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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Windkraftanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Gemeinsam ist den aus dem Stand der Technik bekannten Windkraftanlagen und Verfahren zur Windenergienutzung, dass die Rotoren genau vertikal angeordnet sind. Nachteilig bei allen bekannten Anlagen und Verfahren ist eine geringe Wirtschaftlichkeit oder Effizienz im Vergleich zu Anlagen mit horizontalen Rotoren. Der Wirkungsgrad von Darius Rotoren liegt in der Spitze bei 75% des Wirkungsgrades moderner Windkraftanlagen mit horizontaler Rotorenachse. Ein geringerer Wirkungsgrad führt zu höheren Preisen und Kosten der Stromproduktion. Da sich ein Teil der Rotorblätter immer gegen den Wind bewegen muss, weisen diese zudem im Vergleich zu horizontalen Anlagen einen aerodynamischen Nachteil auf. Dadurch kommt es zu Hürden und ungleichmäßigeren Belastungen als bei modernen horizontalen Achsen. Die bisherigen Vertikalläufer laufen schwer von selbst an und brauchen oftmals Fremdenergie zur Betriebsaufnahme. Ein weiterer Nachteil ist die Leistungsregulierung. Horizontale Anlagen lassen sich bei starkem Wind aus der Windrichtung drehen. Bei Vertikalläufern kann schnell eine Überbelastung auftreten, da dies nicht möglich ist.
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Die Alternative, Windkraftanlagen mit horizontalen Rotoren (HAWT: Horizontal Axis Wind Turbine) sind in der Bevölkerung sehr umstritten. Als Nachteile werden von Kritikern Schattenwurf, Discoeffekt, Hindernisbefeuerung, Windgeräusche, Landschaftsverschandelung und Tourismusbeeinflussung genannt. Die Entwicklung bei HAWT-Anlagen führt zu immer größeren Masten und steigenden Kosten. Auch die Wartungskosten für Ersatzteile, Reparaturen sowie Servicearbeiten bringen sehr hohe Kosten mit sich und sind nur von großen Konzernen und Spezialfirmen sowie Spezialfachkräften zu bewältigen. Große Anlagen bringen auch größere Konstruktions- und Belastungsprobleme mit sich. Dadurch haben sie einen wesentlich größeren Raumbedarf und belasten vermehrt die Umwelt. Auch das „repowering”, bei der mehrere kleine Anlagen durch eine große Windkraftanlage an einem gleichen Standort ersetzt werden, schafft unnötige Mehrbelastungen für die Gesellschaft und die Umwelt.
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Vertikale Windkraftanlagen konnten bisher, aus oben genannten Gründen, sich gegenüber HAWT-Anlagen nicht durchsetzen. Auch konnten sie bisher nicht in den vergleichbaren Dimensionen gebaut werden und keine vergleichbare Leistung oder Energieausbeute erbringen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftanlage bereitzustellen, welche die Vorteile des Vertikalrotorprinzips mit einer höheren Energieausbeute und Effizienz verbindet. Zudem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Windkraftanlage bereitzustellen, welche einen ruhigen Lauf aufweist und geräuscharm ist.
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Dies wird erfindungsgemäß durch eine Windkraftanlage nach dem unabhängigen Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur Windenergienutzung nach dem nebengeordneten Patentanspruch 12 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Windkraftanlage umfasst einen im Wesentlichen vertikal ausgerichteten Zentralträger zur Aufnahme von wenigstens einem daran beweglich angeordneten Rotorrahmengestells sowie wenigstens zwei an dem wenigstens einen Rotorrahmengestell drehbar mit im Wesentlichen vertikaler Drehachse angeordneten Rotoren. Bevorzugt ist der Zentralträger genau vertikal ausgerichtet.
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Bevorzugt ist der Zentralträger stangenartig, mehr bevorzugt konisch und/oder zylindrisch, ausgebildet. Ist der Zentralträger konisch ausgebildet, so verjüngt sich sein Querschnitt in Richtung des oberen freien Endes. Weiterhin ist bevorzugt, dass der Zentralträger aus Metall, beispielsweise aus Stahl ausgebildet ist. Die Anlage ist jedoch nicht auf dieses Material beschränkt. Denkbar ist auch eine Ausführungsform aus Aluminium oder aus anderen aus dem Stand der Technik bekannten Materialien.
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Es hat sich gezeigt, dass sich ein zumindest teilweise innen hohler Zentralträger für die Verwendung in der hier beschriebenen Erfindung besonders eignet. In dem innenliegenden Hohlraum des Zentralträgers können Treppen oder elektrische Beförderungsmittel vorgesehen sein, um Wartungspersonal bzw. -material zu transportieren. Vorteilhaft weist der Zentralträger hierzu wenigstens eine durchgängige Mantelöffnung auf, beispielsweise einen Durchgang in Form einer Türe, um vom Inneren des Zentralträgers nach außen und/oder umgekehrt zu gelangen. Je nach Ausbildung sind bevorzugt zwei oder auch mehrere durchgängige Mantelöffnungen vorgesehen. Je nach Einsatz ist der Zentralträger als vorteilhaft als Turm oder Mast ausbildbar.
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Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das wenigstens eine Rotorrahmengestell mehrere Rahmenelemente umfasst, wobei wenigstens ein Rahmenelement, bevorzugt zwei Rahmenelemente, als Rotorträgerelement(e) ausgebildet ist (sind) und das Rotorrahmengestell um eine im Wesentlichen vertikale Achse an dem Zentralträger drehbar gelagert angeordnet ist und die Rotoren an dem wenigstens einen Rotorträgerelement drehbar angeordnet sind. Dies ist vorteilhaft, insbesondere wenn das Rotorträgerelement direkt benachbart zu dem nach oben gerichteten freien Ende des Zentralträgers angeordnet ist. In diesem Fall wird ein hängendes Aufbauprinzip erreicht, sodass das obere freie Ende des Zentralträgers das Rotorträgerelement über wenigstens ein Drehlager rotierbar hält. Dies ermöglicht einen sehr einfachen Aufbau und grundsätzlich den Bau von sehr hohen und sehr stabilen und sicheren bevorzugt vertikalen Windkraftanlagen, was bis heute mit dem Stand der Technik nicht möglich war. Ferner ermöglicht diese kompakte und einfache Bauweise eine Reduzierung der Herstellungskosten im Vergleich zu bekannten Anlagen. Zudem ist auch die Produktion mit einem geringeren Arbeitsaufwand sowie einem schnelleren und kostengünstigeren Transport der einzelnen Windkraftanlagenbauteile möglich.
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Unter im Wesentlichen vertikal wird hier bevorzugt eine Abweichung von 0° bis 25° von der Vertikalen verstanden.
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Insbesondere vorteilhaft in diesem Zusammenhang ist die Ausbildung des wenigstens einen Rotorträgerelements als Rotorträgerplatte, wodurch eine besonders gute Anbringung der Rotoren mittels Drehlager und eine gleichmäßige Kräfteverteilung ermöglicht wird. Weiterhin bevorzugt sind zwei Rotorträgerelemente als Rotorträgerplatten ausgebildet. Dies ist vorteilhaft, da somit die Rotoren an ihren beiden freien Enden mit den Rotorträgerplatten verbindbar sind. Dies dient der Stabilisierung der gesamten Anlage. Bevorzugt sind die Rotorträgerelemente als obere und/oder untere Rotorträgerplatte ausgebildet, welche das Rotorrahmengestell nach oben und/oder unten hin begrenzt. Selbstverständlich ist die Ausbildung als Platte nicht beschränkend zu verstehen, sondern lediglich in ihrer geometrischen Form gedacht. So kann das Rotorträgerelement plattenartig und/oder auch gerüstartig ausgebildet sein. Unter plattenartig ist hierbei zu verstehen, dass die einzelnen Elemente in ihrer Länge und Breite eine deutlich größere Erstreckung aufweisen, als in ihrer Höhe. Es ist nicht zwangsläufig notwendig, dass die plattenartigen Rahmenelemente mit einer durchgängigen Oberfläche als Massivbauteil ausgebildet sind. So ist bei der gerüstartigen Bauweise denkbar, dass die plattenartigen Elemente und/oder die Rotorträgerplatten als Querverstrebungen aus beispielsweise Rohren und/oder Massivbauteilen mit dazwischen liegenden durchgängigen Öffnungen ausgebildet sind.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Rotoren jeweils um eine Drehachse an dem wenigstens einen Rotorträgerelement rotierbar angeordnet, wobei die Drehachsen im Wesentlichen parallel, bevorzugt zueinander geneigt, mehr bevorzugt einen Winkel zwischen 0°–60°, mehr bevorzugt 0,5°–30°, meist bevorzugt 1°–15° einschließend, angeordnet sind. Dies ist ein deutlicher Unterschied zum bekannten Stand der Technik, bei welchem die Rotoren stets vertikal und parallel zueinander angeordnet sind. Durch die Neigung der beiden Rotoren zueinander ist eine gegen die Windströmung und zum freien Ende des Zentralträgers hin geneigte Anordnung ausgebildet. Bevorzugt sind die beiden Drehachsen derart zueinander geneigt, dass die Beabstandung der Rotoren zueinander in Richtung des freien Endes des Zentralträgers hin abnimmt. In Abhängigkeit der Höhe des Zentralträgers ist der eingeschlossene Winkel der beiden Drehachsen variabel, wobei sich herausgestellt hat, dass ein Winkel von 0° bis 60°, bevorzugt im Bereich von 0,5° bis 30°, mehr bevorzugt im Bereich von 1° bis 15°, wobei es sich am vorteilhaftesten erwiesen hat, den Neigungswinkel der Drehachsen zueinander bei 5° 6°, 7° 8° 9°, 10°, 11° oder 12° auszubilden, da dieser die effektivste Leistungsabgabe mit sich bringt. Bei einem Winkel von 0° ist zu verstehen, dass die Rotoren parallel zueinander angeordnet sind. Selbstverständlich ist dies nicht beschränkend zu verstehen, sodass es auch möglich ist, die beiden Rotoren parallel zueinander anzuordnen. So ist denkbar, dass die Rotoren zwar zueinander parallel, aber dennoch in einem vorbestimmbarem Neigungswinkel bezüglich des Zentralträgers ausgebildet sind. Beispielsweise ist denkbar, dass beide Rotoren den gleichen Neigungswinkel zum Zentralträger hin aufweisen und dieser bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 30° ausgebildet ist. Weiterhin ist auch denkbar, dass sowohl die Rotoren in dem oben genannten Winkelangaben zueinander geneigt und zugleich auch zu dem Zentralträger hin geneigt ausgebildet sind. Vorteilhaft weisen in diesem Ausführungsbeispiel die beiden Rotoren den gleichen Neigungswinkel, bevorzugt im Bereich von 0,3 bis 30°, zum Zentralträger auf.
