WO2016198530A1 - Windenergieanlage zur gewinnung von elektrischer energie aus wind und entsprechender turm - Google Patents

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WO2016198530A1
WO2016198530A1 PCT/EP2016/063179 EP2016063179W WO2016198530A1 WO 2016198530 A1 WO2016198530 A1 WO 2016198530A1 EP 2016063179 W EP2016063179 W EP 2016063179W WO 2016198530 A1 WO2016198530 A1 WO 2016198530A1
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tower
bearing
section
vertical axis
wind
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PCT/EP2016/063179
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Lorenz Voit
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Lorenz Voit
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D13/00—Assembly, mounting or commissioning of wind motors; Arrangements specially adapted for transporting wind motor components
    • F03D13/20—Arrangements for mounting or supporting wind motors; Masts or towers for wind motors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/0204—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor for orientation in relation to wind direction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D80/00—Details, components or accessories not provided for in groups F03D1/00 - F03D17/00
    • F03D80/70—Bearing or lubricating arrangements
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/728—Onshore wind turbines

Definitions

  • the present invention relates to a wind turbine for generating electrical energy from wind and a tower for a wind turbine for obtaining electrical energy from wind.
  • a concept of a wind power plant in which the tower is constructed as a truss mast and covered with a cladding jacket, a flow-optimized inflow profile, for example, a teardrop shape or an ellipse.
  • a rotary bearing is arranged adjacent below the inflow-profiled truss mast, so that the entire anström profiled truss mast is rotatable about its vertical axis.
  • the flow-optimized inflow profile of the truss mast is preferably set up such that the
  • Truss mast automatically turns into the wind or such a rotation is supported by the flow. This reduces the mechanical loads on the tower.
  • the construction as truss mast also allows the construction on site with easily transportable items (mainly rod material).
  • the invention relates to a wind turbine for generating electrical energy from wind, which has a generator system and a foundation for introducing the loads of the wind turbine into the ground, wherein the generator system is rotatably supported by an azimuth bearing against the foundation and wherein the generator system at least the following
  • Components includes:
  • a generator for converting from a rotation of the rotor into electrical energy
  • a machine house for receiving the generator and for supporting the rotor
  • a tower comprising a height and a vertical axis, for holding the machine house in height, wherein the tower is rotatable about the vertical axis.
  • the wind energy plant is characterized in particular by the fact that the azimuth bearing for the rotation of the tower about the vertical axis is arranged in the foundation and / or the machine house is rotatably fixed relative to the tower, the machine house a ground plane, preferably with steel beams, which directly with is connected to the tower, and / or in the tower, a lift is arranged, which is rotationally fixed relative to the tower, and / or the tower in a first region having a first cross-section with a flow-optimized inflow and in a second region has a second circular cross-section having the vertical axis as a center of rotation, wherein the radius of the second cross section is smaller than a maximum polar radius of the first cross section with respect to the vertical axis, preferably smaller than the inflow parallel polar radius of the first cross section with respect to the vertical
  • the invention relates to a wind turbine for generating electrical energy from wind, which has a generator system and a foundation for introducing the loads of the wind turbine into the ground, wherein the generator system is rotatably supported by an azimuth bearing against the foundation and wherein the generator system at least the following components comprises:
  • a generator for converting from a rotation of the rotor into electrical energy
  • a machine house for receiving the generator and for supporting the rotor
  • a tower comprising a height and a vertical axis, for holding the machine house in height, wherein the tower is rotatable about the vertical axis.
  • the wind energy plant is characterized in particular by the fact that the azimuth bearing is arranged for the rotation of the tower about the vertical axis in the foundation.
  • the wind energy installation has a rotor, a generator and a shaft connecting these two components to a torque, in which case conventional components are preferably used.
  • These aforementioned components are received or stored by a machine house. Together with the tower, the machine house together with the aforementioned components form a generator system.
  • the entire generator system and thus the tower over its entire height are rotatable in the wind, so adjusted by means of an azimuth bearing adapted to the wind direction.
  • the vertical axis of the tower forms the axis of rotation, so that the flow-optimized inflow profile of the tower is always the same orientation in each wind direction relative to the flow of the wind or can be.
  • the foundation has a
  • the foundation is completely or up to a few centimeters of its axial section in the axial extent in the ground (ie below ground). More preferably, the azimuth bearing extends from an uppermost end of the foundation to above the beginning of the radial section or even into the radial section. As a result, a good Kippmomentabstützung is achieved.
  • the foundation is an offshore foundation, wherein the foundation, at an offshore foundation (for example a tripod) supported in the seafloor, at least at high tide, completely or up to a few centimeters of its axial extent parallel to the vertical axis of the tower
  • Wind turbine is arranged under water.
  • the azimuth bearing is arranged in the foundation, so that the entire tower or at least the part which is visible above the foundation, is rotatable. This allows a flow-optimized construction of the tower over its entire height from the surface of the ground or the foundation to the machine house.
  • the wind turbine comprises the azimuth bearing the following parts warehouse:
  • a first radial bearing for receiving a tilting moment of the generator system
  • first radial bearing and the second radial bearing have a distance along the vertical axis of 1 meter to 10 meters, preferably 2 meters to 4 meters, more preferably less than 3.5 meters.
  • a thrust bearing is used, which the entire weight of
  • a radial bearing has for this purpose a bearing rotor and a bearing stator, wherein the bearing rotor with the Turn the tower and fix the bearing stator in the foundation.
  • the azimuth bearing exclusively on these aforementioned part warehouse.
  • the first radial bearing and the second radial bearing are preferably arranged in a very small distance from each other despite the high forces. This allows a low foundation depth.
  • the foundation depth here corresponds preferably to a conventional foundation depth in a rigid tower with a rotatably mounted nacelle or is even flatter. Relative to the axis of rotation is the maximum radial
  • Extent of the radial bearing thereby preferably less than a maximum radial extent of the cross section of the tower.
  • the first radial bearing and / or the second radial bearing of the azimuth bearing each forms a co-moving bearing inner ring and there are each a plurality of spaced fixed bearing points for force-transmitting contact with the respective bearing inner ring, by means of which the respective bearing inner ring is guided radially.
  • no circumferential bearing is formed, but only a plurality of circumferentially spaced bearings, preferably eight, six or only four or even only three bearings. These bearings thus form the Lagerstator.
  • the bearing inner ring then forms the bearing rotor. For this purpose, preferably one moving each
  • bearing inner ring of which the respective section, which with one of the fixed
  • Bearings is in contact, is set up for power transmission.
  • Embodiment four bearings are provided.
  • the first radial bearing and / or the second radial bearing of the azimuth bearing each form a fixed bearing outer ring and are each one
  • a plurality of spaced apart mitbewegter bearings formed for force-transmitting contact with the respective bearing outer ring, by means of which the respective co-moving bearings are guided radially.
  • no circumferential bearing is formed, but only a plurality of circumferentially spaced bearings, preferably eight, six or only four or even only three bearings. These bearings in this case form the bearing rotor.
  • the bearing outer ring then forms the bearing stator.
  • a rotatably fixed bearing outer ring is preferably provided in each case, which is arranged over the entire circumference to receive the force introduced by one of the co-moving bearing points.
  • Embodiment four bearings are provided.
  • the (fixed or co-moving) bearing points each have a spring element for the elastic absorption of forces transversely to the vertical axis.
  • short term load peaks are balanced by elasticity in the bearings, thus protecting the bearings from damage due to (temporary) overloading.
  • the rigidity of the spring elements is set up in such a way that they only yield after a predetermined overload limit.
  • a vibration damping takes place via the bearings themselves.
  • the spring elements are preferably longitudinally loaded leaf springs which extend radially from the bearing point extending into the foundation or support it against. At fixed bearings, the spring elements preferably engage in the foundation. In mitbewegten bearings, the spring elements are based on, in hydrostatic bearings bearing surface of the bearing against the
  • At least one of the partial bearings of the azimuth bearing is a hydrostatic bearing.
  • a hydrostatic bearing has the advantage that it can absorb very high bearing forces permanently, without subsidence phenomena occur at the bearing points due to high surface pressures. Furthermore, hydrostatic bearings have good damping properties and
  • the invention relates to a wind turbine for generating electrical energy from wind, which has a generator system and a foundation for introducing the loads of the wind turbine into the ground, wherein the generator system is rotatably supported by an azimuth bearing against the foundation and wherein the generator system at least the following components comprises:
  • a generator for converting from a rotation of the rotor into electrical energy
  • An engine house for receiving the generator and for mounting the rotor
  • a tower comprising a height and a vertical axis, for holding the machine house in height, wherein the tower is rotatable about the vertical axis.
  • the wind energy plant is characterized in particular by the fact that the nacelle is rotationally fixed relative to the tower, wherein the nacelle has a ground plane, preferably with steel girders, and wherein the ground plane is directly connected to the tower.
  • the tower in this case has at least one upper portion, which is rotatable about the vertical axis.
  • the nacelle is rotationally fixed relative to the tower, so at least to the upper section, so that the
  • the floor level of the machine house is directly connected to the tower.
  • the bottom plane forms an integral element of the tower.
  • the ground plane at the same time forms the receiving plane for the generator and a bearing for the rotor and / or the shaft.
  • the Ground level formed by steel beams.
  • the ground plane is screwed directly to the tower, glued and / or welded.
  • the tower has a
  • Truss mast on or is formed by a truss mast and the tower has a
  • connection level at the ground level of the machine house, wherein the connection level is connected directly to the ground level.
  • the part of the tower which receives the majority of the forces, designed as a truss mast.
  • the truss mast a shell, so a coat on, so that the truss mast is not (unfavorably) flows through, but the jacket causes a favorable flow around and thus a reduction of the wind load on the tower.
  • the connection plane and the ground plane are integrally constructed so that the ground plane at the same time has a stabilizing function for the tower.
  • the truss mast with the connection plane forms a separate component and the machine house can be placed as a complete separate component on the connection plane.
  • the concrete connection points between connection level and ground level are preferably selectable over a wide range or standardized for different machine houses.
  • the ground level and the connection levels are welded together.
  • the foundation has an azimuth bearing according to an embodiment according to the above description.
  • the entire tower or the entire truss mast is rotatable over the full height about its vertical axis as described above in more detail.
  • a relative rotation between the machine house and the tower is not possible.
  • the shape of the tower is streamlined so optimized that the rotor is automatically rotated by the incoming wind in the wind or the incoming wind supports a (controlled) tracking.
  • the rotor for energy production forward, so with the wind direction towards the tower, operated powered.
  • the invention relates to a wind turbine for generating electrical energy from wind, which has a generator system and a foundation for introducing the loads of the wind turbine into the ground, wherein the generator system is rotatably supported by an azimuth bearing against the foundation and wherein the generator system at least the following components comprises:
  • a generator for converting from a rotation of the rotor into electrical energy
  • a machine house for receiving the generator and for supporting the rotor
  • a tower comprising a height and a vertical axis, for holding the machine house in height, wherein the tower is rotatable about the vertical axis.
  • the wind energy plant is characterized in particular by the fact that in the tower, a lift is arranged, which is rotationally fixed relative to the tower.
  • the tower is equipped with an elevator, wherein the elevator is fixed rotationally relative to the tower.
  • a particularly simple construction of the elevator is possible, in which not as conventionally a rigid (non-rotatable) inner elevator guide or an inner tower must be provided.
  • the tower and all internal respectively relative to each other rotationally fixed components can be designed to be rotatable about the vertical axis.
  • the tower is not conventionally constructed in total, which merely has a spoiler that rotates the wind and reduces the wind resistance coefficient (c w value). Rather, the tower is preferably designed for optimum load in a co-rotating in the coordinate system of the tower wind load direction, whereby the total weight of the tower is significantly reduced.
  • the nacelle is rotationally fixed relative to the tower, preferably according to an embodiment according to the above description, and the elevator is continuously movable from a ground level to the nacelle.
  • the rotatable part of the tower extends to a floor level and the elevator is continuously movable between the nacelle and the ground level.
  • the ground level here is a maximum of 3 m [meter] to 5 m [meter] above the surface of the ground or above the (high) water level, and preferably at the level of the surface of the ground or the (high) water level. This provides convenient access to the machine house. In particular, heavy equipment can be used without the use of a ladder of the
  • the ground level is formed in the foundation.
  • the elevator extends into the foundation, wherein the foundation as described above is preferably arranged with its main portion below the surface of the ground or below a (high) water level.
  • the elevator preferably extends to a (foot) floor formed in the foundation, preferably as far as the lower radial bearing.
  • the foundation has an azimuth bearing according to an embodiment as described above, and an entrance to the elevator is formed between the first radial bearing and the second radial bearing.
  • This embodiment is particularly space-saving, by the distance between the radial bearings for the entry and exit space is used in front of the elevator.
  • the remaining maintenance-relevant height of the lower radial bearing and the thrust bearing is reached by a short ladder or stairs.
  • the remaining height is preferably less than Arm length reduced, so that any heavy equipment required without much effort in the bottom of the foundation can be transported or used there.
  • the elevator is designed as a climbing elevator.
  • the necessary shaft length for the elevator is reduced to (approximately) the actual travel length for the elevator car.
  • the rail system is also attachable on one side, so that the space is significantly lower compared to a cable lift.
