeschweißt werden. Der Innendurchmesser der Hohlschiene sollte etwa 6 bis 7 cm aufweisen. Der offene Spalt weist etwa eine Breite von 2 cm auf. Am unteren Halbring der Führungseinrich- tung, möglichst an der Stelle, die von den Kugeln nicht berührt wird, können zum Ableiten von Feuchtigkeit sich kleine spaltartige Löcher befinden.
Im Bereich des Spalts sind im rechten Winkel lippenförmige Verstärkungen angebracht. An diesen lippenförmigen Verstärkungen können die Befestigungspunkte für die Spannseile eingebracht werden.
Die Spannseile sind vorzugsweise aus einem Bündel hochvergü- teter, zugfester, rostfreier Stahldrähte geseilt.
Fig. 5 zeigt im Querschnitt eine Detailansicht einer weiteren Ausführungsform der Windkraftanlage. Die Führungseinrichtung 6 kann gleich den vorhergehenden Ausführungsbeispielen durch eine ringförmige Hohlschiene gebildet sein. Innerhalb der ringförmigen Hohlschiene 6 ist ein Laufkörper 13 frei beweglich. An dem Laufkörper 13 sind die Rotorblätter (nicht dargestellt) beispielsweise über ein Federelement 21 gekoppelt. Der Laufkörper kann wie in den vorherigen Ausführungsformen durch mehrere axial zueinander versetzte Kugelkäfig-Tabletts 25 gebildet werden. Die Kugelkäfig-Tabletts 15, 25 können drehbar auf einer Lagerachse 31 in Verlängerung des Federelements 21 gelagert sein.
Der Laufkörper 13 ist magnetisiert, wie im Detail dargelegt wird, wobei eine Polarisationsrichtung 27 parallel zu den Rotorflügeln 5, d.h. in radialer Richtung des Rotors 1, verläuft. In dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel sind dazu die beiden äußeren Kugelkäfig-Tabletts 25 magnetisiert. Die Magnetisierung ist beispielhaft durch N für Nordpol und S für Südpol angegeben. Die Magnetisierung kann durch Magnetisierung eines speziellen Stahls, oder durch Einbetten von keramischen Permanentmagneten erfolgen.
Der Laufkörper 13 weist folglich zwei in radialer Richtung des Rotors 1 einander gegenüberliegende Facetten 27, 28 auf, die magnetisiert sind.
,An der Führungseinrichtung 6 sind mehrere weitere Permanentmagnete 26 befestigt. Die Permanentmagneten 26 sind den mag- netisierten Facetten 27, 28 gegenüberliegend angeordnet. Die Ausrichtung der Permanentmagnete 26 ist derart, dass sie die Facetten 27, 28 abstoßen. Der Laufkörper 13 wird somit durch die abstoßenden Kräfte in der Führungseinrichtung 6 „schwebend" gehalten.
Der Laufkörper 13 ist auf der Lagerachse 31 angeordnet. Der Laufkörper 13 wird auf der Lagerachse 31 durch eine Mutter oder eine Splint 30 gesichert. Es kann auch ein Kugellagerring anstelle einer Mutter 30 den Laufkörper 13 sichern.
Fig. 6 zeigt eine Abwandlung der vorher beschriebenen Ausführungsform. Eines der Tabletts 35 des Laufkörpers 13 ist starr mit einem Rotorblatt 5 beziehungsweise einem dazwischen geschalteten Federelement 21 verbunden. Das Tablett 35 ist nicht drehbar um die Achse des Federelements 21. Das Tablett 35 ist als Stabmagnet ausgebildet, dessen magnetische Orientierung 37 senkrecht zu der Achse des Federelements oder senkrecht zu dem Rotorblatt 5 liegt. Die magnetischen Pole sind wiederum als N und S beispielhaft angedeutet. Den beiden Polen des Stabmagneten gegenüberliegend sind Permanentmagnete an beiden Seiten des Stabmagneten 35 angeordnet. Die Permanentmagnete 36 sind derart orientiert, dass sie den Stabmagnet 35 jeweils abstoßen. Hierdurch ergibt sich ebenfalls ein „schwebender" Zustand des Laufkörpers 13. Die magnetischen Kräfte verringern den Andruck oder verhindern gar ein Berühren des Laufkörpers 13 an der seitlichen Wandung der Führungseinrichtung 6.
