WO2023161220A1

WO2023161220A1 - Windkraftanlage und verfahren zum speichern von windenergie in form von lageenergie in einer windkraftanlage

Info

Publication number: WO2023161220A1
Application number: PCT/EP2023/054296
Authority: WO
Inventors: Andreas Gräber
Original assignee: Pvg Gmbh
Priority date: 2022-02-22
Filing date: 2023-02-21
Publication date: 2023-08-31
Also published as: DE202022000452U1; EP4298342A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Speichern von Windenergie in Form von Lageenergie in einer Windkraftanlage und eine Windkraftanlage (1) mit einem Mast (9), mit einem Triebstrang (4) und mit einem mittels einer Welle mit dem Triebstrang (4) verbundenen elektrischen Generator (5). Der Triebstrang (4) ist von Rotorblättern der Windkraftanlage (1) antreibbar. Mechanische Energie des Triebstrangs (4) ist durch den Generator (5) in elektrische Energie umwandelbar und in ein elektrisches Verbundnetz einspeisbar. Der Triebstrang (4) weist ein Getriebe (14) auf, das mit einer sowohl als Arbeits- als auch Kraftmaschine arbeitenden Hebevorrichtung (6) mechanisch wirkverbunden ist. Die erfindungsgemäße Windkraftanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass der Mast (9) ein feststehendes Fußsegment (10) und mindestens ein Hebesegment (12) aufweist, das mittels der Hebevorrichtung (6) relativ zu dem Fußsegment (10) entlang einer Hubachse vertikal verlagerbar ist. Auf diese Weise kann die mechanische Energie des Triebstrangs (4) in Form von potentieller Energie des mindestens einen Hebesegments (12) gespeichert oder die potentielle Energie des mindestens einen Hebesegments (12) abgegeben werden.

Description

Windkraftanlage und Verfahren zum Speichern von Windenergie in Form von Lageenergie in einer Windkraftanlage

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem Mast , mit einem Triebstrang und mit einem mittels einer Welle mit dem Triebstrang verbundenen elektrischen Generator, wobei der Triebstrang von Rotorblättern der Windkraftanlage antreibbar ist und mechanische Energie des Triebstrangs durch den Generator in elektrische Energie umwandelbar und in ein elektrisches Verbundnet z einspeisbar ist , wobei der Triebstrang ein Getriebe aufweist , das mit einer sowohl als Ar- beits- als auch Kraftmaschine arbeitenden Hebevorrichtung mechanisch wirkverbunden ist .

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Speichern von Windenergie in Form von potentieller Energie in einer Windkraftanlage , wobei die Windkraftanlage einen Mast , einen Triebstrang und einen mittels einer Welle mit dem Triebstrang verbundenen elektrischen Generator aufweist , wobei Windenergie mittels des Triebstrangs und des Generators in elektrische Energie umwandelbar und in ein elektrisches Verbundnet z einspeisbar ist , wobei mindestens ein Teil der mechanischen Energie des Triebstrangs mittels eines dem Triebstrang zugeordneten Getriebes einer Hebevorrichtung zugeführt wird .

Aus der Praxis sind Windkraftanlagen bekannt , mit denen Bewegungsenergie des Windes , die auch als dessen kinetische Energie bezeichnet wird, in elektrische Energie umgewandelt und in ein elektrisches Verbundnet z eingespeist werden kann . Dabei weisen die Windkraftanlagen üblicherweise Leistungen von einigen hundert Watt bis mehrere Megawatt auf .

Der übliche Aufbau einer Windkraftanlage umfasst ein Fundament und einen zylindrischen oder kegelstumpf förmigen Mast , an dessen oberen Ende eine drehbare Gondel festgelegt ist . Innerhalb der Gondel ist der elektrische Generator und der Triebstrang untergebracht , der einen Antrieb des Generators und eine Drehnabe , an der Rotorblätter festgelegt sind, umfasst . Den Antrieb des Generators übernimmt typischerweise eine mit den Rotoren wirkverbundene Rotorwelle , die auch als Antriebswelle oder Generatorwelle bezeichnet wird . Hinzu kommen elektrische Schaltschränke , Verkabelungen und Aufstiege , welche nur einen geringen Teil des verfügbaren Volumens in der Windkraftanlage belegen .

Ein Problem betrifft die Auslegung der Windkraftanlagen . Da viele Windkraftanlagen schon bei einer Windgeschwindigkeit von 40 bis 50 km/h ( ca . 12 m/ s ) ihre Nennleistung erreichen, werden diese bei höheren Windgeschwindigkeiten gedrosselt , um den Generator nicht zu überlasten, was auch zu erhöhter Geräuschentwicklung führt - eine doppelte Windgeschwindigkeit verachtfacht die aus ihr gewinnbare Windenergie . Die aus der Praxis bekannten Windkraftanlagen sind daher dafür ausgelegt , einen meist vorherrschenden Zustand an Windenergie abzudecken . Hierdurch können bei Windgeschwin- digkeiten über ca . 10 bis 12 m/ s die Windkraftanlagen wie bereits gesagt nicht mehr effektiv betrieben werden; die Energie starker Winde bleibt ungenut zt , da der Generator dann bereits die volle Leistung erbringt und eine höhere Erzeugungsrate von elektrischer Energie nicht mehr möglich ist . Entsprechend wenig effektiv können die Windkraftanlagen bei vergleichsweise geringen Windgeschwindigkeiten unterhalb ca . 3 , 5 m/ s betrieben werden .

Bei der Planung und dem Betrieb der Windkraftanlage berücksichtigt werden muss somit stets die am jeweiligen Standort verfügbare Windenergie , wenn diese sich nicht mit dem Bedarf im Verbundnet z deckt und der Generator nicht optimal oder überhaupt betrieben werden kann . Ebenfalls ist eine überschüssige Windenergie , ohne dass ein entsprechender Bedarf im Verbundnet z vorhanden ist , zu berücksichtigen . Das Speichern der überschüssigen Windenergie stellt hohe technische Anforderungen und bedingt somit teure Komponenten der Windkraftanlage .

In der Praxis werden immer mehr Windkraftanlagen hergestellt und errichtet , aber es fehlt an ausreichenden Speichermöglichkeiten für die überschüssig erzeugte Windenergie . Auch bei wenig oder keinem Wind muss eine Grundlast im Verbundnet z sichergestellt werden, wobei zu manchen Tageszeiten temporär hohe Stromlasten von Verbrauchern das Verbundnet z zusät z lich belasten . Ein weiterer Aspekt ist , dass wenn bereits genügend elektrische Energie im Verbundnet z verfügbar ist , Windkraftanlagen auch bei günstigem Wind abgeschaltet werden .

Eine Möglichkeit überschüssige Windenergie zu speichern, können Lageenergiespeicher ( auch Gewichtsspeicher oder Schwerkraft Speicher genannt ) sein . In der Praxis eingeset zte zentrale Lageenergiespeicher konnten bisher nicht ausreichend Energie speichern . Dezentrale Lageenergiespeicher hingegen haben keinen ausreichend guten Gesamtwirkungsgrad und sind übermäßig kostenintensiv .

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer Windkraftanlage und eine Windkraftanlage mit einem Lageenergiespeicher bereit zustellen, die die vorstehenden Nachteile einer Windkraftanlage reduz ieren und die einen effektiveren und geräuscharmeren Betrieb ermöglichen .

Die Aufgabe wird gemäß den unabhängigen Patentansprüchen 1 und 13 gelöst . Die abhängigen Patentansprüche geben dabei vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung an .

Erfindungsgemäß offenbart ist eine Windkraftanlage nach der eingangs genannten Art , die dadurch gekennzeichnet ist , dass der Mast ein feststehendes Fußsegment und mindestens ein Hebesegment aufweist , das mittels der Hebevorrichtung relativ zu dem Fußsegment entlang einer Hubachse vertikal verlagerbar ist , sodass die mechanische Energie des Triebstrangs in Form von potentieller Energie des mindestens einen Hebesegments gespeichert oder die potentielle Energie des mindestens einen Hebesegments abgegeben werden kann .

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst , dass mindestens ein Hebesegment des Mastes der Windkraftanlage mittels der Hebevorrichtung relativ zu einem feststehenden Fußsegment des Mastes der Windkraftanlage entlang einer Hubachse vertikal verlagert wird, sodass die mechanische Energie des Triebstrangs in Form von potentieller Energie des mindestens ei- nen Hebesegments gespeichert oder die potentielle Energie des mindestens einen Hebesegments abgegeben werden kann .

Erfindungsgemäß kann überschüssige Windenergie als potentielle Energie des mindestens einen Hebesegments der Windkraftanlage , die auch als dessen Lageenergie bezeichnet wird, gespeichert werden . Das erfolgt gemäß einem Grundgedanken der Erfindung vor Ort durch das Eigengewicht schwerer Komponenten in und an dem Hebesegment des ohnehin bereits vorhandenen Mastes der Windkraftanlage und der Lage des Hebesegments entlang der Hubachse , wobei im Sinne der Erfindung die Windkraftanlage , genauer deren Mast , als Lageenergiespeicher wirkt . Im Sinne der Erfindung ist die Windenergie , über die mechanische Energie des Triebstrangs , als potentielle Energie des Hebesegments des Mastes speicherbar . Diese potentielle Energie ist durch die vertikale Verlagerung des Hebesegments an den Triebstrang abgebbar .

Durch die Möglichkeit , die Windenergie starker Winde mit einer Leistung oberhalb der Nennleistung des Generators zu speichern und zu nut zen, werden die Effi z ienz und der Gesamtwirkungsgrad der Windkraftanlage gesteigert . Das mindestens eine Hebesegment des Mastes , das im Sinne der Erfindung als Lageenergiespeicher, also zum Speichern von potentieller Energie dient , kann direkt über die Windkraftanlage , ortsnah, geladen werden und kann dabei trot zdem über den Nennleistungsbetrieb hinaus starke Winde ausnut zen, so dass die erfindungsgemäße Windkraftanlage sehr effektiv und im Übrigen auch geräuscharm einset zbar ist , da eine wie im Stand der Technik bislang erforderliche Drosselung entfallen kann . Im Sinne der Erfindung umfasst der Triebstrang der Windkraftanlage die leistungsübertragenden, drehenden Komponenten vom Rotor bis zum Generator, insbesondere die Welle . Der Welle können weitere Komponenten zugeordnet sein, beispielsweise mindestens eine Bremse und/oder mindestens eine Kupplung und/oder mindestens eine Lagerung .

Weiterhin umfasst der Mast der Windkraftanlage im Sinne der Erfindung das Fußsegment und das mindestens eine Hebesegment . Der Speichervorgang und die Energieabgabe , insbesondere in Form der vertikalen Verlagerung des Hebesegments , können rein mechanisch, mechanisch-hydraulisch oder rein hydraulisch realisiert werden . Die nachfolgenden beispielhaften Ausgestaltungen orientieren sich beispielhaft an bereits aus der Praxis bekannten, realen Windkraftanlagen in Nennleistung, Gewicht und Abmessungen .

Mit der erfindungsgemäßen, im Wesentlichen in der Höhe verstellbaren Windkraftanlage durch die vertikale Verlagerung des Hebesegments , der dadurch ermöglichten Nut zung des Hebesegments als Lageenergiespeicher mit dem Eigengewicht des Hebesegments der Windkraftanlage , einem optionalen zusät zlichen Einsat z von Akkumulatoren als weiteren Lageenergiespeicher und/oder einem optionalen zusät z lichen Speichergewicht , das keine anderen Trägersysteme benötigt , kann die Windkraftanlage effektiver betrieben werden .