  • the rail system for the climbing elevator can be used as a ladder in case of failure of the elevator. This results in a structure with a particularly small space requirement and at the same time a convenient transport of ground level into the nacelle.
  • the invention relates to a tower for a wind turbine for obtaining electrical energy from wind, wherein the tower has a height and a vertical axis, and wherein the tower has a first cross section and a first cross section in a first area transverse to the vertical axis for a flow transverse to the vertical axis flow-optimized inflow profile, and wherein the tower is rotatably mounted at the foundation about the vertical axis.
  • the tower is characterized in particular by the fact that the tower has a second cross section in a second region, wherein the second region extends below the first region of the tower, and wherein the second cross section is formed circular with the vertical axis as the center of rotation, wherein the Radius of the second cross section is smaller than a maximum polar radius of the first cross section with respect to the vertical axis, preferably smaller than the inflow parallel polar radius of the first cross section with respect to the vertical axis, more preferably greater than the nose radius of the first cross section with respect to the nasal center.
  • the tower proposed here has a first area which extends from the nacelle to the ground.
  • the first region has a first cross-section, which has a flow-optimized inflow profile, with for example almost a circular shape or
  • the first area tapers from the beginning near the ground to the machine house, preferably according to the decrease of the transverse load, and preferably remains flow-profiled over the entire extent along the vertical axis, ie taking into account the necessary construction with the lowest possible wind resistance coefficient (c w value ) and / or the least possible negative influence on the flow used by the rotor.
  • c w value lowest possible wind resistance coefficient
  • the first cross section transitions to the nacelle into a third cross section, which is, for example, circular or elliptical, the first region being flow profiled over preferably at least 80% of its length.
  • the first cross section alone then designates the cross section of the first region, which is located directly at the lower beginning of the first region, that is to say is arranged adjacent to the transition section.
  • the tower is in this case mounted in total rotatable about its vertical axis, so as to reduce the direct (on the tower) and indirect (on the rotor) wind load and the resulting transverse load on the tower by descending the orientation of the tower according to the flow through the wind and moreover preferably alone in the design stiffest Strain direction to be aligned for the resulting shear load.
  • Descend means in this case a rotation of the tower (and the machine house) about the vertical axis. Because the tower so always with its design stiff and at the same time
  • the first cross-section In the flow-optimal direction in the current through the wind is nachfahrbar, it is possible to dimension the first cross-section otherwise significantly smaller. This means that the extension of the first cross-section in the direction of flow is greater than the extent transverse to the current, preferably at least 50% larger.
  • the stiffening by the construction, preferably by a framework, in the direction of flow in accordance with the above design rules is stiffer than transverse to the direction of flow.
  • the tower or the connected rotary bearing has a second area with a second cross section, which is circular.
  • the second cross-section has a radius which is smaller than the inner bearing radius or equal to the inner bearing radius of the azimuth bearing.
  • the radius of the circular second cross section is smaller than the maximum polar radius of the first cross section.
  • the polar radius is a distance between the vertical axis as the center of rotation of the tower and any point on the contour formed by the first cross section.
  • the radius of the circular second cross section is smaller than that
  • the inflow-parallel polar radius is the distance between the vertical axis as the center of rotation of the tower and the foremost point at optimum current on the contour formed by the first cross-section, ie in the region of the nose.
  • the radius of the circular second cross section is greater than that
  • the first cross section is preferably drop-shaped or elliptical and has a plurality of (theoretical) centers to portions of the contour formed by the first cross-section, wherein these sections form a circular arc with respect to the respective center.
  • the foremost section of the first cross-section when optimally powered, is referred to as a nose. At least a part of it has its own (theoretical) center, which is referred to here as the nose center.
  • the corresponding radius is the
  • Nose radius that is, a distance between the nose center and a point on the arc of the nose, which is related to this nose center, of the contour formed by the first cross section.
  • the tower has a flat surface, at least in the first region, for
  • Example a side surface This flat surface can be used, for example, as an advertising space. Due to the size of the tower and the resulting large side area, this advertisement is visible from afar.
  • the tower is covered with a painted or paintable fabric.
  • the flat surface is formed from at least one, preferably from a single, separate fabric sheet, which is separately exchangeable. Thus, the advertising on the flat surface is temporarily attachable and interchangeable.
  • the mantle of the tower has a
  • Transition portion is formed alonglichsstrajektorien and at a boundary line between the first region and the transition section any connection trajectory none
  • the transition between the transition section and a respective area is in this case formed by a bend, provided that the radius of the second cross section has a different amount than each corresponding radial extent of the first cross section. Only with a magnitude of the same radius of the second cross section as the corresponding radial extent of the first cross section, ie at the same angle, or possibly in a convex curved
  • Connection trajectory is the transition formed without slope change.
  • the edge of the first cross section is therefore to be defined by polar coordinates relative to the vertical axis.
  • a kink is a non-continuously differentiable change in slope of a line on the mantle in the direction of the vertical axis.
  • the kink has (at least) a rounding radius which extends between the end of the first region (with the first cross section) and between the end of the second region (with the second cross section)
  • the transitional portion is at least partially curved in the direction of the vertical axis, or forms a straight bevel. This slope is straight in the mathematical sense, so the shortest connection between the end of the first area and the adjacent end of the second area, where technically related
  • Fasteners can be provided.
  • Compound trajectory is thus any straight line in the direction of the vertical axis, between a point on the edge at the end of the first region and a point at the same (surface) angle of a common polar coordinate system with respect to the vertical axis on the edge at the adjacent end of the second region ,
  • the shape of the transition region is produced by a covering on a substructure or directly on the supporting structure, for example with fabric.
  • Transition section continuously differentiable, preferably a plurality of
  • the transition section between the first region and the second region has a concave curvature. As a result, the flow influence of the flow in the transition region is reduced to the second region.
  • the first area between the machine house and the transition section has a range of at least the maximum overlap length with a rotor blade, wherein preferably the transition height 0.5 meters to 40 meters, preferably 2 meters to 4 meters, particularly preferably corresponding to an input level of an elevator of a wind turbine according to an embodiment as described above.
  • This range height is set up so that a negative influence on the used by the rotor
  • Length of the first region with the first cross section sufficiently long to one of the
  • the transition height is a maximum of 40 meters.
  • the transition height is as short as possible, so that the tower is anströmprofiliert over the largest possible length.
  • a wind energy plant for the production of electrical energy from wind which has a generator system and a foundation for introducing the loads of the wind turbine into the ground, wherein the generator system is rotatably supported by an azimuth bearing against the foundation and wherein the
  • Generator system comprises at least the following components:
  • a generator for converting from a rotation of the rotor into electrical energy; a shaft for rotatably transmitting torque of the rotor to the generator;
  • a machine house for receiving the generator and for supporting the rotor
  • Wind turbine is characterized in particular by the fact that the foundation of the tower has an azimuth bearing according to an embodiment as described above; and / or in the tower an elevator according to the above description is arranged.
  • the azimuth bearing is preferably arranged below the transition section which lies between the first area and the second area.
  • the second area completely forms the bearing portion, with, for example, the bearing inner rings, in the foundation.
  • a wind energy plant for the production of electrical energy from wind which has a generator system and a foundation for introducing the loads of the wind turbine into the ground, wherein the generator system is rotatably supported by an azimuth bearing against the foundation and wherein the
  • Generator system comprises at least the following components:
  • a generator for converting from a rotation of the rotor into electrical energy
  • a machine house for receiving the generator and for supporting the rotor
  • Wind energy plant is characterized in particular by the fact that the machine house is fixed according to an embodiment according to the above description rotationally relative to the tower.
  • the invention relates to a tower for a wind turbine for
  • the tower has a height and a vertical axis
  • the tower transversely to the vertical axis in a first region has a first cross-section and the first cross section has a flow for cross-flow perpendicular to the vertical axis optimized flow profile, wherein the inflow in the flow a nose, laterally to the flow two side surfaces and rear has a tail, and wherein the tower is rotatably mounted at the foundation about the vertical axis.
  • the tower is characterized in particular by the fact that the tower is designed to be windproof at the nose and is at least wind-permeable at least over part of the first area, at least at the side surfaces.
  • the tower has an inflow profile which has a nose, for example a circular arc or elliptical arc, which is always turned in the direction of flow of the wind. Furthermore, the inflow profile has a tail, which is preferably issued such that it has a rudder function, by means of which the tower is trackable or a (controlled) tracking can be supported.
  • the side surfaces are at least partially, preferably over the entire height range, permeable to wind. In case of fast wind direction changes, tornadoes or a bass gust across the adjacent
  • At least one normally closed opening is provided in the side surfaces, which is opened by an overload, for example by lamellae, a fabric with predetermined crack locations and / or a pivotable surface.
  • an overload for example by lamellae, a fabric with predetermined crack locations and / or a pivotable surface.
  • the tower is covered with the nose of the
  • Anströmprofils and a rear section are covered.
  • the respective side surface is preferably covered separately and / or only partially.
  • the respective, preferably entire, side surface is open so unstrung.
  • the tower is formed by a truss mast.
  • the framework of the truss mast is preferably directly, that is, the supporting structure without intermediate structure or substructure, covered.
  • the side surfaces are in the open portion or over the entire side surface only partially by struts of
  • the tower has cross-sections and their arrangement according to an embodiment as described above.
  • an ideal inflow profile is preferably only approximated, preferably in the circumferential direction by straight (non-arched) sections, with an increase in the resistance coefficient (c w value) as a result of a simplification of the substructure or the supporting structure of the truss mast compared to one Reinforcement of the supporting structure is optimized due to the higher wind load and / or the cost of manufacturing.
  • a wind turbine for the production of electrical energy from wind, which is a generator plant and a foundation for Introduction of the loads of the wind turbine has in the ground, wherein the generator system is rotatably supported by an azimuth bearing against the foundation and wherein the
  • Generator system comprises at least the following components:
  • a generator for converting from a rotation of the rotor into electrical energy; a shaft for rotatably transmitting torque of the rotor to the generator;
  • a machine house for receiving the generator and for supporting the rotor
  • the wind energy plant is characterized in particular by the fact that the foundation of the tower has an azimuth bearing according to an embodiment according to the above description and / or the machine house is rotationally fixed according to one embodiment as described above relative to the tower and / or in the tower an elevator is arranged according to an embodiment according to the above description.
  • the invention relates to a tower according to an embodiment according to the above description, wherein the tower has floor levels arranged for at least one of the following tasks:
  • Drying room preferably a chimney effect is used.
  • Wind turbine additionally be used.
  • the structure of the wind turbine is more profitable, for example, by rent income to pay the investment costs added.
  • the invention thus relates to a wind energy plant for the production of electrical energy from wind, wherein the generator plant is rotatably supported by means of an azimuth bearing relative to the foundation.
  • the wind energy plant is characterized in particular by the fact that the azimuth bearing is arranged for the rotation of the tower about the vertical axis in the foundation and / or the
  • Machine house is rotationally fixed relative to the tower, wherein the machine house has a floor level, which is directly connected to the tower, and / or in the tower, a lift is arranged, which is rotationally fixed relative to the tower, and / or the tower in a first Region has a first cross section with a flow-optimized inflow profile, wherein the radius of the second cross section is smaller than a maximum polar radius of the first cross section with respect to the vertical axis.
  • Fig. 1 an azimuth bearing in a foundation of a wind turbine
  • Fig. 2 a nacelle with a rotor of a wind turbine
  • Fig. 3 an elevator in a wind turbine
  • FIG. 5 shows a foundation with input for a continuous elevator of a wind energy plant with a first embodiment of an azimuth bearing
  • FIG. 6 shows a foundation with input for a continuous elevator of a wind energy plant with a second embodiment of an azimuth bearing
  • FIG. 7 shows a first cross section in a first embodiment and a second cross section
  • FIG. 8 shows a first cross section in a second embodiment and a second cross section.
  • a lower part of a wind turbine 1 which comprises a generator plant 2 and this receiving foundation 3 in a building ground 4 (only indicated here).
  • the tower 13 is shown in fragmentary form, which comprises only a fractionally shown first region 35 with an inflow profiled, here drop-shaped, first cross-section 36, a second region 37 with a circular second cross-section 38 and a transition section 40 arranged therebetween.
  • the second region 37 comprises or forms the azimuth bearing 5, which supports the forces acting on the tower 13, so that the tower is rotatable about its vertical axis 15.
  • the tower 13 can be rotated with its anström profiled first section 36 in the wind.
  • the azimuth bearing 5 in this embodiment comprises a first radial bearing 17, a second radial bearing 18 and a thrust bearing 16.
  • the thrust bearing 16 receives (substantially exclusively) the entire weight of the generator system 2.
  • the radial bearings 17 and 18 take on a transverse load and as each opposite transverse forces tilting moments and thus also protect the thrust bearing 16 before (too large) non-uniform load on the bearing circumference.
  • the weight is directed along the vertical axis 15 with alignment from the first region 35 to the second region 37. Transverse forces are aligned perpendicular to the vertical axis 15.
  • a tilting moment is aligned relative to the azimuth bearing 5 about a vertical axis 15 perpendicular to the transverse axis between the two radial bearings 17 and 18.
