WO2016058596A1 - Vertikale windkraftanlage mit in segmentbauweise zusammengesetztem stator - Google Patents

Vertikale windkraftanlage mit in segmentbauweise zusammengesetztem stator Download PDF

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WO2016058596A1
WO2016058596A1 PCT/DE2015/100424 DE2015100424W WO2016058596A1 WO 2016058596 A1 WO2016058596 A1 WO 2016058596A1 DE 2015100424 W DE2015100424 W DE 2015100424W WO 2016058596 A1 WO2016058596 A1 WO 2016058596A1
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wind turbine
module
segment
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Víctor GÓMEZ HERNÁNDEZ
Martin MEINGASSNER
Andreas Schiegl
Marcus Kuchler
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Turbina Energy Ag
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • Wind turbines with vertical, i. Rotary axes extending substantially transversely to a horizontal wind direction are, as systems for decentralized power generation in the range of 0.5 to 5 kW and above, an increasingly important component of a total regenerative energy concept. It is important in this case the simplest possible structure of existing from stator, rotor and generator wind turbine to keep the assembly costs and the necessary know-how as low as possible.
  • the publication WO 2009/003537 A1 describes a generic wind power plant, which can be built with relatively little installation effort.
  • the stator is composed by a linkage, which in the view from above or below has a substantially star-shaped structure, which is formed by two by 45 ° offset squares. At eight corners of the star-shaped structure so-called stator blades or baffles are mounted, the laterally incoming air so on an inner rotor and its rotor blades direct that the rotor is set in motion regardless of the wind direction and can drive the generator to generate electrical energy.
  • US 201 1/0140450 A1 describes a vertical wind turbine with a stator structure composed of eight ring segment parts.
  • the individual ring segment parts form air ducts which are closed in four directions and narrow in the direction of a centrally arranged rotor, at the end of which the rotor blades are seated.
  • the object of the present invention is to provide a stable wind power plant, the stator can be built up by means of low assembly costs and their components can still be produced very inexpensively. This object is achieved by the wind power plant defined in the present claim 1.
  • the subclaims relate to preferred embodiments.
  • stator or its basic framework is composed of at least two segment parts which are substantially identical in construction.
  • these can be put together like two halves of a walnut shell.
  • the boundary surface between the two halves can extend both in a plane perpendicular to the axis of rotation and in a plane parallel thereto.
  • the stator or the stator framework of more than two, more preferably three, four, six, eight, ten or twelve segment parts are constructed, which can be like cake pieces to form a hollow cylinder.
  • the individual segment parts are essentially identical in construction, preferably even completely identical, so that they can all be produced by the same production machines. As a result, the manufacturing costs and manufacturing complexity can be kept low overall.
  • the stator or its basic structure has the basic shape of a hollow cylinder in which the rotor is housed.
  • Each identical segment part then forms in plan view a circular segment-shaped, in particular circular sector-shaped or ringsegmentförmi- gene, part of the hollow cylinder, which surrounds the inside of the hollow cylinder rotor blades, that is at least partially covered in plan view.
  • each segment part is in turn made up of at least two modular parts, which in turn can be plugged together via integrally formed on the interfaces connector.
  • other types of connection are conceivable, for example screwed or riveted joints in boreholes provided on the module parts.
  • the module parts comprise per segment part at least one cover module part and a bottom module part, which in turn are substantially identical.
  • the production costs can be further reduced, because the module parts are smaller than the associated segment parts and therefore cheaper to produce manufacturing technology.
  • n 4 segment parts of the corresponding hollow cylinder can then be assembled namely by producing eight identical module parts. Because of the simple possibility of connecting the module parts by means of plug connectors and the basic structure of the stator, which can easily be detected on the basis of the outer shape of the module part, the assembly can be carried out by service personnel trained only briefly or even by the end customer himself.
  • the lid and the bottom module part are preferably each designed for mounting a bearing, in which the rotor axis of rotation is rotatably mounted on the stator.
  • the cover module parts and the bottom module parts have to radially inward a sector-shaped recess, which - each after assembly of the individual segments - forms a central recess.
  • a radial bearing can be fastened in the lid recess.
  • the generator is fastened, in which the rotor axis of rotation is arranged to drive the generator rotor element.
  • each segment part is made up of three modular parts, wherein between the cover module part and the bottom module part each having a stator blades or these halves tender middle module part is provided.
  • Each segment part can then be assembled by connecting the lid module part and the floor module part parallel to the axis of rotation to a central module part which, in turn, can be assembled from several parts.
  • This structure has the advantage that each segment part can be disassembled into individual flat module parts, which are particularly easy to stack and occupy little space during transport in a disassembled state.
  • middle module parts of various lengths can be fitted between the identical cover and base module parts. In this way, you can vary the height of the stator hollow cylinder without significantly increase the manufacturing cost.
  • each module part including its connectors can be manufactured in one piece by injection molding.
  • Preferred materials of manufacture are weather-resistant plastics or aluminum.
  • the center module parts have a trapezoidal cross-section.
  • the non-parallel sides of the trapezium form the interfaces with the connectors to the lid or bottom module part.
