WO2012150027A1 - Windkraftanlage und einrichtung zur gewinnung elektrischer energie mit einer solchen windkraftanlage - Google Patents

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WO2012150027A1
WO2012150027A1 PCT/EP2012/001876 EP2012001876W WO2012150027A1 WO 2012150027 A1 WO2012150027 A1 WO 2012150027A1 EP 2012001876 W EP2012001876 W EP 2012001876W WO 2012150027 A1 WO2012150027 A1 WO 2012150027A1
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wind turbine
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Hansjörg SCHECHNER
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Voith Patent Gmbh
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    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Definitions

  • the invention relates to a wind turbine and a device for obtaining electrical energy with such a wind turbine.
  • Wind turbines are of particular importance within the different variants for power generation from renewable energy sources.
  • the plant design with a multi-bladed rotor with a substantially horizontal axis at the top of a plant tower has prevailed as a typical design.
  • the temporally fluctuating wind action is of obvious disadvantage, so that such wind turbines their advantages, especially in connection with
  • Pumped storage plants are disadvantageous, in particular because of a pump reservoir which serves as the upper water reservoir, which often has to be created artificially.
  • the invention is based on the object, a wind turbine and a
  • the invention makes use on the one hand of the knowledge that the static requirements of a tower of a wind turbine are met by an outer shell of metal and / or concrete which one opposite to the diameter
  • CONFIRMATION COPY the tower at its base has a small wall thickness, so that a considerable amount of interior space remains in the tower, in which typically an elevator and a staircase from the base to the arranged at the top of the tower and designated as a nacelle engine room are arranged.
  • the outer shell of the tower can in particular as possibly multi-part
  • Steel pipe construction or preferably steel reinforced concrete wall be executed. Also steel grid constructions are known for such towers. Of the
  • Interior is according to the invention at least partially by a in the
  • Water storage tank has a bottom, preferably arranged at the lowest point of the water storage tank outlet opening, via which located in the water storage tank water can be derived.
  • the water storage tank may have a storage shell independent of static components of the tower.
  • parts of the tower such as, for example, the outer shell of the tower and / or a bottom plate closing the tower interior, can serve as boundaries of the water storage tank.
  • the interior of the tower with its entire cross section form the storage container. Installations such as a lift, electrical wiring, etc., may then be located on the outside of the tower.
  • the water storage tank can advantageously in a at least one such wind turbine and a pumped storage plant combined means for generating electrical energy, the upper reservoir of the
  • Water storage tank whose storage volume forms the upper reservoir or at least a part of the upper reservoir of a pumped storage plant can an upper reservoir as the upper reservoir of the pumped storage tank in the best case omitted or at least smaller.
  • the pumped storage plant includes in conventional design an upper and a lower water reservoir and a turbine station inserted between them, which is connected via a downpipe with the upper reservoir.
  • Turbine station generates electrical power through a turbine and a generator at water flow flowing from the upper to lower water reservoir.
  • the turbine station also contains a
  • Pumping device which can be given by motor reversal of a turbine arrangement in a known per se.
  • water is pumped from the lower water reservoir into the upper water reservoir, for which the down pipe with the reverse
  • the pumping device is typically arranged slightly below the level of the lower water reservoir for the intake of large volume flows. Unless stated otherwise, the following is based on a combined turbine and pumping station.
  • the control of the turbine and pumping station as a function of the power supply and power and control requirements in a preferably higher-level power grid is well known and common for such pumped storage systems and therefore not further elaborated at this point.
  • the invention makes use in such a device for obtaining electrical energy, hereinafter also referred to as power generation device, with a combination of wind turbine and pumped storage advantageous further advantage that wind turbines are typically positioned in hilly environment at the highest point of mountain ridges and then usually much higher are positioned as a possibly possible reservoir for an upper one
  • the invention also makes advantageous advantage of the fact that for the tower interior by the static requirements for the outer shell of the tower, a minimum volume is predetermined, which is claimed only to a small extent by installations within the tower and therefore at least for the most part available for a water storage tank is.
  • the tower interior can also be as already stated with its entire interior cross-section as
  • the tower cross-section in particular in a lower area, can also be made larger than due to the statics, so that an advantageous in the context of the present invention enlargement of the available for the storage volume of the tower interior.
  • Strom massungs comprises a conventional pumped storage plant with an upper basin and lower basin as the upper and lower water reservoir and additionally one or more smaller pumped storage plants are present, which upper reservoir as the lower water reservoir and water storage tank in one or more higher wind turbines as upper
  • the tower typically has an upwardly tapering shape.
  • the water storage tank via his
  • the amount of usable storage volume of the water storage tank in the interior of the tower of the wind turbine is advantageously at least 30%, in particular at least 40%, preferably at least 50% of the height of the tower.
  • the bottom of the water storage tank is advantageously at approximately the same level as the foot of the tower at the transition to
  • the height of the storage volume is advantageously at most 75%, in particular at most 60% of the height of the tower.
  • the storage volume of the water storage tank advantageously fills at least 30%, in particular at least 45%, preferably at least 60% of the volume of the interior.