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Ferner ist denkbar, dass die Rotoren in den verschiedenen Zwischenräumen zwischen den Rotorträgerelementen unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Bevorzugt sind die Durchmesser nach oben hin abnehmend. Diese Bauweise hat zur Folge, dass die Rotorachsen einen gegen die Windströmung und zur Zentralträgerspitze hin geneigte Stellung aufweisen. Das verleiht der gesamten Anlage eine sich nach oben verjüngende Form.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das wenigstens eine Rotorrahmengestell an dem Zentralträger hängend und/oder drehbar angeordnet. Vorteilhaft ist die Anordnung als Lagerung ausgebildet. Dies ist vorteilhaft, da somit die auf den Turmkopf wirkenden Hebelkräfte, wie aus dem Stand der Technik bekannt, bei der vorliegenden Erfindung deutlich reduziert werden können. Durch die hängende Lagerung der Windkraftanlage erfolgt eine Verlagerung der Turmkopfmassen, so dass dadurch induzierte Vibrationen und Resonanzen reduziert werden. Weiterhin erweist sich die hängende Lagerung des Rotorrahmengestells als vorteilhaft, da sich die Windkraftanlage beispielsweise leicht mit einer Windfahne und dem resultierenden einfachen Drehmechanismus unter geringem Energieaufwand optimal in Windrichtung auslenken lässt.
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Durch die besondere Aufhängung des Rotorrahmengestells über ein Drucklager und/oder Drehlager wird die Materialbeanspruchung und -ermüdung der einzelnen Bestandteile der Windkraftanlage deutlich reduziert, sodass ein Materialverschleiß reduziert und eine Materialüberbeanspruchung verringert wird. Folglich ist die hier beschriebene Windkraftanlage wartungsärmer und deutlich länger in ihrer Laufzeit und Nutzungsdauer.
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Bevorzugt ist das wenigstens eine Drehlager, mittels welchem das Rotorrahmengestell mit dem Zentralträger in Verbindung steht, als Radiallager ausgebildet. Selbstverständlich ist dies nicht beschränkend zu verstehen, sodass es auch denkbar ist, das wenigstens eine Lager als Axiallager oder in einer besonders bevorzugten Ausführungsform als kombiniertes Radial-/Axiallager ausgebildet ist. Darüber hinaus liegt auch der Einsatz eines Magnetlagers von Vorteil, da dies zur Minimierung von Verschleiß führt.
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Darüber hinaus ist es von Vorteil, dass die Rotoren in Luftströmungsrichtung hinter dem Zentralträger angeordnet sind. Dies ist bevorzugt, da der Zentralträger und in Luftströmungsrichtung bevorzugt davor angeordnete Luftleitflächen die auftreffende Luftströmung teilen, gegen die Luftströmung laufende Rotorblätter von der Luftströmung abschirmen und die Luftströmung auf die sich außen befindlichen Rotorblätter umlenken. Die Luftleitflächen sind dabei bevorzugt an eigenen Halteelementen befestigt.
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Bevorzugt umfasst ein Rotorrahmengestell weitere Lufttleitelemente senkrecht zur Luftströmungsrichtung seitlich außen. Diese dienen einem Komprimierenen von Luft und einer Vergrößerung der auf die Rotorblätter auftreffenden Luftmenge. Dies ist besonders in windarmen Regionen vorteilhaft.
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Denkbar ist, dass das Rotorrahmengestell zusätzlich weitere Rahmenelemente, welche bevorzugt plattenartig und/oder stangenartig oder in einer anderen beliebigen Form ausgebildet sind, umfasst. Unter plattenartig ist hierbei zu verstehen, dass die einzelnen Elemente in ihrer Länge und Breite eine deutlich größere Erstreckung aufweisen, als in ihrer Höhe. Es ist nicht zwangsläufig notwendig, dass die plattenartigen Rahmenelemente mit einer durchgängigen Oberfläche als Massivbauteil ausgebildet sind. So ist beispielsweise denkbar, die plattenartigen Rahmenelemente als einzelne, miteinander dauerhaft verbundene Querstreben vorzusehen. Je nach Größe der Windkraftanlage ist die Form der plattenartigen Rahmenelemente frei wählbar. Allen plattenartigen Elementen ist gemein, dass wenigstens zwei, bevorzugt drei, durchgängige Öffnungen vorgesehen sind. Die Öffnungen sind derart ausgebildet, dass die Rotoren sowie der Zentralträger durch diese problemlos hindurchführbar sind. Folglich sind die Öffnungen immer größer ausgebildet als die Rotoren bzw. der Zentralträger.
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Zudem ist denkbar, dass insbesondere bei hohen Windkraftanlagen von größer 50 m, die Öffnungen der plattenartigen Rahmenelemente derart ausgebildet sind, dass eine Einführhilfe vorgesehen ist. Eine Einführhilfe ist vorteilhaft, damit nicht der gesamte Rotor von unten nach oben durch die entsprechenden Öffnungen der plattenartigen Rahmenelemente durchgeführt werden muss. Vorteilhaft umfasst jeder der Öffnungen zur Rotorenaufnahme wenigstens eine Einführhilfe. Diese ist weiterhin bevorzugt als Einführöffnung ausgebildet, welche vorteilhaft einen geringeren Durchmesser aufweist als die Öffnungen selbst. Die Rotoren bzw. die Rotorenkernsegmente können somit einfach und schnell seitlich von außen in die entsprechenden Öffnungen der plattenartigen Rahmenelemente eingeführt werden.
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Die plattenartigen Rahmenelemente weisen bevorzugt einen dreieckigen Umfang auf, wobei die Seitenflächen linear oder auch konvex nach außen gekrümmt ausgebildet sein können. Diese bevorzugt gekrümmtgeometrische Form der plattenartigen Rahmenelemente hat sich als vorteilhaft zur Strömungsleitung der eintreffenden Luft herausgestellt. Die plattenartigen Rahmenelemente können ferner auch als Rohre und/oder T-Träger ausgebildet sein.
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Ferner ist bevorzugt auch wenigstens ein beabstandendes Rahmenelement umfasst. Das wenigstens eine beabstandende Rahmenelement ist vorteilhaft zur Beabstandung der einzelnen plattenartigen Rahmenelemente bzw. der Rotorträgerelemente voneinander ausgebildet. Bevorzugt werden jeweils zwei plattenartige Rahmenelemente bzw. ein plattenartiges Rahmenelement und ein Rotorträgerelement von mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, beabstandenden Rahmenelementen voneinander beabstandet. Das wenigstens eine beabstandende Rahmenelement ist hierbei fest mit den plattenartigen Rahmenelementen bzw. dem Rotorträgerelement verbunden. Vorteilhaft ist das wenigstens eine beabstandende Rahmenelement stangenartig ausgebildet. Denkbar ist jedoch auch, dass das wenigstens eine beabstandende Rahmenelement plattenartig ausgebildet ist oder eine andere vorteilhafte Form aufweist. Denkbar ist, dass die Halteelemente der Luftleitflächen als beabstandende Rahmenelemente ausgebildet sind. Fernerhin ist denkbar, dass hier weitere aerodynamische Luftleitflächen als beabstandende Rahmenelemente ausgebildet sind. Bevorzugt sind zwischen zwei Rotorträgerelementen und/oder zwischen zwei plattenartigen Rahmenelementen und/oder zwischen einem plattenartigen Rahmenelement und einer Rotorträgerplatte je 1–5, bevorzugter 2–4, noch bevorzugter 3 beabstandende Rahmenelemente angeordnet. Sie bilden dabei vorteilhaft eine Stützverbindung. Weiterhin bevorzugt sind sie als stangenartige beabstandende Rahmenelemente vorteilhaft als zueinander parallel angeordnete Vertikalstreben ausgebildet. Noch bevorzugter weisen sie dabei einen identischen Abstand zueinander auf. Weiterhin ist denkbar, dass sie in einer Polygonform um die Rotoren herum angeordnet sind.
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In Längserstreckung des Rotorrahmengestells hat es sich zudem als vorteilhaft erwiesen, mehrere plattenartige Rahmenelemente, welche über beabstandende Rahmenelemente parallel voneinander beabstandet angeordnet sind, vorzusehen.
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Aufgrund der Neigung der Rotoren ist zudem eine insgesamt konische Form des Rotorrahmengestells bedingt, und zwar dahingehend, dass die parallel zueinander beabstandet angeordneten plattenartigen Rahmenelemente in ihrem Umfang nach oben hin, also in Richtung des freien Endes des Zentralträgers, verjüngt ausgebildet sind.
