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Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Windkraftanlagen wandeln die kinetische Energie des Windes in elektrische Energie um. Zur Umsetzung der kinetischen Energie des Windes werden Rotoren mit Rotorblättern verwendet, auf die die Bewegungsenergie der Windströmung wirkt, und der Rotor so in eine Drehbewegung versetzt wird. Der Rotor gibt die Rotationsenergie an einen Generator weiter, wo die Rotationsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird.
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Im Wesentlichen sind zwei Bauformen bekannt, die Windkraftanlage mit horizontaler Rotationsachse der Rotoren und die Windkraftanlage mit vertikaler Rotationsachse der Rotoren.
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Die Windkraftanlagen mit horizontaler Rotationsachse der Rotoren verwenden Rotorblätter, die ein aerodynamisches Profil aufweisen, das ähnlich wie bei Flugzeugen durch einen Druckunterschied, der aus einem Geschwindigkeitsunterschied zwischen Saug- und Druckseite des Flügels verursacht ist, einen Auftrieb erzeugt. Dieser Auftrieb wird in ein Drehmoment und in Drehzahl zum Antrieb des Generators umgesetzt. Entsprechende Rotorblätter werden als Auftriebsläufer bezeichnet.
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Neben den Auftriebsläufern sind Widerstandsläufer bekannt, bei denen zum Antrieb die Luftwiderstandskraft genutzt wird, der das Rotorblatt ausgesetzt ist. Die Kraft wirkt in Richtung der Anströmung und nicht senkrecht zur Anströmung, wie die bei Auftriebsläufern genutzte Auftriebskraft.
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Zwar werden zur Stromerzeugung überwiegend Windkraftanlagen mit horizontaler Rotationsachse verwendet, jedoch weisen diese Nachteile auf. Beispielsweise müssen Windkraftanlagen mit horizontaler Rotorachse zur Windrichtung nachgeführt werden.
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Die Nachführung zur Windrichtung entfällt bei einer Windkraftanlage mit vertikaler Rotationsachse der Rotoren. Ferner kann der Generator am Boden befindlich sein und die Umwandlung in elektrische Energie an der „unten” (am Boden) gelagerten Rotorwelle erzeugt werden, welches die Konstruktion vereinfacht sowie den Betrieb sicherer macht. Die auf die Rotoren wirkende Schwerkraft lastet gleichmäßig auf diesen, so dass die bei Windkraftanlagen mit horizontaler Rotationsachse auftretenden Schwingungen, welche starke Belastungen des Materials bewirken, vermieden werden. Ferner ist die Lärmemission bei Windkraftanlagen mit vertikaler Rotationsachse geringer.
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Aus
DE 32 24 976 A1 sind Windenergiekonverter im Offshore-Bereich bekannt. Die Windenergiekonverter weisen modulartige Plattformsegmente auf, auf denen jeweils ein Rotor mit vertikaler Rotationsachse angebracht ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Windkraftanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, mit der ein erhöhter Wirkungsgrad erreichbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Hierdurch wird eine Windkraftanlage geschaffen, die mehrere um eine vertikale Achse drehbar gehalterte Windrotoren aufweist. Als Halterung sind ein zentraler Mast und bodenseitige Tragelemente vorhanden. Ferner ist zur Halterung kopfseitig des Mastes eine Tragarmstruktur angeordnet. Über die Halterung sind die Windrotoren angelenkt. Die bodenseitigen Tragelemente und die kopfseitige Tragarmstruktur bilden zusammen mit dem zentralen Mast eine Trag- und Stützstruktur, an der die Windrotoren gelagert sind. Der Mast bildet ein Speicherelement für die von den Windrotoren erzeugte Energie. Hierdurch wird ein erhöhter Gesamtwirkungsgrad erreicht, da die Wartungsintervalle sowie die Lebensdauer der Windkraftanlage infolge der kopf- und bodenseitigen Lagerung der Windrotoren erhöht wird. Am „unteren” Ende wird der Windrotor „getragen” und am „oberen” Ende „gestützt”. Die Windrotoren laufen auch bei hohen Drehzahlen ruhig. Die Schwerkraft wirkt gleichmäßig auf die Windrotoren, und es kommt zu keinen unerwünschten Schwingungen, die den Lauf der Windrotoren beeinträchtigen und zu einem erhöhten Verschleiß führen. Zusätzlich wird zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrads ein Energiepuffer bzw. ein Energiedepot in Form des Speicherelements in dem zentralen Mast bereitgestellt, so dass die kinetische Energie des Windes unabhängig von der Last von Übertragungsleitungen der elektrischen Energie und/oder des Bedarfs in eine speicherbare Energieform umgewandelt wird. Die im Speicherelement gespeicherte Energie kann später zu einem frei wählbaren Zeitpunkt unabhängig von Windbedingungen, beispielsweise wenn die kinetische Energie des Windes nicht ausreicht, elektrische Energie zu erzeugen, nutzbar gemacht werden. Die witterungs- und tageszeitabhängige Erzeugung von elektrischer Energie durch Windenergie wird durch den Energiepuffer bedarfsorientiert „angepasst”, was den Gesamtwirkungsgrad der Windkraftanlage weiter erhöht, und es können durch die Nutzung des zentralen Mastes zur Energiespeicherung schon vorhandene Bauteile verwendet werden. Auf gleicher Grundfläche können so mehrere Windkraftanlagen benachbart zueinander errichtet werden zur weiteren Erhöhung des Gesamtwirkungsgrads.
