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Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Windkraftanlagen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Typischerweise weist eine solche Windkraftanlage einen vom Wind angetriebenen Rotor auf, welcher um eine Rotorachse rotiert. Um eine Regelbarkeit der Windkraftanlage zu gewährleisten, sind die Rotorblätter, welche in einer zentralen Rotornabe zusammenlaufen, verstellbar ausgebildet. Sie können also um ihre Längsachse, welche typischerweise senkrecht auf der Rotorachse steht, gedreht werden, um das Profil der einzelnen Rotorblätter den benötigten Leistungsverhältnissen und/oder den vorhandenen Windgeschwindigkeiten anpassen zu können. Hierfür sind im Bereich der Rotornabe mit dem Rotor umlaufende Stelleinrichtungen bekannt, welche mit Stellenergie versorgt werden müssen, um die Rotorblätter verstellen zu können. Die Stelleinrichtungen sind meist hydraulisch oder elektromotorisch ausgebildet. Somit ist eine Zuführung von elektrischer Leistung oder einem unter Druck stehenden hydraulischen Arbeitsmedium in den Bereich der Rotornabe notwendig. Um dies realisieren zu können, ist typischerweise ein zentrales Rohr als Zuleitung für die Stellenergie beziehungsweise die die Stellenergie transportierenden Leitungselemente um die Rotorachse angeordnet und ragt in den Rotor. Typischerweise ist dieses Rohr drehfest mit dem Rotor verbunden und wird durch ein in Leistungsrichtung nach dem Rotor angeordnetes Getriebe geführt. Über Drehdurchführungen wird die Stellenenergie dann von einem feststehenden Aufbau in den Bereich der Rohrleitung geführt und gelangt von dort zu den Stelleinrichtungen in der Rotornabe. Der Aufbau macht es notwendig, dass das Getriebe so ausgebildet ist, dass über eine Stirnradstufe oder dergleichen ein Versatz der Antriebswellen erfolgt, da aufgrund des zentral um die Rotorachse geführten Rohrs und seine Durchführung durch das Getriebe keine leistungsübertragenden Bauteile in dessen Bereich möglich sind. Über eine solche Stirnradstufe wird also die Hauptachse des Getriebes typischerweise parallel zur Rotorachse versetzt, um so die Zufuhr von Stellenergie zu den Stelleinrichtungen für die Rotorblätter gewährleisten zu können. Dies ist entsprechend aufwändig und erhöht den benötigten Bauraum im Bereich einer den Rotor tragenden Kanzel der Windkraftanlage.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, diese Nachteile zu vermeiden und einen kompakten Aufbau für eine Windkraftanlage anzugeben, welcher eine koaxiale Anordnung aller wesentlichen Teile des Getriebes zur Rotorachse ermöglicht und weiterhin kleine Umfangsgeschwindigkeiten in der Drehdurchführung zulässt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Windkraftanlage mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich dabei aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Bei der erfindungsgemäßen Windkraftanlage ist es vorgesehen, dass das Getriebe wenigstens eine Planetenstufe mit einem feststehenden Planetenträger umfasst, und dass die Zuleitungen für Stellenergie durch den feststehenden Planetenträger und einen zentral um die Rotorachse angeordneten Zufuhrkanal verlaufen. Die Verwendung wenigstens eines Planetensatzes in dem Getriebe, bei welchem der Planetenträger feststeht, sich also nicht um die Rotorachse dreht, ermöglicht einen koaxialen Aufbau des Getriebes um die Rotorachse und erlaubt dennoch eine Durchführung von Zuleitungen für Stellenergie aus einem nicht rotierenden Bereich durch den feststehenden Planetenträger und einem mit diesem verbundenen zentralen Zufuhrkanal in die Rotornabe. Die Anordnung kommt so ohne einen Versatz der Antriebswellen aus und kann mit minimalem Aufwand hinsichtlich des Bauraums realisiert werden.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Windkraftanlage ist es dabei vorgesehen, dass der Zufuhrkanal feststehend ausgebildet ist. Ein solcher direkt mit dem feststehenden Planetenträger verbundener Zuführkanal, welcher in einer hohlen Abtriebswelle des Rotors verläuft, ist hinsichtlich der Zufuhr von Stellenergie in die Rotornabe ideal. Über den feststehenden Planetenträger und den Zufuhrkanal kann die Energie dann direkt oder über darin verlaufende Leitungen in den Bereich der Rotornabe geführt werden.