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Zudem ergibt sich auf diese Weise bevorzugt eine konisch nach oben zusammenlaufende Form, die eine besonders effektive Nutzung der auftreffenden Luftströmung ermöglicht. Die hängende Aufbauform an einem durchgängigen Zentralträger ist vorteilhaft gegenüber Ausführungsformen aus dem Stand der Technik, bei denen das Rotorengehäuse beispielsweise auf einem unteren Mast stehend angeordnet ist. Bei der hier beschriebenen Windkraftanlage werden Vibrationen vermieden. Der Aufbau lässt sich wesentlich schlanker und höher gestalten. Des Weiteren wird gerade aufgrund der sich nach oben verjüngenden Form ein verbesserter Wirkungsgrad erzielt. Die vorhandene Fläche wird optimal genutzt. Ferner ist denkbar, dass der Zentralträger sich nach oben konisch verjüngt. Zudem wird ein gleichmäßigerer Winddruck auf die gesamte Windkraftanlage erzielt. Vorteilhaft wird die nach oben hin verjüngende Form bzw. der Neigungswinkel des Zentralträgers und/oder der Rotoren zueinander und/oder zum Zentralträger insbesondere von der Höhe der Windkraftanlage und dem Einsatzstandort bestimmt.
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Die Ausbildung des wenigstens einen beabstandenden Rahmenelements ist hierbei nicht begrenzend zu verstehen, so dass dieses beabstandende Rahmenelement bevorzugt zylindrisch und/oder als Vierkant vorgesehen sein kann. Ferner ist zudem denkbar, dass anstelle des beabstandenden Rahmenelements weitere plattenartige Rahmenelemente als Abstandshalter zwischen den oben beschriebenen im Wesentlichen horizontal angeordneten plattenartigen Rahmenelementen ausgebildet sind.
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Je nach Ausführungsform ist das Rotorrahmengestell im einfachsten Fall durch eine obere und eine untere Rotorträgerplatte ausgebildet, an welchen bevorzugt zwei zueinander gegenläufige Rotoren gelagert angeordnet sind. Zur zusätzlichen Stabilisierung kann wenigstens ein beabstandendes Rahmenelement, bevorzugt stangenartig ausgebildet, zusätzlich die beiden Rotorträgerplatten miteinander verbinden. Werden hingegen neben den Rotorträgerplatten weitere plattenartige Rahmenelemente, bevorzugt als Etagenplatten ausgebildet, vorgesehen, so dienen diese insbesondere der Stabilisierung, Zentrierung sowie der vereinfachten Wartung der Rotoren und/oder des Rahmengestells. Auch die Etagenplatten können untereinander oder mit den Rotorträgerplatten durch beabstandende Rahmenelemente verbunden werden. Denkbar ist, dass sowohl die Etagenplatten als auch die obere und untere Rotorträgerplatte geneigt ausgebildet sind. Vorteilhaft ist ein Neigungswinkel von 0^–60°, bevorzugter 0,5°–30°, noch bevorzugter 1°–15°. Diese Neigung entspricht vorteilhaft der Neigung der Rotoren zum Zentralträger. Weiterhin bevorzugt weisen die Etagenplatten und die Rotorträgerplatte zwischen den Rotoren einen Knick oder eine Krümmung auf, wobei beide Seiten jeweils in einen Neigungswinkel von 0°–60°, bevorzugter 0,5°–30°, noch bevorzugter 1°–15 aufweisen. Auf diese Weise ist eine Ebene eines Abschnittes einer Rotorträgerplatte oder einer Etagenplatte, welcher eine Rotorenscheibe umgibt, vorteilhaft parallel zu dieser ausgerichtet. Bevorzugt sind die plattenartigen Rahmenelemente parallel zueinander, und im Wesentlichen horizontal angeordnet. Weiterhin bevorzugt sind die plattenartigen Rahmenelemente begehbar ausgebildet, so dass Wartung und Reparatur der Rotoren vereinfacht durchgeführt werden kann. Je nach Größe der Windkraftanlage umfasst diese bevorzugt 1 bis 20, mehr bevorzugt 2 bis 10 und meist bevorzugt 3 bis 8 plattenartige Rahmenelemente. Weiterhin vorteilhaft sind diese plattenartigen Rahmenelemente im Abstand von 1 bis 20 m, mehr bevorzugt im Abstand von 2 bis 10 m angeordnet.
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Um ein Verkippen oder Reibungen zwischen Rotoren und Rahmengestell einerseits sowie zwischen plattenartigen Rahmenelementen und Zentralträger andererseits zu reduzieren und bestenfalls zu vermeiden, sind an den jeweiligen Öffnungen der plattenartigen Rahmenelemente, in welchen Rotoren und/oder der Zentralträger führbar sind, bevorzugt jeweils drei bis zwölf, mehr bevorzugt drei bis sieben, meist bevorzugt jeweils drei, Führungselemente angeordnet. Bevorzugt sind die Führungselemente zylindrisch mit wenigstens einer gekrümmten Führungsfläche ausgebildet. Beispielhaft sind pro Öffnung jeweils drei Führungselemente zum Führen der Rotoren in dem Rahmengestell und/oder des Rahmengestells an dem Zentralträger im Abstand von 120° zueinander angeordnet. Vorteilhaft variiert der Abstand der Führungselemente zueinander in Abhängigkeit von deren Anzahl, wobei die Abstände zwischen jeweils zueinander benachbart angeordneten Führungselementen gleich ist. Die Führungselemente sind bevorzugt als Führungsrollen oder Führungszylinder ausgebildet und sind zumindest an der Führungsfläche, bevorzugt vollständig, aus elastischem Material ausgebildet. Das Material ist entsprechend gewählt, dass es eine gewisse Reststeifigkeit aufweist. Wird das Rotorrahmengestell beispielsweise mit sehr starkem Wind beaufschlagt so kann eine gewisse Auslenkung um die Drehachse des Zentralträgers erfolgen, so dass beispielsweise die Ränder der Öffnungen der plattenartigen Elemente gegen den Zentralträger geführt werden. Die an den Rändern angeordneten Führungselemente dienen der einwirkenden Kraftaufnahme und -ableitung und zugleich der Dämpfung der Auslenkungsbewegung. Somit wird das Material geschont. Ergänzend sind die Führungselemente derart ausgebildet, dass sie eine schalldämmende Eigenschaft aufweisen und Geräusche sowie Vibrationen aufnehmen, absorbieren und/oder ableiten.
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Vorteilhaft sind die Führungselemente derart ausgebildet, dass sie das Rotorrahmengestell bevorzugt um den Zentralträger führen und ausrichten. Weiterhin bevorzugt führen sie auch die Rotoren in dem Gestell.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst das wenigstens eine Rotorrahmengestell wenigstens ein Rotorträgerelement, wenigstens ein beabstandendes Rahmenelement und bevorzugt wenigstens ein plattenartiges Rahmenelement, vorteilhaft eine Etagenplatte. Dies ist vorteilhaft, denn wie bereits ausgeführt, sind plattenartige Rahmenelemente vibrationsdämpfend, so dass dies einen Teil der auf die/den Rotor/en wirkenden Kräfte aufnimmt. Wenigstens ein beabstandendes Rahmenelement bewirkt ebenfalls vorteilhaft eine Stabilisierung eines Rotorrahmengestells.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das wenigstens eine beabstandende Rahmenement zur Beabstandung der Rotorträgerplatten und/oder der plattenartigen Rahmenelemente und/oder der plattenartigen Rahmenelemente von den Rotorträgerplatten stangenartig, plattenartig oder als aerodynamische Luftleitfläche ausgebildet. Stangenartige beabstandende Rahmenelemente sind vorteilhaft, da sie materialsparend sind und dennoch das Rotorrahmengestell wirksam stabilisieren. Plattenartige Rotorrahmenelemente sind vorteilhaft, da sie nicht nur gegen eine Zug- und Druckbeanspruchung, sondern auch gegen eine Scherbelastung stabilisierend wirken. Aerodynamische Luftleitflächen sind vorteilhaft, da sie die Funktion der Führung eines Anströmluftflusses mit einer stabilisierenden Wirkung auf das Rotorrahmengestell verbinden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfassen die Rotoren jeweils zwischen einem ersten und einem dazu beabstandet angeordneten weiteren Rotorträgerelements wenigstens ein Rotorenkernsegment, bevorzugt mehrere Rotorenkernsegmente. Je nach Ausführungsform können die Rotorenkernsegmente als segmentierte Wellen oder auch als eine gemeinsame, durchgängige Antriebswelle verstanden werden. Bei hohen Windkraftanlagen von 20 m und mehr, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, mehrere Rotorenkernsegmente vorzusehen, da diese Unterteilung dem gesamten Rotor zusätzliche Stabilität verleiht und gegen von außen einwirkende Schwingungen und daraus resultieren Materialvibrationen stabilisiert. Denkbar ist, dass sich die Rotorkernsegmente nach oben hin pyramidal verjüngen, also sich in ihrem Durchmesser verringern. Hierdurch wird ein konischer oder pyramidaler Umfang bedingt.