Bezugszeichenliste
1 Rotor mit Achse
2 Stator-Maschinenhaus 3 Drehteller
4 Sockel (Turm)
5 Rotorflügel
6 Führungseinrichtung (ringförmige)
7 erste Spannseile 8 zweite Spannseile
9 Stator Maschinenhaus (Teil)
10 Befestigungsanker an der Führungseinrichtung
11 erster Befestigungsanker
12 zweiter Befestigungsanker 13 Laufkörper (am Ende der Rotorflügel mit drei Kugelkäfig- Tabletts)
14 Verstrebung (Strebe) bzw. Bohrung für Verstrebung
, 15 Kugelkäfige-Tabletts
17 Kugelkäfig mit Kugeln 19 Spalt
20 Rollenlager um Verstrebung
21 Federteil

Claims

Patentansprüche
1. Windkraftanlage, mit: einem Stator (2,9); einem Rotor (1), der durch den Stator (2,9) gelagert ist; einer kreisförmigen Führungseinrichtung (6), die eine Mehrzahl von umlaufend angeordneten Befestigungspunkten (10) aufweist; mindestens zwei Rotorflügeln (5) , die jeweils mit ihrem proximalen Ende an dem Rotor (1) und mit ihrem distalen Ende durch die ringförmige Führungseinrichtung (6) drehbar gelagert sind; und mehreren Spannseilen (7), die die Befestigungspunkte (10) der kreisförmigen Führungseinrichtung (6) mit dem Stator (2,9) zum stabilen Haltern der kreisförmigen Führungseinrichtung (6) in einer zu dem Rotor (1) konzentrischen Position unter Zug verbinden.
2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2,9) mindestens einen ersten Befestigungsanker (11) in Richtung einer Achse des Rotors (1) vor den Rotorflügeln (5) und mindestens einen zweiten Befestigungsanker (12) in Richtung der Achse des Rotors (1) hinter den Rotorflügeln (5) aufweist und dass eine erste Anzahl der mehreren Spannseile (7) mit dem mindestens einen ersten Befestigungsanker (11) und eine zweite Anzahl der mehreren Spannseile (8) mit dem mindestens einen zweiten Befestigungsanker (12) verbindbar sind.
3. Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Windkraftanlage ein Maschinengehäuse (2) aufweist das einen Teil des Stators (2,9) bildet, wobei der mindestens eine erste Befestigungsanker (11) an dem Maschinengehäuse (2) angeordnet ist.
4. Windkraftanlage nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die Windkraftanlage einen Körper (9) aufweist, der einen Teil des Stators (2,9) bildet und an dem Rotor (1) frei drehbar gelagert ist, wobei der mindestens eine zweite Befestigungsanker (12) an dem Körper (9) angeordnet ist.
5. Windkraftanlage nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinengehäuse (2) in der horizontalen Ebene schwenkbar gelagert ist.
6. Windkraftanlage nach Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinengehäuse (2) auf einer Säule (4) angeordnet ist.
7. Windkraftanlage nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem distalen Ende der Rotorflügel (5) ein Lauf- körper (13) angeordnet ist, der in die ringförmige Führungseinrichtung (6) eingreift.
8. Windkraftanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Laufkörper (13) mehrere Wälzkörper (15) an der auf der ringförmigen Führungseinrichtung (6) aufliegenden Oberfläche aufweist.
9. Windkraftanlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Führungseinrichtung (6) als ringförmige Hohlschiene für ein Umschließen des Laufkörpers (13) ausgebildet ist.
10. Windkraftanlage nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Laufkörper (13) über eine elastische Aufhängung (14) mit dem distalen Ende der Rotorflügel (5) unter Zug verbunden und die durch die elastische Aufhängung (14) auf den Rotorflügel (5) bewirkte Zugkraft einstellbar ist.
11. Windkraftanlage nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Laufkörper (13) aus mehreren axial zueinander versetzten Kugelkäfig-Tabletts (15) gebildet ist.
12. Windkraftanlage nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Aufhängung (14) mit einer Achse ge- koppelt ist, auf der axial zueinander versetzte Kugelkäfig-Tabletts (15) gelagert sind.
13. Windkraftanlage nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Kugelkäfig-Tabletts (15) an seiner äußeren Oberfläche gelagerte Wälzkörper (17) aufweist.
14. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 13 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Laufkörper und die ringförmige Führungseinrichtung (6) jeweils einander gegenüberliegende magnetisier- te Bereiche aufweisen, die einander abstoßen.
15. Windkraftanlage nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die magnetisierten Bereiche derart angeordnet sind, dass repulsive magnetische Kräfte den Laufkörper (13) zentriert in der Führungseinrichtung (6) halten.
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