  • the first (lower) radial bearing 17 includes a co-moving bearing inner ring 19, which is supported by four (lower) bearing points (here hydrostatic). Of the four (lower) bearing points of the first radial bearing 17, the lower first bearing point 21, the lower second bearing point 22 and the lower third bearing point 23 can be seen here.
  • the second (upper) radial bearing 18 here also includes a co-moving bearing inner ring 20, which here also has four (upper) bearing points (here hydrostatic) is stored. Of the four (upper) bearing points of the second radial bearing 18, the upper first bearing point 24, the upper second bearing point 25 and the upper third bearing point 26 can be seen here.
  • both the first radial bearing 17 and the second radial bearing 18 additionally comprise a spring element 27 or 28 at each bearing point, of which the (lower) spring element 27 of the lower third bearing point 23 and the (upper) spring element 28 of the upper first one are examples Storage 24 are designated.
  • the second region 37 which comprises the azimuth bearing 5, has a circular second cross-section 38.
  • the first region 35 which comprises the main part of the extension of the tower 13 along the vertical axis 15, has a flow-profiled first cross-section 36, wherein the surface of the first cross-section 36 can decrease toward the machine house 12 (see FIG the tower 13 tapers upwards. Also, under some circumstances, the concrete inflow profile of the first cross-section 36 over the extent of the first region 35 is not constant.
  • a transition section 40 is now formed between the lowermost inflow profile of the first cross section 36 and the circular shape of the second cross section 38, that is, at the respectively adjacent ends of the first region 35 and the second region 37.
  • the jacket 39 is along straight, that is not curved,
  • Alignment trajectories 41 and 42 aligned and merges at the boundary line 43 of the first region 35 with a kink in the direction of extension of the first region 35 along the vertical axis 15.
  • a connection trajectory connects any point of the edge of the first cross-section 36 to a point of the second cross-section 38, which in polar coordinates relative to the
  • Vertical axis 15 is arranged at the same angle.
  • a first are straight
  • This jacket 39 extends over the entire transition height 44 of the transition section 40.
  • FIG. 2 shows an upper part of a generator installation 2 of a wind turbine 1, which preferably has a lower part as shown in FIG.
  • a rotor 6 with a first rotor blade 7, a second rotor blade 8 and a third rotor blade 9 is shown, which is connected by means of a shaft 11 to a generator 10.
  • These components of the generator system 2 are held in a machine house 12.
  • the tower 13 which is designed here as truss mast 30 with a truss 52 (here by way of example a rod), this is
  • Machine house 12 and thus the rotor 6 is arranged at a desired height 14.
  • the lower end of the height 14 is shown by way of example in FIG. 5 and ends at the surface of the ground or a (high) water level.
  • the machine house 12 is rotationally fixed relative to the tower 13.
  • an elevator 32 can be moved from below to the machine house 12.
  • the elevator 32 has a lift cage 50 which can be moved on a climbing rail 51.
  • FIG. 3 shows a machine house 12 of a generator installation 2 of a wind energy installation 1 in a view obliquely from below, for example as shown in FIG. 2.
  • the rotor 6 used here has three rotor blades 7 to 9.
  • the truss mast 30, which forms the tower 13, in this case is directly connected to a ground plane 29 of the machine house 12. This is illustrated and explained in detail in the following FIG. 4.
  • the elevator 32 with the Elevator cage 50 and the climbing rails 51 shown, which rotates with a rotation of the tower 13.
  • Fig. 4 the bottom plane 29, which is here formed by steel beams, shown in detail in FIG. 3. On the ground plane 29 of the generator 10 is mounted. On the bottom is the
  • Bottom plane 29 is directly connected to a connecting plane 31 formed by the truss 52. In the presently illustrated embodiment, only a first
  • connection element 53 and a second connection element 54 (and possibly one or more further concealed here in the view connection elements) provided which as a plate-shaped
  • connection plane 31 facilitates the approximation of the machine house 12 and its bottom plane 29 to the connection plane 31. Preferably, these are adaptable in their thickness to a possibly resulting gap or are omitted accordingly.
  • the bottom plane 29 and the connection plane 31 can be screwed together and / or welded together.
  • a foundation 3 of a wind turbine for receiving a generator system 2 as shown here and preferably in the figures described above, partially furnished.
  • the foundation 3 receives the azimuth bearing 5 with a first radial bearing 17, a second radial bearing 18 and a thrust bearing 16 completely and for this purpose has a sufficient extent along the vertical axis 15 of the tower 13 of the generator system 2.
  • the foundation 3 has a radial projection, here in the form of a disc, on which the surface load on the ground 4 (here only the surface indicated by a dashed line) is reduced and formed a large counter bearing for tilting moments.
  • the tower 13 which also here as
  • Truss mast 30 is formed, a co-rotating elevator 32 is arranged, which extends from a ground level 33 in the foundation 3 upwards, preferably to a relative to the tower 13 rotationally fixed machine house 12 (see Fig. 2).
  • a co-rotating elevator 32 is arranged, which extends from a ground level 33 in the foundation 3 upwards, preferably to a relative to the tower 13 rotationally fixed machine house 12 (see Fig. 2).
  • the elevator car 50 can be moved until then and via an inlet 34, which is arranged between the first radial bearing 17 and the second radial bearing 18, accessible. Furthermore, the tower 13 is accessible from the outside through a tower entrance 55.
  • the transition section 40 in this case has a (slightly) larger transition height 44 than the entrance height 45 of the tower entrance 55.
  • the transition section 40 is in this case formed as explained in Fig. 1.
  • the foundation 3 receives the azimuth bearing 5 with a first radial bearing 17, a second radial bearing 18 and a thrust bearing 16 completely and for this purpose has a sufficient extent along the vertical axis 15 of the tower 13 of the generator system 2.
  • the upper (hydrostatic) radial bearing 18 and the lower (hydrostatic) radial bearing 17 of the azimuth bearing 5 shown here have a fixed upper bearing outer ring 57 and lower bearing outer ring 56, respectively.
  • Bearing outer ring 56 and 57 are star-shaped individual mitbewegte bearings, here four, provided. Here are a lower first bearing 21, a lower second bearing 22 and a lower third bearing 23 of the four moving bottom bearing points to see. Farther Here are an upper first bearing 24 and an upper second bearing 25 of the four moving upper bearing points to see. The other bearings are hidden in this view. To explain further details of the representation of the wind turbine 1, reference is made to the preceding figures, which have similar and identical details.
  • FIG. 7 shows a first cross-section 36 (dashed line) in a first embodiment and a second cross-section 38 (circle) in the correct geometric association with respect to the vertical axis 15.
  • the first cross-section 36 is elliptical and has two centers, of which only the nasal center 59 is shown here.
  • the nose portion of the first cross-section 36 forms the foremost portion of the first cross-section 36 or even of the entire tower 13.
  • a maximum polar radius 58 of the first cross-section 36 which is oriented parallel to the flow, to the right of the vertical axis 15 drawn. This maximum polar radius 58 is greater than the radius 46 of the second cross-section 38.
  • the nose radius 60 of the nose-center 59 circular inflow-side portion of the first cross-section 36 is smaller than the radius 46 of the second cross-section 38.
  • FIG. 8 shows a first cross-section 36 in a second embodiment and a second cross-section 38 in the correct geometric association with respect to the vertical axis 15.
  • the first cross section 36 is teardrop-shaped with a rear rounded end and has a plurality of centers, of which only the nasal center 59 is shown here. With an optimal flow 61 from the left in the representation forms the
  • a maximum polar radius 58 of the first cross-section 36 which is aligned parallel to the flow, right of the vertical axis 15 drawn.
  • This maximum polar radius 58 is greater than the radius 46 of the second cross-section 38.
  • the nose radius 60 of the nose-center 59 circular inflow-side portion of the first cross-section 36 is smaller than the radius 46 of the second cross-section 38.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage (1) zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Wind, aufweisend eine Generatoranlage (2) und ein Fundament (3) zur Einleitung der Lasten der Windenergieanlage (1) in den Baugrund (4), wobei die Generatoranlage (2) mittels eines Azimutlagers (5) gegenüber dem Fundament (3) drehbar gelagert ist und wobei die Generatoranlage (2) zumindest die folgenden Komponenten umfasst: - einen Rotor (6) mit Rotorblättern (7,8,9) zur Umwandlung einer Anströmung in eine Rotation; - einen Generator (10) zur Umwandlung von einer Rotation des Rotors (6) in elektrische Energie; - eine Welle (11) zum rotatorischen drehmomentübertragenden Verbinden des Rotors (6) mit dem Generator; - ein Maschinenhaus (12) zur Aufnahme des Generators (10) und zur Lagerung des Rotors (6); - einen Turm (13), aufweisend eine Höhe (14) und eine Hochachse (15), zum Halten des Maschinenhauses (12) in der Höhe (14), wobei der Turm (13) um die Hochachse (15) drehbar ist. Das Azimutlager (5) ist für die Drehbarkeit des Turms (13) um die Hochachse (15) im Fundament (3) angeordnet. Mit der hier dargestellten Windenergieanlage lassen sich große Höhen ohne große Rohrelemente und ohne die Nachteile eines konventionellen Mastaufbaus kostengünstig erreichen.

Description

WINDENERGIEANLAGE ZUR GEWINNUNG VON ELEKTRISCHER ENERGIE AUS WIND UND ENTSPRECHENDER TURM
Gegenstand der Erfindung
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer Windenergieanlage zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Wind und einem Turm für eine Windenergieanlage zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Wind.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Windenergieanlagen zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Wind bekannt. Hierbei wird ein Rotor mit, meist drei, Rotorblättern mittels eines Turms in einer möglichst großen Höhe gehalten. Um die Anzahl der mechanischen Übertragungselemente gering zu halten, ist direkt beim Rotor ein Generator angeordnet, welcher mittels einer Welle mit dem Rotor verbunden ist. Die Rotoraufnahme und der Generator sind hierbei gemeinsam in einem sogenannten Maschinenhaus, auch Gondel genannt, angeordnet. Damit die Rotorblätter möglichst optimal angeströmt werden, muss das Maschinenhaus je nach Windrichtung nachgeführt werden. Hierzu wird derzeit ein Azimutlager zwischen dem oberen Ende des Turms und dem Maschinenhaus angeordnet. Dieser Aufbau ist sehr aufwendig. Aus dem Stand der Technik sind daher Konzepte bekannt, bei denen das Azimutlager in den Turm verlegt wird. Somit wird also ein Teil des Turms beim Nachführen des Maschinenhauses mitgedreht. Hierbei sei beispielsweise auf die DE 102 12 467 A1 verwiesen. Darin ist eine rückwärtig, also turmseitig, angeströmte Kleinanlage gezeigt, wobei der mitgedrehte obere Abschnitt des Turms in etwa der Länge eines Rotorblatts entspricht und in Anströmrichtung einen verringerten Querschnitt aufweist. Hierdurch soll eine besonders geringe Störung der rückwärtigen Anströmung der Rotorblätter erreicht werden. Weiterhin ist beispielsweise aus der DE 20 2013 105 408 U1 ein Konzept einer Windenergieanlage bekannt, bei welcher der Turm als Fachwerkmast aufgebaut ist und bespannt mit einem Umhüllungsmantel ein strömungsoptimiertes Anströmprofil, zum Beispiel eine Tropfenform oder eine Ellipse, aufweist. Hierbei ist ein Drehlager angrenzend unterhalb des anströmprofilierten Fachwerkmasts angeordnet, sodass der gesamte anströmprofilierte Fachwerkmast um seine Hochachse verdrehbar ist. Hierbei ist bevorzugt das strömungsoptimierte Anströmprofil des Fachwerkmasts derart eingerichtet, dass sich der
Fachwerkmast selbsttätig in den Wind dreht oder eine solche Drehung von der Anströmung unterstützt wird. Hierdurch werden die mechanischen Lasten auf den Turm reduziert. Der Aufbau als Fachwerkmast erlaubt zudem den Aufbau vor Ort mit gut transportierbaren Einzelteilen (hauptsächlich Stangenmaterial).