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Ist der Rotor einteilig ausgebildet, so entspricht das Rotorenkernsegment dem Rotorkern und somit einer durchgängigen Antriebswelle. Umfasst der Rotor mehrere Rotorenkernsegmente, so bilden diese im zusammengesetzten Zustand wenigstens den Rotorkern aus. Bevorzugt können die Rotorenkernsegmente als Module verstanden werden, welche in beliebiger Anzahl miteinander verbindbar sind, um die Länge und den Durchmesser des resultierenden Rotors zu variieren. Zur vereinfachten Montage aneinander und/oder an den Rotorenträgerelementen umfasst jedes Rotorenkernsegment wenigstens einen, bevorzugt zwei, jeweils endseitig angeordnete Vorsprünge, welche bevorzugt als Endzapfen ausgebildet sind. Einem Zapfen steht vorteilhaft eine Vertiefung in dem benachbarten Rotorkernsegment gegenüber, mit der ein Zusammenstecken möglich ist. Denkbar ist, dass ein Endzapfen als Zahnrad ausgebildet und die gegenüberliegende Vertiefung als Außenzahnrad mit dazwischen liegendem Planetargetriebe ausgebildet ist. Auf diese Weise lassen sich benachbarte Rotorkernsegmente mit unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten betreiben, die jedoch in einem konstanten Verhältnis zueinander stehen. Dies ist vorteilhaft, da in unterschiedlichen Höhen unterschiedliche Windkräfte und Windgeschwindigkeiten herrschen. So ist es vorteilhaft, ein höher gelegenes Rotorkernsegment mit einer höheren Geschwindigkeit zu betreiben wie ein tiefer liegendes Rotorkernsegment. Weiterhin ist denkbar, dass benachbarte Rotorkernsegmente an unterschiedlicher Stelle in den Etagenplatten gelagert werden. Noch bevorzugter weisen diese ein Zwischengetriebe auf, dass ein konstantes Geschwindigkeitsverhältnis der benachbarten Rotorkernsegmente bewirkt.
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Ferner erweist sich die Segmentierung des Rotors als vorteilhaft bei dem Zusammenbau. So sind die einzelnen Rotorkernsegmente zunächst getrennt voneinander transportierbar und werden erst vor Ort zu einer bevorzugt mehrteilig ausgebildeten Gesamtwelle des Rotors zusammengesetzt. Je nach Ausführung der Windkraftanlage kann die Anzahl der Rotorenkernsegmente bevorzugt zwischen einem und zwanzig ausgewählt werden. Wird lediglich ein Rotorenkernsegment bereitgestellt, so ist lediglich eine einteilige Antriebswelle vorgesehen. Werden beispielsweise acht Rotorenkernsegmente bereitgestellt, so bilden diese im zusammengesetzten Zustand ebenfalls eine einzige Antriebswelle aus, welche allerdings aus acht miteinander verbundenen Einzelwellen besteht. Insbesondere in Abhängigkeit der Windkraftanlagengröße können die Rotorkernsegmente massiv und/oder zumindest teilweise hohl ausgebildet sein. Letzteres erweist sich aufgrund des reduzierten Eigengewichts insbesondere bei Produktion, Transport, Montage und Lagerung als vorteilhaft.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist jedes Rotorenkernsegment endseitig von wenigstens einer Rotorenscheibe begrenzt und umfasst wenigstens ein Rotorenblatt. Die Rotorenscheiben dienen vorteilhaft zur zusätzlichen Stabilisierung des gesamten Rotors. Zudem sind zwischen zwei zueinander benachbart angeordneten Rotorenscheiben wenigstens ein Rotorblatt, bevorzugt zwei, mehr bevorzugt zwei bis zehn, meist bevorzugt drei bis fünf, Rotorblätter angeordnet. Die Fixierung der Rotorblätter erfolgt bevorzugt derart, dass während des Betriebs keine Entnahme der Rotorblätter möglich ist. Allerdings sieht die vorliegende Erfindung vor, dass die Rotorblätter im Falle einer Wartung oder Reparatur von den Rotorenscheiben entfernbar und einzeln auswechselbar ausgebildet sind. Ist lediglich ein Rotorenkernsegment vorgesehen, so beinhaltet der Rotor zwei Rotorenscheiben, zwischen denen mindestens zwei, bevorzugt drei bis fünf, Rotorblätter befestigt sind. Die Rotorblätter weisen in diesem Fall bevorzugt eine durchgängige Spiralform auf.
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Es ist denkbar, dass die Rotorenscheiben die Form einer vollen Diskusfläche aufweisen. Bevorzugt weisen sie jedoch Materialauslassungen auf. Dabei ist ein Außenring mit inneren Streben vorteilhaft. Auf diese Weise wird eine Stabilisierung der Rotorblätter bei gleichzeitiger Materialersparnis erzielt. Vorteilhaft bestehen solche Rotorenscheiben aus einem Kernring, mindestens drei, bevorzugt sechs, Streben und einem Außenring.
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Es ist fernerhin denkbar, dass die Rotorblätter als Lamellen und/oder aerodynamische Flügelprofile ausgebildet sind. In Abhängigkeit der Anzahl der vorgesehenen Rotorblätter sind diese entsprechend voneinander versetzt angeordnet, um eine entsprechend hohe Energieausbeute zu gewährleisten. Sind beispielsweise drei Rotorblätter im Einsatz, sind diese vorteilhaft zueinander um 120° versetzt angeordnet. Unter aerodynamischen Flügelprofilen sind bevorzugt diejenigen Formen zu verstehen, welche einen flügelartigen Umriss aufweisen, wobei bevorzugt sowohl Flügelvorderseite und -rückseite zumindest teilweise konvex gekrümmt ausgebildet sind und/oder wenigstens Flügelvorderseite und/oder Flügelrückseite konvex gekrümmt ausgebildet ist. Unter Flügelvorderseite ist bevorzugt die Flügelfläche zu verstehen, auf welche die Luftströmung auftrifft. Neben den hier beschriebenen Formen ist auch denkbar, die Rotorblätter plan, also krümmungsfrei, und/oder mit ellipsoidalem Querschnitt auszubilden.
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Sind die Rotorblätter als Lamellen ausgebildet, so sind diese nicht plan, sondern umfassen wenigstens eine Krümmung in ihrer Längserstreckung, so dass sich ein U-förmiger Querschnitt ausbildet. Dies ist vorteilhaft, da somit der auftreffende Luftstrom eine größere Angriffsfläche hat und die Rotoren somit schneller in Rotation versetzt werden. Neben den hier beschriebenen Formen können die Rotorblätter darüber hinaus auch mehrfach gekrümmt, beispielsweise in einer Wellenform, eingesetzt werden. Im einfachsten Fall sind die Rotorblätter aus Metall ausgebildet. Allerdings ist dies nicht begrenzend zu verstehen, da es sich vorteilhaft gezeigt hat, die Rotorblätter als Hohlprofil beispielsweise mit einer bevorzugt luftundurchlässigen Textil- und/oder Kunststoffbespannung vorzusehen. Hierdurch wird vorteilhaft das Gewicht der Rotorblätter zusätzlich reduziert.
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Vorteilhaft sind die Rotorblätter auf den Rotorenscheiben geneigt in Richtung der Drehachse des jeweiligen Rotors ausgebildet. Dies ist vorteilhaft für die Windkraftaufnahme. Bevorzugt sind die Rotorblätter bezüglich der Rotorenscheibe um 0 bis 20°, mehr bevorzugt um 0,1 bis 10° geneigt ausgebildet. Ferner ist es vorteilhaft, die Rotorblätter in Randnähe der Rotorenscheiben anzuordnen, da hierdurch eine bestmögliche Kraftumwandlung realisiert wird. Unter Randnähe ist hierbei bevorzugt zu verstehen, dass die Rotorblätter mit dem Umfang der Rotorenscheibe bündig abschließen und/oder um 0,5 bis 50 cm von diesem radial nach innen zurückversetzt sind.
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Darüber hinaus hat es sich als vorteilhaft erwiesen, insbesondere bei Rotorenscheiben mit einem Durchmesser von größer 3 m, die Rotorblätter zudem gruppiert anzuordnen. Dies ist vorteilhaft, da somit eine aufwändige und kostenintensive Herstellung großflächiger Rotorblätter vermieden wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst jedes Rotorkernsegment wenigstens eine Gruppe von Rotorblättern, bevorzugt drei bis fünf Gruppen von Rotorblättern. Vorteilhaft sind Gruppen von 2 bis 8, noch vorteilhafter von 3 bis 5, Rotorblättern vorgesehen. Weiterhin bevorzugt sind die Rotorblätter innerhalb der Gruppen versetzt zueinander angeordnet, um eine möglichst große Luftauftrittsfläche zu erzeugen. Wie oben bereits bei den einzelnen Rotorblättern beschrieben, sind weiterhin bevorzugt 2 bis 7 der Rotorblättergruppen zwischen zwei zueinander benachbart angeordneten Rotorenscheiben angeordnet, wobei in Abhängigkeit der Anzahl der Gruppen deren Beabstandung voneinander bedingt ist. So sind beispielsweise zwei Gruppen um 180° einander gegenüberliegend angeordnet, wohingegen drei Gruppen im Winkel von 120° oder vier Gruppen im Winkel von 90° zueinander angeordnet sind.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Rotorblätter in Längserstreckung des Rotors zueinander versetzt angeordnet, wobei die Rotorblätter von zwei zueinander benachbart angeordneten Rotorenscheiben bevorzugt um 2–90° und mehr bevorzugt um 10–60° versetzt zueinander ausgebildet sind. Dies ist vorteilhaft, da somit in Abhängigkeit von der Höhe der Windkraftanlage eine deutliche Schlagreduzierung erreicht werden kann. Zudem wird der bei vertikalen Anlagen bekannte Nachteil eines „pulsierenden Drehmoments” verhindert, so dass ein ruhiger und stabiler Lauf, auch bei sehr großen Anlagen sichergestellt ist. Durch diese Versetzung zueinander wird die Form einer Spirale bedingt, sodass der Luftstrom einen gleichmäßigen Antrieb der Rotoren bedingt und ein Flügelschlag verhindert wird. Ferner bedingt diese versetzt zueinander ausgebildete Anordnung, dass der an den Rotorblättern vorbeiströmende Luftstrom wieder beschleunigt wird und somit eine zusätzliche Energie bereitstellt. Bevorzugt erfolgt die Versetzung der Rotorblätter zueinander in Abhängigkeit von der Höhe der verwendeten Windkraftanlage. Umfasst der Rotor beispielsweise acht Rotorenkernsegmente bzw. neun Rotorenscheiben, so hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die einzelnen Rotorblätter pro Rotorenscheibe um jeweils 15° versetzt zu der vorherigen Rotorenscheibe anzuordnen. Bevorzugt bilden die Rotorblätter von oben nach unten eine Spiralform aus, so dass Flügelschlag verhindert und der Rotorenlauf gegenüber Vibrationen stabilisiert wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform verringert sich die radiale Erstreckung der Rotoren in ihrer Längserstreckung in Richtung des oberen Rotorträgerelements. Diese konische Form ist vorteilhaft, da Vibrationen vermieden werden, welche durch unterschiedliche Luftströmungsgeschwindigkeiten in unterschiedlichen Höhen bedingt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Windkraftanlage weiterhin Luftleitflächen, die derart ausgebildet sind, dass sie zur Verstärkung einer Rotation der Rotoren innen liegende, bevorzugt mit einer Rotation der Rotoren gegen einen Anströmluftfluss laufende Rotorblätter zumindest teilweise abschirmen und einen Anströmluftfluss (W) von der Mitte nach außen auf die äußeren Rotorblätter ablenken. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise eine verstärkte Rotation der Rotoren bewirkt wird und das Vertikal-Prinzip überhaupt erst interessant wird. Ferner ist denkbar, dass die Luftleitflächen einen Anströmluftfluss von der Mitte nach außen ablenken, komprimieren und teilen. Zudem sind die Luftleitflächen bevorzugt derart ausgebildet, dass sich an ihrer Innenseite, welche dem Zentralträger zugewandt ist, ein Unterdruck bildet. Durch diesen Sog werden mit der Rotation von innen nach außen laufende Rotorblätter beschleunigt. Vorteilhaft umfasst die Windkraftanlage Luftleitflächen, die derart ausgebildet sind, dass sie senkrecht zur Verbindungslinie der Rotoren anströmende Luft von der Mitte nach außen lenken, sodass gegen die Luftleitflächen anströmende Luft auf außen an den Rotoren befindliche Rotorblätter umgeleitet wird und eine gegenläufige Rotation der Rotoren bewirkt. Bevorzugt sind die Luftleitflächen dazu etwa keilförmig gestellt. Die Keilform zeigt in Windrichtung und teilt den Windstrahl auf, wobei auf beiden Seiten ein geteilter, verdichteter Windstrahl und/oder Windstrom entsteht.