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung hiervon ist es ferner vorgesehen, dass eine Drehdurchführung zur Weitergabe der Stellenergie aus dem Bereich des Zufuhrkanals zu mit dem Rotor umlaufenden Stelleinrichtungen für die Rotorblätter im Bereich der Rotornabe angeordnet sind. Solche Drehdurchführungen im Bereich der Rotornabe sind besonders einfach und effizient zu realisieren, da die Rotornabe mit einer vergleichsweise geringen Drehzahl umläuft und Drehdurchführungen in ihrem Bereich daher entsprechend leicht und verschleißarm zu realisieren sind. Außerdem liegen die Drehdurchführungen, welche gegebenenfalls gewartet werden müssen, unmittelbar in der Rotornabe und damit im selben Bereich wie die Stelleinrichtungen. Eine Wartung kann daher leicht und einfach gemeinsam mit der der Stelleinrichtungen erfolgen. Die anderen Bereiche des Zufuhrkanals, welche in einer Hohlwelle und im Inneren des Getriebes verlaufen, müssen dann zu Wartungszwecken nicht zugänglich sein. Hierdurch können Demontagearbeiten am Getriebe, im Falle einer Wartung, reduziert werden.
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In einer weiteren günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Windkraftanlage kann es ferner vorgesehen sein, dass zwischen dem Rotor und der wenigstens einen Planetenstufe wenigstens eine weitere Getriebestufe koaxial auf der Rotorachse angeordnet ist. Eine solche weitere optionale Getriebestufe, welche insbesondere wiederum als Planetenstufe ausgebildet sein kann, ermöglicht eine entsprechende Umsetzung der geringen Rotordrehzahl in die benötigte vergleichsweise hohe Drehzahl einer Abtriebswelle des Getriebes, welche zumindest mittelbar einen Generator antreibt. Durch die Aufteilung auf mehrere Getriebestufen wird die Belastung der einzelnen Getriebestufen reduziert und die Größe der benötigten Übersetzungen wird verringert.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Windkraftanlage kann es außerdem vorgesehen sein, dass zwischen dem Getriebe und dem Generator ein drehzahlregelbares Getriebe mit wenigstens einem hydrodynamischen Kreislauf zur Drehzahlregelung angeordnet ist. In einer vorteilhaften Weiterbildung hiervon kann dieses drehzahlregelbare Getriebe insbesondere koaxial zur Rotorachse ausgebildet sein. Solche drehzahlgeregelten Getriebe sind im Bereich der Windkraft bereits seit längerem bekannt und werden insbesondere durch die deutsche Patentschrift
DE 103 14 757 B3 näher beschrieben. Ihre Funktionalität ist im Wesentlichen die, dass die variable Eingangsdrehzahl, welche durch die fluktuierende Windenergie über den Rotor geliefert wird, in eine konstante Ausgangsdrehzahl für den Generator umgewandelt wird. Dadurch kann als Generator, welcher mit diesem drehzahlgeregelten Getriebe unmittelbar gekoppelt wird, eine direkt mit dem Stromnetz verbundene Synchronmaschine eingesetzt werden. Auf aufwändige elektrische Umrichter und dergleichen kann bei diesem besonders bevorzugten Aufbau verzichtet werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Windkraftanlage ergeben sich aus den restlichen abhängigen Patentansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
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Dabei zeigen:
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1 einen für die Erfindung relevanten Ausschnitt aus einer Windkraftanlage in einer ersten möglichen Ausführungsform;
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2 ein der Darstellung in 1 entsprechender Ausschnitt in einer zweiten möglichen Ausführungsform;
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3 ein der Darstellung in 1 entsprechender Ausschnitt in einer dritten möglichen Ausführungsform; und
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4 eine Prinzipdarstellung einer möglichen Anbindung eines Generators an eine Windkraftanlage gemäß der Erfindung.