Die in den vorbekannten Konzepten bisher ungelösten Probleme werden mit der im Folgenden beschriebenen Erfindung zumindest teilweise gelöst. Die erfindungsgemäßen Merkmale ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen, zu denen vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt werden. Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Wind, welche eine Generatoranlage und ein Fundament zur Einleitung der Lasten der Windenergieanlage in den Baugrund aufweist, wobei die Generatoranlage mittels eines Azimutlagers gegenüber dem Fundament drehbar gelagert ist und wobei die Generatoranlage zumindest die folgenden
Komponenten umfasst:
einen Rotor mit Rotorblättern zur Umwandlung einer Anströmung in eine Rotation;
einen Generator zur Umwandlung von einer Rotation des Rotors in elektrische Energie;
eine Welle zum rotatorischen drehmomentübertragenden Verbinden des Rotors mit dem Generator;
ein Maschinenhaus zur Aufnahme des Generators und zur Lagerung des Rotors;
einen Turm, aufweisend eine Höhe und eine Hochachse, zum Halten des Maschinenhauses in der Höhe, wobei der Turm um die Hochachse drehbar ist. Die Windenergieanlage kennzeichnet sich vor allem dadurch, dass das Azimutlager für die Drehbarkeit des Turms um die Hochachse im Fundament angeordnet ist und/oder das Maschinenhaus relativ zum Turm rotatorisch fixiert ist, wobei das Maschinenhaus eine Bodenebene, bevorzugt mit Stahlträgern, aufweist, welche unmittelbar mit dem Turm verbunden ist, und/oder in dem Turm ein Aufzug angeordnet ist, welcher relativ zum Turm rotatorisch fixiert ist, und/oder der Turm in einem ersten Bereich einen ersten Querschnitt mit einem strömungsoptimierten Anströmprofil aufweist und in einem zweiten Bereich einen zweiten kreisförmigen Querschnitt mit der Hochachse als Drehzentrum aufweist, wobei der Radius des zweiten Querschnitts kleiner als ein maximaler Polarradius des ersten Querschnitts bezogen auf die Hochachse ist, bevorzugt kleiner als der anströmungsparallele Polarradius des ersten Querschnitts bezogen auf die Hochachse, besonders bevorzugt größer als der Nasenradius des ersten
Querschnitts bezogen auf das Nasenzentrum.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Windenergieanlage zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Wind, welche eine Generatoranlage und ein Fundament zur Einleitung der Lasten der Windenergieanlage in den Baugrund aufweist, wobei die Generatoranlage mittels eines Azimutlagers gegenüber dem Fundament drehbar gelagert ist und wobei die Generatoranlage zumindest die folgenden Komponenten umfasst:
einen Rotor mit Rotorblättern zur Umwandlung einer Anströmung in eine Rotation;
einen Generator zur Umwandlung von einer Rotation des Rotors in elektrische Energie;
eine Welle zum rotatorischen drehmomentübertragenden Verbinden des Rotors mit dem Generator;
ein Maschinenhaus zur Aufnahme des Generators und zur Lagerung des Rotors;
einen Turm, aufweisend eine Höhe und eine Hochachse, zum Halten des Maschinenhauses in der Höhe, wobei der Turm um die Hochachse drehbar ist. Die Windenergieanlage kennzeichnet sich vor allem dadurch, dass das Azimutlager für die Drehbarkeit des Turms um die Hochachse im Fundament angeordnet ist. Die Windenergieanlage weist einen Rotor, einen Generator und eine diese beiden Komponenten drehmomentverbindende Welle auf, wobei hierbei bevorzugt konventionelle Komponenten eingesetzt werden. Diese vorgenannten Komponenten sind von einem Maschinenhaus aufgenommen beziehungsweise gelagert. Zusammen mit dem Turm bildet das Maschinenhaus mit samt den vorgenannten Komponenten eine Generatoranlage. Die gesamte Generatoranlage und damit der Turm über seine gesamte Höhe sind in den Wind drehbar, also mittels eines Azimutlagers angepasst an die Windrichtung nachführbar. Die Hochachse des Turms bildet dabei die Drehachse, sodass das strömungsoptimierte Anströmprofil des Turms bei jeder Windrichtung relativ zu der Anströmung vom Wind stets gleich ausgerichtet ist beziehungsweise werden kann.
Hierzu wird hier erstmals vorgeschlagen, das Azimutlager für die Drehbarkeit des Turms im
Fundament anzuordnen. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Fundament einen
Axialabschnitt mit einer axialen Erstreckung parallel zur Hochachse des Turms und/oder einen, bevorzugt abschließend an der Unterseite des Axialabschnitts angeordneten und/oder
scheibenförmigen, Radialabschnitt auf. Der radiale Abschnitt dient dabei der Reduzierung der Flächenlast auf den Baugrund und zur Momentenabstützung für ein Kippmoment um eine Querachse senkrecht zur Hochachse des Turms der Windenergieanlage. Bevorzugt ist das Fundament vollständig oder bis auf wenige Zentimeter seines Axialabschnitts in axialer Erstreckung im Baugrund (also unter der Erde) angeordnet. Besonders bevorzugt erstreckt sich das Azimutlager von einem obersten Ende des Fundaments bis oberhalb des Beginns des Radialabschnitts oder sogar bis in den radialen Abschnitt hinein. Hierdurch wird eine gute Kippmomentabstützung erreicht. Alternativ ist das Fundament ein Offshore-Fundament, wobei das Fundament, bei einem im Seegrund abgestützten Offshore-Fundament (zum Beispiel einem Tripod) zumindest bei Hochwasser, vollständig oder bis auf wenige Zentimeter seiner axialen Erstreckung parallel zur Hochachse des Turms der
Windenergieanlage unter Wasser angeordnet ist. Hier ist nun das Azimutlager im Fundament angeordnet, sodass der gesamte Turm oder zumindest der Teil, welcher oberhalb des Fundaments sichtbar ist, drehbar ist. Dies ermöglicht einen strömungsoptimalen Aufbau des Turms über seine gesamte Höhe von der Oberfläche des Baugrunds beziehungsweise des Fundaments bis zum Maschinenhaus.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Windenergieanlage das Azimutlager folgende Teillager:
ein Axiallager zur Aufnahme des Gewichts der Generatoranlage;
ein erstes Radiallager zur Aufnahme eines Kippmoments der Generatoranlage;
ein zweites Radiallager zur Aufnahme eines Kippmoments der Generatoranlage, wobei das erste Radiallager und das zweite Radiallager einen Abstand entlang der Hochachse von 1 Meter bis 10 Meter, bevorzugt 2 Meter bis 4 Meter, besonders bevorzugt weniger als 3,5 Meter aufweisen.
Bei dieser Ausgestaltung wird ein Axiallager eingesetzt, welches das gesamte Gewicht der
Generatoranlage aufnimmt. Um das Axiallager vor einer ungleichmäßigen Belastung zu schützen, sind weiterhin ein erstes Radiallager und ein zweites Radiallager vorgesehen, welche ein Kippmoment des belasteten Turms aufnehmen und das axiale Lager somit vor diesen Einflüssen schützen. Ein Radiallager weist hierzu einen Lagerrotor und einen Lagerstator auf, wobei der Lagerrotor mit dem Turm mitdreht und das Lagerstator im Fundament fixiert ist. Bevorzugt weist das Azimutlager ausschließlich diese vorgenannten Teillager auf. Hierbei sind das erste Radiallager und das zweite Radiallager trotz der hohen Kräfte bevorzugt in einem sehr geringen Abstand zueinander angeordnet. Hierdurch wird eine geringe Fundamenttiefe ermöglicht. Die Fundamenttiefe entspricht hierbei bevorzugt einer konventionellen Fundamenttiefe bei einem starren Turm mit einem drehbar gelagerten Maschinenhaus oder ist sogar flacher. Bezogen auf die Drehachse ist die maximale radiale
Erstreckung der Radiallager dabei bevorzugt geringer als eine maximale radiale Erstreckung des Querschnitts des Turms.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Windenergieanlage bildet das erste Radiallager und/oder das zweite Radiallager des Azimutlagers jeweils einen mitbewegten Lagerinnenring und es sind jeweils eine Mehrzahl voneinander beabstandeter fixierter Lagerstellen zum kraftübertragenden Kontakt mit dem jeweiligen Lagerinnenring gebildet, mittels welcher der jeweilige Lagerinnenring radial geführt ist.
Bei dieser Ausführungsform ist kein umlaufend anliegendes Lager gebildet, sondern lediglich eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeter Lagerstellen, bevorzugt acht, sechs oder nur vier oder sogar nur drei Lagerstellen. Diese Lagerstellen bilden somit den Lagerstator. Der Lagerinnenring bildet dann den Lagerrotor. Hierzu ist bevorzugt jeweils ein mitbewegter
Lagerinnenring vorgesehen, von dem der jeweilige Abschnitt, welcher mit einer der fixierten
Lagerstellen in Kontakt steht, zur Kraftübertragung eingerichtet ist. In einer bevorzugten
Ausführungsform sind vier Lagerstellen vorgesehen.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform bildet das erste Radiallager und/oder das zweite Radiallager des Azimutlagers jeweils einen fixierten Lageraußenring und es sind jeweils eine
Mehrzahl voneinander beabstandeter mitbewegter Lagerstellen zum kraftübertragenden Kontakt mit dem jeweiligen Lageraußenring gebildet, mittels welcher die jeweiligen mitbewegten Lagerstellen radial geführt sind.
Bei dieser Ausführungsform ist kein umlaufend anliegendes Lager gebildet, sondern lediglich eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeter Lagerstellen, bevorzugt acht, sechs oder nur vier oder sogar nur drei Lagerstellen. Diese Lagerstellen bilden hierbei den Lagerrotor. Der Lageraußenring bildet dann den Lagerstator. Hierzu ist bevorzugt jeweils ein rotatorisch fixierter Lageraußenring vorgesehen, welcher über den gesamten Umfang dazu eingerichtet ist, die von einer der mitbewegten Lagerstellen eingebrachte Kraft aufzunehmen. In einer bevorzugten
Ausführungsform sind vier Lagerstellen vorgesehen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Windenergieanlage weisen die (fixierten oder mitbewegten) Lagerstellen jeweils ein Federelement zur elastischen Aufnahme von Kräften quer zur Hochachse auf.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform werden kurzzeitige Lastspitzen durch eine Elastizität in den Lagerstellen ausgeglichen, und so die Lagerstellen vor einer Beschädigung infolge von (kurzzeitigen) Überlasteten geschützt. Insbesondere sind ist die Steifigkeit der Federelemente dabei derart eingerichtet, dass diese erst ab einer vorbestimmten Überlastgrenze nachgeben. Besonders bevorzugt erfolgt eine Schwingungsdämpfung über die Lagerstellen selbst. Die Federelemente sind dabei bevorzugt längs belastete Blattfedern, welche sich radial aus der Lagerstelle erstreckend in das Fundament hineingreifen beziehungsweise dagegen abstützen. Bei fixierten Lagerstellen greifen die Federelemente bevorzugt in das Fundament ein. Bei mitbewegten Lagerstellen stützen sich die Federelemente über die, bei hydrostatischen Lagern Lagerfläche der, Lagerstelle gegen das
Fundament beziehungsweise den jeweiligen Lageraußenring ab.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Windenergieanlage ist wenigstens eines der Teillager des Azimutlagers ein hydrostatisches Lager.
Ein hydrostatisches Lager weist den Vorteil auf, dass es sehr hohe Lagerkräfte dauerhaft aufnehmen kann, ohne dass infolge hoher Flächenpressungen Setzungserscheinungen an den Lagerstellen auftreten. Weiterhin weisen hydrostatische Lager gute Dämpfungseigenschaften und
Federeigenschaften auf. Durch die Größe der Lagerfläche beziehungsweise der hydrostatischen Taschen sind die Eigenschaften eines hydrostatischen Lagers über weite Bereiche einstellbar und können auch während des Betriebs durch den veränderbaren Druck der Lagerflüssigkeit im Lagerspalt geregelt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Windenergieanlage zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Wind, welche eine Generatoranlage und ein Fundament zur Einleitung der Lasten der Windenergieanlage in den Baugrund aufweist, wobei die Generatoranlage mittels eines Azimutlagers gegenüber dem Fundament drehbar gelagert ist und wobei die Generatoranlage zumindest die folgenden Komponenten umfasst:
einen Rotor mit Rotorblättern zur Umwandlung einer Anströmung in eine Rotation;
einen Generator zur Umwandlung von einer Rotation des Rotors in elektrische Energie;
eine Welle zum rotatorischen drehmomentübertragenden Verbinden des Rotors mit dem
Generator;
- ein Maschinenhaus zur Aufnahme des Generators und zur Lagerung des Rotors;
einen Turm, aufweisend eine Höhe und eine Hochachse, zum Halten des Maschinenhauses in der Höhe, wobei der Turm um die Hochachse drehbar ist. Die Windenergieanlage kennzeichnet sich vor allem dadurch, dass das Maschinenhaus relativ zum Turm rotatorisch fixiert ist, wobei das Maschinenhaus eine Bodenebene, bevorzugt mit Stahlträgern, aufweist, und wobei die Bodenebene unmittelbar mit dem Turm verbunden ist.
Zur Generatoranlage wird auf die obige Beschreibung Bezug genommen. Der Turm weist hierbei zumindest einen oberen Abschnitt auf, welcher um die Hochachse drehbar ist. Das Maschinenhaus ist relativ zum Turm, also zumindest zum oberen Abschnitt, rotatorisch fixiert, sodass das
Maschinenhaus mit einer Drehung des, zumindest oberen drehbaren Abschnitts des, Turms mitgedreht wird. Somit sind der Turm oder zumindest der obere Abschnitt des Turms und der Rotor in jeweils gleicher Weise in den Wind gedreht. Hierbei ist kein Azimutlager zwischen Turm und
Maschinenhaus vorgesehen. Vielmehr ist die Bodenebene des Maschinenhauses unmittelbar mit dem Turm verbunden. In einer bevorzugten Ausführungsform bildet dabei die Bodenebene ein integrales Element des Turms. Besonders bevorzugt bildet die Bodenebene zugleich die Aufnahmeebene für den Generator und ein Lager für den Rotor und/oder die Welle. Besonders bevorzugt ist die Bodenebene durch Stahlträger gebildet. Besonders bevorzugt ist die Bodenebene mit dem Turm unmittelbar verschraubt, geklebt und/oder verschweißt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Windenergieanlage weist der Turm einen
Fachwerkmast auf oder ist durch einen Fachwerkmast gebildet und der Turm weist eine
Anschlussebene bei der Bodenebene des Maschinenhauses auf, wobei die Anschlussebene direkt mit der Bodenebene verbunden ist.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist der Teil des Turms, welcher den Hauptanteil der Kräfte aufnimmt, als Fachwerkmast ausgeführt. Besonders bevorzugt weist der Fachwerkmast eine Hülle, also einen Mantel, auf, sodass der Fachwerkmast nicht (ungünstig) durchströmt wird, sondern der Mantel eine günstige Umströmung und damit eine Verringerung der Windlast auf den Turm bewirkt. Besonders bevorzugt sind die Anschlussebene und die Bodenebene integral aufgebaut, sodass die Bodenebene zugleich eine stabilisierende Funktion für den Turm aufweist. Alternativ bildet der Fachwerkmast mit der Anschlussebene ein separates Bauteil und das Maschinenhaus ist als vollständiges separates Bauteil auf die Anschlussebene aufsetzbar. Bevorzugt sind hierbei die konkreten Anschlussstellen zwischen Anschlussebene und Bodenebene über einen weiten Bereich wählbar oder für verschiedene Maschinenhäuser standardisiert. Bevorzugt sind die Bodenebene und die Anschlussebenen miteinander verschweißt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Windenergieanlage weist das Fundament ein Azimutlager nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung auf.