  • This beveled boundary course not only increases the connection rigidity of the individual module parts with one another, but also improves the stability and tilting stability of the stator as a whole.
  • the corresponding boundary surfaces of the bottom or cover module part are also chamfered, so that the structure of the Statorcampusgerüsts outwardly remains compact overall.
  • Fig. 1 is a schematic plan view of a stator frame of the wind turbine according to the first three embodiments of the invention
  • FIG. 2a is a schematic cross-sectional view of the wind turbine according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2b is a schematic cross-sectional view of the wind turbine according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 3a shows a perspective view of the stator according to the second embodiment obliquely from above;
  • FIG. 3b is a perspective view of the stator according to the second embodiment obliquely from below;
  • FIG. 4 is a perspective view of a module part according to a third
  • Embodiment of the invention is an overall perspective view of the wind turbine according to the third embodiment obliquely from above;
  • FIG. 6a is a perspective view of a wind turbine according to a fourth embodiment of the invention obliquely from above;
  • Fig. 6b is a perspective view of the wind turbine according to the fourth embodiment obliquely from below.
  • the stator is in the preferred embodiments 1 to 3 of exactly four identical segment parts 1 1 a-c assembled by connector 12.
  • each segment part 11a consists of a cover module part 13a, a bottom module part 15a and a middle module part 14a arranged between these two module parts 13a, 15a.
  • the center module part 14a has the basic shape of an isosceles trapezoid in the radial cross section.
  • the parallel sides 21, 22 of the trapezium are radially inward and outward, respectively, and the two other sides 23, 24 form angled interfaces to correspondingly angled interfaces 26, 27 of the lid module part 13a and the bottom module part 15a, respectively.
  • At the interfaces are mutually offset connector 16 integrally formed, which engage in corresponding cavities or slots on the connectors opposite interfaces and thus allow easy mating of the individual module parts 13a, 14a, 15a.
  • stator structure is rotationally symmetrical with respect to the axis of rotation 7 about which a rotor arranged within the stator hollow cylinder can rotate with the rotor blades 5.
  • the stator structure is, however, also axially symmetrical with respect to a central axis 8 perpendicular to the axis of rotation 7.
  • each segment part 1 1 b of three module parts 13b, 14b and 15b composed.
  • the boundary surfaces between the center module part 14b and the adjacent cover or bottom module parts 13b, 15b run parallel to the central axis 8 and therefore perpendicular to the axis of rotation 7.
  • this boundary course is slightly less favorable for reasons of stability than in the first embodiment, But leads to a less complex construction of the individual module parts 13b, 14b, 15b, because right angles are generally easier to handle and in particular bring an easier storage and transportability.
  • FIGs 3a and 3b the entire stator structure of the second embodiment is shown again in a perspective view obliquely from above or obliquely below.
  • the module parts are plugged together so that the cover module part 13b and the bottom module part 15b at an outer peripheral portion each axially offset relative to the central module parts 14b and between each one annular groove 19a, 19b remains.
  • the lower annular groove 19a can be used to attach a (not shown) stand.
  • the upper annular groove 19b can be used, for example, for suspending the stator.
  • annular grooves 19a, 19b are not shown in Fig. 2b, since this purely schematic view is intended to illustrate only the basic principle of the segmentation of components according to the invention.
  • the module or segment parts are also shown separated to allow a better impression of the manner of connecting the individual parts with each other.
  • the overall hollow cylindrical structure of the stator can be seen particularly well with reference to FIGS. 3a and 3b.
  • the four cover module parts 13b and the four floor module parts 15b together form the two base surfaces of the hollow cylinder and the four central module parts 14b of its lateral surface.
  • the center module parts 14b also simultaneously form the obliquely extending stator blades 4.
  • the top and bottom module parts 13b and 15b are essentially ring-segment-shaped in plan view, so that, viewed from above, a circular recess 17 forms in the middle of the stator, in which by means of a suitable Rotor bearing (not shown), the rotor axis 7 shown in Figure 2b is arranged.
  • a corresponding circular recess 17 is also formed by an assembly of the bottom module parts 15b, wherein here preferably the generator (not shown) housed and attached to the individual floor module parts 15b.
  • the individual lid and bottom module parts 13b and 15b also have axial vents 18 which allow for an increase in air flow efficiency through the wind turbine and its stator.
  • FIGS. 4 and 5 show a further variant of the invention according to the third exemplary embodiment. Unlike the first two embodiments, each segment part 1 1 c in the third embodiment is not composed of three module parts but only two module parts 13c and 15c.
  • FIG. 4 shows a cover module part 13 c according to the third exemplary embodiment in a perspective view.
  • An identical bottom module part 15c can be connected to this via the connector 16 so as to form the segment part 1 1 c, which can be composed together with three identical further segment parts 1 1 c to the entire stator framework.
  • the lid module part 13c not only has a lid portion 29, but also axially extending struts 28, which form the Mantelflä- surface of the stator hollow cylinder with corresponding axial struts of the bottom module portion 15c, and thereby the Provide a middle module part spare. The assembly effort is thereby even lower compared to the first and second embodiments.
  • the rotor with the rotor blades 5 can be accommodated in the stator framework constructed by four cover module parts 13c and four base module parts 15c.
