WO2009118138A2 - Windradanlage zur energieerzeugung - Google Patents

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WO2009118138A2
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a wind turbine for power generation, with a tower, a rotatably mounted at the top of the tower about a vertical axis and the power generator receiving nacelle, at least three arranged on the hub of the rotor blades and at the end of the rotor blades at a radial distance from each other arranged circular Rings, between which a plurality of vanes are arranged to increase the torque acting on the rotor.
  • a wind turbine of this type is known from DE 10130310 A1.
  • the circular rings are each formed as pairs of rings.
  • One ring of each ring pair is movably connected respectively to the leading edges of the rotor blades, and the other ring is movably connected to each of the trailing edges of the rotor blades. If the angle of attack of the rotor blades is changed, then the front rings move against the rear rings. The angle of attack of the vanes, which are arranged between these rings, thereby also changes.
  • the performance of a wind turbine can be significantly increased.
  • a stable construction can be realized.
  • the ring construction with the additional vanes is because of their exposed to very high wind forces so that the wind turbine becomes unstable and can easily be damaged.
  • the invention has the object of providing a wind turbine with the structure mentioned above in such a way that it can be realized even with the current large wind turbines with relatively long rotor blades.
  • a stabilization tube is arranged on the nacelle in extension of the rotor axis, at the end of rods or cables are attached, which are connected to the arranged at the end of the rotor blades rings.
  • this stabilizing construction it is also possible to realize windmills with a very large diameter in this manner, for example by varying the length of the stabilizing tube and the number of stabilizing rods and / or cables in accordance with the respective requirements.
  • an additional stabilization of the system can be achieved in that the tip of the stabilizing tube rests on a bearing supported by support rods bearing, wherein the support rods are supported on a below the outer ring on the tower rotatably mounted with the nacelle boom.
  • the jib rotating in sync with the nacelle serves not only to support and stabilize the system, but can also serve other purposes.
  • a braking device with a part of the Ring construction can come into mechanical engagement. This makes it possible, if necessary, mechanically decelerate the wind turbine and / or mechanically block the wind turbine at a standstill.
  • the boom opens the possibility to arrange on the boom, the stator of one or more linear generators, wherein the rotating outer ring of the wind turbine forms the rotor part of the linear generators.
  • These linear generators can be used for the additional electronic motors and, if required, they can also serve as electrical brakes for the windmill if required.
  • the ring construction can also be designed such that a ring consisting, for example, of a tube is disposed between two drive wheels which are in frictional contact with this ring and which are rotatable about vertical axes and through which further rotation generators are driven.
  • Fig. 1 a wind turbine according to the invention in the
  • FIG. 2 shows the wind turbine system illustrated in FIG. 1 in a side view, partly in section
  • Fig. 3 shows another embodiment of a wind turbine according to the invention in a partially sectioned
  • FIG. 4 shows a rotatable arm with a cooperating with the outer ring of the wind turbine linear motor.
  • Fig. 6 is a detail of FIG. 5 in an enlarged view
  • Fig. 7 shows a Konsiruktion ⁇ es wind turbine with an additional drive ring for two additional rotating generators.
  • Figs. 1 and 2 carries the tower 1 of the wind turbine at its tip the nacelle 2.
  • the nacelle 2 is rotatably mounted about the vertical center axis of the tower 1 and is by a suitable control device in its horizontal orientation controlled depending on the wind direction.
  • the rotatably mounted boom 3 is controlled in its horizontal orientation, so that the nacelle 2 and the boom 3 rotate synchronously with each other.
  • an inner circular ring 6 and an outer circular ring 7 are arranged.
  • the rings 6 and 7 have in the illustrated case a circular cross-section. They consist, for example, of tubes of a fiber-reinforced plastic, in particular of a polymer reinforced with suitable tissue fibers. But they can also consist of highly tear-resistant gastight fabric tubes. When such fabric tubes are filled with compressed air or other suitable gas under pressure, they automatically assume a circular shape. Between the rings 6 and 7, a plurality of vanes 8 is arranged.
  • the vanes 8 are fixedly connected to the two rings 6 and 7 at a moderate angle of attack.
  • the wind turbine is provided with a control device through which the nacelle is rotated in response to the wind direction in a favorable for Leiischaufein Wi ⁇ keisieiiung.
  • the guide vanes 8 may also be made of fiber-reinforced plastic or of a highly tear-resistant fabric, each between two radially extending
  • the profile of the guide vanes 8 expediently has the same or a similar shape as the profile of the rotor blades 4.
  • a stabilizing tube 12 is arranged in extension of the rotor axis, whose length depends on the diameter of the wind turbine.
