DE102008015814A1

DE102008015814A1 - Windradanlage zur Energieerzeugung

Info

Publication number: DE102008015814A1
Application number: DE102008015814A
Authority: DE
Inventors: Herbert Radermacher
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-03-27
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2009-10-01
Anticipated expiration: 2028-03-28
Also published as: WO2009118138A3; WO2009118138A2; DE102008015814B4

Abstract

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

Description

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

- DE 10130310 A1 [0002]

Claims

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