Zusät z lich kann die Effektivität der Windkraftanlage erhöht werden durch die Anordnung von Komponenten der Windkraftanlage , welche es ermöglichen, größere Mengen mechanischer oder elektrischer oder überschüssiger Energie der Windkraftanlage in oder unmittelbar an der Windkraftanlage zu speichern und über eine schon vorhandene oder eine stan- dardmäßig aus dem Stand der Technik bekannte notwendige Infrastruktur der Windkraftanlage wieder in das Verbundnet z abzugeben .

Die Ausführungsformen der Erfindung für die Speicherung der überschüssige Windenergie in potentielle Energie des Hebesegments werden vorzugsweise im Wesentlichen über ein von dem Triebstrang umfasstes Getriebe realisiert , welches an der Nabenwelle , die auch als Rotorwelle oder Generatorwelle genannt wird, Drehmoment abgreift und an die Hebevorrichtung weiterleitet . Ausnahme bildet ein elektrisch betriebener Speicher . Das Getriebe kann das jeweils erforderliche Drehmoment über Drehzahländerungen anpassen, gegebenenfalls die Drehrichtung ändern und/oder insbesondere das Drehmoment weiterleiten an mechanische , hydraulische oder pneumatische Komponenten der Windkraftanlage . Die Erfindung ermöglicht insbesondere die Speicherung von überschüssiger Windenergie , die in mechanische Energie des Triebstrangs umgewandelt wird, dadurch, dass mittels des Getriebes die Hebevorrichtung als Kraftmaschine arbeitet und das Hebesegment relativ zum Fußsegment anhebt , so dass die mechanische Energie des Triebstrangs zumindest teilweise als potentielle Energie des Hebesegments gespeichert wird .

Das Einleiten oder die Abgabe der gespeicherten potentiellen Energie des Hebesegments erfolgt insbesondere umgekehrt hierzu durch Einleiten in einen Getriebeausgang . Die Abgabe der potentiellen Energie des Hebesegments des Mastes erfolgt im Sinne der Erfindung durch dessen Absenken, wobei diese Bewegung über die in diesem Fall als Arbeitsmaschine arbeitende Hebevorrichtung in mechanische Energie des Getriebes des Triebstrangs umgewandelt wird, die mittels des Generators zur Erzeugung von elektrischer Energie dient . Optional verfügen die Windkraftanlage und/oder der Triebstrang über zwei Getriebe in einem Gehäuse . Optional sind zwei Getriebe separat voneinander verbaut . Ein konstruktives Ziel der Erfindung ist dabei , möglichst viele Synergien mit vorhandenen Komponenten einer Windkraftanlage herzustellen und diese zur Speicherung zu nut zen, ohne einen weiteren Flächenbedarf oder höhere Kosten zu verursachen .

Das Fußsegment kann eine Dichtung aufweisen, um einen Zwischenraum zwischen dem Fußsegment und dem mindestens einen Hebesegment abzudichten und den Zwischenraum insbesondere vor Wettereinflüssen zu schüt zen . Die Dichtung kann insbesondere als Abdichtring ausgestaltet sein .

Der Mast ist dazu ausgebildet , die Windkraftanlage gegenüber dem Boden abzustüt zen . Das Fußsegment und/oder das mindestens eine Hebesegment des Mastes können im Wesentlichen zumindest bereichsweise konisch, insbesondere zylindrisch ausgestaltet sein .

Die Windkraftanlage kann eine um die vertikale Achse drehbare Gondel aufweisen, die insbesondere den Triebstrang und zumindest teilweise die Hebevorrichtung umfasst . Die Gondel kann drehfest mit dem Hebesegment verbunden sein, wobei in diesem Fall das Hebesegment relativ zum Fußsegment um die vertikale Achse drehbar sein kann . In einer alternativen Ausgestaltung kann die Gondel relativ zu dem Hebesegment um die vertikale Achse drehbar sein .

Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Windkraftanlage kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Hebesegment mittels der Hebevorrichtung mit dem Fußsegment fluchtend und insbesondere teleskopartig da- rin entlang der Hubachse vertikal verlagerbar ist . Mit der fluchtenden und teleskopartigen Ausführungsform kann das Hebesegment oder können mehrere Hebesegmente plat z sparend in dem Fußsegment untergebracht werden, wobei beispielsweise überschüssige Windenergie portionsweise nach Bedarf in jedem angehobenen Hebesegment abgespeichert werden kann, ohne alle Hebesegmente zugleich ausfahren zu müssen . Dabei kann überschüssige Windenergie stufenweise in dem Lageenergiespeicher in Form der Hebesegmente abgespeichert und abgerufen werden .

Der unmittelbare Antrieb und Hub der die Lageenergie speichernden Komponenten ermöglicht es , weniger Verlustleistung zu generieren . Die Speicherung oder das Abrufen von überschüssiger Windenergie an erfindungsgemäßen Windkraftanlagen ermöglicht dies ortsnah mit wenigen negativen Einflüssen auf das Verbundnet z und auf den Wirkungsgrad eine verbesserte Effektivität der erfindungsgemäßen Windkraftanlage .

Die Nut zung von Komponenten der bisher üblichen Windkraftanlagen bieten darüber hinaus weitere Synergievorteile - dazu gehören z . B . die Gondel mit der Rotornabe , die Rotorflügel , die Rotorwelle zur Energiespeicherung, der elektrische Generator, die Umspannelektroniken und die Net z infrastruktur zur Wiedereinspeisung . Der Generator kann mit dem Verbundnet z verbunden sein .

Um eine bessere Führung des Hebesegments zu gewährleisten, kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass an dem Fußsegment mindestens drei Hubschienen festgelegt sind, wobei das Hebesegment mittels der Hebevorrichtung entlang der mindestens drei Hubschienen und entlang der Hubachse verla- gerbar ist . Die Hubschienen geben dem Hebesegment eine stabile Führung bei dessen Anheben und Absenken und erhöhen auch eine Stabilität der Windkraftanlage bei stärkeren Winden . Die Hubschienen sind vorzugsweise im Wesentlichen vertikal ausgerichtet . In einer Weiterbildung der Erfindung können drei bis acht , oder auch mindestens 8 Hubschienen vorgesehen sein, die auch als Führungs- oder Gleit schienen bezeichnet werden . Mindestens eine Hubschiene kann zumindest bereichsweise eine Zahnstange aufweisen, um die vertikale Verlagerung des Hebesegments zu unterstüt zen .

Um eine Regel- oder Steuerbarkeit des Hebe- oder Absenkvorgangs zu ermöglichen, kann optional vorgesehen sein, dass die Windkraftanlage eine die Hebevorrichtung ansteuerbare Steuereinrichtung aufweist , die dazu ausgebildet ist , die Verlagerung des Hebesegments durch die Hebevorrichtung nach einer Steuervorgabe vorzunehmen . Die Steuereinrichtung kann beispielsweise in dem Fußsegment , dem Hebesegment , dem Fundament der Windkraftanlage oder der Gondel untergebracht sein . Die Steuereinrichtung kann dabei als eine speicherprogrammierbare Steuerung ( SPS ) ausgebildet sein, wobei die SPS üblicherweise mindestens eine Recheneinheit sowie schalt- und steuerbare Ein- und Ausgänge aufweist , mit denen die Hebevorrichtung nach der Steuervorgabe aus der Recheneinheit oder von außerhalb der Windkraftanlage geregelt oder gesteuert werden kann .

Mit der Steuereinrichtung kann die vertikale Verlagerung des Hebesegments optimiert und einem jeweiligen Bedarf des Verbundnet zes angepasst werden, sodass der Lageenergiespeicher nicht zwangsläufig auf einmal entleert werden muss , sondern beispielsweise dynamisch nach Verbundnet zvorgaben . In einer Weiterbildung kann die Steuereinrichtung dazu aus- gebildet sein, dass für den Fall , dass die an der Windkraftanlage vorherrschende Windstärke einen vordefinierten Schwellenwert übersteigt , ein ebenfalls vordefinierter Anteil der mechanischen Energie des Triebstrangs über eine entsprechende Ansteuerung der Hebevorrichtung als potentielle Energie des Hebesegments durch dessen Anheben um einen vordefinierten Wert gespeichert wird, wobei der Hub des Hebesegments dem zu speichernden Anteil der mechanischen Energie des Getriebes entspricht . In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Steuereinrichtung dazu ausgebildet sein, dass für den Fall , dass die Steuereinrichtung einen erhöhten Bedarf des elektrischen Verbundnet zes registriert , die Hebevorrichtung derart angesteuert wird, dass das Hebesegment um einen vordefinierten Wert abgesenkt wird, um damit über das Getriebe ein vordefiniertes Maß an mechanischer Energie des Triebstrangs zu erzeugen, die vom Generator in elektrische Energie umgewandelt und in das Verbundnet z eingespeist wird .

Um die Funktionalitäten der Erfindung zu erweitern, kann vorgesehen sein, dass die Windkraftanlage mindestens eine Sensoreinheit zum Erfassen von mindestens einer Messgröße aufweist , wobei die Sensoreinheit mit der Steuereinrichtung signaltechnisch wirkverbunden ist . Mit der Sensoreinheit können verschiedene Messgrößen und damit auch physikalische Größen, die an der, in der oder um die Windkraftanlage vorherrschen . Beispielsweise kann insbesondere aktiv eine Windgeschwindigkeit und/oder ein Drehmoment des Triebstrangs erfasst werden, sodass nur ein gewisser Teil der Windenergie in dem Lageenergiespeicher abzuspeichern ist , während der Rest weiter ins Verbundnet z einzuspeisen ist . Optional kann beispielsweise eine Wirk- und Blindleistung an einem Net zeinspeisepunkt des Verbundnet zes mit der Sensoreinheit erfasst und gemessen werden, sodass die Steuereinrichtung die Hebevorrichtung derart ansteuern kann, dass die potentielle Energie des Lageenergiespeichers in Form des Hebesegments durch deren bereits beschriebene Umwandlung in elektrische Energie den Net zeinspeisepunkt stüt zen kann .

Optional können auch mechanische Messgrößen in dem Triebstrang mit der Sensoreinheit erfasst werden, sodass die Steuereinrichtung den Lageenergiespeicher in Form des Hebesegments langsam entleert , um einen eventuell schon sehr belasteten Triebstrang nicht zu überlasten oder zu beschädigen .

Die erfindungsgemäße Windkraftanlage ist mit der Hebevorrichtung insbesondere in der Lage , mechanische Kräfte und Drehbewegungen unmittelbar und innerhalb der eigenen Konstruktion durch Erweitern standardmäßiger Komponenten ortsnah zu speichern und bei Bedarf direkt wieder abzugeben . Überschüssige Windenergie kann durch ein Anheben des Hebesegments mit einer Seilwinde und/oder mit einem Flaschenzug mechanisch und/oder hydraulisch aufgrund des Eigengewichts des Hebesegments der Windkraftanlage gespeichert werden . Dabei kann nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Hebevorrichtung mindestens eine Seilwindeeinheit aufweist , die mittels mindestens eines Seils und mindestens einer Umlenkrolle mit dem Hebesegment und dem Fußsegment verbunden ist , sodass die Seilwindeneinheit das Hebesegment entlang der Hubachse vertikal verlagern, insbesondere anheben oder absenken kann . Vorzugsweise kann die Seilwindeeinheit mindestens drei Seile , insbesondere drei bis acht Seile , insbesondere mindestens acht Seite aufweisen .