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In der Darstellung der 1 ist ein zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung relevanter Ausschnitt aus einer Windkraftanlage 1 zu erkennen. Der Ausschnitt besteht im Wesentlichen aus einem Rotor 2, welcher um eine Rotorachse 3 rotiert. Der Rotor 2 besteht aus mehreren Rotorblättern 4, von welchen hier nur eines in einem Ausschnitt prinzipmäßig angedeutet ist. Die Rotorblätter 4 laufen in einer zentralen Rotornabe 5 zusammen. Die Rotorblätter 4 sind um ihre eigene Längsachse 6, welche häufig, aber nicht notwendigerweise, senkrecht auf der Rotationsachse 3 steht, verstellbar, wie es durch den mit 7 bezeichneten Pfeil prinzipmäßig angedeutet ist. Die Verstellung der Rotorblätter 4 ist dabei aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie erfolgt typischerweise vom Inneren der Radnabe 5 aus über Stelleinrichtungen 8, welche hier lediglich als Box angedeutet sind. Der Aufbau dieser Stelleinrichtungen 8 ist jedoch aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt.
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Zum Antrieb der Stelleinrichtungen 8 muss Stellenergie in den Bereich der Rotornabe 5 zugeführt werden. Dies erfolgt in dem hier dargestellten Aufbau durch einen feststehenden zentralen Zufuhrkanal 9, welcher um die Rotorachse 3 und damit die Rotationsachse des Rotors 2 angeordnet ist. Über mit dem Bezugszeichen 10 versehene Drehdurchführungen an dem rotornabenseitigen Ende des Zufuhrkanals 9 wird diese Stellenergie zu den Stelleinrichtungen 8 geführt. Die Drehdurchführungen 10 drehen sich dabei gemeinsam mit den Stelleinrichtungen 8 und der Rotornabe 5 um den Zufuhrkanal 9. Die Drehdurchführungen 10 können dabei, wie dargestellt, aussen um den Zufuhrkanal 9 angeordnet sein, oder auch als sogenannter Innenläufer im Inneren des Zufuhrkanals 9 realisiert werden. Die Stelleinrichtungen 8 können sowohl als hydraulische Stelleinrichtungen als auch als elektrische Stelleinrichtungen ausgebildet sein. Je nachdem, ob elektrische Energie oder Druckenergie zur Betätigung der Stelleinrichtungen 8 benötigt wird, wird über den Zufuhrkanal 9, gegebenenfalls in darin verlaufenden Leitungselementen, elektrische Leistung oder Öldruck zugeführt.
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Die beim Umlaufen des Rotors 2 anfallende Leistung wird über eine als Hohlwelle ausgebildete Abtriebswelle 11 des Rotors 2 in den Bereich eines Getriebes 12 abgegeben. Der Zufuhrkanal 9 kann beispielsweise in der Antriebswelle 11 beziehungsweise Antriebswelle 11 auf dem Zufuhrkanal 9 gelagert sein. In dem Getriebe 12 wird die vergleichsweise geringe Drehzahl des Rotors 2 dann typischerweise in eine höhere Drehzahl übersetzt.