  • a stator blade 4 is used along the axial struts 28, which is held by the Statorcampusgerüst and laterally on the wind turbine inflowing air to the rotor blades 5.
  • FIGS. 6a and 6b the overall construction of the wind turbine of the fourth exemplary embodiment is shown in a perspective view obliquely from above or shown diagonally below.
  • the stator of ten identical and substantially circular sector-shaped segment parts 1 d composed.
  • Each segment component 1 d is in turn composed of a cover module part 13 d, a bottom module part 15 d and a middle module part 14 d forming the stator blade 4.
  • the connection of the individual module components 13d, 14d, 15d with each other, as well as the connection of the individual segment components 1 1 d together advantageously by screw and / or connector systems made.
  • the rotor within the substantially hollow cylindrical overall structure of the stator of the ten segment components 1 1 d is the rotor with the total also ten rotor blades 5, which are rotatably mounted about the axis of rotation 7.
  • a radial bearing for rotatably supporting the upper end of the rotor rotation axis 7 is located in a central recess 17 formed by the cover module parts 13d.
  • the lower end of the rotation axis 7 is coupled to the generator for generating energy.
  • the generator housing 10 is accommodated in a formed by the bottom module parts 15d central recess and attached directly to the radially inner ends of the individual bottom module parts 15d.
  • screw connection systems are suitable for fastening here especially screw connection systems are suitable.
  • the stator in the case of the vertical wind power plant of the invention, is completely assembled in modular construction from at least two structurally identical segment components 1 1 ad.
  • the individual segment components 1 1 ad can in turn be constructed of modular components 13a-d, 14a-b, 14d, 15a-d, of which the lid module parts 13a-d and the bottom module parts 15a-d are again preferably of identical construction. In this way, both the manufacturing effort is kept low and allows easy mounting of the stator framework. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Bei einer Windkraftanlage mit vertikaler Drehachse wird der Stator, bzw. ein die Statorblätter (4) tragendes Statorgrundgerüst in Modulbauweise vollständig aus mindestens zwei baugleichen Segmentbauteilen (11 a-d) zusammengesetzt. Die einzelnen Segmentbauteile (11 a-d) können wiederum aus Modulbauteilen (13a-d, 14a-b, 14d, 15a-d) aufgebaut sein, von denen die Deckel-Modulteile (13a-d) und die Boden-Modulteile (15a-d) wiederum vorzugsweise baugleich sind. Auf diese Weise wird sowohl der fertigungstechnische Aufwand gering gehalten als auch eine einfache Montage des Statorgrundgerüsts ermöglicht.

Description

Vertikale Windkraftanlage mit in Segmentbauweise zusammengesetztem Stator Beschreibung
Windkraftanlagen mit vertikaler, d.h. im Wesentlichen quer zu einer horizontalen Windrichtung verlaufender, Drehachse sind als Systeme zur dezentralen Energiegewinnung im Bereich von 0,5 bis 5 kW und darüber ein zunehmend wichtiger Bauteil eines regenerativen Gesamtenergiekonzepts. Wichtig ist dabei ein möglichst einfacher Aufbau der aus Stator, Rotor und Generator bestehenden Windkraftanlage, um den Montageaufwand und das dafür erforderliche Know-how möglichst gering zu halten.
Die Druckschrift WO 2009/003537 A1 beschreibt eine gattungsgemäße Windkraftanlage, die bereits mit relativ geringem Montageaufwand aufbaubar ist. Der Stator ist durch ein Gestänge zusammengesetzt, das in der Ansicht von oben bzw. unten einen im Wesentlichen sternförmigen Aufbau hat, der durch zwei um 45° zueinander versetzte Quadrate entsteht. An acht Ecken des sternförmigen Aufbaus sind sogenannte Statorblätter oder Leitbleche angebracht, die seitlich einströmende Luft so auf einen innen liegenden Rotor und dessen Rotorschaufeln leiten, dass der Rotor unabhängig von der Windrichtung in Bewegung versetzt wird und den Generator zur Gewinnung elektrischer Energie antreiben kann.
Als nachteilig an dem in WO 2009/003537 A1 offenbarten Stand der Technik hat sich erwiesen, dass der Statoraufbau trotz des hohen Grades an Rotati- onssymmetrie um die Drehachse und Achsensymmetrie bezüglich der senkrecht zur Drehachse stehenden Mittelachse immer noch relativ kompliziert ist. Das Gestänge ist aus einer Vielzahl von Leichtmetall- oder Kunststoff-Stangen verschiedener Größen mittels geeigneter Schraubverbindungen zusammenzubauen, was mehr Erfahrung und technisches Geschick erfordert als zunächst anzunehmen wäre.
US 201 1/0140450 A1 beschreibt eine Vertikal-Windkraftanlage mit einem aus acht Ringsegmentteilen zusammengesetzten Statoraufbau. Die einzelnen Ringsegmentteile bilden nach vier Seiten geschlossene und sich in Richtung eines zentrisch angeordneten Rotors verengende Luftführungskanäle, an deren Ende die Rotorflügel sitzen.