Bei dieser Ausführungsform ist der gesamte Turm beziehungsweise der gesamte Fachwerkmast über die komplette Höhe um seine Hochachse wie oben detaillierter beschrieben drehbar. Eine relative Verdrehung zwischen dem Maschinenhaus und dem Turm ist nicht möglich. Bevorzugt ist die Form des Turms derart stromungsoptimiert, dass der Rotor durch den anströmenden Wind selbsttätig in den Wind gedreht wird oder der anströmende Wind ein (gesteuertes) Nachführen unterstützt. Bevorzugt wird der Rotor zur Energiegewinnung vorwärts, also mit Windrichtung hin zum Turm, angeströmt betrieben.
Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung eine Windenergieanlage zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Wind, welche eine Generatoranlage und ein Fundament zur Einleitung der Lasten der Windenergieanlage in den Baugrund aufweist, wobei die Generatoranlage mittels eines Azimutlagers gegenüber dem Fundament drehbar gelagert ist und wobei die Generatoranlage zumindest die folgenden Komponenten umfasst:
einen Rotor mit Rotorblättern zur Umwandlung einer Anströmung in eine Rotation;
einen Generator zur Umwandlung von einer Rotation des Rotors in elektrische Energie;
eine Welle zum rotatorischen drehmomentübertragenden Verbinden des Rotors mit dem
Generator;
ein Maschinenhaus zur Aufnahme des Generators und zur Lagerung des Rotors;
einen Turm, aufweisend eine Höhe und eine Hochachse, zum Halten des Maschinenhauses in der Höhe, wobei der Turm um die Hochachse drehbar ist. Die Windenergieanlage kennzeichnet sich vor allem dadurch, dass in dem Turm ein Aufzug angeordnet ist, welcher relativ zum Turm rotatorisch fixiert ist. Zur Generatoranlage mit einem um seine Hochachse drehbaren Turm wird auf die obige Beschreibung Bezug genommen. Hierbei ist der Turm mit einem Aufzug ausgestattet, wobei der Aufzug relativ zum Turm rotatorisch fixiert ist. Hierdurch ist ein besonders einfacher Aufbau des Aufzugs möglich, in dem nicht wie konventionell eine starre (nicht drehbares) innere Aufzugführung oder ein Innenturm vorgesehen werden muss. Somit kann der Turm und alle innenliegenden jeweils relativ zueinander rotatorisch fixierten Bauteile um die Hochachse drehbar ausgebildet werden.
Hierdurch wird die Komplexität des Turms trotz seiner Drehbarkeit gering gehalten. Der Turm ist also insgesamt nicht konventionell aufgebaut, welcher bloß einen den Windwiderstandsbeiwert (cw-Wert) reduzierenden in den Wind drehbaren Spoiler aufweist. Vielmehr ist der Turm bevorzugt für eine im mitgedrehten Koordinatensystem des Turms konstante Windlastrichtung lastoptimal ausgelegt, wodurch das Gesamtgewicht des Turms deutlich reduzierbar ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Windenergieanlage ist das Maschinenhaus relativ zum Turm rotatorisch fixiert, bevorzugt nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung, und der Aufzug ist durchgehend von einer Bodenhöhe bis in das Maschinenhaus verfahrbar.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der drehbare Teil des Turms bis zu einer Bodenhöhe und der Aufzug ist durchgehend zwischen dem Maschinenhaus und der Bodenhöhe verfahrbar. Hierbei muss kein aufwändiges Aufstiegssystem in das Maschinenhaus, welches konventionell relativ zum Turm verdrehbar ist, vorgesehen werden. Die Bodenhöhe ist hierbei maximal 3 m [Meter] bis 5 m [Meter] über der Oberfläche des Baugrunds beziehungsweise über dem (Hoch-) Wasserspiegel, und bevorzugt auf der Höhe der Oberfläche des Baugrunds beziehungsweise des (Hoch-) Wasserspiegels angeordnet. Dadurch ist ein bequemer Zugang zum Maschinenhaus geschaffen. Insbesondere kann schweres Gerät ohne Verwendung von einer Leiter von der
Bodenhöhe bis in das Maschinenhaus in dem Aufzug transportiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Windenergieanlage ist die Bodenhöhe im Fundament gebildet.
Bei dieser besonders bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der Aufzug bis in das Fundament, wobei das Fundament wie oben beschrieben bevorzugt mit seinem Hauptanteil unter der Oberfläche des Baugrunds beziehungsweise unter einem (Hoch-) Wasserspiegel angeordnet ist. Der Aufzug reicht dabei bevorzugt bis zu einem im Fundament gebildeten (Fuß-) Boden, bevorzugt bis zum unteren Radiallager. Somit kann auch hierhin ohne zusätzliche Aufzugvorrichtung und ohne zusätzliche Aufzugkabine schweres Gerät bis in das Fundament mittels des Aufzugs transportiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Windenergieanlage weist das Fundament ein Azimutlager nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung auf und ein Eingang zum Aufzug ist zwischen dem ersten Radiallager und dem zweiten Radiallager gebildet.
Diese Ausführungsform ist besonders bauraumsparend, indem der Abstand zwischen den radialen Lagern für den Einstiegs und Ausstiegsraum vor dem Aufzug genutzt wird. Die verbleibende wartungsrelevante Bauhöhe von dem unteren Radiallager sowie dem Axiallager ist dabei durch eine kurze Leiter oder Treppe erreichbar. Die verbleibende Höhe ist dabei bevorzugt auf weniger als Armlänge reduziert, sodass eventuell benötigtes schweres Gerät ohne größeren Aufwand auch in den untersten Bereich des Fundaments transportierbar beziehungsweise dort nutzbar ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Windenergieanlage ist der Aufzug als Kletteraufzug ausgebildet.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist die notwendige Schachtlänge für den Aufzug auf (etwa) die tatsächliche Verfahrlänge für die Aufzugkabine reduziert. Das Schienensystem ist hierbei zudem einseitig anbringbar, sodass der Bauraum im Vergleich zu einem Seilaufzug deutlich geringer ist. Zudem kann das Schienensystem für den Kletteraufzug bei einem Ausfall des Aufzugs als Leiter genutzt werden. Hierdurch ergibt sich ein Aufbau mit besonders geringem Bauraumbedarf und zugleich einem bequemen Transport von Bodenhöhe bis in das Maschinenhaus.
Gemäß einem vierten Aspekt betrifft die Erfindung einen Turm für eine Windenergieanlage zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Wind, wobei der Turm eine Höhe und eine Hochachse aufweist, und wobei der Turm quer zur Hochachse in einem ersten Bereich einen ersten Querschnitt aufweist und der erste Querschnitt ein für eine Anströmung quer zur Hochachse strömungsoptimiertes Anströmprofil aufweist, und wobei der Turm beim Fundament um die Hochachse drehbar gelagert ist. Der Turm kennzeichnet sich dabei vor allem dadurch, dass der Turm in einem zweiten Bereich einen zweiten Querschnitt aufweist, wobei der zweite Bereich sich unterhalb des ersten Bereichs des Turms erstreckt, und wobei der zweite Querschnitt kreisförmig mit der Hochachse als Drehzentrum ausgebildet ist, wobei der Radius des zweiten Querschnitts kleiner als ein maximaler Polarradius des ersten Querschnitts bezogen auf die Hochachse ist, bevorzugt kleiner als der anströmungsparallele Polarradius des ersten Querschnitts bezogen auf die Hochachse, besonders bevorzugt größer als der Nasenradius des ersten Querschnitts bezogen auf das Nasenzentrum.
Der hier vorgeschlagene Turm weist einen ersten Bereich auf, welcher sich von dem Maschinenhaus bis in Bodennähe erstreckt. Der erste Bereich weist einen ersten Querschnitt auf, welcher ein strömungsoptimiertes Anströmprofil aufweist, mit zum Beispiel nahezu einer Kreisform oder
Ellipsenform an der Anströmseite (Nase) und zum Beispiel einer, bevorzugt (teilweise) konkav gewölbten, Keilform an der Strömungsrückseite, oder ein elliptisches Anströmprofil. Bevorzugt verjüngt sich der erste Bereich vom Anfang in Bodennähe hin zum Maschinenhaus, bevorzugt entsprechend der Abnahme der Querlast, und bleibt dabei bevorzugt über die gesamte Erstreckung entlang der Hochachse anströmprofiliert, also unter Berücksichtigung der notwendigen Konstruktion mit einem möglichst geringen Windwiderstandsbeiwert (cw-Wert) und/oder möglichst geringem negativem Einfluss auf die vom Rotor genutzte Anströmung. Alternativ geht der erste Querschnitt bis zum Maschinenhaus in einen dritten Querschnitt über, welcher zum Beispiel kreisförmig oder elliptisch ist, wobei der erste Bereich über bevorzugt zumindest 80 % seiner Länge anströmprofiliert ist. Der erste Querschnitt bezeichnet dann allein den Querschnitt des ersten Bereichs, welcher sich direkt beim unteren Anfang des ersten Bereichs befindet, also angrenzend zum Übergangsabschnitt angeordnet ist. Der Turm ist hierbei insgesamt um seine Hochachse drehbar gelagert, um so durch Nachfahren der Ausrichtung des Turms entsprechend der Anströmung durch den Wind die direkte (auf den Turm) und indirekte (auf den Rotor) Windlast und die daraus resultierende Querlast auf den Turm zu reduzieren und darüber hinaus bevorzugt allein in der auslegungsgemäß steifsten Belastungsrichtung für die resultierende Querlast ausgerichtet zu sein. Alternativ oder ergänzend wird ein negativer Einfluss auf die vom Rotor genutzte Anstromung durch das Nachfahren des Turms reduziert. Nachfahren bedeutet hierbei eine Drehung des Turms (und des Maschinenhauses) um die Hochachse. Weil der Turm also stets mit seiner auslegungsgemäß steifsten und zugleich
strömungsoptimalen Richtung in der Anstromung durch den Wind nachfahrbar ist, ist es möglich, den ersten Querschnitt im Übrigen deutlich geringer zu dimensionieren. Das heißt, dass die Erstreckung des ersten Querschnitts in Anströmungsrichtung größer ist, als die Erstreckung quer zur Anstromung, bevorzugt um mindestens 50 % größer. Alternativ oder zusätzlich ist die Versteifung durch die Konstruktion, bevorzugt durch ein Fachwerk, in Anströmungsrichtung entsprechend den obigen Auslegungsregeln steifer als quer zur Anströmungsrichtung. Beim Drehlager für den Turm unterhalb des ersten Bereichs weist der Turm beziehungsweise das angeschlossene Drehlager einen zweiten Bereich mit einem zweiten Querschnitt auf, welcher kreisförmig gebildet ist. Der zweite Querschnitt weist einen Radius auf, welcher kleiner als der Innenlagerradius oder gleich dem Innenlagerradius des Azimutlagers ist. Der Radius des kreisförmigen zweiten Querschnitts ist kleiner als der maximale Polarradius des ersten Querschnitts. Der Polarradius ist ein Abstand zwischen der Hochachse als Drehzentrum des Turms und einem beliebigen Punkt auf der vom ersten Querschnitt gebildeten Kontur. Bevorzugt ist der Radius des kreisförmigen zweiten Querschnitts kleiner als der
anströmungsparallele Polarradius des ersten Querschnitts. Der anströmungsparallele Polarradius ist der Abstand zwischen der Hochachse als Drehzentrum des Turms und dem bei optimaler Anstromung vordersten Punkt auf der vom ersten Querschnitt gebildeten Kontur, also im Bereich der Nase.