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Es ist denkbar, dass die Luftleitflächen in Anlehnung an die bevorzugt konisch nach oben zulaufenden Rotoren, ebenfalls nach oben hin eine sich verjüngende Form aufweisen, so dass die die Fläche, auf welche der Anströmluftfluss auftrifft nach oben zum freien Ende des Zentralträgers hin abnimmt. Diese Verjüngung verläuft bevorzugt im gleichen Verhältnis wie die konischsitzenden Rotoren. Wie dargelegt, werden die Rotoren von der Luftströmung der Wind zugewandten Seite in Bewegung gebracht. Vorteilhaft wird die Anströmung zusätzlich durch die komprimierte Luft der vor dem Zentralträger angebrachten Luftströmungsleitflächen verstärkt. Bevorzugt sind die Luftleitflächen weiterhin derart ausgebildet, dass die sich mit einer Rotation gegen die Windrichtung bewegenden Rotorenteile, insbesondere die Rotorblätter, zum Teil, bevorzugt vollständig, von dem Anströmluftfluss abgeschirmt sind.
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Ferner ist denkbar, dass die Luftleitflächen für Reklame, Werbung, Firmen-Logos oder Sonstiges genutzt werden. Dies ist vorteilhaft in stadtnahen Gebieten. In einer anderen Ausführungsform weisen die Luftleitflächen eine neutrale Farbzusammensetzung auf. Dies ist vorteilhaft für Natur- und Kulturlandschaften. Zudem ist denkbar, die Luftleitflächen mit Solarkollektoren zur zusätzlichen Energiegewinnung zu versehen. Dies ist insbesondere bei geringem Windaufkommen vorteilhaft.
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Ferner ist denkbar, dass die Luftleitflächen zusätzlich Verlängerungselemente aufweisen. Auf diese Weise lässt sich der Anteil des auf die Rotorblätter treffenden Anströmwindes reduzieren oder vergrößern. Weiterhin sind die Luftleitflächen bevorzugt um eine im Wesentlichen vertikale Achse schwenkbar ausgebildet. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Luftleitflächen mehrteilig, bevorzugt zweiteilig ausgebildet, so dass bei Bedarf, beispielsweise für die Wartung, die Fläche der Luftleitflächen vergrößert werden kann, um die Anlage in Ruhe zu versetzen. Mit vollständig ausgefahrenen Luftleitflächen erfolgt die Ablenkung des eintreffenden Luftstroms derart, dass die Rotoren in Ruhe verbleiben und kein Antrieb erfolgt. Die Wartung kann somit gefahrlos durchgeführt werden. Je nach Ausführungsform sind die Luftleitflächen bevorzugt konvex und/oder konkav gekrümmt ausgebildet. Beide Krümmungen haben sich als vorteilhaft erwiesen, den Luftstrom gezielt auf die Rotoren zu leiten.
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Besonders vorteilhaft sind die Luftleitflächen bezugnehmend auf deren Schwenkachse symmetrisch ausgebildet. Dies ist insbesondere im ausgefahrenen Zustand von Vorteil, da sich dann die Luftleitflächen bevorzugt bis auf Höhe der Drehachsen der Rotoren erstrecken und somit eine Abschirmung von der einströmenden Luft ermöglichen. Die Steuerung der Luftleitflächen ist im einfachsten Fall ebenfalls symmetrisch ausgebildet, allerdings nicht hierauf beschränkt. So ist auch denkbar, dass bei Wartungsarbeiten nur eines Rotors, dieser durch einseitig ausgefahrene Luftleitflächen abgeschirmt wird, während der weitere Rotor voll funktionsfähig Energie produziert und die Luftleitflächen auf dessen Seite im nicht ausgefahrenen Zustand angeordnet sind.
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Darüber hinaus ist denkbar, wenigstens eine Bremsanlage für die Rotoren vorzusehen. Bevorzugt weist jeder Rotor eine entsprechende elektrische und/oder mechanische Bremsanlage auf. Bremsanlagen sind insbesondere bei der Wartung von Vorteil, um die Rotoren zu verlangsamen und/oder zu stoppen. Darüber hinaus ist die wenigstens eine Bremsanlage ebenfalls vorteilhaft, da die Windkraftanlage auch bei unausgefahrenen Luftleitflächen somit in den Stillstand gebracht werden kann.
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Bevorzugt umfassen die Bremsanlagen ein Energieumwandlungssystem, mittels welchem die Bremsenergie zwischengespeichert und bei erneuter Inbetriebnahme zur schnelleren Beschleunigung der Rotoren wieder verwendet wird. Vorteilhaft dient die wenigstens eine Bremsanlage zur Unterstützung der bereits beschriebenen Luftleitflächen.
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Sowohl Luftleitflächen und/oder Bremsanlage erweisen sich als besonders vorteilhaft bei Wartungs- und Reparaturarbeiten, bei vollem Stromnetz ohne Einspeisungsmöglichkeit und/oder bei starken orkanartigen Winden, wobei durch die vorteilhafte Konstruktion der hier beschriebenen Windkraftanlage diese auch bei stärkeren Winden betreibbar ist als bisher bekannte Anlagen aus dem Stand der Technik.
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Besonders bevorzugt verringert sich eine radiale Ausdehnung von einzelnen Bauteilen der Rotoren nach oben in Richtung des freien Endes des Zentralträgers.
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Das Ergebnis ist eine sich insgesamt nach oben verjüngende Form der Anlage. Durch diese Bauart verlagert sich der gesamte Schwerpunkt der Anlage weit nach unten. Im Gegensatz zu den herkömmlichen, modernen horizontalen Windkraftanlagen wirkt die Winddruckbelastung bei Sturm oder Orkan nicht nur auf die Spitze des Zentralträgers, sondern gleichmäßig verteilt auf den gesamten Zentralträger. Der Mittelpunkt der Druckbelastung liegt vorteilhaft unterhalb des Zentralträgerschwerpunktes. Dies vergrößert die Stabilität, spart Material und senkt Vibrationen. Damit wird eine hohe Stabilität und Unempfindlichkeit bei Sturm und Orkan erreicht. Die Lärmemission ist vergleichsweise gering.
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Diese Bauart dient vorteilhaft zu einer besseren Raumnutzung und -ausbeute. Die Anlagen können viel dichter aneinander gebaut werden ohne sich gegenseitig zu stören, als man es von den horizontalen Windkraftanlagen kennt. Außerdem können sie in der Höhe kleiner und leichter gebaut werden im Vergleich zu anderen Anlagen ihrer Leistungsklasse. Auch die Laufzeiten sind länger als bei vergleichbaren Anlagen oder HAWT. Die Bauart bedingt bei vergleichbarer Leistungsklasse eine kleinere Bauart und eine leichtere Masse. Dies führt zu einem höheren Wirkungsgrad im Vergleich zu horizontalen Windkraftanlagen. Es ermöglicht ein verbessertes Landschaftsbild und die Vogelfluglinien sind weniger beeinträchtigt.