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Vorzugsweise ist das Speicherelement als Akkumulator für einen besonders einfachen Aufbau ausgestaltet. Mit einem kompakten Akkumulator ist eine besonders hohe Energiekapazität speicherbar bei kleinen Abmessungen.
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Vorzugsweise weist das Speicherelement einen Druckspeicher in einem Hohlraum des zentralen Mastes auf. Hierdurch werden die Abmessungen der Windkraftanlage bei verbessertem Gesamtwirkungsgrad nicht erhöht und vorhandenes Volumen ausgenutzt. Der zentrale Mast kann als Druckspeicher verwendet werden, da durch die Halterung, die eine Trag- und Stützstruktur bildet, die Windrotoren auch bei hohen Drehzahlen ruhig laufen und keine wesentlichen Schwingungen ungleichmäßig auf den zentralen Mast übertragen werden.
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Vorzugsweise ist der Energiespeicher als Druckluftspeicher mit einem hochverdichtbaren Gasvolumen in dem Hohlraum des zentralen Mastes ausgestaltet, wodurch eine leistungsfähige und doch einfache Art der Energiespeicherung möglich ist. Die durch die Windkraftanlage über den Generator erzeugte elektrische Energie wird einem Kompressor zugeführt, der ein Gasvolumen, beispielsweise Luft, im Hohlraum des zentralen Mastes komprimiert. Um die gespeicherte Energie „wieder zu entnehmen”, wird die komprimierte Luft einer Gasturbine zugeführt, die ihre Leistung an einen angekuppelten Generator abgibt.
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Vorzugsweise kann zur Steigerung der speicherbaren Energiekapazität der Hohlraum ein Flüssigkeitsvolumen und ein über dem Flüssigkeitsvolumen befindliches hochverdichtbares Gasvolumen aufweisen. Um die gespeicherte Energie nutzbar zu machen, kann ein Hydraulik-Motor verwendet werden, wobei als Flüssigkeit Wasser möglich ist. Sofern die Windkraftanlage im Offshore-Bereich errichtet wird, kann Meer- bzw. Salzwasser verwendet werden. Es ist eine Speichermöglichkeit des kompressiblen Gasvolumens mit den Vorteilen eines hydromechanischen Antriebs kombinierbar durch einen Druckaustausch in einem Hohlraum des zentralen Mastes. Das Gasvolumen kann hochverdichtet werden, wobei das Flüssigkeitsvolumen mindestens dem Bedarf des Hydraulikmotors zum Antrieb des Generators während der Entnahme der Energie aus dem Speicherelement entspricht. Der Druck im Flüssigkeitskreislauf entspricht dem Druck des Gasvolumens, welcher über den Betrieb des Generators während der Entnahme der Energie aus dem Speicherelement abgebaut wird. Während der Entnahme wird die Flüssigkeit aus dem Hohlraum zur Stromerzeugung durch den Hydraulikmotor entnommen. Das Gasvolumen steigt und der Druck sinkt, wobei der Überdruck aus der Speicherung so hoch sein muss, dass am Ende der Entnahme der Energie der Druck des Gases noch über dem Betriebsdruck des Generatorantriebs liegt. Nach der Entnahme der Energie aus dem Speicherelement wird das Flüssigkeitsvolumen im Hohlraum wieder aufgefüllt gegen den vorhandenen Druck des Gasvolumens.