Besonders bevorzugt ist der Radius des kreisförmigen zweiten Querschnitts größer als der
Nasenradius des ersten Querschnitts bezogen auf das Nasenzentrum. Der erste Querschnitt ist bevorzugt tropfenförmig oder elliptisch und weist eine Mehrzahl (theoretischer) Zentren zu Abschnitten der von dem ersten Querschnitt gebildeten Kontur, wobei diese Abschnitte bezogen auf das jeweilige Zentrum einen Kreisbogen bilden. Der bei einer optimalen Anstromung vorderste Abschnitt des ersten Querschnitts wird als Nase bezeichnet. Zumindest ein Teil davon weist ein eigenes (theoretisches) Zentrum auf, das hier als Nasenzentrum bezeichnet ist. Der entsprechende Radius ist der
Nasenradius, also ein Abstand zwischen dem Nasenzentrum und einem Punkt auf dem auf dieses Nasenzentrum bezogenen Kreisbogen der vom ersten Querschnitt gebildeten Kontur.
Besonders bevorzugt weist der Turm zumindest im ersten Bereich eine ebene Fläche auf, zum
Beispiel eine Seitenfläche. Diese ebene Fläche ist zum Beispiel als Werbefläche nutzbar. Aufgrund der Größe des Turms und der resultierenden großen Seitenfläche ist diese Werbung von weitem sichtbar. Bevorzugt ist der Turm mit einem lackierten oder lackierbaren Stoff bespannt. Ganz besonders bevorzugt ist die ebene Fläche aus zumindest einer, bevorzugt aus einer einzigen, separaten Stoffplane gebildet, welche separat austauschbar ist. Somit ist die Werbung auf der ebenen Fläche temporär anbringbar und austauschbar.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Turms weist der Mantel des Turms einen
Übergangsabschnitt zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich auf, wobei der
Übergangsabschnitt entlang Verbindungstrajektorien geformt ist und an einer Grenzlinie zwischen dem ersten Bereich und dem Übergangsabschnitt eine jegliche Verbindungstrajektorie keine
Steigungsänderung oder einen Knick zum ersten Bereich ausformt. Der Übergang zwischen dem Übergangsabschnitt und einem jeweiligen Bereich ist hierbei durch einen Knick gebildet, sofern der Radius des zweiten Querschnitts einen anderen Betrag aufweist als jede korrespondierende radiale Erstreckung des ersten Querschnitts. Nur bei einem betragsmäßig gleichen Radius des zweiten Querschnitts wie die korrespondierende radiale Erstreckung des ersten Querschnitts, also beim gleichen Winkel, oder unter Umständen bei einer konvex gewölbten
Verbindungstrajektorie ist der Übergang ohne Steigungsänderung gebildet. Der Rand des ersten Querschnitts ist hierbei also durch Polarkoordinaten bezogen auf die Hochachse zu definieren. Ein Knick ist hierbei ideal betrachtet eine nicht stetig differenzierbare Steigungsänderung einer Linie auf dem Mantel in Richtung der Hochachse. In der technischen Umsetzung weist der Knick (zumindest) einen Rundungsradius auf, welcher sich zwischen dem Ende des ersten Bereichs (mit dem ersten Querschnitt) beziehungsweise zwischen dem Ende des zweiten Bereichs (mit dem zweiten
Querschnitt) und dem jeweils benachbarten Ende des Übergangsabschnitts erstreckt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Übergangsabschnitt in Richtung der Hochachse zumindest teilweise gewölbt ausgebildet, oder bildet eine gerade Schräge aus. Diese Schräge ist im mathematischen Sinne gerade, also die kürzeste Verbindung zwischen dem Ende des ersten Bereichs und dem benachbarten Ende des zweiten Bereichs, wobei hier technisch bedingte
(kostenbedingt, fertigungsbedingt) Abweichungen, zum Beispiel Materialwölbungen oder
Befestigungselemente, vorgesehen sein können. Eine entsprechende gewölbte oder gerade
Verbindungtrajektorie ist also eine beliebige, in Richtung der Hochachse gerade, Linie zwischen einem Punkt auf dem Rand am Ende des ersten Bereichs und einem Punkt beim gleichen (Flächen-) Winkel eines gemeinsamen Polarkoordinatensystems bezogen auf die Hochachse auf dem Rand am benachbarten Ende des zweiten Bereichs. Besonders bevorzugt ist die Form des Übergangsbereichs durch eine Bespannung auf einer Unterkonstruktion oder direkt auf dem Tragwerk, zum Beispiel mit Stoff, erzeugt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Turms sind die Verbindungstrajektorien des
Übergangsabschnitts stetig differenzierbar, wobei bevorzugt eine Mehrzahl der
Verbindungstrajektorien des Übergangsabschnitts gewölbt ist.
In dieser alternativen Ausführungsform weist der Übergangsabschnitt zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich eine konkave Wölbung auf. Hierdurch wird der Strömungseinfluss der Anströmung im Übergangsbereich auf den zweiten Bereich reduziert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Turms weist der erste Bereich zwischen dem Maschinenhaus und dem Übergangsabschnitt eine Bereichshöhe von zumindest der maximalen Überlappungslänge mit einem Rotorblatt auf, wobei bevorzugt die Übergangshöhe 0,5 Meter bis 40 Meter, bevorzugt 2 Meter bis 4 Meter, besonders bevorzugt korrespondierend zu einer Eingangshöhe eines Aufzugs einer Windenergieanlage nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung beträgt.
Diese Bereichshöhe ist derart eingerichtet, dass ein negativer Einfluss auf die von dem Rotor genutzte
Anströmung infolge des Anströmprofils des ersten Bereichs deutlich reduzierbar ist. Zugleich bleibt die
Länge des ersten Bereichs mit dem ersten Querschnitt ausreichend lang, um eine von der
Anströmung unterstützte beziehungsweise induzierte Drehung des Turms zu erreichen. Für eine Windenergieanlage mit einer Höhe (der Rotorachse) von 100 Meter und einer Rotorblattlänge (gemessen von der Rotorachse) von 60 Meter beträgt die Übergangshöhe maximal 40 Meter.
Bevorzugt ist die Übergangshöhe möglichst kurz, sodass der Turm über eine möglichst große Länge anströmprofiliert ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Windenergieanlage zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Wind vorgeschlagen, welche eine Generatoranlage und ein Fundament zur Einleitung der Lasten der Windenergieanlage in den Baugrund aufweist, wobei die Generatoranlage mittels eines Azimutlagers gegenüber dem Fundament drehbar gelagert ist und wobei die
Generatoranlage zumindest die folgenden Komponenten umfasst:
- einen Rotor mit Rotorblättern zur Umwandlung einer Anströmung in eine Rotation;
einen Generator zur Umwandlung von einer Rotation des Rotors in elektrische Energie; eine Welle zum rotatorischen drehmomentübertragenden Verbinden des Rotors mit dem Generator;
ein Maschinenhaus zur Aufnahme des Generators und zur Lagerung des Rotors;
- einen Turm nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung. Die
Windenergieanlage kennzeichnet sich dabei vor allem dadurch, dass das Fundament des Turms ein Azimutlager nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung aufweist; und/oder in dem Turm ein Aufzug gemäß der obigen Beschreibung angeordnet ist.
Hierbei ist bevorzugt das Azimutlager unterhalb des Übergangsabschnitts, welcher zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich liegt, angeordnet. Bevorzugt bildet der zweite Bereich vollständig den Lageranteil, mit zum Beispiel den Lagerinnenringen, im Fundament.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Windenergieanlage zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Wind vorgeschlagen, welche eine Generatoranlage und ein Fundament zur Einleitung der Lasten der Windenergieanlage in den Baugrund aufweist, wobei die Generatoranlage mittels eines Azimutlagers gegenüber dem Fundament drehbar gelagert ist und wobei die
Generatoranlage zumindest die folgenden Komponenten umfasst:
einen Rotor mit Rotorblättern zur Umwandlung einer Anströmung in eine Rotation;
einen Generator zur Umwandlung von einer Rotation des Rotors in elektrische Energie;
- eine Welle zum rotatorischen drehmomentübertragenden Verbinden des Rotors mit dem Generator;
ein Maschinenhaus zur Aufnahme des Generators und zur Lagerung des Rotors;
einen Turm nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung. Die
Windenergieanlage kennzeichnet sich dabei vor allem dadurch, dass das Maschinenhaus nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung relativ zum Turm rotatorisch fixiert ist.
Gemäß einem fünften Aspekt betrifft die Erfindung einen Turm für eine Windenergieanlage zur
Gewinnung von elektrischer Energie aus Wind, wobei der Turm eine Höhe und eine Hochachse aufweist, und wobei der Turm quer zur Hochachse in einem ersten Bereich einen ersten Querschnitt aufweist und der erste Querschnitt ein für eine Anströmung quer zur Hochachse strömungsoptimiertes Anströmprofil aufweist, wobei das Anströmprofil in der Anströmung eine Nase, seitlich zur Anströmung zwei Seitenflächen und rückwärtig ein Heck aufweist, und wobei der Turm beim Fundament um die Hochachse drehbar gelagert ist. Der Turm ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass der Turm bei der Nase windundurchlässig ausgeführt ist und zumindest über einen Teil des ersten Bereichs zumindest bei den Seitenflächen winddurchlässig ausgeführt ist.
Der Turm weist zumindest im ersten Bereich ein Anströmprofil auf, welches eine, zum Beispiel kreisbogenförmige oder ellipsenbogenförmige, Nase aufweist, welche stets in die Anströmrichtung des Winds gedreht ist. Weiterhin weist das Anströmprofil ein Heck auf, welches bevorzugt derart ausgestellt ist, dass es eine Ruderfunktion aufweist, mittels welchem der Turm nachführbar ist beziehungsweise eine (gesteuerte) Nachführung unterstützbar ist. Die Seitenflächen hingegen sind zumindest teilweise, bevorzugt über die gesamte Bereichshöhe, winddurchlässig. Für den Fall schneller Windrichtungsänderungen, Tornados oder einer Freak-Böe quer zur anliegenden
Windrichtung, welche statistisch alle 50 Jahre auftreten kann, wird somit die Angriffsfläche des Turms verringert und somit die Windlast für diese Ausnahmefälle derart reduziert, dass der Turm
auslegungsgemäß keine besondere Stabilität in dieser Querrichtung aufweisen muss. Alternativ ist in den Seitenflächen zumindest eine normal geschlossene Öffnung vorgesehen, welche von einer Überlast geöffnet wird, zum Beispiel durch Lamellen, eine Bespannung mit Sollrissstellen und/oder eine schwenkbare Fläche. Damit wird im Normalfall ein besonders günstiger Widerstandsbeiwert (cw- Wert) erreicht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Turm bespannt, wobei die Nase des
Anströmprofils und ein Heckabschnitt bespannt sind.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist bevorzugt die jeweilige Seitenfläche separat und/oder nur teilweise bespannt. Bevorzugt ist die jeweilige, bevorzugt gesamte, Seitenfläche offen also unbespannt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Turm durch einen Fachwerkmast gebildet.
Diese Ausführung erlaubt eine besonders kostengünstige Herstellung eines Anströmprofils. Hierbei wird bevorzugt das Fachwerk des Fachwerkmasts direkt, das heißt die tragende Struktur ohne Zwischenkonstruktion beziehungsweise Unterkonstruktion, bespannt. Die Seitenflächen sind im offenen Abschnitt oder über die gesamte Seitenfläche lediglich teilweise durch Streben des
Fachwerkmasts verdeckt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist der Turm Querschnitte und deren Anordnung gemäß einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung auf.
Insbesondere bei einer direkten Bespannung ist ein ideales Anströmprofil bevorzugt nur angenähert, bevorzugt in Umfangsrichtung durch gerade (nicht gewölbte) Teilstücke, ausgeführt, wobei eine Erhöhung des Widerstandsbeiwerts (cw-Wert) infolge einer Vereinfachung der Unterkonstruktion beziehungsweise der tragenden Struktur des Fachwerkmasts gegenüber einer Verstärkung der tragenden Struktur infolge der höheren Windlast und/oder der Kosten der Fertigung optimiert wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Windenergieanlage zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Wind vorgeschlagen, welche eine Generatoranlage und ein Fundament zur Einleitung der Lasten der Windenergieanlage in den Baugrund aufweist, wobei die Generatoranlage mittels eines Azimutlagers gegenüber dem Fundament drehbar gelagert ist und wobei die
Generatoranlage zumindest die folgenden Komponenten umfasst:
einen Rotor mit Rotorblättern zur Umwandlung einer Anströmung in eine Rotation;
- einen Generator zur Umwandlung von einer Rotation des Rotors in elektrische Energie; eine Welle zum rotatorischen drehmomentübertragenden Verbinden des Rotors mit dem Generator;
eine Maschinenhaus zur Aufnahme des Generators und zur Lagerung des Rotors;
einen Turm mit zumindest teilweise offenen Seitenflächen nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung. Die Windenergieanlage kennzeichnet sich dabei vor allem dadurch, dass das Fundament des Turms ein Azimutlager nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung aufweist und/oder das Maschinenhaus nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung relativ zum Turm rotatorisch fixiert ist und/oder in dem Turm ein Aufzug nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung angeordnet ist.
Gemäß einem sechsten Aspekt betrifft die Erfindungen einen Turm nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung, wobei der Turm Geschossebenen aufweist, welche für zumindest einen der folgenden Aufgaben eingerichtet sind:
Wohnraum;
Lagerfläche;
- Büroraum;
Hotelraum; und
Trockenraum, wobei bevorzugt ein Schornsteineffekt genutzt wird.