Zusät z lich zu dem vertikal verlagerbaren Hebesegment des Mastes kann die Windkraftanlage einen insbesondere hydraulischen Federspeicher und/oder einen Druckluft Speicher als Hebevorrichtung aufweisen . Der Federspeicher weist ein Federelement auf , das mit einer durch die mechanische Energie des Treibstrangs und mittels der Hebevorrichtung erzeugten Kraft beaufschlagt wird, so dass die zu speichernde mechanische Energie des Triebstrangs zumindest teilweise als potentielle Energie des Federelements gespeichert werden kann . In umgekehrter Weise kann die potentielle Energie des Federelements bei dessen Entspannung abgegeben und über die Hebevorrichtung in mechanische Energie des Triebstrangs umgewandelt werden . Die Auslenkung des Federelements kann hydraulisch, insbesondere mittels einer Hydraulikpumpe , und/oder pneumatisch, insbesondere mittels eines Kompressors , erfolgen .

Bei einem Druckluft Speicher kann vorgesehen sein, dass die mechanische Energie des Triebstrangs zu einer Erhöhung des im Druckluft Speicher vorherrschenden Drucks , beispielsweise mittels eines Kompressors , führt und in dieser Form als potentielle Energie des Druckluft Speichers speicherbar ist . In umgekehrter Weise ist die potentielle Energie des Druckluft Speichers bei dessen Entspannung abgebbar und als mechanische Energie des Triebstrangs umwandelbar . Ein hydraulischer Speicher kann auch mit elektrischer Überschussenergie und einer elektrischen Hydraulikpumpe geladen werden, und kann diese bei Bedarf als Hydraulikdruck insbesondere mit Hydraulikmotor an den Generator der Windkraftanlage zurückgeben . Das Federelement und/oder der hydraulische Fe- derspeicher können mit Druckluft beaufschlagt werden, um einen höheren Hydraulikdruck aufbauen zu können .

Um eine zentrale Speicherung der überschüssigen Windenergie zu ermöglichen, kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Hebevorrichtung mindestens eine Pumpeneinheit und mindestens eine Fluidspeichereinheit mit einem Fluid aufweist , die mit der Pumpeneinheit fluidtechnisch verbunden ist , wobei die Pumpeneinheit dazu ausgebildet ist , einen Hubdruck des Fluids bereit zustellen, mit dem mindestens ein Hydraulik- oder Pneumatik-Aktor das Hebesegment entlang der Hubachse vertikal verlagern, insbesondere anheben oder absenken kann .

Die Fluidspeichereinheit kann dabei mittels Öl oder Druckluft betrieben werden, wobei die Pumpeneinheit vorzugsweise dazu ausgebildet ist , stets einen für die Verlagerung des Hebesegments ausreichenden Hubdruck bereit zustellen .

Die Fluidspeichereinheit kann als Hydraulikflüssigkeitstank, insbesondere als Hydrauliköltank, und/oder als Drucklufttank ausgestaltet sein . Die Fluidspeichereinheit kann innerhalb des Fußsegments und/oder innerhalb des Hebesegments oder außerhalb dieser Komponenten angeordnet sein .

Die Pumpeneinheit kann als Hydraulikpumpe und/oder als Kompressor ausgestaltet sein .

Nach einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Hebevorrichtung mindestens einen Hydraulikzylinder aufweist , der mit der Fluidspeichereinheit fluidtechnisch verbunden ist und der mittels mindestens eines Seils und mindestens einer Umlenkrolle mit dem Hebesegment und dem Fußsegment verbunden ist , sodass der Hydraulikzy- linder das Hebesegment entlang der Hubachse vertikal verlagern, insbesondere anheben oder absenken kann .

Hydraulikzylinder, Seile und Umlenkrollen, die mit den Segmenten, also mit dem Fußsegment und/oder mit dem Hebesegment , der Windkraftanlage in Verbindung stehen, können vorteilhaft dazu genut zt werden, das mindestens eine Hebesegment der Windkraftanlage anzuheben . Der Hydraulikzylinder kann mehrstufig ausgestaltet sein .

Um die Vorteile hydrostatischer Getriebe und Antriebe nutzen zu können, kann nach einem besonders vorteilhaften Aspekt der Erfindung vorgesehen sein, dass an den mindestens drei Hubschienen mindestens ein Hydraulikmotor angeordnet ist , der dazu ausgestaltet ist , das Hebesegment entlang der Hubschienen und der Hubachse vertikal zu verlagern, insbesondere anzuheben oder abzusenken . Hydrostatische Getriebe und Antriebe bieten sich dank ihrer stufenlos regelbaren Drehzahl und Drehmoments dafür an .

Eine Kombination aus einer Hydraulikpumpe und einem Hydraulikmotor, die auch als hydrostatischer Antrieb bekannt ist , kann den hydraulischen Hubdruck in einem hydraulischen Fluidspeicher oder in der Gewichtsmasse selbst speichern, anstatt das Öl über einen Vorratsbehälter direkt im Umlauf zu halten . Vorteilhafterweise erfolgt der Antrieb des Hydraulikmotors demnach über den gespeicherten Hydraulikdruck und kann demnach zeitunabhängig abgerufen werden .

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Hebevorrichtung mindestens einen hydraulisch oder pneumatisch betriebenen Federspeicher aufweist , der dazu ausgebildet ist , den Hubdruck in Form einer Hubkraft bereit zustellen, mit der das Hebesegment entlang der Hubachse vertikal verlagert , insbesondere angehoben oder abgesenkt werden kann .

Um die Effektivität der erfindungsgemäßen Windkraftanlage zu erhöhen, kann vorgesehen sein, dass die Windkraftanlage , insbesondere das Fußsegment und/oder das mindestens eine Hebesegment des Mastes , ein zusät z liches Speichergewicht aufweist , das mittels der Hebevorrichtung vertikal verlagerbar, insbesondere anhebbar und absenkbar ist , um mechanische Energie des Triebstrangs in Form von potentieller Energie des mindestens einen Speichergewichts zu speichern oder potentielle Energie des mindestens einen Speichergewichts abzugeben . Das zusät z lich zu dem Hebesegment ausbildbare Speichergewicht dient dazu, durch eine Vergrößerung des im Sinne der Erfindung verlagerbaren Gewichts die Energiekapaz ität der erfindungsgemäßen Windkraftanlage zu vergrößern . Da die Windkraftnut zung wegen hohen Windlasten eine sehr stabile Auslegung des Mastes erfordert , womit zum Eigengewicht in der Statik noch Reserven bestehen müssen, kann ein optional zusät z liches Speichergewicht an bestehenden Anlagen nachrüstbar sein oder nachgerüstet werden . Das mindestens eine Speichergewicht kann innerhalb des Fußsegments , innerhalb des Hebesegments oder außerhalb des Mastes angeordnet sein . Das Speichergewicht kann zumindest teilringförmig, insbesondere ringförmig ausgestaltet sein .

In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass mehrere zusät z liche Speichergewichte über den Umfang des Mastes verteilt angeordnet sind . Vorzugsweise ist jedes der Speichergewichte selbstständig, also unabhängig von dem Hebesegment und von gegebenenfalls weiteren vorhandenen Speichergewichten, vertikal verlagerbar . Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass ein Speichergewicht zusammen mit dem Hebesegment und/oder zusammen mit mindestens einem anderen Speichergewicht gemeinsam vertikal verlagerbar ist . Das mindestens eine Speichergewicht ist insbesondere mittels der vorzugsweise durch die Steuereinheit angesteuerten Hebevorrichtung vertikal verlagerbar .

Beispielsweise kann in einer Windkraftanlage mit 140 m Nabenhöhe , die sich auf die Entfernung der Rotornabe der Windkraftanlage vom Boden bez ieht , ein Speichergewicht aus beispielsweise Blei mit einem Gewicht von 750 t zum Einsat z kommen . Das Speichergewicht kann dabei über eine Höhe , also einen Hub, von 100 m bewegt werden . Es ist so möglich, eine potenz ielle Energie von ca . 735 502 , 5 kJ zu speichern und über eine Zeitspanne von 450 Sekunden eine Leistung von 1 , 635 MW abzugeben . Das entspricht ungefähr 205 kWh .

Optional kann nach einem Aspekt der Erfindung vorgesehen sein, dass eine Windkraftanlage mit 150 m Nabenhöhe einen Mast aufweist , der über Hub- oder Gleit schienen verfügt , womit die Nabenhöhe zwischen 125 m und 175 m in der Höhe variieren kann, was einem Hub des Hebesegments von 50 m im Sinne der Erfindung entspricht . Das Gewicht des variablen Hebesegments des Masts mit der Gondel kann ca . 2 . 000 t betragen . Zusät z lich kann ein beispielsweise im Inneren des Mastes angeordnetes Speichergewicht , beispielsweise aus Blei , mit einem Durchmesser von 4 m in einer Höhe von 7 m und/oder einem Gewicht von 1 . 000 t installiert sein .

Werden durch überschüssige Windenergie der Windkraftanlage sowohl das optional zusät z liche Speichergewicht als auch das variable , vertikal verlagerbare Hebesegment beispielsweise über Winde , Getriebe und Zugseile auf Maximalhöhe ge- hoben, kann sich eine gespeicherte potenz ielle Energie von ca . 1 . 961 . 340 kJ ergeben und es können über eine Zeitspanne von 20 Minuten ca . 1 , 635 MW abgegeben werden, was ca . 545 kWh entspricht .

Vorzugsweise kann eine erste erfindungsgemäße Windkraftanlage mit mindestens einer weiteren Windkraftanlage , insbesondere mindestens einer weiteren erfindungsgemäßen Windkraftanlage derart zusammengeschaltet werden, dass die erste erfindungsgemäße Windkraftanlage von der anderen Windkraftanlage ansteuerbar ist , um beispielsweise das Hebesegment auch dann vertikal zu verlagern, wenn dies lediglich die andere Windkraftanlage erfordert . Hierzu können die Windkraftanlagen über Energieübertragungsmittel miteinander verbunden sein, um einen gegenseitigen Austausch von Energie , insbesondere elektrischer Energie , vorzunehmen .

Bei beispielsweise sieben erfindungsgemäßen, miteinander verbundenen Windkraftanlagen, die ihre Lageenergiespeicher, insbesondere in Form der jeweils vertikal verlagerbaren Hebesegmente , in bereits beschriebener Weise vorzugsweise intelligent vernet zt nut zen können, sind dies wirkungsgradbereinigt für eine Stunde mehr als 1 MW/h an zusät z licher elektrischer Energie . Auch die Kombination der Speichermöglichkeiten in und an einer einzelnen Windkraftanlage ist möglich, womit Speicherkapaz itäten von weit über 1 MW/h möglich sind .

Wenn der Generator dazu geeignet ist , auch als Antrieb die Windkraftanlage anzutreiben, können miteinander verbundene , also vernet zte Windkraftanlagen an Standorten mit guten Windverhältnissen nicht benötigte Energie erzeugen und an anderen Standorten stehende Windkraftanlagen ohne günstige Windverhältnisse weiterleiten, sodass diese Energie dort vor Ort abgespeichert werden kann, da die Energieübertragung über das Verbundnet z stattfindet , das insofern als Energieübertragungsmittel dienen kann . Ebenfalls kann so überschüssige Windenergie aus dem Verbundnet z gespeichert werden, ohne die Drosselung der Windkraftanlage bei zu starken Windverhältnissen über Luftbremsen zu veranlassen, sodass zudem auch der Geräuschpegel der Windkraftanlage enorm gesenkt werden kann, da die Drosselung wie bereits geschrieben geräuschintensiv ist .