  • the storage volume is
  • Water storage volume may be formed in one or more cavities.
  • the lower outlet opening of the water storage tank opens into the further water storage volume, which in turn a lower
  • FIG. 2 shows a variant of FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a device with a pumped storage system
  • FIG. 4 shows a device with buffer reservoir.
  • Figure 1 shows a sectional view schematically the structure of a wind turbine according to the invention.
  • the sketch is not to scale and is
  • a machine housing designated as a nacelle GO is arranged at the top of a tower TU and carries a multi-bladed rotor RO which is rotatable about an approximately horizontal rotor axis RA.
  • Gondola GO and rotor can be mounted to adapt to changing wind directions about a vertical axis of rotation DA rotatable at the top of the tower.
  • the tower has a static bearing shell TS, which tapers continuously from the base to the top of the tower.
  • the sheath TS can in particular consist of one or more steel pipes or to a pipe construction
  • the shell is formed by a reinforced concrete pipe structure.
  • the shell may also be formed by a concrete pipe wall or by a lattice girder construction. For the latter is the
  • the shell TS of the tower is mounted on a bottom plate BP which is considered to be approximately at the level BN of a surrounding bottom surface, in particular a ground surface lying.
  • the bottom plate can be, for example, by a steel-reinforced concrete slab as part of a reinforced steel
  • Tower foundations TF be given.
  • a connection of the shell TS of the tower may in particular contain a steel ring anchored to the bottom plate.
  • the tower foundation contains in the illustrated embodiment a deeper concrete foundation plate FP and an intermediate plate ZP between the foundation plate FP and bottom plate BP.
  • the shell TS of the tower surrounds an interior IR, in which, for example, a material elevator and a staircase from the base of the tower to the nacelle GO are arranged as electrical lines.
  • an interior IR in which, for example, a material elevator and a staircase from the base of the tower to the nacelle GO are arranged as electrical lines.
  • a bay-like volume VS in the middle of the interior IR is provided in FIG.
  • a part of the volume of the interior IR is implemented by a water storage tank, which is shown in FIG. 1 as being divided into a plurality of sub-tanks WU1, WO1, WU2, W02.
  • Water storage tank is advantageously substantially at the level of the bottom plate and can be supported over a large area of this.
  • the height HB of the water storage tank which is preferably substantially the same as the storage water volume usable for storing water, is advantageously at least 30%, in particular at least 40%, preferably at least 50% and advantageously at most 75%,
  • connection openings WO between superposed sub-containers WOl, WUl or WO2, WU2 is illustrated.
  • a connection of sub-containers can also be done outside the tower, especially in the foundation.
  • Water storage tanks are pumped in the tower.
  • the water storage tank in the tower thus assumes the function of an upper reservoir for the pumped storage tank.
  • the connection to the downpipe FL can also be outside the
  • Wind turbine can thus a considerable storage volume of
  • Storage position in a particularly large amount based on the volume of water particularly effective energy storage by the potential energy of the water in the water storage tank of the tower over the lower water reservoir can be achieved.
  • the volume-related storage energy can in particular be much higher than in a water basin as the upper reservoir, which can be set up only in a much lower level than the wind turbine itself.
  • Figure 2 shows an alternative to Figure 1 advantageous embodiment, in which the arranged in the example of Figure 1 within the tower in the flat with VS shaft-like means arranged outside the tower and in particular a lift AA from the base FL) of the tower Gondola and said other facilities such as a ladder or stairs, electrical wiring, etc. may include.
  • the inner volume IV of the tower TU is then completely, optionally with the above-mentioned height limitation for the maximum water level, as a storage volume available.
  • a constructed of reinforced concrete outer shell TB of the tower TU with its inner wall surface at the same time forms the lateral boundary of the formed in the interior of the tower storage tank and no separate storage shell to the
  • Storage volume is provided in the tower.
  • the tower foundation is in the form of a pile foundation with a plurality of
  • the pile foundation is basically known as a foundation variant for towers of wind turbines and in particular advantageous if near-surface layers of the soil do not have sufficient structural strength.
  • the ring of foundation piles PF can, as outlined in the example of FIG. 2, laterally advantageously surround a cavity volume FS, which is closed at the bottom by a baseplate GP, which can preferably consist of reinforced concrete.
  • the foundation piles PF can adjoin one another without gaps in the circumferential direction of the ring and, in particular in the manner of a secant pile wall, one another
  • Foundation piles can also be an annular wall, which optionally made
  • the volume FS can advantageously serve as an additional storage volume in the foundation and is preferably connected in a water-carrying manner to the storage volume of the water storage container formed in the interior IV of the tower.
  • an outlet opening AP is formed to a Fal effet AP.
  • a bottom plate may be inserted, which preferably rests on the upper ends of the foundation piles PF.
  • the additional storage volume in a pile foundation foundation may advantageously provide additional storage volume on the order of 10,000 m 3 .
  • FIG. 3 shows schematically a device for generating electricity with a
  • the lower water reservoir is formed by a lower reservoir UB, which may also be part of a running water.