  • the tip of this stabilizing tube 12 is mounted in a rotary bearing, which is arranged at the end of the two supports 13, 14.
  • the supports 13, 14 are rigid with the arm 3 rotating synchronously with the nacelle connected and thus form a stable storage for the stabilizing tube.
  • the two rings 6,7 are connected via tie rods or ropes 15, so that the forces acting on the rings 6,7 wind forces are discharged to the stabilizing tube and the system receives the required stability.
  • the guide vanes 21 are arranged between two circular rigid rings 19,20, which consist of hollow sections, for example made of light metal or of a lightweight composite material.
  • the hollow profiles preferably have a cross section like the wings of airplanes, wherein in each case the curved side is directed to the guide vanes 21. In this way, an additional suction effect, which leads to an amplification of the air flow acting on the guide vanes 21, is created by the air flow flowing through between the rings 19, 20.
  • the vanes 21 are in turn arranged at a suitable average angle between the hollow sections and firmly connected thereto, for example, welded or glued.
  • the rotating outer ring 20 is a rotor part of an electric linear generator, as shown in its basic structure in Figs. 4 and 5.
  • the stator part 23 of the linear generator is arranged on the boom 3.
  • the linear generator thus formed can also be used for power generation by the resulting electrical power is fed into the grid. But it can also be used as an electric brake in case of need.
  • a circular tube 25 may be arranged, which runs between the two brake shoes 26,27 a shoe brake.
  • the jaw brake is also arranged on the boom 3.
  • FIG. 7 an embodiment is shown, in which attached to the rings 19,20 annular tube 25 between two oppositely disposed, each rotatable about a vertical axis friction wheels 29,30 runs through and these two wheels 29,30 by frictional contact in Rotation offset.
  • the friction wheels 29,30 each sit on the shaft of an alternator 31, 32, which in turn are arranged on the boom 3.
  • alternator 31, 32 can also be used to generate energy by the electric power generated thereby is fed into the power grid. But you can also serve as a braking device for the wind turbine in case of need.

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Abstract

Bei einer Windradanlage zur Energieerzeugung mit einer an der Spitze eines Turms (1) um eine senkrechte Achse drehbar gelagerten und den Stromgenerator aufnehmenden Gondel (2) und wenigstens drei an der Nabe des Rotors angeordneten Rotorflügeln (4) sind am Ende der Rotorflügel (4) in radialem Abstand voneinander kreisförmige Ringe (6, 7) angeordnet. Zwischen diesen Ringen (6, 7) sind sur Erhöhung des Drehmomentes eine Vielzahl von Leitschaufeln angeordnet. Die Gondel (2) trägt in Verlängerung der Rotorachse ein Stabilisierungsrohr (12). Am Ende des Stabilisierungsrohres (12) sind Stangen oder Seile (15) angebracht, die mit den am Ende der Rotorflügel (4) angeordneten Ringen (6, 7) verbunden sind. Die Spitze des Stabilisierungsrohres (12) ruht auf einem von Stützen (13, 14) getragenen Lager. Die Stützen (13, 14) stützen sich auf einem unterhalb des äußeren Ringes (7) drehbar gelagerten Ausleger (3) ab, der sich synchron mit der Gondel (2) dreht.

Description

Windradanlage zur Energieerzeugung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Windradanlage zur Energieerzeugung, mit einem Turm, einer an der Spitze des Turms um eine senkrechte Achse drehbar gelagerten und den Stromgenerator aufnehmenden Gondel, wenigsten drei an der Nabe des Rotors angeordneten Rotorblättern sowie am Ende der Rotorblätter in radialem Abstand voneinander angeordneten kreisförmigen Ringen, zwischen denen zur Erhöhung des auf den Rotor einwirkenden Drehmoments eine Vielzahl von Leitschaufeln angeordnet sind.
Eine Windkraftanlage dieser Art ist aus der DE 10130310 A1 bekannt. Bei diesem bekannten Windrad sind die kreisförmigen Ringe jeweils als Ringpaare ausgebildet. Ein Ring jedes Ringpaares ist jeweils mit den Vorderkanten der Rotorblätter, und der andere Ring jeweils mit den Hinterkanten der Rotorblätter beweglich verbunden. Wird der Anstellwinkel der Rotorblätter verändert, dann verschieben sich die vorderen Ringe gegen die hinteren Ringe. Der Anstellwinkel der Leitschaufeln, die zwischen diesen Ringen angeordnet sind, ändert sich dadurch ebenfalls.