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In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Getriebe 12 dabei so aufgebaut, dass es wenigstens eine Planetenstufe 13 aufweist. Diese Planetenstufe 13 ist so ausgebildet, dass ein Hohlrad 14 mit der Abtriebswelle 11 des Rotors 2 drehfest verbunden ist. Über Planetenräder 15, von welchen hier nur eins zu erkennen ist, wird die Leistung dann auf ein Sonnenrad 16 übertragen. Dieses Sonnenrad 16 steht wiederum mit einer Abtriebswelle 17 des Getriebes 12 in unmittelbarer Verbindung. Ein genau umgekehrter Aufbau der Planetenstufe 13 wäre ebenso denkbar. Die Planetenräder 15 sind in einem Planetenträger beziehungsweise Planetenradträger 18 gehalten. Die Besonderheit besteht nun darin, dass dieser Planetenradträger 18 drehfest ausgeführt ist. Er steht also gegenüber beispielsweise einer Kanzel der Windkraftanlage 1 fest und läuft nicht mit um. Dieser feststehende und nicht rotierende Planetenträger 18 ist auf seiner dem Rotor 2 zugewandten Seite mit dem einen Ende des Zufuhrkanals 9 fest verbunden und weist seinerseits eine Durchführung 19 für die Zuleitungen der Stellenergie auf. Diese Zuleitung 19 steht mit dem Inneren des Zufuhrkanals 9 in Verbindung. Dadurch, dass der Planetenträger 18 feststehend ausgebildet ist, kann ein Anschluss der Durchführung 19 an eine feststehende Einrichtung zur Bereitstellung der benötigten Stellenergie, beispielsweise eine elektrische Energieeinrichtung oder eine hydraulischen Druck bereitstellende Pumpe, einfach und effizient erfolgen, ohne dass drehende Teile des Getriebes 12 hierdurch beeinträchtigt sind. Das Getriebe 12 kann somit koaxial um die Rotorachse 3 auf der Rotorachse 3 angeordnet werden. Alles in allem entsteht dabei ein Aufbau, welcher jeglichen Achsversatz vermeidet und insgesamt koaxial realisiert werden kann. Der Aufbau lässt sich so entsprechend kompakt und effizient realisieren.
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Neben dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind selbstverständlich Varianten denkbar. In der Darstellung der 2 ist beispielsweise eine Variante zu erkennen, welche im Wesentlichen genau so aufgebaut ist, wie die in der Darstellung der 1 beschriebene Windkraftanlage 1. Der einzige Unterschied besteht darin, dass eine zusätzliche Getriebestufe 20 zwischen dem Rotor 2 und dem Planetensatz 13 mit dem feststehenden Planetenträger 18 angeordnet ist. In der Darstellung der 2 ist diese Getriebestufe 20 mit einer strichzweipunktierten Linie umrandet. Sie ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als Planetenstufe mit einem feststehenden Hohlrad 21 ausgebildet. Die Planetenräder 22 laufen mit der Abtriebswelle 11 des Rotors 2 um. Über ein Sonnenrad 23 ist dann das Hohlrad 14 des Planetensatzes 13 angetrieben. Der in 2 beschriebene Aufbau unterscheidet sich ansonsten von dem in 1 beschriebenen Aufbau lediglich durch einen länger ausgeführten Zufuhrkanal 9, welcher zusätzlich durch die optionale Getriebestufe 20 verläuft.
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Eine weitere mögliche Ausführungsform ist in der Darstellung der 3 zu erkennen. Auch hier ist die Getriebestufe 20 wiederum eingezeichnet und durch die strichpunktierte Linie umrandet dargestellt. Sie ist nicht unbedingt notwendig, sondern kann hier insbesondere als optionale Ergänzung gesehen werden. Der Unterschied gegenüber dem in 2 dargestellten Aufbau befindet sich im Bereich der Planetenräder 15 der Planetenstufe 13. Wie bereits beim Aufbau in 1 und 3 kämmt ein Planetenrad 15 mit dem Hohlrad 14 der Planetenstufe 13. Das Planetenrad 15 kämmt jedoch nicht direkt mit dem Sonnenrad 16 auf der Abtriebswelle 17, sondern treibt ein drehfest mit ihm verbundenes zweites Planetenrad 24 an, welches dann mit der Sonne 16 kämmt. Die Planetenräder 15, 24 des Planetensatzes 13 sind also als sogenannter Stufenplanet ausgebildet. Hierdurch wird nochmals eine baulich sehr einfache und kompakte Möglichkeit erzielt, das Übersetzungsverhältnis konstruktiv anpassen zu können.