  • a turbine and pumping station is located at the lower end of a downcomer FL and typically not easily located at the level of the lower reservoir and connected to the lower reservoir via tubing. In an elevated position, one or preferably several wind turbines WK are constructed.
  • Wind turbines serve as the upper water reservoir of the pumped storage facility. Storage volumes of several wind turbines can be connected to a collecting line SL before the down pipe. By using the storage volumes of the wind power plants as the upper water reservoir, the large height difference DT between the lower reservoir UB and the location of the wind power plants can advantageously be used for energy storage.
  • the height difference DT is to be understood as an average height difference due to the varying depending on the degree of filling of the water storage tank in the wind turbines water level.
  • Figure 4 shows an advantageous development of a device for
  • an upper reservoir ZB optionally delimited by a dam DB, one for the turbine and pumping station ST serving as the upper reservoir reservoir open upper reservoir is set up.
  • the lower reservoir UB, the upper reservoir ZB and the turbine and pump ST form a first pumped storage tank.
  • one or more pumped storage facilities are provided, which are typically designed with respect to the first pumped storage facility smaller capacities and which use the reservoir ZB as the lower water reservoir and the storage volumes in the wind turbines WN, WH as the upper water reservoir. This can advantageously the upper
  • Storage tanks ZB be used in duplicate function. The in the
  • Wind turbines WN stored water volumes can be used with their resulting from the cumulative height difference DN + DZ potential energy for conversion into electrical energy, the conversion in two stages in the wind turbines WN associated with them and connected via a downpipe FN turbine and pumping station SN and the turbine and pumping station ST of the first pumped storage plant takes place.
  • Wind turbines WN, WH of a wind farm in the vicinity of the upper reservoir ZB, which are arranged at different altitudes, can be separate
  • Wind turbines WN, WH at different altitudes are thereby hydraulically decoupled from each other.

Abstract

Für die Stromgewinnung in Windkraftanlagen und Pumpspeicheranlagen wird die Kombination solcher Anlagen in der Weise vorgeschlagen, dass im Innenraum eines Turms einer oder mehrerer Windkraftanlagen ein Wasserspeicherbehäiter eingerichtet wird, welcher als ein oberes Wasserreservoir der Pumpspeicheranlage dient.

Description

Windkraftanlage und Einrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie mit einer solchen Windkraftanlage
Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage und eine Einrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie mit einer solchen Windkraftanlage.
Windkraftanlagen sind innerhalb der verschiedenen Varianten zur Stromerzeugung aus regenerativen Energiequellen von besonderer Bedeutung. Dabei hat sich die Anlagenbauform mit einem mehrblättrigen Rotor mit im Wesentlichen horizontaler Achse an der Spitze eines Anlagen-Turms als typische Bauform durchgesetzt. Von offensichtlichem Nachteil ist die zeitlich schwankende Windeinwirkung, sodass solche Windkraftanlagen ihre Vorteile insbesondere in Verbindung mit
Pumpspeicheranlagen entfalten.
Pumpspeicheranlagen sind insbesondere wegen eines als oberes Wasserreservoir dienenden Pumpspeicherbeckens, welches häufig künstlich geschaffen werden muss, nachteilig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftanlage und eine
Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit einer solchen Windkraftanlage und einer Pumpspeicheranlage mit vorteilhafter Ausgestaltung eines oberen Wasserreservoirs anzugeben.
Erfindungsgemäße Lösungen sind in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen der Erfindung.
Die Erfindung macht sich zum einen die Erkenntnis zunutze, dass die statischen Erfordernisse eines Turms einer Windkraftanlage durch eine Außenschale aus Metall und/oder Beton erfüllt werden welche eine gegenüber dem Durchmesser
BESTÄTIGUNGSKOPIE des Turms an dessen Basis geringe Wanddicke aufweist, sodass ein Innenraum erheblichen Ausmaßes in dem Turm verbleibt, in welchem typischerweise ein Aufzug und ein Treppengang von der Basis bis zu dem an der Turmspitze angeordneten und als Gondel bezeichneten Maschinenraum eingerichtet sind. Die Außenschale des Turms kann insbesondere als gegebenenfalls mehrteilige
Stahlrohrkonstruktion oder vorzugsweise stahlbewehrte Betonwand ausgeführt sein. Auch Stahlgitterkonstruktionen sind für solche Türme bekannt. Der
Innenraum ist erfindungsgemäß zumindest teilweise durch einen in den
Innenraum angeordneten Wasserspeicherbehälter ausgefüllt. Der
Wasserspeicherbehälter besitzt eine unten liegende, vorzugsweise an tiefster Stelle des Wasserspeicherbehälters angeordnete Auslauföffnung, über welches in dem Wasserspeicherbehälter befindliches Wasser abgeleitet werden kann.