Durch die Anordnung zusätzlicher Leitschaufeln an der Peripherie der Rotorblätter kann die Leistung eines Windrades erheblich gesteigert werden. Bei Windrädern mit relativ kurzen Rotorblättern lässt sich eine stabile Konstruktion verwirklichen. Wenn jedoch die Rotorblätter sehr lang sind, wie das bei den heute üblichen Windrädern der Fall ist, ist die Ringkonstruktion mit den zusätzlichen Leitschaufeln wegen ihrer großen Angriffsfläche sehr hohen Windkräften ausgesetzt, so dass das Windrad instabil wird und leicht Schaden nehmen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windradanlage mit dem eingangs genannten Aufbau so auszugestalten, dass sie auch bei den heute üblichen großen Windrädern mit verhältnismäßig langen Rotorflügeln realisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an der Gondel in Verlängerung der Rotorachse ein Stabilisierungsrohr angeordnet ist, an dessen Ende Stangen oder Seile angebracht sind, die mit den am Ende der Rotorblätter angeordneten Ringen verbunden sind.
Je nach Ausführung dieser Stabilisierungskonstruktion lassen sich auf diese Weise auch Windräder mit sehr großem Durchmesser realisieren, indem beispielsweise die Länge des Stabilisierungsrohres und die Anzahl der Stabilisierungsstangen und/oder Seile entsprechend den jeweiligen Anforderungen variiert werden.
In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann eine zusätzliche Stabilisierung des Systems dadurch erreicht werden, dass die Spitze des Stabilisierungsrohres auf einem von Stützstangen getragenen Lager ruht, wobei die Stützstangen sich auf einem unterhalb des äußeren Ringes an dem Turm synchron mit der Gondel drehbar gelagerten Ausleger abstützen. Diese zusätzliche Lagerung der Spitze des Stabilisierungsrohres ermöglicht es, die auf das Stabilisierungsrohr einwirkenden Biegekräfte wesentlich zu reduzieren.
Der sich synchron mit der Gondel drehende Ausleger dient nicht nur zur Abstützung und zur Stabilisierung des Systems, sondern kann darüber hinaus auch zu anderen Zwecken dienen. Beispielsweise kann auf dem Ausleger eine Bremsvorrichtung angeordnet sein, die mit einem Teil der Ringkonstruktion in mechanischen Eingriff kommen kann. Dadurch wird es möglich, im Bedarfsfall das Windrad mechanisch abzubremsen und/oder das Windrad im Stillstand mechanisch zu blockieren.
Ebenso eröffnet der Ausleger die Möglichkeit, auf dem Ausleger den Statorteil eines oder mehrerer Lineargeneratoren anzuordnen, wobei der rotierende äußere Ring des Windrades den Rotorteil der Lineargeneratoren bildet. Diese Lineargeneratoren können für die zusäiziiche Eπmyieyewiriπuπy yeπulzi weiden, υüei auei im Bedarfsfaii auch als elektrische Bremse für das Windrad dienen.
Die Ringkonstruktion kann auch so ausgeführt sein, dass ein beispielsweise aus einem Rohr bestehender Ring zwischen zwei in Reibkontakt mit diesem Ring einander gegenüber stehenden, um vertikale Achsen drehbaren Antriebsrädern steht, durch die weitere Rotationsgeneratoren angetrieben werden.
Anhand der Zeichnungen werden nachfolgend mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.
Von den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Windradanlage in der
Vorderansicht;
Fig. 2 die in Fig. 1 dargestellte Windradanlage in einer teilweise im Schnitt dargestellten Seitenansicht;
Fig. 3 eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Windradanlage in einer teilweise im Schnitt dargestellten
Seitenansicht; Fig. 4 einen drehbaren Ausleger mit einem mit dem äußeren Ring des Windrades zusammenwirkenden Linearmotor;
Fig. 5 einen drehbaren Ausleger mit einer zusätzlichen mechanischen Bremse für das Windrad,
Fig. 6 eine Einzelheit aus Fig. 5 in vergrößerter Darstellung, und
Fig. 7 eine Konsiruktion αes Windrades mit einem zusätzlichen Antriebsring für zwei zusätzliche rotierende Generatoren.
Wie aus den Fig. 1 und 2 im einzelnen zu erkennen ist, trägt der Turm 1 der Windradanlage an seiner Spitze die Gondel 2. Die Gondel 2 ist um die senkrechte Mittelachse des Turms 1 drehbar gelagert und wird durch eine geeignete Regeleinrichtung in ihrer horizontalen Ausrichtung in Abhängigkeit von der Windrichtung gesteuert. In gleicher Weise wird der drehbar gelagerte Ausleger 3 in seiner horizontalen Ausrichtung gesteuert, so dass sich die Gondel 2 und der Ausleger 3 synchron miteinander drehen.