Weitere Beispiele von herkömmlichen Vertikal-Windkraftanlagen sind in DE 20 2010 016 013 U1 und US 4,269,563 A gezeigt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine stabile Windkraftanlage bereitzustellen, deren Stator mittels geringem Montageaufwand auf- baubar ist und deren Bauteile sich trotzdem sehr kostengünstig herstellen lassen. Diese Aufgabe wird durch die im vorliegenden Anspruch 1 definierte Windkraftanlage gelöst. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausführungsbeispiele.
Ausgehend von der Grundidee, den Montageaufwand zu verringern, scheint es zunächst optimal, den gesamten Stator bzw. ein diesen tragendes Statorgrundgerüst aus einem Stück zu fertigen. Dies bringt aber den Nachteil mit sich, dass das Statorgrundgerüst bzw. der Stator insgesamt dann relativ sperrig wird und sich daher schlecht lagern oder platzsparend verpacken lässt. Das Grundkonzept der vorliegenden Erfindung sieht daher vor, dass der Stator bzw. dessen Grundgerüst aus wenigstens zwei Segmentteilen zusammengesetzt ist, die im Wesentlichen baugleich sind.
In der Minimalkonfiguration mit genau zwei Segmentteilen lassen sich diese wie zwei Hälften einer Walnussschale zusammenstecken. Dabei kann die Grenzfläche zwischen den zwei Hälften sowohl in einer Ebene senkrecht zur Drehachse als auch in einer Ebene parallel zu dieser verlaufen.
Vorzugsweise wird der Stator bzw. das Statorgrundgerüst aus mehr als zwei, besonders bevorzugt drei, vier, sechs, acht, zehn oder zwölf Segmentteilen aufgebaut, die sich wie Kuchenstücke zu einem Hohlzylinder zusammensetzen lassen. Die einzelnen Segmentteile sind im Wesentlichen baugleich, vorzugswei- se sogar vollständig baugleich, so dass sie alle durch die gleichen Produktionsmaschinen herstellbar sind. Dadurch lassen sich die Herstellungskosten und der fertigungstechnische Aufwand insgesamt gering halten.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung hat der Stator bzw. dessen Grundgerüst die Grundform eines Hohlzylinders, in dem der Rotor unter- gebracht ist. Jedes baugleiche Segmentteil bildet dann in der Draufsicht einen kreissegmentförmigen, insbesondere kreissektorförmigen oder ringsegmentförmi- gen, Teil des Hohlzylinders, der die innerhalb des Hohlzylinders liegenden Rotorflügel umschließt, das heißt in der Draufsicht zumindest teilweise überdeckt. Dies ermöglicht eine besonders stabile und kompakte Bauweise der aus Stator und Rotor zusammengesetzten Windkraftanlage.
Beträgt die Anzahl der baugleichen Segmentteile n, so ist der Stator bzw. dessen Grundgerüst rotationssymmetrisch bezüglich einer Drehung um die Drehachse mit dem Winkel 360 n. Das Zusammensetzen der einzelnen Segmentteile erfolgt vorzugsweise über Steckverbindungen, die an entsprechenden Grenzflä- chen der Segmentteile angeformt sind. Es sind aber auch andere Verbindungsarten denkbar, beispielsweise Schraub- oder Nietverbindungen in an den Segmentteilen vorgesehenen Bohrlöchern. Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedes Segmentteil wiederum aus mindestens zwei Modulteilen aufgebaut, die sich wiederum über an den Grenzflächen angeformte Steckverbinder zusammenstecken lassen. Wie schon bei den Segmentteilen sind aber auch andere Verbindungsar- ten denkbar, beispielsweise Schraub- oder Nietverbindungen in an den Modulteilen vorgesehenen Bohrlöchern.
Die Modulteile umfassen pro Segmentteil wenigstens ein Deckel-Modulteil und ein Boden-Modulteil, die wiederum im Wesentlichen baugleich sind. Dadurch lassen sich die Produktionskosten weiter senken, weil die Modulteile kleiner als die zugehörigen Segmentteile und daher fertigungstechnisch billiger herstellbar sind. Für ein Statorgrundgerüst mit beispielsweise n = 4 Segmentteilen kann der entsprechende Hohlzylinder dann nämlich durch Herstellung von acht baugleichen Modulteilen zusammengesetzt werden. Wegen der einfachen Verbindungsmöglichkeit der Modulteile durch Steckverbinder und dem anhand der äußeren Form der Modulteil leicht zu erfassenden Grundaufbau des Stators kann die Montage von nur kurz eingewiesenen Servicekräften oder sogar durch den Endkunden selbst übernommen werden.
Das Deckel- und das Boden-Modulteil sind vorzugsweise jeweils zur Befestigung eines Lagers ausgelegt, in dem die Rotor-Drehachse drehbar am Stator gelagert ist. Besonders vorzugsweise haben die Deckel-Modulteile und die Boden-Modulteile dazu jeweils radial innen eine sektorförmige Aussparung, die - jeweils nach dem Zusammensetzen der einzelnen Segmente - eine zentrische Aussparung bildet. In der Deckel-Aussparung lässt sich ein Radiallager befestigen. In der Boden-Aussparung wird gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungs- beispiel der Generator befestigt, in dem die Rotor-Drehachse zum Antrieb des Generator-Rotorelements angeordnet ist. Der so geschaffene Gesamtaufbau ist besonders kompakt und stabil und dabei dennoch konstruktiv so simpel, dass ein schneller und fehlerfreier Aufbau keine Schwierigkeiten macht.