Der Wasserspeicherbehälter kann eine von statischen Bauteilen des Turms unabhängige Speicherschale besitzen. Vorteilhafterweise können Teile des Turms wie zum Beispiel die Außenschale des Turms und/oder eine den Turminnenraum unten abschließende Bodenplatte als Begrenzungen des Wasserspeicherbehälters dienen. In vorteilhafter Weiterbildung kann der Innenraum des Turms mit seinem gesamten Querschnitt den Speicherbehälter bilden. Installationen wie zum Beispiel ein Aufzug, elektrische Leitungen etc. können dann an der Außenseite des Turms angeordnet sein.
Der Wasserspeicherbehälter kann vorteilhafterweise in einer wenigstens eine solche Windkraftanlage und eine Pumpspeicheranlage kombiniert enthaltenden Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie das obere Reservoir der
Pumpspeicheranlage oder zumindest einen Teil des oberen Reservoirs bilden.
Durch die Nutzung zumindest eines Teils des Innenraums des Turms als
Wasserspeicherbehälter, dessen Speichervolumen das obere Reservoir oder zumindest einen Teil des oberen Reservoirs einer Pumpspeicheranlage bildet, kann ein oberes Speicherbecken als oberes Reservoir der Pumpspeicheranlage im günstigsten Fall entfallen oder zumindest kleiner ausfallen.
Die Pumpspeicheranlage enthält in gebräuchlicher Ausführung ein oberes und ein unteres Wasserreservoir sowie eine zwischen diese eingefügte Turbinenstation, welche über eine Fallleitung mit dem oberen Reservoir verbunden ist. Die
Turbinenstation erzeugt bei von dem oberen zum unteren Wasserreservoir fließendem Wasserstrom über eine Turbine und einen Generator elektrische Leistung. Vorteilhafterweise enthält die Turbinenstation zugleich eine
Pumpeinrichtung, welche auch durch motorische Drehrichtungsumkehr einer Turbinenanordnung in an sich bekannter Bauart gegeben sein kann. Mittels der Pumpeinrichtung wird Wasser von dem unteren Wasserreservoir in das obere Wasserreservoir gepumpt, wofür die Fallleitung mit umgekehrter
Strömungsrichtung genutzt werden kann. Die Pumpeinrichtung ist zum Ansaugen großer Volumenströme typischerweise geringfügig unter dem Niveau des unteren Wasserreservoirs angeordnet. Soweit nicht anders angegeben, ist nachfolgend von einer kombinierten Turbinen- und Pumpstation ausgegangen. Die Steuerung der Turbinen- und Pumpstation in Abhängigkeit vom Leistungsangebot und Leistungsund Regelanforderungen in einem vorzugsweise übergeordneten Stromnetz ist für solche Pumpspeicheranlagen allgemein bekannt und gebräuchlich und daher an dieser Stelle nicht weiter ausgeführt.
Die Erfindung macht sich in einer solchen Einrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie, nachfolgend auch kurz als Stromgewinnungseinrichtung bezeichnet, mit einer Kombination von Windkraftanlage und Pumpspeicheranlage ferner vorteilhaft zunutze, dass Windkraftanlagen in hügliger Umgebung typischerweise an höchster Stelle von Bergkämmen positioniert werden und dann im Regelfall deutlich höher positioniert sind als ein eventuell mögliches Speicherbecken für ein oberes
Wasserreservoir einer Pumpspeicheranlage. Durch die höhere Positionierung ergibt sich vorteilhafterweise eine größere Fallhöhe zwischen dem Wasserspeicherbehälter im Turm als oberem Reservoir und dem unteren Reservoir der Pumpspeicheranlage. Durch die größere Fallhöhe ist der in der Turbinenstation nutzbare Energieinhalt des im Wasserspeicherbehälter des Turms gespeicherten Wassers vorteilhafterweise höher als der nutzbare Energieinhalt derselben
Wassermenge in einem tiefer gelegenen Speicherbecken. Die Erfindung macht sich ferner vorteilhaft zunutze, dass für den Turminnenraum durch die statischen Anforderungen an die Außenschale des Turms ein Mindestvolumen vorgegeben ist, welches nur zu einem geringen Teil durch Installationen innerhalb des Turms beansprucht ist und daher zumindest zu einem überwiegenden Teil für einen Wasserspeicherbehälter verfügbar ist. Der Turminnenraum kann auch wie bereits ausgeführt mit seinem gesamten Innenraumquerschnitt als
Wasserspeicherbehälter genutzt werden. In vorteilhafter Weiterbildung kann der Turmquerschnitt, insbesondere in einem unteren Bereich, auch größer ausgeführt sein als durch die Statik bedingt, sodass sich eine im Sinne der vorliegenden Erfindung vorteilhafte Vergrößerung des für das Speichervolumen verfügbaren Innenraums des Turms ergibt.
In vorteilhafter Weiterbildung kann auch vorgesehen sein, dass eine
Stromgewinnungseinrichtung eine herkömmliche Pumpspeicheranlage mit einem Oberbecken und Unterbecken als oberem und unterem Wasserreservoir umfasst und zusätzlich ein oder mehrere kleinere Pumpspeicheranlagen vorhanden sind, welche das Oberbecken als unteres Wasserreservoir und Wasserspeicherbehälter in einer oder mehreren höher gelegenen Windkraftanlagen als oberes
Wasserreservoir nutzen.