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Über die Abtriebswelle 17 des bisher beschriebenen Aufbaus der Windkraftanlage 1 kann nun ein idealerweise koaxial zur Rotorachse 3 angeordneter Generator angetrieben werden. Der Generator kann insbesondere direkt von der Abtriebswelle 17 angetrieben werden. Die erzeugte elektrische Leistung kann dann über geeignete Umrichter auf die benötigte Netzfrequenz und Spannung umgerichtet werden und so in ein elektrisches Versorgungsnetz eingespeist werden. Eine Alternative hierzu ist in der Darstellung der 4 angegeben. Anstelle einer direkten Kopplung des Generators mit der Abtriebswelle 17 ist hier ein Generator 25 gezeigt, welcher über ein drehzahlregelbares Getriebe 26 mit der Abtriebswelle 17 gekoppelt ist. In der Darstellung der 4 ist der Aufbau aus Rotor 2 und Getriebe 12, analog zur Darstellung in 1, zu erkennen. Zur Vereinfachung der Darstellung wurden hier lediglich die Bezugszeichen 2, 12 und 17 nochmals eingezeichnet. Alle anderen Bezugszeichen, welche hier weggelassen worden sind, wären analog zur Darstellung in 1 zu ergänzen.
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Die Abtriebswelle
17 des Getriebes
12 ist dann mit einer Eingangswelle
27 des drehzahlgeregelten Getriebes
26 – beispielsweise fest – verbunden. Dessen Abtriebswelle
28 treibt den Generator
25 unmittelbar an. Nun ist es so, dass ein solches drehzahlgeregeltes Getriebe bei Windkraftanlagen aus der deutschen Patentschrift
DE 103 14 757 B3 bestens bekannt ist. Es besteht im Wesentlichen aus einem Überlagerungsgetriebe
29 zur Leistungsverzweigung und Zusammenführung. Außerdem aus einer Planetenstufe
30 sowie einem hydrodynamischen Kreislauf
31, welcher in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als hydrodynamischer Wandler ausgebildet sein soll. Über die Pfeile ist dabei die Leistungsrichtung bei einem Antrieb durch die Abtriebswelle
17 dargestellt. Die Leistung gelangt über einen zentralen Leistungszweig
32 zu dem hydrodynamischen Kreislauf
31. Im Fall des hier dargestellten Aufbaus mit einem hydrodynamischen Wandler wird eine Pumpe des hydrodynamischen Wandlers über diesen Leistungszweig
32 mit angetrieben. Über ein Turbinenrad des Wandlers wird Leistung über das Planetengetriebe
30 zurückgeführt und über das Überlagerungsgetriebe
29 mit der von der Abtriebswelle
17 beziehungsweise der Antriebswelle
27 des leistungsgeregelten Getriebes
26 stammenden Leistung überlagert. Durch eine Beeinflussung des hydrodynamischen Kreislaufs
31, insbesondere durch ein Verstellen der Leiträder des hier beispielhaft dargestellten hydrodynamischen Wandlers, lässt sich die zurückgeführte und dem zentralen Leistungszweig
32 überlagerte Leistung hinsichtlich Drehmoment und Drehzahl beeinflussen, wodurch eine Regelung der Drehzahl am Abtrieb
28 des leistungsgeregelten Getriebes
26 sehr einfach, schnell und exakt möglich wird. Dadurch kann der Generator
25 als direkt mit einem Stromnetz
33 gekoppelter Synchrongenerator ausgebildet werden. Der Aufwand hinsichtlich einer elektronischen Umrichtung und Anpassung der erzeugten elektrischen Leistung entfällt somit. Hierdurch entsteht ein erheblicher Kostenvorteil.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10314757 B3 [0009, 0023]