Auch der optionale , insbesondere hydraulische Federspeicher und/oder die Druckluftunterstüt zung in Form des Druckluftspeichers sind vorzugsweise nachrüstbar, benötigen dann aber ortsnah zusät z lichen Raum oder direkt neben der Windkraftanlage . Bei einem Neubau können diese Merkmale im Fundament oder in einer üblichen Windkraftanlage untergebracht werden . Ausnahme kann ein sehr großer hydraulischer Speicher sein, der ein zu großes Fundament benötigen würde .

Nach dem Verbauen stabilisiert das zusät z liche , insbesondere nachrüstbare Speichergewicht die Windkraftanlage bei hohen Windgeschwindigkeiten, wodurch die Windkraftanlage durch den stabileren Stand auch bei höheren Windlasten als der bisherigen Maximallast betrieben werden kann . Der Lageenergiespeicher in Form des vertikal verlagerbaren Hebesegments des Mastes , zuzüglich gegebenenfalls vorhandener weiterer Speichermöglichkeiten wie ein Federspeicher und/oder ein Zusat zgewicht , kann auch bei Windgeschwindigkeiten ab ca . 12 bis 14 m/ s geladen werden, insbesondere nur mit der überschüssigen Windkraft , welche sonst die Maximalleistung des Generators bei einer bekannten Windkraftanlage übersteigen würde . Erfindungsgemäß kann bei starken Winden durch ein Absenken des Hebesegments der Windkraftanlage diese gegebenenfalls später abgeschaltet werden als bekannte Windkraftanlagen . Im Umkehrschluss kann ein Anheben des Hebesegments der erfindungsgemäßen Windkraftanlage für bessere Windverhältnisse sorgen . Windgeschwindigkeiten unterhalb 3 , 5 m/ s können bereits gespeichert werden, wenn der Betrieb des Generators bei bekannten Windkraftanlagen noch ineffektiv ist .

Um zusät z lich Energie speichern zu können, kann nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass das Speichergewicht einen elektrischen Energiespeicher aufweist . Vorzugsweise weist das Speichergewicht mindestens einen elektrischen Energiespeicher auf . Mit dem elektrischen Energiespeicher als Speichergewicht kann beispielsweise zusät z liche elektrische Energie in Akkumulatoren als elektrische Energiespeicher gespeichert werden . Das Speichergewicht wirkt somit nicht nur als Lageenergiespeicher, der zu speichernde Energie als potentielle Energie speichern und auch wieder abgeben kann, sondern diese zu speichernde Energie zugleich auch als elektrische Energie speichern und auch wieder abgeben kann . Der elektrische Energiespeicher kann mit der Hebevorrichtung elektrisch derart verbunden sein, dass mechanische Energie des Triebstrangs in elektrische Energie des Energiespeichers speicherbar ist oder die elektrische Energie des Energiespeichers abgebbar ist .

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Hebevorrichtung hydraulische oder pneumatische Aktoren und Speicher verwendet , um das Hebesegment entlang der Hubachse zu verlagern, insbesondere anzuheben oder abzusenken .

Um mehr Freiheitsgrade bei der Steuerung der Windkraftanlage zu haben, kann in einer Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen sein, dass die Hebevorrichtung von einer Steuereinrichtung angesteuert wird, wobei eine Verlagerung des Hebesegments durch die Hebevorrichtung nach einer Steuervorgabe der Steuereinrichtung erfolgt . Mit der Steuerung oder einer Regelung des Hebevorgangs kann auf aktuelle Umweltbedingungen, Zustandsgrößen der Windkraftanlage oder Steuervorgaben von außerhalb der Windkraftanlage reagiert werden und eine Hubgeschwindigkeit oder eine Hubhöhe nach diesen Vorgaben entsprechend angepasst werden .

Vorzugsweise wird das Verfahren von einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage ausgeführt .

Die Vernet zung der erfindungsgemäßen Windkraftanlage mit mindestens einer weiteren insbesondere erfindungsgemäßen Windkraftanlage ist ebenfalls möglich und erhöht die Speicherleistung der Gesamtheit der Windkraftanlagen . Möglich ist ebenfalls ein kombinierter Einsat z mehrerer Speichervarianten .

Mehrere erfindungsgemäße Windkraftanlagen mit jeweils einem Lageenergiespeicher in Gestalt des vertikal verlagerbaren Hebesegments können mit einem intelligenten Steuermanagement kurz fristige Höchstlasten im elektrischen Verbundnet z über die gespeicherte Energie abfedern und Stromspit zen abdecken, wenn die Windgeschwindigkeiten beispielsweise zu gering sind . Optional können die Lageenergiespeicher in einer zeitlichen Reihenfolge abgerufen werden, sodass eine Grundlast des elektrischen Verbundnet zes besser berechenbar und unterstüt zbar ist , womit weniger CO2-erzeugende Kraftwerke vorgehalten werden müssen .

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung und andere Ausgestaltungen der Windkraftanlage zum besseren Verständnis unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Einzelnen erläutert sind . Dabei zeigen :

Figur 1 eine erfindungsgemäße Windkraftanlage mit einem zweigeteilten Mast , wobei der Mast ein Fußsegment , ein Hebesegment und eine Seilwinde umfasst ,

Figur 2 eine erfindungsgemäße Windkraftanlage mit zwei Hydraulikzylindern, die mittels Seile ein Hebesegment der Windkraftanlage anheben können,

Figur 3 eine erfindungsgemäße Windkraftanlage mit zwei sichtbaren Hubschienen und einem hydrostatischen Antrieb, mit dem ein Hebesegment der Windkraftanlage entlang der Hubschienen verlagerbar ist und

Figuren 4 bis 14 weitere Ausführungsformen von Windkraftanlagen gemäß den Varianten A) bis I ) • In Figur 1 ist eine Windkraftanlage 1 mit einem Lageenergiespeicher in Form eines zumindest teilweise höhenverstellbaren Masts 9 gezeigt . Der Mast 9 der Windkraftanlage 1 weist dabei ein Fußsegment 10 , das auf einem Fundament 2 errichtet ist , und ein Hebesegment 12 auf , das in das Fußsegment 10 teleskopierbar hinein- und herausgefahren werden kann . Dabei ist an einem dem Fußsegment 10 abgewandten Ende des Hebesegments 12 eine Gondel 3 festgelegt , wobei die Gondel 3 einige wesentliche Komponenten der Windkraftanlage 1 umfasst . Dazu gehören ein Triebstrang 4 und ein elektrischer Generator 5 , mit denen Windenergie in elektrische Energie umgewandelt und in ein in Figur 1 nicht dargestelltes elektrisches Verbundnet z eingespeist werden kann .

Der Triebstrang 4 weist dabei ein Getriebe 14 auf , das mit einer Hebevorrichtung 6 verbunden ist und das ein Drehmoment aus dem Triebstrang 4 in die Hebevorrichtung 6 umleiten kann, wobei das Getriebe 14 auch ein Drehmoment aus der Hebevorrichtung 6 auf nehmen und dem Triebstrang 4 bzw . dem Generator 5 zuleiten kann . Mit der Hebevorrichtung 6 kann erfindungsgemäß ein Hebesegment 12 des Mastes 9 der Windkraftanlage 1 fluchtend und teleskopartig entlang einer vertikalen Hubachse aus dem Fußsegment 10 des Mastes gehoben werden, wenn überschüssige Windenergie nicht mehr in das Verbundnet z abgegeben werden kann und als Lageenergie bzw . potentielle Energie des Hebesegments 12 gespeichert werden soll . Soll gespeicherte potentielle Energie des Hebesegments 12 wieder abgegeben werden, kann das Hebesegment 12 mittels der Hebevorrichtung 6 in das Fußsegment 10 eingefahren werden . Die so abgerufene gespeicherte Lageenergie kann demnach über das Getriebe 14 wieder dem Triebstrang 4 zugeführt und eingespeist werden . In Figur 1 weist die Hebevorrichtung 6 für eine erfindungsgemäße Hebefunktion des Hebesegments 12 eine Seilwinde 21 und mehrere Seile 13 auf , die über einen Lastenträger 13a im Inneren des Hebesegments 12 und über Umlenkrollen 24 sowohl mit dem Hebesegment 12 als auch dem Fußsegment 10 verbunden sind . Mit einem Aufwickeln der Seile 13 durch die Seilwinde 21 wird eine Hubkraft generiert , mit der das Hebesegment 12 aus dem Fußsegment 10 herausgefahren werden kann . An der oberen Stirnseite des Fußsegments 10 ist ein Abdichtring 18a angeordnet , um einen Zwischenraum zwischen dem Fußsegment 10 und dem Hebesegment 12 insbesondere gegenüber Wettereinflüssen abzudichten . Die Gondel 3 ist um die vertikale Achse drehbar, um sich ändernden Windverhältnissen anpassen zu können .

In Figur 2 weist die Hebevorrichtung 6 der dort gezeigten erfindungsgemäßen Windkraftanlage 1 abweichend zur Ausgestaltung der Figur 1 zwei Hydraulikzylinder 15 auf , die mittels einer hydraulischen Fluidspeichereinheit 17 mit einem hydraulischen Aktor 16 über Hydraulikleitungen 25 in einer fluidtechnischen Wirkverbindung stehen . Mit einem ausreichend hohen Hubdruck in der hydraulischen Fluidspeichereinheit 17 können die Hydraulikzylinder 15 ausfahren und das Hebesegment 12 über Seile 13 und Umlenkrollen 24 anheben bzw . aus dem Fußsegment 10 der Windkraftanlage 1 herausfahren . Dadurch kann überschüssige Windenergie in Form von Lageenergie des Hebesegments 12 gespeichert werden . Die Lageenergie des Hebesegments 12 kann bei Bedarf durch ein Absenken des Hebesegments 12 mittels der Hydraulikzylinder 15 über die Hebevorrichtung 6 und das Getriebe 14 wieder an den Triebstrang 4 abgegeben werden . Im Ausführungsbeispiel der Figur 2 wird überschüssige Windenergie an der Gondel 3 mit Hilfe eines an den windbetriebenen drehenden Teilen der Windkraftanlage 1 , insbesondere an deren Triebstrang 4 angeflanschten Getriebes 14 aufgenommen und mit Hilfe eines angeflanschten, so angetriebenen hydrostatischen Antriebes 23 ( in Figur 2 nicht gezeigt ) oder geeigneten Hydraulikpumpen 16 weitergeleitet und in Hydraulikdruck und einen hydraulischen Massenstrom überführt . Der so erzeugte Hydraulikdruck hebt mit Hilfe von Seilen 13 aus Stahl oder Kunst Stoff fasern und einem oder mehreren damit kombinierten Hydraulikzylindern 15 das obere Mastsegment 12 an und speichert so über die angehobene Gewichtsmasse die Überschussenergie aus Windkraft als potentielle Energie des Mastsegments 12 oder Hebesegment .