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Ferner ist denkbar, dass die Rotoren zur direkten Leistungsabnahme direkt mit Generatoren verbunden sind. Diese sind für vergleichsweise niedrige Drehzahlen ausgebildet. Dies erspart die Verwendung von Getrieben, Riemen und sonstigen Mechanismen und erhöht damit die wirtschaftliche Nutzung der Anlage. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform, basierend auf diesem Prinzip, wird eine Anlage mit zwei Generatoren ausgestattet, die jeweils am unteren Ende eines jeden Rotors angebracht werden. Dies ist vor allem für kleinere und mittlere Anlagen vorteilhaft. Die Leistung der Generatoren wird bevorzugt zusammen oder einzeln in das Netz eingespeist. Ferner ist auch denkbar, ein Getriebe zur Abnahme vorzusehen, wobei die oben beschriebene getriebefreie Leistungsabnahme bevorzugt ist. Darüber hinaus ist zudem eine Kopplung der eingesetzten Rotoren denkbar.
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Weiterhin vorteilhaft erfolgt die Leistungsabnahme direkt von einer oder mehreren Rotorenscheiben und/oder Rotorenträgerelement. Dies wird bevorzugt erreicht, indem man am äußeren Umfang einer oder mehrerer Rotorenscheiben und/oder Rotorenträgerelemente mindestens einen Permanentmagnet anordnet. Vorteilhaft ist an das dazugehörige plattenartige Rahmenelement bzw. das zugehörige Rotorträgerelement mindestens eine Wicklung oder mindestens eine Spule angebracht. Der Permanentmagnet ist beispielhaft aus Neodym. Bekannte Ringgeneratoren horizontaler Anlagen finden in einer besonders bevorzugten Ausführungsform Verwendung. Da der Generator dadurch in die Windkraftanlage integriert wäre, könnte die gesamte Anlage auch als Windkraftgenerator angesehen oder bezeichnet werden. Durch den Einsatz solcher Ringgeneratoren werden vorteilhaft Verschleißteile reduziert. Selbstverständlich ist die Leistungsabnahme nicht auf die genannten Ausführungsvarianten beschränkt. Ferner ist auch die Verwendung von Asynchrongeneratoren denkbar.
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Da Vertikalachswindenergiekonverter für ihren ruhigen Lauf bekannt sind und einen weniger störenden Anblick wie HAWT-Anlagen bieten, werden sie vorteilhaft in Ortschaften, Städten und Industriegebieten aufgestellt und zur lokalen Stromversorgung angeschlossen. Dies spart viele Kilometer lange Stromleitungen.
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Ebenso kann der Strom bei Gemeinden und Städten ins öffentliche Netz eingespeist werden oder in Akkus gespeichert und zu der Aufladung von E-Autos, E-Bikes sowie zur Straßenbeleuchtung genutzt werden.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Windenergienutzung mittels einer Windkraftanlage gemäß einer der beschriebenen Ausführungsformen, wobei der Anströmluftfluss durch Luftleitflächen von mit einer Rotation gegen einen Anströmluftfluss laufenden Rotorblättern abgeschirmt und auf die Rotorblätter von zueinander geneigt ausgebildeten Rotoren gelenkt wird. Für die geometrische Ausbildung der Luftleitflächen bzw. des Neigungswinkels der Rotoren zueinander und/oder des Neigungswinkels der Rotoren zu dem Zentralträger wird auf oben erläuterte Ausführungen verwiesen und diese für das Verfahren vollständig eingeschlossen. Insbesondere das Leiten der Luft auf zueinander geneigt ausgebildete Rotoren ist besonders vorteilhaft, da es einer Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit von der Höhe Rechnung trägt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zentrieren, stabilisieren und führen plattenartige Rahmenelemente und/oder daran angeordneten Führungselemente das Rotorrahmengestell an dem Zentralträger und/oder zentrieren, stabilisieren und führen plattenartige Rahmenelemente und/oder daran angeordnete Führungselemente die Rotoren in dem Rotorrahmengestell. Dies ist vorteilhaft, da so mit wenig Aufwand Vibrationen und Materialbeanspruchung an den Rotoren minimiert werden können.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Windkraftanlage. Ein erster Schritt ist das Aufstellen eines im Wesentlichen senkrechten Zentralträgers. Darauf folgt das hängende Anordnen eines Rotorrahmengestells zur Aufnahme von Rotoren an dem Zentralträger. Hierbeit ist ein erster Schritt das drehbare Anordnen eines oberen Rotorträgerelements zur Aufnahme von Rotoren an dem Zentralträger und ein zweiter Schritt das Anordnen eines unteren Rotorträgerelements parallel zu dem oberen Rotorträgelement zwischen einem Sockel und dem oberen Rotorträgerelement, wobei das untere Rotorträgerelement an dem Zentralträger geführt wird.
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Besonders der erste Schritt mit einem Zentralträger und das nachfolgende Anordnen einer Rotorrahmengestells ist vorteilhaft, da auf diese Weise sehr zeit- und kosteneffizient eine sehr effektive Windkraftanlage bereitstellbar ist.
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Ferner ist vorteilhaft, dass die Rotorenträgerelemente ebenfalls aus Metall, bevorzugt Stahl oder Aluminium, ausgebildet sind. Ausführungsformen aus Aluminium oder Stahl sind auch für Rotoren und/oder Rotorensegmente und/oder Rotorenscheiben und/oder Rotorenflügel und/oder Rotorkernsegmenten und/oder Endzapfen denkbar. Damit gibt es vorteilhaft keine Gefährdungen bei der Verarbeitung von Epoxidharzen, da die Rotoren nicht aus Kunststoff bestehen. Allerdings sind auch Verbundmaterialien denkbar, beispielsweise faserverstärkter Kohlenstoffverbund.
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Es ist zudem denkbar, dass die Rotorenscheiben im Durchmesser etwas größer als die daran befestigten Rotorblätter sind. Damit dienen sie vorteilhaft der Führung und Stabilisierung des Rotors im Rotorrahmengestell sowie der Konzentrierung des Luftstroms auf die Flügel. Ein Ausweichen des Luftstroms nach oben oder unten hin wird verhindert.
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Darüber hinaus sind die Rotorenträgerplatten und/oder Etagenplatten und die Rotorenscheiben derart ausgebildet, dass sie zumindest teilweise begehbar sind. Im Wartungszustand kann Personal über den Zentralträger auf die jeweilige Rotorenträgerplatte und/oder Etagenplatte und von dort auf die jeweilige Rotorenscheibe gelangen und dort entsprechend Wartungsarbeiten durchführen.
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Denkbar ist fernerhin, dass solche Windkraftanlagen auf Schiffen oder Booten Verwendung finden. Die gewonnene Energie wird dabei bevorzugt zur allgemeinen Stromversorgung des Schiffes verwendet. Sie kann aber auch als Antrieb genutzt werden. Hierzu ist es vorteilhaft, den Zentralträger als Mast auszubilden. Ein Ausgleich der Schiffschwankungen ist dann beispielsweise durch Motoren oder Seile gewährleistet.
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Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich auf Privatgrundstücken mit Eigenheim, auf Gemeindeflächen oder in Windparks. Die Windkraftanlagen lassen sich in Städten zur allgemeinen Energieversorgung, zur Versorgung von Ladestationen für Elektrofahrräder und Elektroautos sowie zur Straßenbeleuchtung anwenden. Auf Inseln lassen sie sich vorteilhaft zur allgemeinen Stromversorgung verwenden.
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Auf See sind Offshore-Windparks denkbar, bevorzugt ausgebildet als schwimmende Plattformen beispielsweise im Dreieck als mobile Kraftwerkgruppe. Für derartige Offshore-Windparks können die hier beschriebenen Windkraftanlagen in wesentlich höherer Dichte angeordnet werden, wodurch sich vorteilhaft verkürzte Leitungs- und Anschlusswege bedingen. Vorteilhaft können die schwimmenden Plattformen als Einzelmodule, beispielsweise als sechseckig ausgebildete Schwimmkörper, ausgebildet sein und in beliebiger Anzahl wabenförmig aneinander anordbar sein. Ganz besonders vorteilhaft umfassen diese Einzelmodule jeweils wenigstens eine beschriebene Windkraftanlage, welche auf dem wenigstens einen Schwimmkörper bevorzugt fest angeordnet ist. Vorteilhaft erfolgt die Verbindung der Einzelmodule manuell und/oder über Fernzugriff. Hierzu umfasst jedes Einzelmodul weiterhin bevorzugt wenigstens ein Antriebselement, beispielsweise einen Motor, und/oder ein Steuerungsmodul, so dass das jeweilige Modul und/oder mehrere aneinander angeordnete Module, welche eine Plattform ausbilden, über Fernzugriff gesteuert und positioniert werden können. Dies ist insbesondere bei veränderten Windverhältnissen oder auch zu Wartungszwecken von Vorteil.
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Weitere Möglichkeit ist eine Anwendung in Krisengebieten und anderen Notsituationen. Weiterhin lassen sich die hier beschriebenen Windkraftanlagen auf Schiffen als umweltschonender Antrieb und/oder zur Stromversorgung auf See einsetzen, so dass auf Schweröl verzichtet werden kann.
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Ferner ist denkbar mehr als zwei Rotoren vorzusehen, beispielsweise drei, vier, fünf oder auch sechs Rotoren.
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Je nach Ausführungsform ist die Größe der hier beschriebenen Windkraftanlage bevorzugt im Bereich von 20 cm bis 150 m, mehr bevorzugt im Bereich von 10 m bis 100 m. Die Rotorblätter umfassen eine Erstreckung zwischen zwei Rotorenscheiben von bevorzugt 1 m bis 15 m, mehr bevorzugt von 2 m bis 12 m und meist bevorzugt 10 m.