An den Enden der Rotorflügel 4 sind ein innerer kreisförmiger Ring 6 und ein äußerer kreisförmiger Ring 7 angeordnet. Zur weiteren Stabilisierung der Ringe 6,7 dienen die mit der Nabe 1 1 verbundenen Distanzstangen 5. Die Ringe 6 und 7 haben im dargestellten Fall einen kreisförmigen Querschnitt. Sie bestehen beispielsweise aus Rohren aus einem faserverstärkten Kunststoff, insbesondere aus einem mit geeigneten Gewebefasern verstärkten Polymer. Sie können aber auch aus hoch reißfesten gasdichten Gewebeschläuchen bestehen. Wenn solche Gewebeschläuche mit Druckluft oder einem anderen geeigneten Gas unter Druck gefüllt werden, nehmen sie automatisch eine kreisförmige Gestalt an. Zwischen den Ringen 6 und 7 ist eine Vielzahl von Leitschaufeln 8 angeordnet. Damit das Windrad durch eine Konstruktion, die ein Verdrehen der Leitschaufeln ermöglichen würde, nicht zu schwer wird, sind die Leitschaufeln 8 unter einem mittleren Anstellwinkel mit den beiden Ringen 6 und 7 fest verbunden. Um dem Wind bei fest stehendem Anstellwinkel der Leitschaufeln immer eine optimale Angriffsfläche zu bieten, ist das Windrad mit einer Steuereinrichtung versehen, durch die die Gondel in Abhängigkeit von der Windrichtung in eine für die Leiischaufein günstige Wiπkeisieiiung gedrehi wird.
Die Windanteile, die auf die Ringe 6 und 7 auftreffen, werden durch Zentrifugalkräfte tangential nach außen abgelenkt. Damit die durch den inneren Ring 6 abgelenkten Luftströme die Zuströmung des Windes zu den Leitschaufeln 8 nicht zu sehr behindern, sind zweckmäßigerweise die Ringe 6 und 7 räumlich versetzt zueinander angeordnet, wie es in Fig. 2 dargestellt ist.
Aus Gewichtsersparnisgründen können die Leitschaufeln 8 ebenfalls aus faserverstärktem Kunststoff oder aus einem hoch reißfesten Gewebe bestehen, das jeweils zwischen zwei radial verlaufenden
Rohren 9, 10 gespannt ist, die als Abstandshalter zwischen den Ringen dienen und mit den Ringen 6,7 auf geeignete Weise verbunden sind, beispielsweise durch eine Klebeverbindung. Das Profil der Leitschaufeln 8 hat zweckmäßigerweise die gleiche oder eine ähnliche Form wie das Profil der Rotorblätter 4.
Mit der Nabe 11 des Rotors ist in Verlängerung der Rotorachse ein Stabilisierungsrohr 12 angeordnet, dessen Länge sich nach dem Durchmesser des Windrades richtet. Die Spitze dieses Stabilisierungsrohres 12 ist in einem Drehlager gelagert, das am Ende der beiden Stützen 13, 14 angeordnet ist. Die Stützen 13, 14 sind mit dem sich synchron mit der Gondel drehenden Ausleger 3 starr verbunden und bilden so eine stabile Lagerung für das Stabilisierungsrohr.
Mit dem Stabilisierungsrohr 12 sind die beiden Ringe 6,7 über Zugstangen oder Seile 15 verbunden, so dass die auf die Ringe 6,7 einwirkenden Windkräfte auf das Stabilisierungsrohr abgeleitet werden und die Anlage die erforderliche Stabilität erhält.
Bei der in der Fig.3 ebenfalls teils im Schnitt dargestellten Ausführungsform sind die Leitschaufeln 21 zwischen zwei kreisförmigen starren Ringen 19,20 angeordnet, die aus Hohlprofilen beispielsweise aus Leichtmetall oder aus einem leichten Verbundwerkstoff bestehen. Die Hohlprofile haben vorzugsweise einen Querschnitt wie die Tragflügel von Flugzeugen, wobei jeweils die gewölbte Seite zu den Leitschaufeln 21 gerichtet ist. Auf diese Weise entsteht durch den zwischen den Ringen 19,20 durchströmenden Luftstrom eine zusätzliche Sogwirkung, die zu einer Verstärkung des auf die Leitschaufeln 21 einwirkenden Luftstromes führt. Die Leitschaufeln 21 sind wiederum unter einem geeigneten mittleren Anstellwinkel zwischen den Hohlprofilen angeordnet und mit diesen fest verbunden, beispielsweise verschweißt oder verklebt.