Bei der kompakten Bauweise gemäß dem im letzten Absatz erläuterten Ausführungsbeispiel, bei dem der Rotor vom Stator nahezu vollständig eingeschlossen ist, ist für eine optimale Funktionsweise der Windkraftanlage eine ausreichende Luftzu- und -abfuhr besonders wichtig. Dies gelingt durch zusätzliche axiale Lüftungsschlitze, die in den Deckel- und/oder Boden-Modulteilen vorgesehen sind.
Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist jedes Segmentteil aus drei Modulteilen aufgebaut, wobei zwischen dem Deckel-Modulteil und dem Boden-Modulteil jeweils ein Statorblätter aufweisender oder diese hal- tender Mittel-Modulteil vorgesehen ist. Jedes Segmentteil lässt sich dann dadurch zusammenbauen, dass das Deckel-Modulteil und das Boden-Modulteil parallel zu der Drehachse mit einem Mittel-Modulteil verbunden wird, das wiederum aus mehreren Teilen zusammengesteckt sein kann. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass sich jedes Segmentteil in einzelne flache Modulteile zerlegen lässt, die besonders gut stapelbar sind und beim Transport in zerlegtem Zustand nur wenig Volumen einnehmen. Außerdem lassen sich zwischen den baugleichen Deckel- und Boden-Modulteilen Mittel-Modulteile verschiedener Längen anbringen. Auf diese Weise kann man die Höhe des Stator-Hohlzylinders variieren, ohne den fertigungstechnischen Aufwand wesentlich zu erhöhen.
Erfindungsgemäß kann jedes Modulteil einschließlich seiner Steckverbinder einstückig im Spritzgussverfahren hergestellt werden. Bevorzugte Herstellungsmaterialien sind witterungsbeständige Kunststoffe oder Aluminium.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung haben die Mittel-Modulteile einen trapezförmigen Querschnitt. Die nicht parallelen Seiten des Trapezes bilden die Grenzflächen mit den Steckverbindungen zu dem Deckel- bzw. Boden-Modulteil. Durch diesen angeschrägten Grenzflächenverlauf erhöht sich nicht nur die Verbindungssteifigkeit der einzelnen Modulteile untereinander, sondern es wird auch die Festigkeit und Kippsicherheit des Stators ins- gesamt verbessert. Die entsprechenden Grenzflächen des Boden- bzw. Deckel- Modulteils sind ebenso angeschrägt, so dass der Aufbau des Statorgrundgerüsts nach außen insgesamt kompakt bleibt.
Besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf ein Statorgrundgerüst der Windkraftanlage gemäß den ersten drei Ausführungsbeispielen der Erfindung;
Fig. 2a eine schematische Querschnittsansicht der Windkraftanlage gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2b eine schematische Querschnittsansicht der Windkraftanlage gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 3a eine perspektivische Ansicht des Stators gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel von schräg oben;
Fig. 3b eine perspektivische Ansicht des Stators gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel von schräg unten;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Modulteils gemäß einem dritten
Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 5 eine perspektivische Gesamtansicht der Windkraftanlage gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel von schräg oben;
Fig. 6a eine perspektivische Ansicht einer Windkraftanlage gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung von schräg oben; und
Fig. 6b eine perspektivische Ansicht der Windkraftanlage gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel von schräg unten.
Wie in der Fig. 1 zu sehen ist, wird der Stator in den bevorzugten Ausführungsbeispielen 1 bis 3 aus genau vier baugleichen Segmentteilen 1 1 a-c durch Steckverbinder 12 zusammengesetzt. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf be- schränkt und es sind auch beliebige andere Anzahlen von Segmentteilen n möglich, insbesondere n = 2, 3, 5, 6, 8, 10 oder 12.
Beim ersten Ausführungsbeispiel besteht jedes Segmentteil 1 1 a aus einem Deckel-Modulteil 13a, einem Boden-Modulteil 15a und einem zwischen diesen zwei Modulteilen 13a, 15a angeordneten Mittel-Modulteil 14a. Das Mittel-Modul- teil 14a hat, wie in der Querschnittsansicht der Fig. 2a zu sehen ist, im radialen Querschnitt die Grundform eines gleichschenkligen Trapezes. Die parallelen Seiten 21 , 22 des Trapezes liegen radial innen bzw. außen und die beiden anderen Seiten 23, 24 bilden angewinkelte Grenzflächen zu entsprechend angewinkelten Grenzflächen 26, 27 des Deckel-Modulteils 13a bzw. des Boden-Modulteils 15a. An den Grenzflächen sind versetzt zueinander Steckverbinder 16 angeformt, die in entsprechende Hohlräume bzw. Steckplätze an dem den Steckverbindern entgegengesetzten Grenzflächen eingreifen und so ein leichtes Zusammenstecken der einzelnen Modulteile 13a, 14a, 15a ermöglichen.