Mittels der Geschossebenen kann das bisher ungenutzte Volumen des Turms einer
Windenergieanlage zusätzlich genutzt werden. Hierdurch wird der Aufbau der Windenergieanlage rentabler, indem zum Beispiel Mieteinnahmen zur Tilgung der Investitionskosten hinzukommen.
Die Erfindung betrifft somit eine Windenergieanlage zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Wind, wobei die Generatoranlage mittels eines Azimutlagers gegenüber dem Fundament drehbar gelagert ist. Die Windenergieanlage kennzeichnet sich vor allem dadurch, dass das Azimutlager für die Drehbarkeit des Turms um die Hochachse im Fundament angeordnet ist und/oder das
Maschinenhaus relativ zum Turm rotatorisch fixiert ist, wobei das Maschinenhaus eine Bodenebene aufweist, welche unmittelbar mit dem Turm verbunden ist, und/oder in dem Turm ein Aufzug angeordnet ist, welcher relativ zum Turm rotatorisch fixiert ist, und/oder der Turm in einem ersten Bereich einen ersten Querschnitt mit einem strömungsoptimierten Anströmprofil aufweist, wobei der Radius des zweiten Querschnitts kleiner als ein maximaler Polarradius des ersten Querschnitts bezogen auf die Hochachse ist.
Figurenbeschreibung Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, die bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die Zeichnungen nicht maßhaltig sind und zur Definition von Größenverhältnissen nicht geeignet sind. Es wird dargestellt in
Fig. 1 : ein Azimutlager in einem Fundament einer Windenergieanlage;
Fig. 2: ein Maschinenhaus mit Rotor einer Windenergieanlage;
Fig. 3: ein Aufzug in einer Windenergieanlage;
Fig. 4: eine Bodenebene und eine Anschlussebene eines Maschinenhauses einer
Windenergieanlage;
Fig. 5: ein Fundament mit Eingang für einen durchgehenden Aufzug einer Windenergieanlage mit einer ersten Ausführungsform eines Azimutlagers;
Fig. 6: ein Fundament mit Eingang für einen durchgehenden Aufzug einer Windenergieanlage mit einer zweiten Ausführungsform eines Azimutlagers;
Fig. 7: ein erster Querschnitt in einer ersten Ausführungsform und ein zweiter Querschnitt; und
Fig. 8: ein erster Querschnitt in einer zweiten Ausführungsform und ein zweiter Querschnitt.
In Fig. 1 ist ein unterer Teil einer Windenergieanlage 1 gezeigt, welcher eine Generatoranlage 2 und ein diese aufnehmendes Fundament 3 in einem Baugrund 4 (hier nur angedeutet) umfasst. Von der Generatoranlage 2 ist hier lediglich der Turm 13 ausschnittsweise gezeigt, welcher einen nur bruchanteilig gezeigten ersten Bereich 35 mit einem anströmprofilierten, hier tropfenförmigen, ersten Querschnitt 36, einen zweiten Bereich 37 mit einem kreisförmigen zweiten Querschnitt 38 und einen dazwischen angeordneten Übergangsabschnitt 40 umfasst. Der zweite Bereich 37 umfasst beziehungsweise bildet das Azimutlager 5, welches die auf den Turm 13 einwirkenden Kräfte lagert, sodass der Turm um seine Hochachse 15 drehbar ist. Somit kann der Turm 13 mit seinem anströmprofilierten ersten Querschnitt 36 in den Wind gedreht werden. Das Azimutlager 5 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ein erstes Radiallager 17, ein zweites Radiallager 18 und ein Axiallager 16. Das Axiallager 16 nimmt (im Wesentlichen ausschließlich) die gesamte Gewichtskraft der Generatoranlage 2 auf. Die Radiallager 17 und 18 nehmen eine Querlast und als jeweils gegensinnige Querkräfte Kippmomente auf und schützen derart auch das Axiallager 16 vor einer (allzu großen) ungleichförmigen Belastung über den Lagerumfang. Die Gewichtskraft ist entlang der Hochachse 15 mit Ausrichtung vom ersten Bereich 35 zum zweiten Bereich 37 gerichtet. Querkräfte sind zur Hochachse 15 senkrecht ausgerichtet. Ein Kippmoment ist in Bezug auf das Azimutlager 5 um eine zur Hochachse 15 senkrechte Querachse zwischen den beiden Radiallagern 17 und 18 ausgerichtet. Das erste (untere) Radiallager 17 umfasst einen mitbewegten Lagerinnenring 19, welcher über vier (untere) Lagerstellen (hier hydrostatisch) gelagert ist. Von den vier (unteren) Lagerstellen des ersten Radiallagers 17 sind hier die untere erste Lagerstelle 21 , die untere zweite Lagerstelle 22 und die untere dritte Lagerstelle 23 zu sehen. Das zweite (obere) Radiallager 18 umfasst hier ebenfalls einen mitbewegten Lagerinnenring 20, welcher hier ebenfalls über vier (obere) Lagerstellen (hier hydrostatisch) gelagert ist. Von den vier (oberen) Lagerstellen des zweiten Radiallagers 18 sind hier die obere erste Lagerstelle 24, die obere zweite Lagerstelle 25 und die obere dritte Lagerstelle 26 zu sehen. Sowohl das erste Radiallager 17 als auch das zweite Radiallager 18 umfassen in dieser Ausführungsform zusätzlich ein Federelement 27 beziehungsweise 28 an jeder Lagerstelle, von denen hier beispielhaft das (untere) Federelement 27 der unteren dritten Lagerstelle 23 und das (obere) Federelement 28 der oberen ersten Lagerstelle 24 bezeichnet sind. Der zweite Bereich 37, welcher das Azimutlager 5 umfasst, weist einen kreisförmigen zweiten Querschnitt 38 auf. Der erste Bereich 35, welcher den Hauptteil der Erstreckung des Turms 13 entlang der Hochachse 15 umfasst, weist einen anströmprofilierten ersten Querschnitt 36 auf, wobei die Fläche des ersten Querschnitts 36 hin zum Maschinenhaus 12 (vgl. Fig. 2) abnehmen kann, sodass sich der Turm 13 nach oben hin verjüngt. Auch ist unter Umständen das konkrete Anströmprofil des ersten Querschnitts 36 über die Erstreckung des ersten Bereichs 35 nicht konstant. Hier ist nun zwischen dem untersten Anströmprofil des ersten Querschnitts 36 und der Kreisform des zweiten Querschnitts 38, also an den jeweils benachbarten Enden des ersten Bereichs 35 und des zweiten Bereichs 37, ein Übergangsabschnitt 40 gebildet. In der hier gezeigten Variante ist der Mantel 39 entlang gerader, also nicht gekrümmter,
Verbindungstrajektorien 41 und 42 ausgerichtet und geht an der Grenzlinie 43 des ersten Bereichs 35 mit einem Knick in die Erstreckungsrichtung des ersten Bereichs 35 entlang der Hochachse 15 über. Eine Verbindungstrajektorie verbindet einen beliebigen Punkt des Rands des ersten Querschnitts 36 mit einem Punkt des zweiten Querschnitts 38, welcher in Polarkoordinaten bezogen auf die
Hochachse 15 beim gleichen Winkel angeordnet ist. Beispielhaft sind eine erste gerade
Verbindungstrajektorie 41 zwischen einem Randpunkt bei einem ersten Radius 46 und einer korrespondierenden ersten radialen Erstreckung 47 sowie eine um den jeweils gleichen Winkel versetzte zweite gerade Verbindungstrajektorie 42 zwischen einem Randpunkt bei einem zweiten Radius 48 und einer korrespondierenden zweiten radialen Erstreckung 49 dargestellt. Dieser Mantel 39 erstreckt sich dabei über die gesamte Übergangshöhe 44 des Übergangsabschnitts 40.
In Fig. 2 ist ein oberer Teil einer Generatoranlage 2 einer Windenergieanlage 1 dargestellt, welche bevorzugt einen unteren Teil wie in Fig. 1 dargestellt aufweist. Hier ist ein Rotor 6 mit einem ersten Rotorblatt 7, einem zweiten Rotorblatt 8 und einem dritten Rotorblatt 9 gezeigt, welcher mittels einer Welle 11 mit einem Generator 10 verbunden ist. Diese Komponenten der Generatoranlage 2 sind in einem Maschinenhaus 12 gehalten. Mittels des Turms 13, welcher hier als Fachwerkmast 30 mit einem Fachwerk 52 (hier ist beispielhaft eine Stange bezeichnet) ausgeführt ist, ist das
Maschinenhaus 12 und damit der Rotor 6 in einer erwünschten Höhe 14 angeordnet. Das untere Ende der Höhe 14 ist in der Fig. 5 beispielhaft gezeigt und endet bei der Oberfläche des Baugrunds beziehungsweise einem (Hoch-) Wasserspiegel. Hierbei ist das Maschinenhaus 12 relativ zum Turm 13 rotatorisch fixiert. Hierdurch kann ein Aufzug 32 von unten bis in das Maschinenhaus 12 verfahren werden. Hier weist der Aufzug 32 eine an einer Kletterschiene 51 verfahrbare Aufzugkabine 50 auf.
In Fig. 3 ist ein Maschinenhaus 12 einer Generatoranlage 2 einer Windenergieanlage 1 in einer Ansicht von schräg unten gezeigt, beispielsweise wie in Fig. 2 dargestellt. Auch der hier verwendete Rotor 6 weist drei Rotorblätter 7 bis 9 auf. Der Fachwerkmast 30, welcher den Turm 13 bildet, ist hierbei unmittelbar mit einer Bodenebene 29 des Maschinenhauses 12 verbunden. Im Detail ist dies in der nachfolgenden Fig. 4 dargestellt und erläutert. Weiterhin ist hier der Aufzug 32 mit der Aufzugkabine 50 und den Kletterschienen 51 gezeigt, welcher sich mit einer Drehung des Turms 13 mitdreht.
In Fig. 4 ist die Bodenebene 29, welche hier von Stahlträgern gebildet ist, gemäß der Fig. 3 im Details dargestellt. Auf der Bodenebene 29 ist der Generator 10 gelagert. Auf der Unterseite ist die
Bodenebene 29 unmittelbar mit einer von dem Fachwerk 52 gebildeten Anschlussebene 31 verbunden. In der vorliegend dargestellten Ausführungsform sind lediglich ein erstes
Anschlusselement 53 und ein zweites Anschlusselement 54 (und eventuell ein oder mehrere weitere hier in der Ansicht verdeckte Anschlusselemente) vorgesehen, welche als plattenförmige
Zwischenstücke die Angleichung des Maschinenhauses 12 beziehungsweise dessen Bodenebene 29 an die Anschlussebene 31 erleichtern. Bevorzugt sind diese in ihrer Dicke an einen möglicherweise entstehenden Spalt anpassbar oder werden entsprechend weggelassen. Die Bodenebene 29 und die Anschlussebene 31 sind miteinander verschraubbar und/oder verschweißbar.
In Fig. 5 ist ein Fundament 3 einer Windenergieanlage zur Aufnahme einer Generatoranlage 2, wie sie hier und bevorzugt in den vorangehend beschriebenen Figuren ausschnittsweise gezeigt ist, eingerichtet. Das Fundament 3 nimmt das Azimutlager 5 mit einem ersten Radiallager 17, einem zweiten Radiallager 18 und einem Axiallager 16 vollständig auf und weist hierfür eine ausreichende Erstreckung entlang der Hochachse 15 des Turms 13 der Generatoranlage 2 auf. Weiterhin weist hier das Fundament 3 eine radiale Auskragung, hier in Form einer Scheibe, auf, welche die Flächenlast auf den Baugrund 4 (hier ist lediglich die Oberfläche mit einer gestrichelten Linie angedeutet) reduziert und ein großes Gegenlager für Kippmomente gebildet. Im Turm 13, welcher hier ebenfalls als
Fachwerkmast 30 gebildet ist, ist ein sich mitdrehender Aufzug 32 angeordnet, welcher sich von einer Bodenhöhe 33 im Fundament 3 nach oben erstreckt, bevorzugt bis in ein relativ zum Turm 13 rotatorisch fixiertes Maschinenhaus 12 (vgl. Fig. 2). Hierzu reichen in diesem Beispiel die
Kletterschienen 51 bis hinunter ins Fundament 3 und damit unterhalb der Oberfläche des Baugrunds 4. Die Aufzugkabine 50 ist bis dahin verfahrbar und über einen Eingang 34, welcher zwischen dem ersten Radiallager 17 und dem zweiten Radiallager 18 angeordnet ist, betretbar. Weiterhin ist der Turm 13 von außen durch einen Turmeingang 55 betretbar. Der Übergangsabschnitt 40 weist hierbei eine (leicht) größere Übergangshöhe 44 als die Eingangshöhe 45 des Turmeingangs 55 auf. Der Übergangsabschnitt 40 ist hierbei genauso wie in Fig. 1 erläutert ausgeformt.