Die Hydraulikzylinder 15 sind dabei liegend, schräg oder senkrecht stehend vorzugsweise auf oder im Fundament 2 angebracht . Die genaue Einbaulage wird durch den Konstrukteur der Windkraftanlage 1 bestimmt und kann auch im statischen Teil des Mastes 9 in Form des Fußsegments 10 oder im beweglichen Teil des Mastes 9 in Form des Hebesegments 12 eingebaut werden . Mit dem erzeugten Hydraulikdruck und Massenstrom an der Gondel 3 kann das bewegliche Hebesegment 12 auch über in Figur 2 nicht gezeigte Zahnstangen 22 und einer Hydraulikmotor/-pumpen- Kombination 23 angehoben und abgesenkt werden . Um die gespeicherte Energie abzurufen, senkt sich das obere Mastsegment 12 wieder ab und nut zt den dabei entstehenden Hydraulikdruck und den Massenstrom des Hydrauliköles .

Das verdrängte Öl in den Hydraulikzylindern 15 treibt durch einen Hydrostaten 23 oder einen Hydraulikmotor 16 den Gene- rator 5 der Windkraftanlage 1 der Gondel 3 an unabhängig von den Windverhältnissen .

Der Einsat z eines regelbaren Hydrostaten 23 oder einer regelbaren Hydraulikpumpe 16 oder eines Hydraulikmotors 16 an der Gondel 3 ermöglicht ein Modulieren der Energieabgabe und Speicherung, was zur Unterstüt zung im laufenden Betrieb der Windkraftanlage 1 genut zt werden kann, um die nominal maximal mögliche Energieerzeugung der Windkraftanlage 1 zu erreichen auch bei fehlenden Windverhältnissen . Dies gilt umgekehrt auch bei guten Windverhältnissen, wenn die nominal maximal mögliche Energieerzeugung bereits nur über die Windenergie erzeugt werden kann .

Die Rotorflügel müssen dann nicht in eine drosselnde Position gebracht werden, sondern die zu hohe Energie für den Generator 5 wird zur Gewichtsspeicherung abgeleitet . Mit Hilfe von mehrstufigen Flaschenzügen 13 , Umlenkrollen 24 und Seilen 13 aus Stahl oder Kunst Stoff fasern kann der Weg an den Hydraulikzylindern 15 minimiert und die Hubhöhe vergrößert werden . Für kleinere Anlagen, oder wenn die Standort sverhältnisse es erfordern, ist es möglich, die Hydraulikzylinder 15 durch Seilwinden 21 zu erset zen . In diesem Falle werden die Seilwinden 21 mit dem Getriebe 14 an der Gondel 3 anstelle mit dem Hydrostaten 23 oder der Hydraulikpumpe 16 oder dem Hydraulikmotor 16 angetrieben beim Speichervorgang und treiben somit den Generator an bei der Abgabe der gespeicherten Energie .

In Figur 3 ist eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Windkraftanlage 1 gezeigt , die abweichend zu den Figuren 1 und 2 mindestens drei Hubschienen 11 an dem Fußsegment 10 aufweist , wobei das Hebesegment 12 des Mastes 9 mittels der Hubschienen 11 an das Fußsegment 10 der Windkraftanlage 1 gekoppelt ist . Aus Übersichtsgründen sind in Figur 3 nur zwei Hubschienen 11 sichtbar . Die Hubschienen 11 weisen zwei Hydraulikmotoren 23 auf , die mittels einer hydraulischen Fluidspeichereinheit 17 und einer Hydraulikpumpe 16 mit einem Hubdruck beaufschlagt werden können . Insoweit bilden die zwei Hydraulikmotoren 23 und die Hydraulikpumpe 16 einen hydrostatischen Antrieb, mit dem sowohl das Hebesegment 12 angehoben und Lageenergie gespeichert werden kann als auch durch Absenken des Hebesegments 12 Lageenergie entnommen und wieder dem Triebstrang 4 zugeführt werden kann, wie dies bereits beschrieben wurde .

Es wird eine Trägerplatte 18 benötigt , um der Gondel 3 eine Drehbewegung zu ermöglichen . Nach Figur 3 kommen anstelle der Hydraulikzylinder 15 und Seil züge 13 hydraulische Öl- Motor/-pumpen-Kombinat ionen 23 mit Zahnstangen 22 zum Einsat z , welche den Hebevorgang zum Speichern übernehmen oder welche den hydraulischen Druck und Massenstrom zur Rückspeisung erzeugen beim Absenken . Die Zahnstangen 22 sit zen an den Hub- und Gleit schienen 11 und können im statischen Mastsegment in Form des Fußsegments 10 oder im beweglichen Mastsegment in Form des Hebesegments 12 angebracht sein .

In einer beispielhaften Ausführungsform weist die Windkraftanlage 1 eine Nennleistung von 4 bis 6 MW und eine Nabenhöhe von ca . 160 m und eine Masse von ca . 8 . 000 t auf . Auf das Fundament 2 entfallen ca . 4 . 000 t . Auf den Mast 9 ca . 3 . 000 t . Auf die Gondel 3 mit dem Generator 5 , dem Rotor mit der Nabe und den Rotorflügeln ca . 1 . 000 t . I st der Mast 9 erfindungsgemäß zwei- oder mehrteilig und teleskopartig ausfahrbar ausgeführt , existiert ein statischer Teil durch das Fundament 2 und das untere Fußsegment 10 sowie ein beweglicher Teil aus dem oberem Hebesegment 12 , worauf die drehbare Gondel 3 mit dem Generator, der Nabe , den Rotorflügeln und weiteren Komponenten angebracht sind .

Durch die Teilung des Mastes 9 können beispielsweise ca . 2 / 3 bzw . 3 . 000 t an Gewichtsmasse des oberen Hebesegments 12 als Energiespeicher genut zt werden, indem das obere Hebesegment 12 nach oben bewegt , also vertikal verlagert wird . Wenn dies statisch und raumtechnisch möglich ist , kann nach einer Weiterbildung gemäß der Figur 2 ein zentrales im Mast 9 unterhalb der Gondel 3 montiertes Speichergewicht mit einem Gewicht von 19 von 500 bis 1 . 000 t die Gewicht sspeichermasse auf 4 . 000 bis 5 . 000 t für die potentielle Energie als Speicher nut zbare Gesamtmasse erhöhen .

In der unteren Position des Hebesegments 12 in dem beschriebenen Beispiel ist die Nabenhöhe ca . 105 m hoch, in der oberen Position ca . 185 m . Es steht ein Weg von 80 m als Gesamthub zur Verfügung . Der statische Teil des Mastes 9 in Form des Fußsegments 10 muss ausreichend stabil konstruiert werden und beispielsweise über die in Figur 3 gezeigten Hub- und Gleit schienen 11 oder eine andere geeignete Lagerung verfügen, um den Hebevorgang des beweglichen oberen Mast Segmentes in Form des Hebesegments 12 mit ausreichend Stabilität zu gewährleisten . Bei ca . 80 m Hubhöhe und ca . 4 . 500 t angehobener Last ist eine Energie von ca . 1 MWh speicherbar und wieder abrufbar .

Nachfolgend sind weitere mögliche Varianten einer Windkraftanlage beschrieben :

In einer Variante A) treibt das Getriebe der Windkraftanlage eine Seilwinde mit einem Speichergewicht an einem Zug- seil mit Flaschenzügen an . Das Speichergewicht wird beim Speichervorgang nach oben gezogen und beim Ablassen wird die gespeicherte Energie wieder abgegeben .

Ausführungen zur Variante A) mit einem Gewichtsspeicher und einem zentralen Speichergewicht innerhalb des Mastes :

1 ) Mitdrehender Getriebekorb unterhalb der Gondel und an dieser befestigt .

2 ) Ein Getriebe , das Drehmoment und Laufrichtung ändern kann und Drehmoment der Generatorwelle aufnimmt oder Energie aus dem Speicher einleitet .

3 ) Eine Seilwinde am Getriebeausgang, die ein Zugseil für den Flaschenzug auf und ab rollen kann .

4 ) Ein Gewicht am Ende des Flaschenzuges hängend, das zentral im Mast auf und ab bewegt werden kann und die Energie hierdurch speichert .

Die Figur 4 zeigt die Ausführung A) . Die Viel zahl der auf dem Markt befindlichen Windkraftanlagen haben die unterschiedlichsten Ausführungen . Der Abgriff des Drehmomentes zur Speicherung und das Einleiten des Drehmomentes zum Entleeren des Speichers in der Gondel kann deshalb nicht detaillierter dargestellt werden . Zu sehen ist der Mast A einer Windkraftanlage , hier in zylindrischer Ausführung, auf einem Fundament B . Im Inneren des Mastes A bewegt sich ein Gewicht C, das als Speichergewicht dient , an Zugseilen D . Das Zugseil D wurde vereinfacht dargestellt und kann einem mehrstufigen Flaschenzug entsprechen und/oder mehrere Zugseile aufweisen . Die Winde des Seil zuges D befindet sich in einem Getriebekorb E unterhalb der drehbaren Gondel F an dieser befestigt . Die Winde wird über ein Getriebe , welches die Drehrichtung umkehren kann, direkt oder indirekt über die Rotorwelle , die Antriebswelle oder die Generatorwelle angetrieben .

Soll Energie gespeichert werden, wird diese an der entsprechenden Welle abgegriffen und über das Getriebe in die Winde geleitet . Die Winde z ieht über das Zugseil das Speichergewicht nach oben . Wird Energie benötigt , wird die an den Seil zügen hängende Last herabgelassen und die dabei freiwerdende Energie über die Seilwinde und das Getriebe in den Generator in der Gondel abgegeben .

In einer Variante B) ist der Mast der Windkraftanlage im Sinne der Erfindung konstruktiv zweigeteilt , weist also ein Fußsegment und ein Hebesegment auf , wobei das Hebesegment über bereits beschriebene Hub- oder Führungsschienen höhenverstellbar ausgelegt ist . Ähnlich zur Variante A) kann die Seilwinde bei dieser Variante über weitere Flaschenzüge die gesamte obere Konstruktion des Mastes in Form von dessen Hebesegment und gegebenenfalls weitere vorhandene Hebesegmente als Gewichtsspeicher oder Lageenergiespeicher nut zen . Zum Speichern wird der obere Teil des Mastes , also das Hebesegment , zusammen mit der damit verbundenen Gondel nach oben gezogen . Zum Abgeben der gespeicherten Lageenergie wird das Hebesegment wieder abgelassen .

Ausführung zur Variante B) mit Gewichtsspeicher aus Anlageneigenmassen :

1 ) Mitdrehender Getriebekorb unterhalb der Gondel und an dieser befestigt .

2 ) Ein Getriebe , das Drehmoment und die Laufrichtung ändern kann und Drehmoment der Generatorwelle aufnehmen kann oder Energie aus dem Speicher einleiten kann .

3 ) Eine Seilwinde mit Flaschenzug am Getriebeausgang . 4 ) Ein zweiteiliger Mast , mit drei bis acht oder mehr, reibungsarmen, verstellbaren Hub- oder Führungsschienen oder einer anderen geeigneten Vorrichtung zur Höhenverstellung der Hebesegmente des Mastes .

5 ) Einen Lagerring oben an der Mastspit ze des unteren Mastes , um die Lagerung der drei bis zwölf oder mehr Zugseile der Flaschenzüge zu gewährleisten . Der Lagerring dichtet zudem den oberen Mast (Hebesegment ) zum unteren Mast (Fußsegment ) gegen Wettereinflüsse ab .