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Vorzugsweise weisen die Windrotoren Rotorblätter vom Darrieus-Typ, insbesondere vom Canstein-Typ, auf. Hierdurch wird der Gesamtwirkungsgrad weiter erhöht.
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Vorzugsweise sind die Windrotoren winkeläquidistant um den zentralen Mast mit einer Entfernung der Mittelpunkte der Windrotoren zum zentralen Mast, die kleiner als das 1,5fache des Rotordurchmessers, insbesondere das 1,3fache des Rotordurchmessers, besonders bevorzugt das 1,1fache des Rotordurchmessers, angeordnet, um den gesteigerten Gesamtwirkungsgrad bei einer geringen Grundfläche der Windkraftanlage im besten Grundflächen-/Nutzverhältnis zu erzielen.
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Vorzugsweise weist die Trag- und Stützstruktur zur drehbaren Lagerung des unteren Endes eines jeden Windrotors bzw. der Welle des Windrotors ein Axial-Pendelrollenlager am bodenseitigen Tragelement zum Tragen des Windrotors und zur drehbaren Lagerung des oberen Endes eines jeden Windrotors bzw. der Welle des Windrotors ein Pendelkugellager an der kopfseitigen Tragarmstruktur zum Stützen des Windrotors auf. Hierdurch werden die auftretenden Belastungen des „Tragens” und „Stützens” des Windrotors durch die Trag- und Stützstruktur besonders berücksichtigt. Bei Axial-Pendelrollenlagern werden die Belastungen schräg zur Lagerachse von einer Laufbahn auf die andere übertragen. Bei gleichzeitig wirkenden Axialbelastungen können sie daher auch Radialbelastungen aufnehmen. Axial-Pendelrollenlager weisen eine Winkelbeweglichkeit auf und sind unempfindlich gegenüber Durchbiegungen der Welle des Windrotors bzw. Fluchtungsfehlern der Welle des Windrotors gegenüber dem Gehäuse des Lagers. Axial-Pendelrollenlager weisen eine große Anzahl asymmetrischer Rollen und eine optimierte Schmierung zwischen den Laufbahnen und den Rollen auf. Höchste Axialbelastungen können aufgenommen werden, und es wird gleichzeitig eine relativ hohe Drehzahl zugelassen. Pendelkugellager haben zwei Kugelreihen mit einer gemeinsamen hohlkugeligen Laufbahn im Außenring. Pendelkugellager sind winkelbeweglich und unempfindlich gegenüber Schiefstellungen der Welle des Windrotors zum Gehäuse des Lagers.
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Vorzugsweise ist ein mit Flüssigkeit bzw. Fluid betreibbarer Wärmetauscher zum Kühlen des Speicherelements vorhanden, der mit Meerwasser befüllbar ist. Der Gesamtwirkungsgrad einer derartigen im Offshore-Bereich betriebenen Windkraftanlage ist erhöht, da das dort vorhandene Meerwasser verwendet werden kann, um für eine Kühlung des Speicherelements zu sorgen und auch durch die Erwärmung des Meerwassers eine Speicherung von Energie durch das erwärmte Wasser durchzuführen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand des in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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1 zeigt schematisch eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage; und
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2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf die Windkraftanlage gemäß 1.
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In 1 und 2 ist schematisch eine erfindungsgemäße Windkraftanlage in Seitenansicht bzw. Draufsicht wiedergegeben.
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Die Windkraftanlage weist drei Windrotoren 1 auf, die jeweils um eine vertikale Achse drehbar gelagert bzw. gehaltert sind. Die Halterung weist einen zentralen Mast 2, bodenseitige Tragelemente 3a und eine kopfseitige Tragarmstruktur 3b auf. Ein bodenseitiges Tragelement 3a ist für jeden Windrotor 1 vorhanden. Die kopfseitige Tragarmstruktur 3b ist als einteiliger dreiarmiger Tragarm ausgeführt, wobei die Verbindungslinien der Enden der drei Arme der Tragarmstruktur 3b ein gleichseitiges Dreieck bilden.
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Für den Fall von 4 oder mehr Windrotoren 1 bildet die kopfseitige Tragarmstruktur 3b ein der Anzahl der Windrotoren 1 entsprechendes Polygon mit n gleichen Seiten, wobei n die Anzahl der Windrotoren 1 angibt.