Der Statoraufbau ist insgesamt rotationssymmetrisch bezüglich der Dreh- achse 7, um die sich ein innerhalb des Stator-Hohlzylinders angeordneter Rotor mit den Rotorflügeln 5 drehen kann. Der Statoraufbau ist aber auch achsensymmetrisch bezüglich einer senkrecht auf der Drehachse 7 stehenden Mittelachse 8. Durch das hohe Maß an Symmetrie und die intelligente Aufteilung der Segment- und Modulteile und deren Steckverbinder lassen sich sowohl die Herstellungsko- sten reduzieren als auch der Montageaufwand gering halten.
Bei dem in der Fig. 2a gezeigten ersten Ausführungsbeispiel entsteht wegen der schräg zur Mittelachse 8 verlaufenden Seitenwände 23, 24, 26, 27 eine relativ lange Grenzfläche zwischen dem Mittel-Modulteil 14a und den zugehörigen Deckel- bzw. Boden-Modulteilen 13a, 15a. Die gegenüber senkrecht zur Drehach- se 7 verlaufenden Seitenwänden erzielte Verlängerung der Grenzflächen an sich stabilisiert bereits die Verbindungsfestigkeit des daraus zusammengesetzten Segmentteils 1 1 a. Der angewinkelte Verlauf der Grenzflächen erhöht aber auch die Festigkeit und Kippsicherheit des Statoraufbaus insgesamt.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel, das in den Figuren 1 , 2b, 3a und 3b zu sehen ist, ist wiederum jedes Segmentteil 1 1 b aus drei Modulteilen 13b, 14b und 15b zusammengesetzt. Hier verlaufen aber die Grenzflächen zwischen dem Mittel-Modulteil 14b und den angrenzenden Deckel- bzw. Boden-Modulteilen 13b, 15b parallel zur Mittelachse 8 und daher senkrecht zur Drehachse 7. Dieser Grenzflächenverlauf ist zwar unter Stabilitätsgründen etwas weniger günstig als bei dem ersten Ausführungsbeispiel, führt aber zu einer weniger komplexen Bau- art der einzelnen Modulteile 13b, 14b, 15b, weil rechte Winkel generell einfacher zu handhaben sind und insbesondere eine leichtere Lagerung und Transportfähigkeit mit sich bringen.
In den Figuren 3a und 3b ist der gesamte Statoraufbau des zweiten Ausführungsbeispiels nochmals in einer perspektivischen Ansicht von schräg oben bzw. schräg unten dargestellt. Die Modulteile sind so zusammengesteckt, dass das Deckel-Modulteil 13b und das Boden-Modulteil 15b an einem Außenum- fangsabschnitt jeweils axial leicht gegenüber den Mittel-Modulteilen 14b abgesetzt sind und dazwischen jeweils eine Ringnut 19a, 19b bleibt. Die untere Ringnut 19a kann zur Befestigung eines (nicht dargestellten) Ständers dienen. Die obere Ringnut 19b kann beispielsweise zur Aufhängung des Stators verwendet werden.
Diese Ringnuten 19a, 19b sind in der Fig. 2b nicht dargestellt, da diese rein schematischen Ansicht nur das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Segmentierung von Bauteilen verdeutlichen soll. In den Figuren 1 , 2a und 2b sind die Modul- bzw. Segmentteile auch separiert dargestellt, um einen besseren Eindruck der Verbindungsweise der einzelnen Teile untereinander zu ermöglichen.
Der insgesamt hohlzylindrische Aufbau des Stators lässt sich anhand der Figuren 3a und 3b besonders gut erkennen. Dabei bilden die vier Deckel-Modulteile 13b und die vier Boden-Modulteile 15b zusammen jeweils die beiden Grund- flächen des Hohlzylinders und die vier Mittel-Modulteile 14b dessen Mantelfläche. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel bilden die Mittel-Modulteile 14b auch gleichzeitig die schräg verlaufenden Statorblätter 4 aus. Alternativ ist es aber auch möglich, dass separate Statorblätter 4 oder Teile davon in die Mittel-Modulteile 14b eingesetzt und von diesen nur gehalten werden.
Das Deckel- und das Boden-Modulteil 13b und 15b sind in der Draufsicht im Wesentlichen ringsegmentförmig, so dass sich von oben gesehen in der Mitte des Stators eine kreisförmige Aussparung 17 bildet, in der mittels eines geeigne- ten Rotorlagers (nicht gezeigt) die in der Figur 2b gezeigte Rotorachse 7 angeordnet ist. Eine entsprechende kreisförmige Aussparung 17 bildet sich auch durch ein Zusammensetzen der Boden-Modulteile 15b, wobei hier vorzugsweise der Generator (nicht gezeigt) untergebracht und an den einzelnen Boden-Modulteilen 15b befestigt wird. Außerdem weisen die einzelnen Deckel- und Boden-Modulteile 13b und 15b auch axiale Lüftungsschlitze 18 auf, die eine Steigerung der Luftströmungseffizienz durch die Windkraftanlage und ihren Stator ermöglichen. Es sei darauf hingewiesen, dass weder die Aussparung 17 noch die Lüftungsschlitze 18 in der Draufsicht der Fig. 1 und der Seitenansicht der Fig. 2a oder 2b zu sehen sind, weil die Figuren 1 , 2a und 2b als rein schematische Ansichten derartige Details der besseren Übersichtlichkeit halber aussparen.