Der Turm weist typischerweise eine sich nach oben verjüngende Form auf.
Vorteilhafterweise weist auch der Wasserspeicherbehälter über seine
Höhenerstreckung im Innenraum des Turms eine Abnahme seiner horizontalen Querschnittsfläche von unten nach oben auf. Die Abnahme der Querschnittsfläche kann kontinuierlich oder stufenweise erfolgen. Die Höhe des nutzbaren Speichervolumens des Wasserspeicherbehälters im Innenraum des Turms der Windkraftanlage beträgt vorteilhafterweise wenigstens 30 %, insbesondere wenigstens 40 %, vorzugsweise wenigstens 50 % der Höhe des Turms. Der Boden des Wasserspeicherbehälters liegt vorteilhafterweise auf annähernd gleichem Niveau wie der Fuß des Turms am Übergang zum
Turmfundament. Die Höhe des Speichervolumens beträgt vorteilhafterweise höchstens 75 %, insbesondere höchstens 60 % der Höhe des Turms. Die
Beschränkung der Höhe des Speichervolumens macht sich vorteilhaft die
Erkenntnis zunutze, dass mit zunehmender Höhenposition im Innenraum des Turms die für das Speichervolumen verfügbare Querschnittsfläche beständig abnimmt, sodass eine Steigerung der Höhe des Speichervolumens eine lineare Zunahme des Drucks im unteren Bereich des Wasserspeicherbehälters zur Folge hat, der Gewinn an zusätzlichem Speichervolumen aber mit zunehmender
Höhenposition immer geringer ausfällt.
Das Speichervolumen des Wasserspeicherbehälters füllt vorteilhafterweise wenigstens 30 %, insbesondere wenigstens 45 %, vorzugsweise wenigstens 60 % des Volumens des Innenraums aus. Das Speichervolumen beträgt
vorteilhafterweise wenigstens 30.000 m3.
Vorteilhafterweise kann im Beton-Fundament des Turms ein weiteres
Wasserspeichervolumen in einem oder mehreren Hohlräumen ausgebildet sein. Vorteilhafterweise mündet die untere Auslauföffnung des Wasserspeicherbehälters in das weitere Wasserspeichervolumen, welches seinerseits eine untere
Auslauföffnung zu einer zur Turbinen- und Pumpstation der Pumpspeicheranlage führenden Fallleitung aufweist.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschaulicht. Dabei zeigt: Figur 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Windkraftanlage,
Figur 2 eine Variante zu Figur 1,
Figur 3 eine Einrichtung mit einer Pumpspeicheranlage und
Windkraftanlagen,
Figur 4 eine Einrichtung mit Zwischenspeicherbecken.
Figur 1 zeigt als Schnittbild schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage. Die Skizze ist nicht maßstäblich zu verstehen und ist
insbesondere horizontal stark gedehnt.
Ein als Gondel GO bezeichnetes Maschinengehäuse ist an der Spitze eines Turms TU angeordnet und trägt einen um eine annähernd horizontale Rotorachse RA drehbaren mehrflügeligen Rotor RO. Gondel GO und Rotor können zur Anpassung an wechselnde Windrichtungen um eine vertikale Drehachse DA drehbar an der Turmspitze gelagert sein.
Der Turm besitzt eine statisch tragende Hülle TS, welche sich vom Fußpunkt zur Spitze des Turms hin kontinuierlich verjüngt. Die Hülle TS kann insbesondere aus einem oder mehreren Stahlrohren oder zu einer Rohrkonstruktion
zusammengefügten Stahlplatten bestehen. Vorzugsweise ist die Hülle durch einen Stahlbeton-Rohraufbau gebildet. Die Hülle kann auch durch eine Betonrohrwand oder durch eine Gitterträgerkonstruktion gebildet sein. Für letztere sei die
Hüllenform durch eine Einhüllendenfläche der Gitterträgerkonstruktion
gebildet. Die Hülle TS des Turms ist auf einer Bodenplatte BP befestigt, welche als annähernd auf dem Niveau BN einer umgebenden Bodenfläche, insbesondere einer Erdreichfläche liegend angesehen sei. Die Bodenplatte kann beispielsweise durch eine stahlbewehrte Betonplatte als Teil eines stahlbewehrten
Turmfundaments TF gegeben sein. Eine Verbindung der Hülle TS des Turms kann insbesondere einen mit der Bodenplatte verankerten Stahlring enthalten.
Das Turmfundament enthält in der dargestellten Ausführung eine tieferliegende Beton-Fundamentplatte FP und eine Zwischenplatte ZP zwischen Fundamentplatte FP und Bodenplatte BP.
Die Hülle TS des Turms umgibt einen Innenraum IR, in welchem zum Beispiel ein Materialaufzug und ein Treppengang vom Fußpunkt des Turms zur Gondel GO so wie elektrische Leitungen eingerichtet sind. Hierfür sei in Figur 1 pauschal ein schachtartiges Volumen VS in der Mitte des Innenraums IR vorgesehen.