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Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen: Dabei zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Windkraftanlage im energiegewinnenden Zustand;
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2 eine Seitenansicht einer beispielhaften Windkraftanlage im Wartungszustand;
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3 eine schematische Ansicht eines Bauteils einer beispielhaften Windkraftanlage;
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4 eine schematische Ansicht eines weiteren Bauteils einer beispielhaften Windkraftanlage;
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5 eine schematische Ansicht eines Rotors einer beispielhaften Windkraftanlage; 6 eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Windkraftanlage ohne Luftleitflächen;
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7 eine schematische Draufsicht auf eine beispielhafte Windkraftanlage in einem energiegewinnenden Zustand;
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8 eine schematische Draufsicht auf eine beispielhafte Windkraftanlage im Wartungszustand;
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9 eine weitere schematische Draufsicht auf eine beispielhafte Windkraftanlage; und
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10 bis 12 mögliche Verwendungsformen einer beispielhaften Windkraftanlage.
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13 Verbindung zweier Rotorkernsegmente über ein Planetengetriebe
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14 Draufsicht auf ein schematisches Planetengetriebe
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Windkraftanlage 1 im energiegewinnenden Zustand. In dieser Ausführungsform umfasst der konisch nach oben zulaufende Zentralträger 2, ein Rotorrahmengestell 10 mit einer oberen 11a und einer unteren Rotorträgerplatte 11b sowie drei weiteren parallel dazu angeordnete plattenartige Rahmenelementen 12, bevorzugt Etagenplatten, welche jeweils mit stangenartigen Rahmenelementen 13 mit der jeweils darüber/darunter liegenden Rotorträgerplatte 11a, 11b bzw. dem darunter liegenden plattenartigen Rahmenelementen 12 verbunden sind. Die obere Rotorträgerplatte 11a ist mittels Lager 14 um die Drehachse D3 drehbar an dem Zentralträger 2 angeordnet und/oder an diesem aufgehangen. Die Windkraftanlage 1 weist zwei Rotoren 8, 9 auf, welche nach oben konisch zulaufend ausgebildet sind. Die beiden Rotoren 8, 9 bzw. deren Drehachsen D1 und D2 schließen einen gedachten Winkel ein, welcher bevorzugt zwischen 1° und 20° liegt. Die Rotoren 8, 9 sind drehbar um ihre jeweilige Drehachse D1, D2 gelagert an beiden Rotorenträgerelementen 11a, b angebracht. Die beiden Rotoren 8, 9 sind derart ausgebildet, dass sie, bei Luftströmungsbeaufschlagung, gegenläufig zueinander rotierbar sind.
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In jedem Zwischenraum zwischen zwei plattenartigen Rahmenelementen 12 bzw. dem Rotorenträgerelement 11a, 11b weist jeder Rotor 8, 9 beispielhaft wenigstens ein Rotorkernsegment 21, welches als durchgängige, einteilige Welle und/oder aus mehreren zusammensetzbaren Wellensegmenten ausgebildet sein kann. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel bilden mehrere Rotorkernsegmente 21 die Rotoren 8, 9 aus. An den Enden der Rotorkernsegmente 21 sind Rotorenscheiben 23 angeordnet. Zwei Rotorenscheiben 23 sind durch die dazwischen angeordneten Rotorblätter 24 voneinander beabstandet. Die Rotorblätter 24 sind in diesem Ausführungsbeispiel lammellenartig ausgebildet und weisen einen gekrümmten und/oder U-förmigen Querschnitt auf. Bevorzugt sind die Rotorblätter 24 in Richtung des Rotorenkernsegments 21 geneigt ausgebildet, bevorzugt in einem Winkel von 0,1 bis 10°. Bevorzugt ist die beispielhafte Lamelle 24 mit konstantem Querschnitt ausgebildet, wobei es auch denkbar ist, dass sie sich zumindest zu einem Ende hin verjüngt und/oder eine stärkere Krümmung aufweist.
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Weiterhin umfasst die Windkraftanlage 1 einen Sockel 3, auf dem der Zentralträger 2 angeordnet ist. Ein Sockel kann dabei eine beliebige Bodenbestigung, beispielsweise ein Fundament, ein Standfuß oder ähnliches sein. Rotoren 8, 9 sowie Rotorrahmengestell 10 sind im einfachsten Fall zeitgleich beweglich rotierbar. Es ist allerdings auch möglich, Rotoren 8, 9 oder Gestell 10 zusammen und/oder einzeln zu blockieren, beispielsweise im Wartungsfall Zudem sind hier die Luftleitflächen 40 im eingefahrenen Zustand, also im Zustand der Energiegewinnung, gezeigt. Die Luftleitflächen 40 sind konvex gekrümmt ausgebildet und teilen den auftreffenden Luftstrom, schirmen die entgegen der Windrichtung laufenden Rotorblätter vor ihm ab und führen diesen somit verstärkt direkt auf die äußeren Rotorblätter der zueinander gegenläufigen Rotoren 8, 9. Vorteilhaft sind die Luftleitflächen 40 in ihrer Position schwenkbar und/oder in ihrer Fläche veränderbar ausgebildet. Zudem wird auf der luftströmungsabgewandten Innenseite der Luftleitflächen 40 ein Unterdruck erzeugt, welcher eine Sogwirkung auf die nach außen laufenden Rotorblätter ausübt. Enden die Luftleitflächen 40 bricht die Abschirmung des Luftstroms W ab und die Sogwirkung setzt ein. Hierdurch wird der Luftstrom W in Richtung der Rotoren 8, 9 geführt und zudem bevorzugt zugleich beschleunigt. Somit trifft ein gezielt geleiteter, beschleunigter Luftstrom W auf die Rotorblätter 24 und bedingt die Rotation der Rotoren 8, 9. Dies wird in 1 veranschaulicht.
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2 zeigt die Windkraftanlage 1 im Wartungszustand, also im ruhenden Zustand, wobei gleiche Bezugszeichen wie oben erläutert nicht erneut definiert werden. In diesem Zustand stehen die Rotoren 8, 9 still. Die Luftleitflächen 40 sind ausgefahren und bilden eine Abschirmung. Der auf die ausgefahrenen Luftleitflächen 40 auftreffende Luftstrom wird durch die Luftleitflächen 40 derart geführt, dass er an den Rotoren 8, 9 vorbeiströmt ohne diese in Rotation um ihre Drehachsen D1, D2 zu versetzen. Dies ist insbesondere im Wartungsfall von Vorteil, da das Servicepersonal somit gefahrlos die Rotoren 8, 9 warten und reparieren kann.
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Der Zentralträger 2 ist in 3 in einer perspektivischen Abbildung zum besseren Verständnis erneut dargestellt. Am oberen freien Ende des Zentralträgers 2 ist das Lager 14 angeordnet. An diesem Lager 14 erfolgt die Befestigung und/oder Lagerung des Rotorenträgerelements 11a (nicht gezeigt) und somit auch die Aufhängung des Rahmengestells 10.
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In 4 ist ein Rotorrahmengestell 10 zum besseren Verständnis gezeigt. Das Rotorrahmengestell 10 wird von der oberen und unteren Rotorträgerplatte 11a, 11b begrenzt. Die Rotorträgerplatten 11a, 11b weisen eine in Luftströmungsrichtung W weisende Keilform auf, die gegen die Luftströmungsrichtung W leicht nach außen gewölbt auseinander läuft und mit einer geraden Kante auf der Wind abgewandten Seite abschließt. Bevorzugt ist die Geometrie der Rotorträgerplatten 11a, b derart ausgebildet, dass wenigstens eine, bevorzugt zwei ihrer Seitenflächen nach außen gekrümmt ausgebildet sind. Dies ist vorteilhaft für die gezielte Führung des eintreffenden Luftstroms W.
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Die Rotorträgerplatten 11a, b umfassen bevorzugt weiterhin zwei Öffnungen 29a, b zur Aufnahme und Lagerung der jeweiligen Rotoren 8, 9 (in 4 nicht gezeigt) sowie wenigstens eine weitere Öffnung 30 in der unteren Rotorträgerplatte 11b zur Führung des Rotorrahmengestells 10 an dem Zentralträger 2 (in 4 nicht gezeigt). Ferner umfassen die Rotorträgerplatten 11a, b und die übrigen plattenartigen Rahmenelemente 12 im äußeren Kantenbereich bevorzugt drei weitere Öffnungen 28 zur Aufnahme und Anordnung der stangenartigen Rahmenelemente 13. In diesem Beispiel umfasst die Rotorträgerplatte 11a weiterhin, bevorzugt auf ihrer Symmetrieachse S den Lagerungspunkt und/oder die Lagerungsfläche L, an welchem die Aufhängung und/oder Lagerung der oberen Rotorträgerplatte 11a an dem Zentralträger 2 (in 4 nicht gezeigt) erfolgt. Es ist deutlich, dass in diesem Ausführungsbeispiel die Lagerungsfläche L nicht zentriert in der oberen Rotorträgerplatte 11a angeordnet ist, sondern von dem zentralen Mittelpunkt versetzt ausgebildet ist. Dies ist vorteilhaft, da somit die beiden Rotoren 8, 9 in Luftströmungsrichtung W hinter dem Zentralträger 2 angeordnet sind.
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Die plattenartigen Rahmenelemente 12, hier als Etagenplatten ausgebildet, entsprechen in ihrer Umfangsgeometrie den Rotorträgerplatten 11a, b. Zusätzlich umfasst das Rahmenelement 12 zwei vergrößerte Öffnungen 26, in welchen die Rotoren 8, 9 führbar sind. Zudem umfasst das Rahmenelement 12 sowie das untere Rotorenträgerelement 11b weiterhin eine zusätzliche Öffnung 30, durch welche das Gestell um den nicht gezeigten Zentralträger 2 führbar ist. In den Außenbereichen der plattenartigen Rahmenelemente 12 sind weiterhin mehrere Öffnungen 28 zur Aufnahme und Fixierung der stabförmigen Rahmenelemente 13 vorgesehen.