In Fig. 6 ist ein Fundament 3 einer Windenergieanlage 1 zur Aufnahme einer Generatoranlage 2, wie sie hier und bevorzugt in den vorangehend beschriebenen Figuren ausschnittsweise gezeigt ist, eingerichtet. Das Fundament 3 nimmt das Azimutlager 5 mit einem ersten Radiallager 17, einem zweiten Radiallager 18 und einem Axiallager 16 vollständig auf und weist hierfür eine ausreichende Erstreckung entlang der Hochachse 15 des Turms 13 der Generatoranlage 2 auf. Anders als das Azimutlager 5 der Darstellung in Fig. 1 weisen das obere (hydrostatische) Radiallager 18 und das untere (hydrostatische) Radiallager 17 des hier gezeigten Azimutlagers 5 einen fixierten oberen Lageraußenring 57 beziehungsweise unteren Lageraußenring 56 auf. An dem jeweiligen
Lageraußenring 56 und 57 sind sternförmig einzelne mitbewegte Lagerstellen, hier jeweils vier, vorgesehen. Hier sind eine untere erste Lagerstelle 21 , eine untere zweite Lagerstelle 22 und eine untere dritte Lagerstelle 23 der insgesamt vier mitbewegten unteren Lagerstellen zu sehen. Weiterhin sind hier eine obere erste Lagerstelle 24 und eine obere zweite Lagerstelle 25 der insgesamt vier mitbewegten oberen Lagerstellen zu sehen. Die übrigen Lagerstellen sind in dieser Ansicht verdeckt. Zur Erläuterung weiterer Details der Darstellung der Windenergieanlage 1 wird auf die vorangehenden Figuren verwiesen, welche ähnliche und gleiche Details aufweisen.
In Fig. 7 ist ein erster Querschnitt 36 (gestrichelt) in einer ersten Ausführungsform und ein zweiter Querschnitt 38 (Kreis) in der korrekten geometrischen Zuordnung zueinander bezogen auf die Hochachse 15 gezeigt. In dieser Ausführungsform ist der erste Querschnitt 36 elliptisch und weist zwei Zentren auf, von denen hier nur das Nasenzentrum 59 dargestellt ist. Bei einer optimalen Anströmung 61 von links in der Darstellung bildet der Nasenabschnitt des ersten Querschnitts 36 den vordersten Abschnitt des ersten Querschnitts 36 oder sogar des gesamten Turms 13. Hier ist ein maximaler Polarradius 58 des ersten Querschnitts 36, welcher anströmungsparallel ausgerichtet ist, rechts der Hochachse 15 eingezeichnet. Dieser maximale Polarradius 58 ist größer als der Radius 46 des zweiten Querschnitts 38. Der Nasenradius 60 des zum Nasenzentrum 59 kreisförmigen anströmseitigen Abschnitts ersten Querschnitts 36 ist aber kleiner als der Radius 46 des zweiten Querschnitts 38.
In Fig. 8 ist ein erster Querschnitt 36 in einer zweiten Ausführungsform und ein zweiter Querschnitt 38 in der korrekten geometrischen Zuordnung zueinander bezogen auf die Hochachse 15 gezeigt. In dieser Ausführungsform ist der erste Querschnitt 36 tropfenförmig mit einem heckseitig gerundeten Ende gebildet und weist eine Mehrzahl von Zentren auf, von denen hier nur das Nasenzentrum 59 dargestellt ist. Bei einer optimalen Anströmung 61 von links in der Darstellung bildet der
Nasenabschnitt des ersten Querschnitts 36 den vordersten Abschnitt des ersten Querschnitts 36 oder sogar des gesamten Turms 13. Hier ist ein maximaler Polarradius 58 des ersten Querschnitts 36, welcher anströmungsparallel ausgerichtet ist, rechts der Hochachse 15 eingezeichnet. Dieser maximale Polarradius 58 ist größer als der Radius 46 des zweiten Querschnitts 38. Der Nasenradius 60 des zum Nasenzentrum 59 kreisförmigen anströmseitigen Abschnitts ersten Querschnitts 36 ist aber kleiner als der Radius 46 des zweiten Querschnitts 38.
Mit der hier dargestellten Windenergieanlage lassen sich große Höhen ohne große Rohrelemente und ohne die Nachteile eines konventionellen Mastaufbaus kostengünstig erreichen.
Bezugszeichenliste
1 Windenergieanlage 37 zweiter Bereich
2 Generatoranlage 38 zweiter Querschnitt
3 Fundament 39 Mantel
4 Baugrund 40 Übergangsabschnitt
5 Azimutlager 41 erste gerade Verbindungstrajektorie
6 Rotor 42 zweite gerade Verbindungstrajektorie
7 erstes Rotorblatt 43 Grenzlinie
8 zweites Rotorblatt 44 Übergangshöhe
9 drittes Rotorblatt 45 Eingangshöhe
10 Generator 46 erster Radius
11 Welle 47 erste radiale Erstreckung
12 Maschinenhaus 48 zweiter Radius
13 Turm 49 zweite radiale Erstreckung
14 Höhe 50 Aufzugkabine
15 Hochachse 51 Kletterschienen
16 Axiallager 52 Fachwerk
17 erstes Radiallager 53 erstes Anschlusselement
18 zweites Radiallager 54 zweites Anschlusselement
19 unterer Lagerinnenring 55 Turmeingang
20 oberer Lagerinnenring 56 unterer Lageraußenring
21 untere erste Lagerstelle 57 oberer Lageraußenring
22 untere zweite Lagerstelle 58 anströmungsparalleler Polarradius
23 untere dritte Lagerstelle 59 Nasenzentrum
24 obere erste Lagerstelle 60 Nasenradius
25 obere zweite Lagerstelle 61 optimale Anströmung
26 obere dritte Lagerstelle
27 unteres Federelement
28 oberes Federelement
29 Bodenebene
30 Fachwerkmast
31 Anschlussebene
32 Aufzug
33 Bodenhöhe
34 Eingang
35 erster Bereich
36 erster Querschnitt
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Claims

Ansprüche
1. Windenergieanlage (1 ) zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Wind, aufweisend eine Generatoranlage (2) und ein Fundament (3) zur Einleitung der Lasten der
Windenergieanlage (1 ) in den Baugrund (4), wobei die Generatoranlage (2) mittels eines Azimutlagers (5) gegenüber dem Fundament (3) drehbar gelagert ist und wobei die
Generatoranlage (2) zumindest die folgenden Komponenten umfasst:
- einen Rotor (6) mit Rotorblättern (7,8,9) zur Umwandlung einer Anströmung in eine Rotation;
- einen Generator (10) zur Umwandlung von einer Rotation des Rotors (6) in elektrische Energie;
- eine Welle (11 ) zum rotatorischen drehmomentübertragenden Verbinden des Rotors (6) mit dem Generator;
- ein Maschinenhaus (12) zur Aufnahme des Generators (10) und zur Lagerung des
Rotors (6);
- einen Turm (13), aufweisend eine Höhe (14) und eine Hochachse (15), zum Halten des Maschinenhauses (12) in der Höhe (14), wobei der Turm (13) um die Hochachse (15) drehbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass das Azimutlager (5) für die Drehbarkeit des Turms (13) um die Hochachse (15) im Fundament (3) angeordnet ist.
2. Windenergieanlage (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Azimutlager (5) folgende Teillager umfasst:
- ein Axiallager (16) zur Aufnahme des Gewichts der Generatoranlage (2);
- ein erstes Radiallager (17) zur Aufnahme eines Kippmoments der Generatoranlage (2);
- ein zweites Radiallager (18) zur Aufnahme eines Kippmoments der Generatoranlage (2), wobei das erste Radiallager (17) und das zweite Radiallager (18) einen Abstand entlang der Hochachse (15) von 1 Meter bis 10 Meter, bevorzugt 2 Meter bis 4 Meter, bevorzugt von weniger als 3,5 Meter aufweisen.
3. Windenergieanlage (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste
Radiallager (17) und/oder das zweite Radiallager (18) des Azimutlagers (5) jeweils einen mitbewegten Lagerinnenring (19,20) bildet und jeweils einen Mehrzahl voneinander beabstandeter fixierter Lagerstellen (21 ,22,23,24,25,26) zum kraftübertragenden Kontakt mit dem jeweiligen Lagerinnenring (19,20) gebildet sind, mittels welcher der jeweilige
Lagerinnenring (19,20) radial geführt ist.
4. Windenergieanlage (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste
Radiallager (17) und/oder das zweite Radiallager (18) des Azimutlagers (5) jeweils einen fixierten Lageraußenring (56,57) bildet und jeweils eine Mehrzahl voneinander beabstandeter mitbewegter Lagerstellen (21 ,22,23,24,25,26) zum kraftübertragenden Kontakt mit dem jeweiligen Lageraußenring (56,57) gebildet sind, mittels welcher die jeweiligen mitbewegten Lagerstellen (21 ,22,23,24,25,26) radial geführt sind.
5. Windenergieanlage (1 ) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Lagerstellen (21 ,22,23,24,25,26) jeweils ein Federelement (27,28) zur elastischen Aufnahme von Kräften quer zur Hochachse (15) aufweisen.
6. Windenergieanlage (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Teillager des Azimutlagers (5) ein hydrostatisches Lager ist.
Windenergieanlage (1 ) nach einem der vorhergehenden Anspreche, dadurch gekennzeichnet, dass der Turm (13) einen Fachwerkmast (30) aufweist oder durch einen Fachwerkmast (30) gebildet ist und der Turm (13) eine Anschlussebene (31 ) bei der Bodenebene (29) des
Maschinenhauses (12) aufweist, welches direkt mit der Bodenebene (29) verbunden ist.
Windenergieanlage (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch
gekennzeichnet, dass das Maschinenhaus (12) relativ zum Turm (13) rotatorisch fixiert ist, und in dem Turm (13) ein Aufzug (32) angeordnet ist, welcher relativ zum Turm (13) rotatorisch fixiert ist, und der Aufzug (32) durchgehend von einer Bodenhöhe (33) bis in das
Maschinenhaus (12) verfahrbar ist.
Windenergieanlage (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Fundament (3) ein Azimutlager (öaufweist und ein Eingang (34) zum Aufzug (32) zwischen dem ersten Radiallager (17) und dem zweiten Radiallager (18) gebildet ist.
10. Windenergieanlage (1 ) nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der
Aufzug (32) als Kletteraufzug ausgebildet ist.
11. Turm (13) für eine Windenergieanlage (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, zur
Gewinnung von elektrischer Energie aus Wind, wobei der Turm (13) eine Höhe (14) und eine Hochachse (15) aufweist, und wobei der Turm (13) quer zur Hochachse (15) in einem ersten Bereich (35) einen ersten Querschnitt (36) aufweist und der erste Querschnitt (36) ein für eine Anströmung quer zur Hochachse (15) strömungsoptimiertes Anströmprofil aufweist, und wobei der Turm (13) beim Fundament (3) um die Hochachse (15) drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Turm (13) in einem zweiten Bereich (37) einen zweiten Querschnitt (38) aufweist, wobei der zweite Bereich (37) sich unterhalb des ersten
Bereichs (35) des Turms (13) erstreckt, und wobei der zweite Querschnitt (38) kreisförmig mit der Hochachse (15) als Drehzentrum ausgebildet ist, wobei der Radius des zweiten
Querschnitts (38) kleiner als ein maximaler Polarradius (58) des ersten Querschnitts (36) bezogen auf die Hochachse (15) ist, bevorzugt kleiner als der anströmungsparallele
Polarradius (58) des ersten Querschnitts (36) bezogen auf die Hochachse (15), besonders bevorzugt größer als der Nasenradius (60) des ersten Querschnitts (36) bezogen auf das Nasenzentrum (59).
Turm (13) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (39) des Turms (13) einen Übergangsabschnitt (40) zwischen dem ersten Bereich (35) und dem zweiten
Bereich (37) aufweist, wobei der Übergangsabschnitt (40) entlang
Verbindungstrajektorien (41 ,42) geformt ist und an einer Grenzlinie (43) zwischen dem ersten Bereich (35) und dem Übergangsabschnitt (40) eine jegliche Verbindungstrajektorie (41 ,42) keine Steigungsänderung oder einen Knick zum ersten Bereich (35) ausformt.
Turm (13) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die
Verbindungstrajektorien (41 ,42) des Übergangsabschnitts (40) stetig differenzierbar sind, wobei bevorzugt eine Mehrzahl der Verbindungstrajektorien (41 ,42) des Übergangsabschnitt (40) gewölbt sind.
Turm (13) für eine Windenergieanlage (1 ) zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Wind nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei der Turm (13) eine Höhe (14) und eine
Hochachse (15) aufweist, und wobei der Turm (13) quer zur Hochachse (15) in einem ersten Bereich (35) einen ersten Querschnitt (36) aufweist und der erste Querschnitt (36) ein für eine Anströmung quer zur Hochachse (15) strömungsoptimiertes Anströmprofil aufweist, wobei das Anströmprofil in der Anströmung eine Nase, seitlich zur Anströmung zwei Seitenflächen und rückwärtig ein Heck aufweist, und wobei der Turm (13) beim Fundament (3) um die
Hochachse (15) drehbar gelagert ist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Turm (13) bei der Nase windundurchlässig ausgeführt ist und zumindest über einen Teil des ersten Bereichs (35) zumindest bei den Seitenflächen winddurchlässig ausgeführt ist.
15. Turm (13) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Turm bespannt ist, wobei die Nase des Anströmprofils und ein Heckabschnitt bespannt sind.
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