In den Figuren 4 und 5 ist eine weitere Variante der Erfindung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel dargestellt. Anders als bei den ersten beiden Ausführungsbeispielen wird jedes Segmentteil 1 1 c bei dem dritten Ausführungsbeispiel nicht aus drei Modulteilen sondern nur aus zwei Modulteilen 13c und 15c zusammengesetzt.
Die Fig. 4 zeigt ein Deckel-Modulteil 13c gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel in einer perspektivischen Ansicht. Ein baugleiches Boden-Modulteil 15c lässt sich mit diesem über die Steckverbinder 16 verbinden, um so das Segment- teil 1 1 c zu bilden, das sich zusammen mit drei baugleichen weiteren Segmentteilen 1 1 c zu dem gesamten Statorgrundgerüst zusammensetzen lässt. Anders als beim ersten und zweiten Ausführungsbeispiel weist das Deckel-Modulteil 13c nicht nur einen Deckelbereich 29 auf, sondern auch axial verlaufende Streben 28, die mit entsprechenden axialen Streben des Boden-Modulteils 15c die Mantelflä- che des Stator-Hohlzylinders bilden, und dadurch das Vorsehen eines Mittel-Modulteils erübrigen. Der Montageaufwand wird dadurch gegenüber dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel noch geringer.
Wie in der Fig. 5 zu sehen ist, lässt sich in dem durch vier Deckel-Modulteile 13c und vier Boden-Modulteile 15c aufgebaute Statorgrundgerüst der Rotor mit den Rotorschaufeln 5 unterbringen. Außerdem wird entlang der axialen Streben 28 jeweils ein Statorblatt 4 eingesetzt, das durch das Statorgrundgerüst gehalten wird und seitlich auf die Windkraftanlage einströmende Luft auf die Rotorschaufeln 5 lenkt. Alternativ ist es aber auch möglich, die Streben 28 so zu verbreitern, dass sie - ähnlich wie in den Figuren 3a und 3b - selbst die Statorblätter 4 bilden.
In den Figuren 6a und 6b ist der Gesamtaufbau der Windkraftanlage des vierten Ausführungsbeispiels in einer perspektivischen Ansicht von schräg oben bzw. schräg unten dargestellt. Hier ist der Stator aus zehn baugleichen und im wesentlichen kreissektorförmigen Segmentteilen 1 d zusammengesetzt. Jedes Segmentbauteil 1 d ist wiederum aus einem Deckel-Modulteil 13d, einem Boden- Modulteil 15d und einem das Statorblatt 4 bildenden Mittel-Modulteil 14d zusam- mengesetzt. Die Verbindung der einzelnen Modulbauteile 13d, 14d, 15d untereinander wird ebenso wie die Verbindung der einzelnen Segmentbauteile 1 1 d miteinander vorteilhafterweise durch Schraub- und/oder Steckverbindungssysteme hergestellt.
Innerhalb des im wesentlichen hohlzylindrischen Gesamtaufbaus des Sta- tors aus den zehn Segmentbauteilen 1 1 d befindet sich der Rotor mit den insgesamt ebenfalls zehn Rotorschaufeln 5, die drehbar um die Drehachse 7 gelagert sind. Dazu befindet sich in einer durch die Deckel-Modulteile 13d gebildeten zentrischen Aussparung 17 ein Radiallager zur drehbaren Lagerung des oberen Endes der Rotor-Drehachse 7. Das untere Ende der Drehachse 7 ist mit dem Gene- rator zur Energiegewinnung gekoppelt. Wie in der Fig. 6b dargestellt, ist das Generatorgehäuse 10 dazu in einer durch die Boden-Modulteile 15d gebildeten zentrischen Aussparung untergebracht und direkt an den radial innen liegenden Enden der einzelnen Boden-Modulteile 15d befestigt. Zur Befestigung eignen sich hier besonders Schraubverbindungssysteme.
Die in der Draufsicht rotationssymmetrische Anordnung und Befestigung der einzelnen Deckel- und Boden-Modulteile 13d, 15d mit der jeweils zentrischen Aussparung 17 hat sich als besonders stabile und montagefreundliche Verankerungsmöglichkeit für Rotor und Generator am Statorgrundgerüst erwiesen. Lüftungsschlitze 18 in den Deckel- und Boden-Modulteilen 13d, 15d sorgen wie schon bei den anderen Ausführungsbeispielen für eine ausreichende Luftzufuhr und Luftabfuhr in axialer Richtung.