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Ferner umfassen die Öffnungen 26, 30 bevorzugt wenigstens drei, bevorzugt sechs, Führungselemente 34. Bevorzugt sind die Führungselemente 34 gleichmäßig voneinander beabstandet an den Kantenbereichen der Öffnungen 26, 30 derart angeordnet, dass sie zumindest teilweise in die Öffnung 26, 30 hineinragen und deren Durchmesser reduzieren. Weiterhin bevorzugt sind die Führungselemente 34 bevorzugt elastisch ausgebildet, so dass sie Zentralträger 2 und/oder Rotoren 8, 9 bei Kraftbeaufschlagung führen und einen Anschlag an den Kantenbereichen der Öffnungen 26, 30 verhindern. Die Form der Führungselemente 34 kann variabel ausgebildet sein. Weiterhin bevorzugt sind die Führungselemente 34 selbst rotierbar ausgebildet. Dies ist vorteilhaft zur schnellen Kraftabführung bei Kraftbeaufschlagung.
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Die Führungselemente 34 dienen der Führung von Rotor 8, 9 in dem Rotorrahmengestell 10 sowie dem Rotorrahmengestell 10 an dem Zentralträger 2 und wirken als Geräuschdämmung und Vibrationsreduzierung.
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In 5 ist ein beispielhafter Rotor 8 mit lamellenartigen Rotorblättern 24 gezeigt. Der Rotor 8 umfasst hier beispielhaft acht Rotorkernsegmente 21 Die Rotorenscheiben 23 separieren die einzelnen Rotorenkernsegmente 22. In einer außen liegenden Position weist ein Rotorblatt 24 mit der Wölbung genau gegen die Windrichtung. Zwischen den Rotorblättern 24 und dem Rotorkernsegment 21 ist ein Luftabstand. Dies hat den Vorteil, dass sich gegen die Windrichtung bewegende Rotorblätter 24 auf der Innenseite nicht zu einem Gegendruck Stau führt, da der Luftabstand einen einfachen Druckausgleich ermöglicht. Weiterhin hat die Lamellenform oder Flügelform den Vorteil, dass auf der Außenseite eine möglichst starke Bewegung durch den Windstrom erzeugt wird, auf der Innenseite jedoch ein möglichst geringer Windwiderstand herrscht.
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Je nach Ausführung kann, wie bereits oben erwähnt, der Rotor 8, 9 einteilig oder auch mehrteilig ausgebildet sein. So ist auch denkbar, den Rotor 8, 9 zweiteilig auszubilden, so dass zwei miteinander verbindbare Rotorenkernsegmente 21 vorgesehen sind. Diese Ausbildung ist selbstverständlich nicht auf das hier beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern für alle oben bereits ausgeführten Varianten der Windkraftanlage anwendbar.
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Am oberen freie Ende 36 des Rotors 8 oder 9 kann ein weiteres Lager 38 vorgesehen sein, welches die Rotation des Rotors 8, 9 um die entsprechende Drehachse D1, D2 ermöglicht. Neben der Ausbildung als Lager ist auch die Ausbildung als Führungspin denkbar, welcher dann in ein Lager (nicht gezeigt) der Rotorträgerplatten 11a, b eingreift.
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6 zeigt eine weitere schematische Ansicht einer Windkraftanlage 1 allerdings ohne Luftleitflächen 40. Gleiche Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Figuren werden nicht erneut erklärt. Die Rotoren 8, 9 sind in Luftströmungsrichtung hinter dem Zentralträger 2 angeordnet.
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In 7 ist eine weitere Draufsicht einer Windkraftanlage 1 im energiegewinnenden Zustand gezeigt. In 7 sind die Luftleitflächen 40 im eingefahrenen, unausgelenkten Zustand dargestellt, so dass bevorzugt der maximal mögliche Luftstrom auf die sich in Luftstromrichtung beweglichen Rotorblätter aufschlägt und gleichzeitig die gegen den Anströmluftfluss laufenden Rotorblätter von dem Luftstrom abgeschirmt sind. Jedoch ist dies nicht beschränkend zu verstehen, da die Luftleitflächen 40 um die Achse A schwenkbar sind, so dass diese aus ihrer Ruheposition ausgelenkt werden. Dies kann manuell oder auch automatisch mittels Sensoren gesteuert werden. Bevorzugt erfolgt die Schwenkung der Luftleitflächen 40 in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit. Die dargestellte Position der Luftleitflächen 40 ist bevorzugt bei schwächerem Wind gewählt, um durch die Brechung des eintreffenden Luftstroms diesen vor dem Auftreffen auf die Rotorblätter 24 wieder zu beschleunigen. Somit steigt die Effektivität der hier beschriebenen Windkraftanlage 1 deutlich. In gestrichelten Linien sind weitere Luftleitelemente 42 senkrecht zur Luftströmungsrichtung seitlich außen gezeigt. Diese dienen einem Komprimierenen von Luft und einer Vergrößerung der auf die Rotorblätter auftreffenden Luftmenge. Denkbar ist, dass diese weiteren Luftleitelemente 42 als beabstandende Rahmenelemente 13 (hier nicht gezeigt) ausgebildet sind.
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8 zeigt eine weitere schematische Draufsicht auf eine Windkraftanlage 1 im Wartungszustand, also mit ausgefahrenen Luftleitflächen 40. Im ausgefahrenen Zustand schirmen die Luftleitflächen 40 die Rotoren 8, 9 im Wesentlichen vollständig von dem einströmenden Luftstrom ab, so dass Wartungs- und Reparaturarbeiten gefahrlos möglich sind. Bevorzugt sind daher die Luftleitflächen 40 mehrteilig, wenigstens zweiteilig, ausgebildet. Das Ausfahren der Luftleitflächen erfolgt maschinell, beispielsweise mittels Motoren (nicht gezeigt) und kann manuell vor Ort oder auch automatisch über Fernwartung erfolgen.
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In 9 ist eine Draufsicht auf die Anordnung der Rotoren 8, 9 gezeigt, wobei das Rotorrahmengestell nicht gezeigt ist. Gleiche Bauteile wie zuvor beschrieben weisen gleiche Bezugszeichen auf und werden nicht mehr erneut erläutert. Hier soll gezeigt werden, dass die einzelnen Rotorblätter 24 des jeweiligen Rotors 8, 9 versetzt zueinander anordbar sind, um eine entsprechend große Leistungsabnahme zu gewährleisten. In diesem Ausführungsbeispiel sind insgesamt acht Segmente 21 dargestellt. Auf jeder Rotorenscheibe 23 sind jeweils drei Rotorblätter 24 im Abstand von 120° angeordnet. Immer zwei zueinander benachbart angeordnete Segmente 21 weisen in den Zwischenräumen der benachbarten Rotorenscheiben 23 zueinander eine um den Winkel α von 60° versetzte Anordnung der Rotorblätter 24 auf. Dies ist allerdings nicht beschränkend. So hat sich zudem überraschend gezeigt, dass eine schrittweise Versetzung der Rotorblätter von oben nach unten in einem Bereich von bevorzugt 15° bis 30° zueinander eine besonders effektive Ausbildung darstellt. Durch die hierdurch bedingte Spiralform der Rotorblätter 24 wird eine effektive Möglichkeit der Ausnutzung der Windkraft gewährleistet. Die Versetzung richtet sich zudem immer auch nach der Höhe der gesamten Anlage, so ist für acht Segmente 21 eine Versetzung von 15° vorteilhaft, wohingegen bei 6, 5, oder 4 Segmenten 21 eine Versetzung von 20°, 24° bzw. 30° vorteilhaft ist.
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Die 10 bis 12 zeigen mögliche Verwendungen der hier beschriebenen Windkraftanlage, beispielsweise im Off-Shorebereich auf einer schwimmenden, wabenartigen Trägerstruktur oder aber auch als Mast auf einem Schiff.
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13 und 14 zeigen eine Verbindung zweier Rotorkernsegmente 51, 52 über ein Planetengetriebe 53. Das obere Rotorkernsegment 51 weist einen Endzapfen 54 mit einem Zahnrad 58 auf. Dieser Endzapfen 54 befindet sich in einer Vertiefung eines zweiten Rotorkernsegments 52 mit äußerem Zahnrad 56. Dazwischen sind sog. Planetenzahnräder 60 zum Erzielen eines konstanten Rotationsgeschwindigkeitsverhältnisses angeordnet.
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Der Anmelder behält sich vor, sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale als erfindungswesentlich zu beanspruchen, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Windkraftanlage
- 2
- Zentralträger
- 3
- Sockel
- 8, 9
- Rotor
- 10
- Rotorrahmengestell
- 11a, b
- Rotorträgerplatte
- 12
- plattenartiges Rahmenelement (Etagenplatte)
- 13
- beabstandendes (stangenartiges) Rahmenelement
- 14
- Lager
- 21
- Rotorenkernsegment
- 23
- Rotorenscheibe
- 24
- Rotorblatt
- 26
- Öffnung
- 28
- weitere Öffnung
- 29a
- Öffnung zur Anordnung der Rotoren
- 29b
- Öffnung zur Anordnung der Rotoren
- 30
- weitere Öffnung
- 34
- Führungselement
- 40
- Luftleitflächen
- 51
- Oberes Rotorkernsegment
- 52
- Unteres Rotorkernsegment
- 53
- Planetengetriebe
- 54
- Endzapfen des oberen Rotorkernsegmentes
- 56
- Äußeres Zahnrad an dem unteren Rotorkernsegment
- 58
- Inneres Zahnrad an dem oberen Rotorkernsegment
- 60
- Übersetzungszahnrad in dem Planetengetriebe
- S
- Symmetrieachse
- D1, D2
- Drehachse Rotor
- D3
- Drehachse Rotorrahmengestell
- A
- Schwenkachse
- L
- Lagerung
- W
- Windstrom/Anströmluftfluss