Erfindungsgemäß ist ein Teil des Volumens des Innenraums IR durch einen Wasserspeicherbehälter ausgeführt, welcher in Figur 1 als in mehrere Teilbehälter WU1, WOl, WU2, W02 aufgeteilt dargestellt ist. Das untere Ende des
Wasserspeicherbehälters befindet sich vorteilhafterweise im Wesentlichen auf dem Niveau der Bodenplatte und kann dadurch großflächig an dieser abgestützt sein.
Der Wasserspeicherbehälter weist vorteilhafterweise eine Form mit einer nach oben abnehmenden horizontalen Querschnittsfläche auf und ist dadurch
besonders gut an die sich nach oben verjüngende Form des Innenraums IR des Turms anpassbar, sodass insbesondere im unteren Bereich des Innenraums IR des Turms ein großer Teil des Speichervolumens des Wasserspeicherbehälters ausgebildet werden kann.
Die Höhe HB des Wasserspeicherbehälters, welche vorzugsweise mit der Höhe des zur Wasserspeicherung nutzbaren Speichervolumens im Wesentlichen gleich ist, beträgt vorteilhafterweise wenigstens 30 %, insbesondere wenigstens 40 %, vorzugsweise wenigsten 50 % und vorteilhafterweise höchstens 75 %,
insbesondere höchstens 66 % der Höhe HT des Turms.
Bei Aufteilung des Wasserspeicherbehälters in mehrere übereinander und/oder nebeneinander liegende Teilbehälter, welche jeweils mit Teilvolumina zum
Speichervolumen beitragen, stehen die Teilbehälter vorteilhafterweise
untereinander in wasserführender Verbindung, was in Figur 1 durch die
Verbindungsöffnungen WO zwischen übereinander angeordneten Teilbehältern WOl, WUl beziehungsweise WO2, WU2 veranschaulicht sei. Eine Verbindung von Teilbehältern kann auch außerhalb des Turms, insbesondere auch im Fundament, erfolgen.
Aus dem unteren Bereich des unteren Teilbehälters WUl, welcher über eine nicht dargestellte Verbindung auch mit dem unteren Teilbehälter WU2 verbunden sei, führt eine Ausgangsöffnung AU in eine Ablaufleitung AL durch das
Turmfundament zu einer geneigt verlaufenden Fallleitung FL, welche zu einer Turbinenstation einer Pumpspeicheranlage führt. Durch die Fallleitung kann Wasser aus dem Wasserspeicherbehälter im Turm zum Antrieb einer Turbine in einer Turbinen- und Pumpstation geleitet oder Wasser über eine Pumpeinrichtung der Turbinen- und Pumpstation aus einem unteren Wasserreservoir in den
Wasserspeicherbehälter im Turm gepumpt werden. Der Wasserspeicherbehälter im Turm übernimmt damit für die Pumpspeicheranlage die Funktion eines oberen Reservoirs. Die Verbindung zur Fallleitung FL kann auch außerhalb des
Turmfundaments erfolgen.
Durch die Anordnung eines als oberes Reservoir einer Pumpspeicheranlage dienenden Wasserspeicherbehälters im Innenraum eines Turms einer
Windkraftanlage kann damit ein erhebliches Speichervolumen von
vorteilhafterweise wenigstens 30.000 m3 realisiert werden, ohne zusätzlich zu der Aufstellung der Windkraftanlage selbst weitere Eingriffe in das Landschaftsbild oder Baumaßnahmen vorzunehmen. Insbesondere bei Windkraftstandorten in Kammlagen von hügeligem oder bergigem Gelände kann durch die
Speicherposition in besonders großer Höhe eine auf das Wasservolumen bezogen besonders effektive Energiespeicherung durch die potentielle Energie des Wassers im Wasserspeicherbehälter des Turms gegenüber dem unteren Wasserreservoir erzielt werden. Die volumenbezogene Speicherenergie kann dabei insbesondere wesentlich höher sein als in einem Wasserbecken als oberem Reservoir, welches im Regelfall nur in wesentlich geringerer Höhe als die Windkraftanlage selbst eingerichtet werden kann.
Figur 2 zeigt eine zu Figur 1 alternative vorteilhafte Ausführungsform, bei welcher die in dem Beispiel nach Figur 1 innerhalb des Turms in dem pauschal mit VS bezeichneten schachtartigen Volumen angeordneten Einrichtungen außerhalb des Turms angeordnet sind und insbesondere einen Aufzug AA vom Fußpunkt FL) des Turms zur Gondel sowie die genannten weiteren Einrichtungen wie eine Leiter oder Treppe, elektrische Leitungen usw. umfassen können. Das Innenvolumen IV des Turms TU steht dann vollständig, gegebenenfalls mit der bereits genannten Höhenbeschränkung für den maximalen Wasserpegel, als Speichervolumen zur Verfügung. Vorteilhafterweise ist in diesem Beispiel vorgesehen, dass eine aus Stahlbeton aufgebaute Außenschale TB des Turms TU mit ihrer Innenwandfläche zugleich die seitliche Begrenzung des im Innenraum des Turms ausgebildeten Speicherbehälters bildet und keine gesonderte Speicherschale um das
Speichervolumen im Turm vorgesehen ist.