Zusammenfassend wird bei der Vertikal-Windkraftanlage der Erfindung der Stator, bzw. ein die Statorblätter 4 tragendes Statorgrundgerüst in Modulbauweise vollständig aus mindestens zwei baugleichen Segmentbauteilen 1 1 a-d zusam- mengesetzt. Die einzelnen Segmentbauteile 1 1 a-d können wiederum aus Modulbauteilen 13a-d, 14a-b, 14d, 15a-d aufgebaut sein, von denen die Deckel-Modulteile 13a-d und die Boden-Modulteile 15a-d wiederum vorzugsweise baugleich sind. Auf diese Weise wird sowohl der fertigungstechnische Aufwand gering gehalten als auch eine einfache Montage des Statorgrundgerüsts ermöglicht. Bezugszeichenliste
4 Statorblatt
5 Rotorschaufel
7 Drehachse
8 Mittelachse
10 Generatorgehäuse
11a-d Segment(bau)teil
12, 16 Steckverbinder
13a-d Deckel-Modul(bau)teil
14a-b, 14d Mittel-Modul(bau)teil
15a-d Boden-Modul(bau)teil
17 Aussparung
18 Lüftungsschlitze
19a-b Ringnut
21 -24 Trapez-Seitenwände
26, 27 Grenzflächen-Seitenwände
28 Streben
29 Deckelbereich

Claims

Patentansprüche
1 . Windkraftanlage mit
einem Rotor, der drehbar um eine vertikale Drehachse (7) gelagert ist und mehrere Rotorflügel (5) aufweist,
einem Stator, innerhalb dem der Rotor untergebracht ist und der mehrere Statorblätter (4) aufweist, die dazu ausgelegt sind, seitlich auf die Windkraftanlage einströmende Luft in Richtung der Rotorflügel (5) zu lenken, und
einem Generator zur Gewinnung elektrischer Energie aus der Drehung des Rotors um die Drehachse (7),
dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Stator oder wenigstens ein den gesamten Stator tragendes Statorgrundgerüst aus mindestens zwei Segmentteilen (1 1 a-d) zusammengesetzt ist, die im wesentlichen baugleich sind.
2. Windkraftanlage nach Anspruch 1 , wobei der Stator bzw. das Statorgrundgerüst aus n Segmentteilen (1 1 a-d) zusammengesetzt und bei einer Drehung um 360 n um die Drehachse (7) rotationssymmetrisch bezüglich dieser ist.
3. Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, wobei für die Anzahl der baugleichen Segmentteile (1 1 a-d) n = 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10 oder 12 gilt.
4. Windkraftanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Stator bzw. das Statorgrundgerüst die Grundform eines Hohlzylinders hat und jedes Segmentteil (1 1 a-d) einen in der Draufsicht kreissektorförmigen oder ringseg- mentförmigen Teil des Hohlzylinders bildet, der die Rotorflügel (5) zumindest teilweise überdeckt.
5. Windkraftanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jedes Segmentteil (1 1 a-d) erste Steckverbinder (12) aufweist, durch die sich die Segmentteile (1 1 a-d) zusammensetzen lassen.
6. Windkraftanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jedes Segmentteil (1 1 a-d) aus mehreren Modulteilen (13 bis 15) zusammengesetzt ist, und jedes Segmentteil (1 1 a-d) insbesondere ein Deckel-Modulteil (13a-d) und ein Boden-Modulteil (15a-d) aufweist, die vorzugsweise im wesentlichen baugleich sind, und die jeweils zur Anbringung eines Rotorlagers zur drehbaren Lagerung der Drehachse (7) ausgelegt sind, insbesondere in einer radial innen liegenden Aussparung (17).
7. Windkraftanlage nach Anspruch 6, wobei
jedes Segmentteil (1 1 a; 1 1 b) aus dem Deckel -Modulteil (13a; 13b), dem Boden-Modulteil (15a; 15b) und einem das Deckel-Modulteil (13a; 13b) und das Boden-Modulteil (15a; 15b) parallel zu der Drehachse (7) verbindenden Mittel- Modulteil (14a; 14b; 14d) zusammengesetzt ist und
die Mittel-Modulteile (14a; 14b; 14d) die Statorblätter (4) halten oder aufweisen.
8. Windkraftanlage nach Anspruch 7, wobei die Mittel-Modulteile (14a) in einem Querschnitt in einer die Drehachse (7) enthaltenden Ebene im wesentlichen die Form eines Trapezes haben, vorzugsweise die Form eines gleichschenkligen Trapezes, wobei die parallelen Trapezseiten (21 , 22) die radial innen und außen liegenden Seitenwände der Mittel-Modulteile (14a) bilden und die nicht parallelen Trapezseiten (23, 24) flächig an entsprechend angeschrägten Seitenwänden (26, 27) des Deckel-Modulteils (13a) und des Boden-Modulteils (15a) angrenzen.
9. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Deckel-Modulteil (13a-d) und/oder das Boden-Modulteil (15a-d) ferner axiale Lüftungsschlitze (18) aufweisen.
10. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei jedes Modulteil (13 bis 15) neben den ersten Steckverbindern (12) auch zweite Steckverbinder (16) aufweist, durch die sich die Modulteile (13 bis 15) untereinander zu den einzelnen Segmentteilen (1 1 a-d) zusammensetzen lassen.
1 1 . Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die Modulteile (13 bis 15) einstückig im Spritzgussverfahren hergestellt sind.
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