6 ) Eine Trägerplatte , welche mittig eine zentrale Lagerung zum Haupt zugseil beinhaltet , um ein Drehen der Gondel zu gewährleisten . Die Trägerplatte dreht sich selbst nicht und lagert die nach unten führenden Zugseile der Flaschenzüge . Umlenkrollen am unteren Ende des oberen Mastes als Teil der Flaschenzüge .

Die Figuren 5 und 6 zeigen jeweils die Variante B) des beschriebenen Energiespeichers . Um perspektivisch alle Komponenten zu benennen, sind diese auf zwei Darstellungen verteilt . Die Viel zahl der auf dem Markt befindlichen Windkraftanlagen haben die unterschiedlichsten Ausführungen . Der Abgriff des Drehmomentes zur Speicherung und das Einleiten des Drehmomentes zum Entleeren des Speichers in der Gondel kann deshalb nicht detaillierter dargestellt werden . Die Zugseile wurden zeichnerisch vereinfacht dargestellt und entsprechen mehrstufigen Flaschenzügen, die an die zu hebende Last angepasst sind .

Zu sehen ist der zweigeteilte Mast als zylindrischer Teil A im Sinne des Hebesegments einer Windkraftanlage und den darunter liegenden konischen Teil G im Sinne des Fußsegments auf einem Fundament B . Eine Vorrichtung aus mehreren, mindestens drei Gleit schienen L oder einer anderen geeigneten Vorrichtung im unteren Mast G gewährleistet das teleskopartige Anheben des oberen Mastes A und die Standsicherheit der Windkraftanlage gegen die Windlast .

Im Inneren des Mastes A befindet sich ein Lastenträger I , an dem mehrere Zugseile D der unteren Flaschenzüge befestigt sind und die dazu gehörenden Umlenkrollen M . Über ein drehbar und zentral im nicht drehbaren Lastenträger I gelagertes Befestigungselement K mit Seilrollen sind dort die oberen Zugseile D , welche zu der Seilwinde im Getriebekorb E führen .

Die Zugseile D der unteren Flaschenzüge , drei bis zwölf o- der mehr, sind in einem Lagerring J oberhalb des unteren Mastes gelagert . Dieser Lagerring J dichtet gleichzeitig die beiden Masten gegenseitig gegen das Wetter ab und dient insofern auch als Abdichtring . Umlenkrollen N unterhalb Mast A . Die Seilwinde des Haupt Zugseiles für den Flaschenzug befindet sich in einem Getriebekorb E unterhalb der drehbaren Gondel F befestigt . Die Winde treibt über ein Getriebe , welches die Drehrichtung umkehren kann, direkt oder indirekt entweder über die Rotorwelle , die Antriebswelle oder die Generatorwelle die Gondel an .

Soll Energie gespeichert werden, wird diese an der Rotorwelle abgegriffen und über das Getriebe in die Winde geleitet . Die Winde z ieht über das Zugseil den oberen Mast mit Gondel nach oben . Wird Energie benötigt , wird die Last an der Winde am Seil zug herabgelassen und die dabei freiwerdende Energie über das Getriebe in den Generator in der Gondel abgegeben . Die Variante C) ist eine Ausführung der erfindungsgemäßen Windkraftanlage und weist wie Variante B) ein vertikal verlagerbares Hebesegment und ein zusät z lich ausgebildetes Speichergewicht ähnlich zur Variante A) auf , die jeweils über ein separates Getriebe und eine separate Seilwinde angesteuert werden .

Ausführung zur Variante C) mit Gewichtsspeicher aus Kombination Ausführung A) und B) :

1 ) Mitdrehender Getriebekorb unterhalb der Gondel und an dieser befestigt .

2 ) Ein Getriebe , das Drehmoment und Laufrichtung ändern kann und Drehmoment der Generatorwelle nehmen kann oder Energie aus dem Speicher einleiten kann . Es kann mit zwei Seilwinden getrennt verschaltet werden .

3 ) Zwei Seilwinden am Getriebeausgang .

4 ) Ein zweiteiliger Mast , mit drei bis acht reibungsarmen, verstellbaren Führungsschienen (Hubschienen) oder einer anderen geeigneten Vorrichtung zur Höhenverstellung des Hebesegments des Mastes .

5 ) Einen Lagerring oben an der Mastspit ze in Form des Hebesegments des unteren Mastes in Form des Fußsegments , um die Lagerung der drei bis zwölf oder mehr Zugseile der Flaschenzüge zu gewährleisten . Er dichtet zudem den oberen Mast (Hebesegment ) zum unteren Mast (Fußsegment ) gegen Wettereinflüsse ab .

6 ) Eine Trägerplatte , welche mittig eine zentrale Lagerung zum Haupt zugseil beinhaltet , um ein Drehen der Gondel zu gewährleisten . Die Trägerplatte dreht sich selbst nicht und lagert die nach unten führenden Zugseile der Flaschenzüge . Zusät z lich bietet die zentrale Lagerung eine Durchführung und Führung für ein weiteres Zugseil und Aufnahme eines zentralen Gewichtes . 1 ) Umlenkrollen am unteren Ende des oberen Mastes (Fußsegments ) als Teil der Flaschenzüge . Ein Gewicht am Zugseil hängend, das zentral im Mast auf und ab bewegt wird und die Energie hierdurch speichert .

Die Figur 7 zeigt die Ausführung C) des beschriebenen Energiespeichers . Im Wesentlichen werden alle Komponenten aus Version A) und B) realisiert . Führungsschienen L hier ohne Abbildung . Der Unterschied ist ein weiteres Seil mit Flaschenzug oben und eine zweite Winde hierfür . Das drehbare Befestigungselement K mit Seilrollen M aus Version B) hat hier Durchführungen für die Seile der oberen Seilwinde .

Der Speichervorgang z ieht hier zuerst den oberen Mast (Hebesegment ) nach oben, danach das Speichergewicht . Zum Entleeren des Lagespeichers wird zuerst das zentrale Speichergewicht abgelassen, danach der obere Mast .

Gemäß der Variante D ) kann das Getriebe eine Hydraulikpumpe mit einem kombinierten Hydraulikmotor antreiben und die Speicherung erfolgt über das Anheben des Hebesegments der erfindungsgemäßen Windkraftanlage mit Hydraulikzylindern und das Eigengewicht der Windkraftanlage . Energieabgabe durch Absenken und Antreiben des Generators mit dem Hydraulikmotor .

Ausführungen zur Variante D ) mit Gewichtsspeicher über Hydraulikzylinder und Hydraulikdruck aus Anlageneigenmasse :

1 ) Mitdrehender Getriebekorb unterhalb der Gondel und an dieser befestigt .

2 ) Ein Getriebe , das Drehmoment und Laufrichtung ändern kann und Drehmoment der Generatorwelle aufnimmt oder Energie aus dem Speicher einleiten kann . 3 ) Eine Hydraulikpumpe und ein Hydraulikmotor am Getriebeausgang . Ein zweiteiliger Mast , mit einem oberen Mast (Hebesegment ) und einem unteren Mast (Fußsegment ) , mit drei bis acht reibungsarmen, verstellbaren Führungsschienen

(Hubschienen) oder einer anderen geeigneten Vorrichtung zur Höhenverstellung des oberen Mastes .

5 ) Einen Abdichtring oben an der Mastspit ze der den oberen Mast (Hebesegment ) zum unteren Mast (Fußsegment ) gegen Wettereinflüsse abdichtet .

6 ) Ein oder mehrere mehrstufige Hydraulikzylinder, welche die Windkraftanlage anheben ( Speicherung) oder über die angehobene Masse Hydraulikdruck für den Antrieb des Hydraulikmotors bereit stellen (Entleerung) .

7 ) Einen Hydrauliköltank (Fluidspeichereinheit ) innerhalb oder außerhalb der Windkraftanlage .

8 ) Hydraulikschläuche für die Längenänderung des verstellbaren Mastes . Hydraulikleitungen mit drehbarem Anschluss an den Hydraulikmotor und die Hydraulikpumpe .

Die Figur 8 zeigt die Ausführung D ) der beschriebenen erfindungsgemäßen Windkraftanlage . Die Viel zahl der auf dem Markt befindlichen Windkraftanlagen haben die unterschiedlichsten Ausführungen . Der Abgriff des Drehmomentes zur Speicherung und das Einleiten des Drehmomentes zum Entleeren des Speichers in der Gondel kann deshalb nicht detaillierter dargestellt werden . Zu sehen ist ein zweigeteilter Mast mit einem oberen Mast als zylindrischen Teil A einer Windkraftanlage und den darunter liegenden unteren Mast als konischen Teil G auf einem Fundament B, wie Variante C) .

An der Gondel F sit zt eine Hydraulikölpumpe Q, welche über ein Getriebe in einem Getriebekorb unterhalb der Gondel F angetrieben wird, und ein Hydraulikölmotor R, der die Rück- Speisung der gespeicherten Energie an den Generator gewährleistet . Die Hydraulikpumpe und der Hydraulikölmotor können auch eine Einheit bilden .

Eine Hebevorrichtung aus mehreren Gleit schienen L oder einer anderen geeigneten Vorrichtung im unteren Mast G gewährleistet das teleskopartige Anheben des oberen Mastes A und die Standsicherheit gegen Windlasten . Im Inneren des Mastes A befindet sich ein fest verbundener Boden 0, an dem sich ein oder mehrere mehrstufige , einseitig wirkende Hydraulikzylinder P abstüt zen . Die Größe und Anzahl der Hydraulikzylinder bestimmt den Hydraulikdruck, mit dem gespeichert wird . Im Prinz ip wie die Luftfederung eines LKW .

Der Hydraulikdruck ergibt sich aus dem Gewicht der angehobenen Masse . Das Volumen des Inhaltes ist die Größe , welche die Höhe bestimmt . Beim Füllen der Zylinder mit Hydrauliköl durch eine Hydraulikpumpe Q wird die Gewichtsmasse des oberen Mastes nach oben angehoben, wodurch Überschussenergie der Windkraftanlage in potentielle Energie des oberen Mastes gespeichert wird . Beim Entleeren des Energiespeichers verdrängt die angehobene Gewichtsmasse des oberen Mastes Hydrauliköl und drückt dieses aus den Hydraulikzylindern P zu einem Hydraulikölmotor R . Der Hydraulikölmotor treibt über das Getriebe im Getriebekorb E den Generator in der Gondel F an und gibt die gespeicherte Energie wieder ab .

Der Lagerring J dichtet in diesem Falle die beiden Masten gegenseitig nur ab gegen Wettereinflüsse .

Ein Tank für das Hydrauliköl S , Hydraulikleitungen T mit drehbaren Anschlüssen für eine Ölpumpe und einen Ölmotor und Hydraulikschläuche U gewährleisten die Ölversorgung . Die Variante E ) entspricht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Windkraftanlage . Deren Getriebe kann eine Hydraulikpumpe mit einem kombinierten Hydraulikmotor antreiben und die Speicherung der Energie erfolgt über den Hydraulikdruck in einem hydraulischen Federspeicher im Fundament oder direkt neben der Windkraftanlage . Energieabgabe durch Antreiben des Generators mit dem Hydraulikmotor .

Ausführung zur Variante E ) Federspeicher über Hydraulikdruck auf geladen :

1 ) Mitdrehender Getriebekorb unterhalb der Gondel und an dieser befestigt .

2 ) Ein Getriebe , das Drehmoment und Laufrichtung ändern kann und Drehmoment der Generatorwelle aufnehmen kann oder Energie aus dem Speicher einleiten kann .

3 ) Eine Hydraulikpumpe und ein Hydraulikmotor am Getriebeausgang .