Es ist auch möglich, den rotierenden äußeren Ring 20 als Rotorteil eines elektrischen Lineargenerators auszubilden, wie er in seinem prinzipiellen Aufbau in den Fig. 4 und 5 dargestellt ist. Der Statorteil 23 des Lineargenerators ist auf dem Ausleger 3 angeordnet. Der so gebildete Lineargenerator kann ebenfalls für die Stromerzeugung genutzt werden, indem der hierdurch gewonnene elektrische Strom in das Stromnetz eingespeist wird. Er kann aber auch im Bedarfsfall als elektrische Bremse genutzt werden.
Um das Windrad im Bedarfsfall abzubremsen und gegebenenfalls festzusetzen, kann, wie es aus den Fig. 5 und 6 ersichtlich ist, an dem äußeren Ring 20 konzentrisch hierzu ein kreisförmiges Rohr 25 angeordnet sein, das zwischen den beiden Bremsbacken 26,27 einer Backenbremse läuft. Die Backenbremse ist ebenfalls auf dem Ausleger 3 angeordnet.
In Fig. 7 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der das an den Ringen 19,20 befestigte kreisringförmige Rohr 25 zwischen zwei einander gegenüber angeordneten, jeweils um eine vertikale Achse drehbaren Reibrädern 29,30 hindurch läuft und diese beiden Räder 29,30 durch Reibkontakt in Drehung versetzt. Die Reibräder 29,30 sitzen jeweils auf der Welle eines Drehstromgenerators 31 ,32, die ihrerseits wiederum auf dem Ausleger 3 angeordnet sind. Diese Generatoren 31 ,32 können ebenfalls zur Energiegewinnung genutzt werden, indem der hierdurch erzeugte elektrische Strom in das Stromnetz eingespeist wird. Sie können aber auch im Bedarfsfall als Bremseinrichtung für das Windrad dienen.
Selbstverständlich sind die verschiedensten Kombinationen der beschriebenen Konstruktionsdetails möglich.

Claims

Patentansprüche
1 . Windradanlage zur Energieerzeugung, mit einem Turm (1 ), einer an der Spitze des Turms (1 ) um eine senkrechte Achse drehbar gelagerten und den Stromgenerator aufnehmenden Gondel (2), wenigstens drei an der Nabe des Rotors angeordneten Rotorflügeln (4) sowie am Ende der Rotorflügel (4) in radialem Abstand voneinander angeordneten Ringen (6,7; 19,20), zwischen denen zur Erhöhung des Drehmomentes eine Vielzahl von Leitschaufeiπ (S; 21) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Gondel (2) in Verlängerung der Rotorachse ein Stabilisierungsrohr (12) angeordnet ist, an dessen Ende Stangen oder Seile (15) angebracht sind, die mit den am Ende der Rotorflügel (4) angeordneten Ringen (6,7; 19,20) verbunden sind.
2. Windradanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze des Stabilisierungsrohres (12) auf einem von Stützen (13,14) getragenen Lager ruht, wobei die Stützen (13,14) sich auf einem unterhalb des äußeren Ringes (7; 20) an dem Turm (1 ) synchron mit der Gondel (2) drehbar gelagerten Ausleger (3) abstützen.
3. Windradanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Ring (7;20) gegenüber dem inneren Ring (6;19) in Richtung der Rotorachse versetzt angeordnet ist.
4. Windradanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Ausleger (3) der Statorteil (23) eines Lineargenerators angeordnet ist, und der rotierende äußere Ring (20) den Rotorteil des Lineargenerators bildet.
5. Windradanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Lineargenerator zur Stromgewinnung dient.
6. Windradanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass am äußeren Ring (20) ein kreisringförmiges Rohr (25) angeordnet ist, das zwischen an dem Ausleger (3) angeordneten Bremsbacken (26,27) läuft.
7. Windradanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass am äußeren Ring (20) ein kreisringförmiges Rohr (25) angeordnet ist, das zwischen zwei Reibrädern (29,30) läuft, die als Antriebsräder für zwei auf dem Ausleger (3) angeordnete Drehstromgeneratoren (31 ,32) dienen.
8. Windradanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ringe (19,20), zwischen denen die Leitschaufeln (21 ) angeordnet sind, einen dem Querschnitt eines Tragflügels entsprechenden Querschnitt aufweisen, so dass die dadurch hervorgerufene Sogwirkung die auf die Leitschaufeln (21 ) wirkende Luftströmung verstärkt.
9. Windradanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ringe, zwischen denen die Leitschaufeln (8) angeordnet sind, aus hochreißfesten gasdichten, unter Überdruck stehenden Gewebeschläuchen bestehen.
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