In weiterer Abwandlung gegenüber Figur 1 ist bei dem Beispiel nach Figur 2 das Turmfundament in Form einer Pfahlgründung mit einer Mehrzahl von
Gründungspfählen PF ausgebildet, welche typischerweise in einem Ring
angeordnet sind. Die Pfahlgründung ist als Fundamentvariante für Türme von Windkraftanlagen grundsätzlich bekannt und insbesondere von Vorteil, wenn oberflächennahe Schichten des Bodens keine hinreichende Tragfestigkeit aufweisen. Der Ring aus Gründungspfählen PF kann wie im Beispiel nach Figur 2 skizziert vorteilhafterweise ein Hohlraumvolumen FS seitlich umgeben, welches nach unten durch eine Grundplatte GP, welche vorzugsweise aus Stahlbeton bestehen kann, abgeschlossen ist. Die Gründungspfähle PF können in bevorzugter Ausführung in Ringumfangsrichtung lückenlos aneinander anschließen und insbesondere nach Art einer überschnittenen Pfahlwand einander in
Umfangsrichtung überschneidend eine wasserdichte Seitenwand bilden. Falls zwischen benachbarten Gründungspfählen Lücken bestehen, sind diese zur Abdichtung des Hohlraumvolumens zu schließen. Anstelle des Rings aus
Gründungspfählen kann auch eine Ringwand, welche gegebenenfalls aus
Segmenten zusammengesetzt sein kann, vorgesehen sein. Das Volumen FS kann vorteilhafterweise als zusätzliches Speichervolumen im Fundament dienen und ist vorzugsweise mit dem Speichervolumen des im Innenraum IV des Turms ausgebildeten Wasserspeicherbehälters wasserführend verbunden. Durch die Grundplatte GP ist eine Auslauföffnung AP zu einer Falleitung AP ausgebildet.
Hierfür kann wie in Figur 2 skizziert das zusätzliche Speichervolumen FS
vollständig nach oben zum Turminnenraum geöffnet sein. In anderer Ausführung kann zwischen dem zusätzlichen Speichervolumen FS und dem Speichervolumen des Wasserspeicherbehälters im Turm TU auch noch eine Bodenplatte eingefügt sein, welche vorzugsweise auf den oberen Enden der Gründungspfähle PF aufliegt. Das zusätzliche Speichervolumen in einem Pfahlgründungs-Fundament kann vorteilhafterweise zusätzliches Speichervolumen in der Größenordnung von 10.000 m3 bereitstellen.
Die Einzelmerkmale der Ausführungsformen nach Figur 1 und nach Figur 2 sind, soweit sich nicht gegenseitig ausschließend, auch in anderer Kombination als 10 in den konkreten Ausführungsbeispielen miteinander kombinierbar. Insbesondere sind auch in der Ausführung nach Figur 1 die Innenwand der statisch tragenden Außenschale des Turms als teilweise Begrenzung des Wasserspeicherbehälters im Turm nutzbar und/oder ein zusätzliches Speichervolumen im Fundament realisierbar.
Figur 3 zeigt schematisch eine Einrichtung zur Stromgewinnung mit einer
Pumpspeicheranlage und mit Windkraftanlagen der vorstehend beschriebenen Art als oberes Wasserreservoir. Das untere Wasserreservoir ist durch ein unteres Speicherbecken UB, welches auch Teil eines Fließgewässers sein kann, gebildet. Eine Turbinen- und Pumpstation ist am unteren Ende einer Fallleitung FL und typischerweise nicht leicht dem Niveau des unteren Reservoirs angeordnet und über eine Rohrleitung mit dem unteren Reservoir verbunden. In erhöhter Lage sind ein oder vorzugsweise mehrere Windkraftanlagen WK aufgebaut.
Wasserspeicherbehälter in den Türmen und/oder Fundamenten der
Windkraftanlagen dienen als oberes Wasserreservoir der Pumpspeicheranlage. Speichervolumina mehrerer Windkraftanlagen können mit einer Sammelleitung SL vor der Fallleitung verbunden sein. Durch die Verwendung der Speichervolumina der Windkraftanlagen als oberes Wasserreservoir kann vorteilhafterweise die große Höhendifferenz DT zwischen unterem Speicherbecken UB und dem Standort der Windkraftanlagen für die Energiespeicherung genutzt werden.
Hierdurch kann unter Umständen ein oberes Speicherbecken für eine
Pumpspeicheranlage vermieden oder kleiner ausgeführt und Eingriffe in das Landschaftsbild minimiert und die Akzeptanz einer solchen
Stromgewinnungseinrichtung erhöht werden. Die Höhendifferenz DT ist aufgrund des je nach Füllgrad der Wasserspeicherbehälter in den Windkraftanlagen variierenden Wasserspiegels als eine mittlere Höhendifferenz zu verstehen.