4 ) Ein Federspeicher, welcher über den Druck der Hydraulikpumpe gespeist über die Federkraft Hydraulikdruck für den Antrieb des Hydraulikmotors bereit stellen kann (Entleerung) .

5 ) Einen Hydrauliköltank innerhalb oder außerhalb der Windkraftanlage .

6 ) Hydraulikleitungen mit drehbarem Anschluss an Hydraulikmotor und Hydraulikpumpe .

Die Figur 9 zeigt die Variante E ) der beschriebenen Windkraftanlage . Die Viel zahl der auf dem Markt befindlichen Windkraftanlagen haben die unterschiedlichsten Ausführungen . Der Abgriff des Drehmomentes zur Speicherung und das Einleiten des Drehmomentes zum Entleeren des Speichers in der Gondel kann deshalb nicht detaillierter dargestellt werden . An der Gondel F sit zt in einem Getriebekorb E , eine Hydraulikölpumpe Q, welche über ein Getriebe ( statt wie bisher eine Winde ) unterhalb der Gondel F angetrieben werden und ein Hydraulikölmotor R, der die Rückspeisung der gespeicherten Energie an den Generator gewährleistet . Die Hydraulikpumpe Q und der Hydraulikölmotor R können auch eine Einheit bilden oder wie ein Hydrostat ausgeführt sein .

Über Hydraulikleitungen T wird die abgegebene Arbeit der Hydraulikpumpe in Form des Hydrauliköldruckes und Volumenstromes an einen Druckspeicher X abgegeben . Der Druckspeicher ist in Form eines Federspeichers ausgeführt . Der unter Druck stehende Volumenstrom drückt gegen die Federkraft . Durch das Zusammendrücken der Federn W wird Energie als potentielle Energie der Feder W gespeichert . Die abgebildete Feder W kann sich auch aus mehreren Einzelfedern zusammenset zen . Ggf . in mehreren Lagen . Die Federn müssen nicht zylindrisch sein und können jede geeignete Form besit zen und aus jedem geeigneten Material gefertigt sein .

Über die Federkraft W als Gegenkraft steigt der Hydraulikdruck immer weiter an, bis der Speicher ganz gefüllt ist . Um den Speicher zu leeren, wird das unter Druck stehende Hydrauliköl zum Hydraulikölmotor R geleitet . Der Hydraulikölmotor R treibt über das Getriebe im Getriebekorb E den Generator in der Gondel F an und gibt die gespeicherte Energie an den Generator wieder ab . Ein Tank für das Hydrauliköl S , Hydraulikleitungen T mit drehbaren Anschlüssen an Ölpumpe Q, Öl-Motor R und Hydraulikschläuche U gewährleisten die Ölversorgung . Der Tank S und der Druckspeicher X können im Fundament verbaut sein oder ortsnah, beispielsweise direkt neben dem Mast A oder im Fundament G weiter Außen . In der Variante Fl ) einer Windkraftanlage kann deren Getriebe einen Luftkompressor mit einem kombinierten Druckluftmotor antreiben, um einen Druckluftbehälter oder einen Federspeicher zu füllen . Abgabe der gespeicherten Energie über Druckluft an den Druckluftmotor zum Generator .

Ausführung zur Variante Fl ) mit Federspeicher über Druckluft auf geladen :

1 ) Mitdrehender Getriebekorb unterhalb der Gondel und an dieser befestigt .

3 ) Ein Kompressor und ein Druckluftmotor am Getriebeausgang .

4 ) Ein Federspeicher, welcher über den Druck des Kompressors gespeist wird und die Energie in Form von Druckluft für den Antrieb des Druckluftmotors bereit stellen kann (Entleerung) .

5 ) Einen Druckluftbehälter innerhalb oder außerhalb der Windkraftanlage .

6 ) Druckluftleitungen mit drehbarem Anschluss an Kompressor und Druckluftmotor .

Die Figur 10 zeigt die Version Fl ) der beschriebenen Windkraftanlage . Die Viel zahl der auf dem Markt befindlichen Windkraftanlagen haben die unterschiedlichsten Ausführungen . Der Abgriff des Drehmomentes zur Speicherung und das Einleiten des Drehmomentes zum Entleeren des Speichers in der Gondel kann deshalb nicht detaillierter dargestellt werden . Mechanische Überschussenergie treibt über ein Getriebe im Getriebekorb E unterhalb der Gondel F einen Druckluftkompressor Y an . Über eine Druckluftleitung Z wird die Druckluft in einem Druckluftbehälter H gespeichert , welcher mit einer Druckluft füllung „vorgespannt" ist , um den Druckanstieg zu beschleunigen . Entleerung des Speichers erfolgt durch Zurückleiten zu einem Druckluftmotor Y2 . Der Druckluftmotor kann zusammen mit dem Druckluftkompressor eine Einheit bilden .

Die Variante F2 ) entspricht im Wesentlichen der Variante E ) , wobei zusät z lich das Getriebe einen Luftkompressor und/oder kombinierten Druckluftmotor antreiben kann, um einen Federspeicher zu füllen oder den hydraulische Federspeicher zu unterstüt zen . Abgabe der gespeicherten Energie über den Druckluftmotor als Druckluft oder bei Unterstützung von dem hydraulischen Federkraft Speicher auf der Federseite rein hydraulisch an den Generator .

Ausführung zur Variante F2 ) mit Druckluft Speicher zur Unterstüt zung eines hydraulischen Federspeichers :

1 ) Mitdrehender Getriebekorb unterhalb der Gondel und an dieser befestigt .

3 ) Eine Hydraulikpumpe und ein Hydraulikmotor am Getriebeausgang .

4 ) Ein Federspeicher, welcher über den Druck der Hydraulikpumpe gespeist über die Federkraft , Hydraulikdruck für den Antrieb des Hydraulikmotors bereit stellen kann (Entleerung) .

5 ) Einen Hydrauliköltank innerhalb oder außerhalb der Windkraftanlage .

6 ) Hydraulikleitungen mit drehbarem Anschluss an Hydraulikmotor und Hydraulikpumpe . 1 ) Zusät z lich ein Kompressor am Getriebeausgang .

8 ) Der Federspeicher wird auf der Federseite mit Druckluft beaufschlagt , um die mechanische Federkraft zu unterstüt zen und einen umso höheren Hydraulikdruck auf zubauen .

Die Figur 11 zeigt die Variante F2 ) der beschriebenen Windkraftanlage . Die Viel zahl der auf dem Markt befindlichen Windkraftanlagen haben die unterschiedlichsten Ausführungen . Der Abgriff des Drehmomentes zur Speicherung und das Einleiten des Drehmomentes zum Entleeren des Speichers in der Gondel kann deshalb nicht detaillierter dargestellt werden . Die hier abgebildete Variante F2 ) entspricht der Variante E ) , weshalb die schon beschriebenen Komponenten nicht noch einmal gekennzeichnet sind . Nur die neuen, ergänzenden Komponenten, welche aus der Variante Fl ) mit dem Druckluft Speicher bekannt sind . Zusät z lich zu den hydraulischen Komponenten sind ein Druckluftkompressor Y und eine Druckluftleitung Z zum Federspeicher eingebaut . Mechanische Überschussenergie treibt zusät z lich über ein weiteres Getriebe im Getriebekorb E einen Druckluftkompressor Y an .

Die Druckluft wird am Energiespeicher auf der Seite der Federn W eingeblasen, wo sie die Federkraft mit Druckluft verstärken . Entleerung des Speichers nur über Hydraulikdruck wie nach Variante E ) .

Gemäß einer Variante G) kann ein großer Federspeicher neben der Windkraftanlage oder im Fundament der Windkraftanlage plat z iert werden und über elektrische Überschussenergie und eine elektrische Hydraulikpumpe geladen werden . Abgegeben wird die Energie in Form des Hydraulikdruckes an einen Hydraulikmotor mit einem Getriebe am Generator der Windkraftanlage . Ausführung zur Variante G) mit hydraulischem Federspeicher über eine elektrische Hydraulikpumpe aufgeladen :

1 ) Mitdrehender Getriebekorb unterhalb der Gondel und an dieser befestigt .

3 ) Einen Hydraulikmotor am Getriebeausgang .

4 ) Ein hydraulischer Federspeicher, welcher durch elektrische Überschussenergie und eine elektrische Hydraulikpumpe geladen wird .

5 ) Der so erzeugte hydraulische Druck speist den Hydraulikmotor am Generator der Windkraftanlage (Entleerung) .

6 ) Einen Hydrauliköltank innerhalb oder außerhalb der Windkraftanlage .

7 ) Hydraulikleitungen mit drehbarem Anschluss an dem Hydraulikmotor .

Die Figur 12 zeigt die Variante G) eine Windkraftanlage mit einem hydraulischen Federspeicher X . Der Federspeicher X wird über eine elektrische Hydraulikpumpe V aufgeladen, welche mit Überschussenergie aus dem Verbundnet z betrieben wird . Die elektrische Hydraulikpumpe entnimmt Hydrauliköl aus dem Vorratstank und spannt damit den Federspeicher vor und füllt diesen sozusagen mit der Überschussenergie auf .

Ein Getriebe in einem Getriebekorb E unterhalb der Gondel F nimmt die gespeicherte Energie aus dem Energiespeicher in Form des Federspeichers über einen Hydraulikölmotor R auf und speist diese in den Generator in der Gondel ein, wenn Speicherenergie des Federspeichers benötigt wird . Hydraulikölleitungen T verbinden die Komponenten . Sollte die Windkraftanlage trot z guter Windverhältnisse abgeschaltet wer- den wegen zu hohen Energie-Überschüssen im Verbundnet z , kann in diesem Falle die Windkraftanlage Weiterarbeiten und die Energie für die elektrische Hydraulikpumpe liefern, bis der Speicher gefüllt ist .

Entleerung des Speichers nur über Hydraulikdruck aus dem Federspeicher und Antrieb des Generators über den Hydraulikölmotor . Auch hier ist , wie in Variante F2 ) , durch einen Druckluftkompressor Y2 ( ohne Abbildung) die Federkraft im hydraulischen Federspeicher verstärkt . Der Speichervorgang kann auch im Parallelbetrieb erfolgen, so dass die Windkraftanlage Energie in das Net z abgibt , dort sozusagen speichert , und der elektrische Federspeicher mit dieser Energie aus dem Net z zurück geladen wird . Und dann bei höherem Bedarf des Verbundnet zes wieder abgibt zum Generator .

Die Windkraftanlage gemäß der Variante H) entspricht im Wesentlichen jener der Variante A) : Das Speichergewicht hat dabei die Form eines Ringes , ist um den Mast herum gelagert , wo es sich auf und ab bewegen kann .

Ausführung zur Variante H) mit zentralem Gewichtsspeicher als Ring um den Mast angeordnet :

1 ) Mitdrehender Getriebekorb unterhalb der Gondel und an dieser befestigt und über den Mast hinausragend, um Umlenkrollen auf zunehmen .

3 ) Eine Seilwinde am Getriebeausgang, das ein Zugseil für den Flaschenzug auf- oder abrollen kann . 4 ) Ein Gewicht am Ende des Flaschenzuges hängend, das zentral um den Mast aufgehängt ist , auf und ab bewegt wird und die Energie hierdurch speichert .