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Vorzugsweise sind die bodenseitigen Tragelemente 3a an Maschinenhäusern 4 vorgesehen für einen Abgriff der Welle der Windrotoren 1 bodenseitig des Mastes 2. Die Vertikallast des Windrotors 1 wird somit direkt in die Tragstruktur der Maschinenhäuser 4 in das Fundament geleitet. Die bodenseitige Abstützung wird somit mit einem bodenseitigen Abgriff an der Welle 5 der Windrotoren 1 kombiniert.
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Wie in 1 dargestellt, kann eine Verstärkungsstruktur 7 zum Ableiten der Vertikallast in das Fundament bzw. den Tragbereich des Maschinenhauses 4, d. h. den Bereich, auf dem das Maschinenhaus 4 errichtet ist, vorgesehen sein.
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Beispielsweise im Offshore-Bereich können die Tragelemente 3a auch am Fundament des Mastes 2 abgestützt sein.
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Die bodenseitigen Tragelemente 3a können auch als dreiarmige Tragarmstruktur ausgebildet sein wie die kopfseitige Tragarmstruktur 3b. Durch den zentralen Mast 2, die kopfseitige Tragarmstruktur 3b sowie die bodenseitigen Tragelemente 3a wird eine Trag- und Stützstruktur zur Anlenkung der Windrotoren 1 gebildet.
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Der kopfseitige Tragarm 3b ist statisch an dem zentralen Mast 2 befestigt. Die bodenseitigen Tragelemente 3a sind statisch zum zentralen Mast 2 bzw. können statisch an diesem befestigt sein.
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Die Windrotoren 1 werden an der Trag- und Stützstruktur gehaltert. Am oberen und am unteren Ende der Windrotoren 1 ist mit der Trag- und Stützstruktur eine Lagerung für die Welle 5 jedes Windrotors 1 vorgesehen.
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Der zentrale Mast 2 bildet ein Speicherelement für die von den Windrotoren 1 erzeugte Energie.
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Das Speicherelement kann beispielsweise als Akkumulator oder Druckspeicher ausgestaltet sein. Sofern das Speicherelement als Druckluftspeicher ausgestaltet ist, ist ein Hohlraum in dem zentralen Mast 2 vorhanden, der mit einem hochverdichtbaren Gasvolumen, insbesondere Luft, beschickbar bzw. befüllbar ist.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass das Speicherelement durch einen Hohlraum in dem zentralen Mast 2 mit einem Flüssigkeitsvolumen und einem über dem Flüssigkeitsvolumen befindlichen hochverdichtbaren Gasvolumen gebildet ist.
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Jeder der Windrotoren 1 weist drei Rotorblätter 6 vom H-Darrieus-Typ, insbesondere vom Canstein-Typ, auf.
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Die Windrotoren 1 sind winkeläquidistant um den zentralen Mast 2 mit einer Entfernung der Mittelpunkte der Windrotoren 1 zum zentralen Mast 2, die kleiner als das 1,5fache des Rotordurchmessers, insbesondere kleiner als das 1,3fache des Rotordurchmessers, besonders bevorzugt kleiner als das 1,1fache des Rotordurchmessers ist, um den zentralen Mast 2 angeordnet.
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Die bodenseitigen Tragelemente 3a weisen zur drehbaren Lagerung des Windrotors 1 ein Axial-Pendelrollenlager zum Tragen des Windrotors 1 auf, das das bodenseitige Ende der Welle 5 des Windrotors 1 aufnimmt. Die kopfseitige Tragarmstruktur 3b weist zur drehbaren Lagerung des Windrotors 1 ein Pendelkugellager zum Stützen des Windrotors 1 auf, das das kopfseitige Ende der Welle 5 des Windrotors 1 aufnimmt.
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Die Windrotoren 1 sind in ihrer Länge segmentiert, und zwischen den Segmenten 1a und 1b ist eine weitere Tragarmstruktur 3', die dreiarmig wie die kopfseitige Tragarmstruktur 3b ausgebildet sein kann und am zentralen Mast 2 befestigt ist, für die Windrotoren 1 zur Abstützung zwischen den bodenseitigen Tragelementen 3a und der kopfseitigen Tragarmstruktur 3b vorhanden. Die Welle 5 der segmentierten Windrotoren kann einstückig zwischen den bodenseitigen Tragelementen 3a und der kopfseitigen Tragarmstruktur 3b ausgebildet sein; die Welle 5 kann aber auch segmentiert in der Länge der Windrotoren 1 ausgebildet sein mit einem Verbindungselement zwischen den Segmenten, das eine Verdrehsicherung zwischen den Segmenten sicherstellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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