Figur 4 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung einer Einrichtung zur
Stromerzeugung, bei welcher zwischen einem unteren Speicherbecken UB und erhöhten Standorten von Windkraftanlagen WN, WH auf einer
Zwischenhöhenposition in einem geeigneten Geländeabschnitt um eine Höhendifferenz DZ gegenüber dem unteren Speicherbecken erhöht, aber um eine weitere Höhendifferenz DN unterhalb der Windkraftanlagen WN ein oberes Speicherbecken ZB, gegebenenfalls durch einen Damm DB abgegrenzt, ein für die Turbinen- und Pumpstation ST als oberes Speicherreservoir dienendes offenes oberes Speicherbecken eingerichtet ist. Das untere Speicherbecken UB, das obere Speicherbecken ZB und die Turbinen- und Pumpstation ST bilden eine erste Pumpspeicheranlage. Zusätzlich sind eine oder weitere Pumpspeicheranlagen vorgesehen, welche typischerweise auf gegenüber der ersten Pumpspeicheranlage kleinere Leistungen ausgelegt sind und welche das Speicherbecken ZB als unteres Wasserreservoir und die Speichervolumina in den Windkraftanlagen WN, WH als oberes Wasserreservoir nutzen. Hierdurch kann vorteilhaft das obere
Speicherbecken ZB in doppelter Funktion genutzt werden. Die in den
Windkraftanlagen WN gespeicherten Wasservolumina können mit ihrer sich aus der kumulierten Höhendifferenz DN + DZ ergebenden potentiellen Energie zur Umwandlung in elektrische Energie genutzt werden, wobei die Umwandlung zweistufig in einer den Windkraftanlagen WN zugeordneten und mit diesen über eine Fallleitung FN verbundenen Turbinen- und Pumpstation SN und der Turbinen- und Pumpstation ST der ersten Pumpspeicheranlage erfolgt. Für in
unterschiedlichen Höhenlagen angeordnete Windkraftanlagen WN, WH eines Windparks in der Nähe des oberen Speicherbeckens ZB können getrennte
Pumpspeicheranlagen mit eigenen Turbinen- und Pumpstationen SN, SH und eigenen Fallleitungen VN, FH vorgesehen sein. Die Speichervolumina von
Windkraftanlagen WN, WH in unterschiedlichen Höhenlagen sind dadurch voneinander hydraulisch entkoppelt. Die Verbindung der Turbinen- und
Pumpstation SH zum Speicherbecken ZB ist nur angedeutet.
Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den
Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in
verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.

Claims

Patentansprüche
1. Windkraftanlage mit einem einen Rotor (RO) tragenden Turm (TU), bei welchem eine statisch tragende Außenschale (TS) einen Innenraum (IR) umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Innenraums (IR) durch einen Wasserspeicherbehälter (WOl, W02, WU1, WU2) mit wenigstens einer Auslauföffnung (AU, AU1, AU2) ausgefüllt ist.
2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichervolumen des Wasserspeicherbehälters wenigstens 30 %, insbesondere wenigstens 45 %, vorzugsweise wenigstens 60 % des Innenraums (IR) des Turms ausfüllt.
3. Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Speichervolumen über eine Höhe (HB) von wenigstens 30 %, insbesondere wenigstens 40 %, vorzugsweise wenigstens 50 % der Höhe (HAT) des Turms (TU) erstreckt.
4. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass der Wasserspeicherbehälter eine von statischen Bauteilen des Turms unabhängige Speicherschale besitzt.
5. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass der Speicherbehälter zumindest teilweise durch statisch tragende Bauteile des Turms begrenzt ist.
6. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass der Turm auf einem Fundament (TF) steht und innerhalb des Fundaments ein weiteres Wasserspeichervolumen (ZS) ausgebildet ist.
7. Windkraftanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fundament Gründungspfähle enthält.
8. Windkraftanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die
Gründungspfähle ringförmig angeordnet sind und das zusätzliche
Speichervolumen innerhalb des Rings aus Gründungspfählen angeordnet ist.
9. Windkraftanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Auslauföffnung (AUl, AU2) des Wasserspeicherbehälters in das zusätzliche Wasserspeichervolumen (ZS) mündet und dieses wiederum eine weitere untere Auslauföffnung (ZA) aufweist.
10. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, dass der Wasserspeicherbehälter in mehrere Teilbehälter (WOl, W02, WU1, WU2) aufgeteilt ist.
11. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass der Wasserspeicherbehälter ein Speichervolumen von wenigstens 30.000 m3 besitzt.
12. Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit wenigstens einer
Windkraftanlage nach Anspruch 1 und mit einer Pumpspeicheranlage, welche zwischen einem oberen Wasserreservoir und einem unteren
Wasserreservoir eine Turbinen- und Pumpstation enthält, wobei das
Speichervolumen des Wasserspeicherbehälters im Turm der
Windkraftanlage zumindest einen Teil des oberen Wasserreservoirs bildet.
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