Die Figur 13 zeigt die Version H) der Windkraftanlage . Die Viel zahl der auf dem Markt befindlichen Windkraftanlagen haben die unterschiedlichsten Ausführungen . Der Abgriff des Drehmomentes zur Speicherung und das Einleiten des Drehmomentes zum Entleeren des Speichers in der Gondel kann deshalb nicht detaillierter dargestellt werden . Zu sehen ist ein Mast A der Windkraftanlage , hier in zylindrischer Ausführung, auf einem Fundament B . Um den Mast herum ist , ein ringförmiges Gewicht C an drei oder mehr Zugseilen D angebracht . Das Zugseil wurde vereinfacht dargestellt und kann einem mehrstufigen Flaschenzug entsprechen . Die Winde des Seil zuges befindet sich in einem Getriebekorb E unterhalb der drehbaren Gondel F und ist an dieser befestigt .

Im Unterschied zu allen anderen Ausgestaltungen der Windkraftanlage liegt der Getriebekorb hier nicht innerhalb des Mastes , sondern ragt unterhalb der Gondel bis nach außen und beinhaltet auch mehrere Umlenkrollen für die Last in Ringform . Nach unten zum Mast hat der Getriebekorb eine drehbare Lagerung, welche die drehbare Lagerung der Gondel auf dem Mast erset zt . Die Winde wird über ein Getriebe , welches die Drehrichtung umkehren kann, direkt oder indirekt über entweder die Rotorwelle , die Antriebswelle oder die Generatorwelle angetrieben .

Soll Energie gespeichert werden, wird diese an der entsprechenden Welle abgegriffen und über das Getriebe in die Winde geleitet . Die Winde z ieht über das Zugseil das Speichergewicht nach oben . Wird Energie benötigt , wird die an den Seil zügen hängende Last herabgelassen und die dabei freiwerdende Energie über die Seilwinde und das Getriebe in den Generator in der Gondel abgegeben . Durch die Ringform sind beispielsweise Gewichte von 750 bis 3 . 500 t und mehr darzustellen, also zu realisieren . Also zur Nachrüstung geeignet oder besser in Neubauten, um den Mast an die erforderliche Traglast anzupassen . Auch hier wirkt das Gewicht im Zentrum stabilisierend, um höhere Windlasten zu ermöglichen .

Die Windkraftanlage gemäß Variante I ) ist ähnlich zu jenen der Varianten A) oder H) ausgestaltet : Das Speichergewicht besteht nun aus Akkumulatoren, welche über ein Kabel zusät z lich geladen werden können vom Generator oder aus einem zweiten kleineren windbetriebenen Generator oder aus dem Verbundnet z direkt . Entladung direkt in das Verbundnet z .

Ausführung zur Variante I ) mit Akkuspeicher als zentrales Speichergewicht :

1 ) Mitdrehender Getriebekorb unterhalb der Gondel und an dieser befestigt .

3 ) Eine Seilwinde am Getriebeausgang, die ein Zugseil für den Flaschenzug auf oder ab rollen kann .

4 ) Ein Gewichtsspeicher aus Akkumulatoren am Ende des Flaschenzuges hängend, das zentral im oder um den Mast auf und ab bewegt werden kann und Energie speichern kann .

5 ) Eine elektrische Verbindung von den Akkumulatoren zum Generator und zum Net z . Ggf . ein zweiter Generator auch für geringe Windgeschwindigkeiten . Die Figur 14 zeigt die Version I ) der beschriebenen Windkraftanlage . Die Viel zahl der auf dem Markt befindlichen Windkraftanlagen haben die unterschiedlichsten Ausführungen . Der Abgriff des Drehmomentes zur Speicherung und das Einleiten des Drehmomentes zum Entleeren des Speichers in der Gondel kann deshalb nicht detaillierter dargestellt werden . Zu sehen ist ein Mast A einer Windkraftanlage , hier in zylindrischer Ausführung, auf einem Fundament B .

Im Inneren des Mastes bewegt sich ein Gewicht aus Akkumulatoren 22 an Zugseilen D . Das Zugseil wurde vereinfacht dargestellt und kann einem mehrstufigen Flaschenzug entsprechen . Die Winde des Seil zuges befindet sich in einem Getriebekorb E unterhalb der drehbaren Gondel F und ist an dieser befestigt . Die Winde wird über ein Getriebe , welches die Drehrichtung umkehren kann, direkt oder indirekt über entweder die Rotorwelle , die Antriebswelle oder die Generatorwelle angetrieben .

Soll Energie gespeichert werden, wird diese an der entsprechenden Welle abgegriffen und über das Getriebe in die Winde geleitet . Die Winde z ieht über das Zugseil das Speichergewicht nach oben . Wird Energie benötigt , wird die an den Seil zügen hängende Last herabgelassen und die dabei freiwerdende Energie über die Seilwinde und das Getriebe in den Generator in der Gondel abgegeben . Zusät z lich können die Akkumulatoren direkt über ein Kabel mit Auf rollautomat ik im Getriebekorb vom Generator geladen werden und gegebenenfalls die Energie über beispielsweise einen Gleichrichter des Generators in das Verbundnet z eingespeist werden .

Claims

Patentansprüche Windkraftanlage (1) mit einem Mast (9) , mit einem Triebstrang (4) und mit einem mittels einer Welle mit dem Triebstrang (4) verbundenen elektrischen Generator (5) , wobei der Triebstrang (4) von Rotorblättern der Windkraftanlage (1) antreibbar ist und mechanische Energie des Triebstrangs (4) durch den Generator (5) in elektrische Energie umwandelbar und in ein elektrisches Verbundnetz einspeisbar ist, wobei der Triebstrang (4) ein Getriebe (14) aufweist, das mit einer sowohl als Arbeits- als auch Kraftmaschine arbeitenden Hebevorrichtung (6) mechanisch wirkverbun- den ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Mast (9) ein feststehendes Fußsegment (10) und mindestens ein Hebesegment (12) aufweist, das mittels der Hebevorrichtung (6) relativ zu dem Fußsegment (10) entlang einer Hubachse vertikal verlagerbar ist, sodass die mechanische Energie des Triebstrangs (4) in Form von potentieller Energie des mindestens einen Hebesegments (12) gespeichert oder die potentielle Energie des mindestens einen Hebesegments (12) abgegeben werden kann. Windkraftanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Hebesegment (12) mittels der Hebevorrichtung (6) mit dem Fußsegment (10) fluchtend und insbesondere teleskopartig darin entlang der Hubachse vertikal verlagerbar ist. Windkraftanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Fußsegment (10) mindestens drei Hubschienen (11) festgelegt sind, wobei das Hebesegment (12) mittels der Hebevorrichtung (6) entlang der mindestens drei Hubschienen (11) und entlang der Hubachse vertikal verlagerbar ist. Windkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Windkraftanlage (1) eine die Hebevorrichtung (6) ansteuerbare Steuereinrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist, die Verlagerung des Hebesegments (12) durch die Hebevorrichtung (6) nach einer Steuervorgabe vorzunehmen. Windkraftanlage (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Windkraftanlage (1) mindestens eine Sensoreinheit zum Erfassen von mindestens einer Messgröße aufweist, wobei die Sensoreinheit mit der Steuereinrichtung signaltechnisch wirkverbunden ist. Windkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hebevorrichtung (6) mindestens eine Seilwindeeinheit (21) aufweist, die mittels mindestens eines Seils (13) und mindestens einer Umlenkrolle (24) mit dem Hebesegment (12) und dem Fußsegment (10) verbunden ist, sodass die Seil- windeneinheit (21) das Hebesegment (12) entlang der Hubachse vertikal verlagern, insbesondere anheben cider absenken kann. Windkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hebevorrichtung (6) mindestens eine Pumpeneinheit (16) und mindestens eine Fluidspeichereinheit (17) mit einem Fluid aufweist, die mit der Pumpeneinheit (16) fluidtechnisch verbunden ist, wobei die Pumpeneinheit (16) dazu ausgebildet ist, einen Hubdruck des Fluids bereitzustellen, mit dem mindestens ein Hydraulik- oder Pneumatik-Aktor (16, 23) das Hebesegment (12) entlang der Hubachse vertikal verlagern, insbesondere anheben oder absenken kann. Windkraftanlage (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hebevorrichtung (6) mindestens einen Hydraulikzylinder (15) aufweist, der mit der Fluidspeichereinheit (17) fluidtechnisch verbunden ist und der mittels mindestens eines Seils (13) und mindestens einer Umlenkrolle (24) mit dem Hebesegment (12) und dem Fußsegment (10) verbunden ist, sodass der Hydraulikzylinder (15) das Hebesegment (12) entlang der Hubachse vertikal verlagern, insbesondere anheben oder absenken kann. Windkraftanlage (1) nach Anspruch 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an den mindestens drei Hubschienen (11) mindestens ein Hydraulikmotor (23) angeordnet ist, der dazu ausgestaltet ist, das Hebesegment (12) entlang der Hubschienen (11) und der Hubachse vertikal zu verlagern, insbesondere anzuheben oder abzusenken . Windkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hebevorrichtung (6) mindestens einen hydraulisch oder pneumatisch betriebenen Federspeicher (X, W) aufweist, der dazu ausgebildet ist, den Hubdruck in Form einer Hubkraft bereitzustellen, mit der das Hebesegment (12) entlang der Hubachse vertikal verlagert, insbesondere angehoben oder abgesenkt werden kann. Windkraftanlage (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Hebesegment (12) mindestens ein zusätzliches Speichergewicht (19) aufweist, das mittels der Hebevorrichtung (6) vertikal verlagerbar, insbesondere anhebbar und absenkbar ist, um mechanische Energie des Triebstrangs (4) in Form von potentieller Energie des mindestens einen Speichergewichts (19) zu speichern oder potentielle Energie des mindestens einen Speichergewichts (19) abzugeben. Windkraftanlage (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichergewicht (19) einen elektrischen Energiespeicher (Z2) aufweist. Verfahren zum Speichern von Windenergie in Form von potentieller Energie in einer Windkraftanlage (1) , wobei die Windkraftanlage (1) einen Mast (9) , einen Triebstrang (4) und einen mittels einer Welle mit dem Triebstrang (4) verbundenen elektrischen Generator (5) aufweist, wobei Windenergie mittels des Triebstrangs (4) und des Generators (5) in elektrische Energie umwandelbar und in ein elektrisches Verbundnetz einspeisbar ist, wobei mindestens ein Teil der mechanischen Energie des Triebstrangs (4) mittels eines dem Triebstrang (4) zugeordneten Getriebes (14) einer Hebevorrichtung (6) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Hebesegment (12) des Mastes (9) der Windkraftanlage (1) mittels der Hebevorrichtung (6) relativ zu einem feststehenden Fußsegment (10) des Mastes (9) der Windkraftanlage (1) entlang einer Hubachse vertikal verlagert wird, sodass die mechanische Energie des Triebstrangs (4) in Form von potentieller Energie des mindestens einen Hebesegments (12) gespeichert oder die potentielle Energie des mindestens einen Hebesegments (12) abgegeben werden kann. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Hebevorrichtung (6) hydraulische oder pneumatische Aktoren (15, 16, 23) und Speicher (17) verwendet, um das Hebesegment (12) entlang der Hubachse zu verlagern, insbesondere anzuheben oder abzusenken. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Hebevorrichtung (6) von einer Steuereinrichtung angesteuert wird, wobei eine Verlagerung des Hebesegments (12) durch die Hebevorrichtung (6) nach einer Steuervorgabe der Steuereinrichtung erfolgt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Windkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 das Verfahren ausführt.