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Die Erfindung betrifft eine Windturbinenanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Es sind vertikal angeordnete Windturbinen bekannt, bei denen die rotierenden Teile auf einer vertikalen, zentrischen Welle angeordnet sind. Solche Windturbinen werden auch als Vertikalläufer bezeichnet. Vertikal angeordnete Windturbinen weisen den Vorteil auf, dass der Wind aus allen Richtungen kommen kann, ohne dass sich die Windturbine in die Windrichtung drehen muss.
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Aus der
WO 2015/101761 A1 ist ein Windturbinenmodul bekannt, das eine Windturbine in vertikaler Bauweise aufweist, wobei die Windturbine innerhalb eines quaderförmigen Stützkäfigs angeordnet ist.
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Aus der
US 2008/0258468 A1 ist eine Windturbinenanlage bekannt, die zwei vertikal übereinander angeordnete Windturbinenmodule aufweist, wobei jedes Windturbinenmodul eine Windturbine in vertikaler Bauweise und einen quaderförmigen Stützkäfig aufweist.
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Aus der
US 2009/0079197 A1 ist eine Windturbinenanlage bekannt, bei der in einem quaderförmigen Stützkäfig übereinander zwei Windturbinen in vertikaler Bauweise angeordnet sind, wobei die Windturbinen dabei mit unterschiedlicher Drehrichtung laufen.
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Die
DE 20 2009 007 926 U1 beschreibt eine Windkraftanlage, bei der ein Widerstandsläufer und einen Auftriebsläufer übereinander angeordnet sind, wobei der Auftriebsläufer einen Freilauf besitzt, so dass er schneller als der Widerstandsläufer laufen kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine effektive Windturbinenanlage bereitzustellen, die eine stabile Konstruktion aufweist und dadurch geeignet ist, in Starkwindorten eingesetzt zu werden und starken Winden zu trotzen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Windturbinenanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Windturbinenanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Danach betrachtet die Erfindung eine Windturbinenanlage, die vertikal übereinander angeordnete Windturbinenmodule aufweist, wobei die Windturbinenmodule jeweils eine Windturbine in vertikaler Bauweise aufweisen, die eine vertikale, zentrisch angeordnete Welle, mindestens einen mit der Welle verbundenen drehbaren Läufer und einen über die Welle angetriebenen elektrischen Generator aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass die Windturbine innerhalb eines quaderförmigen Stützkäfigs angeordnet ist.
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Die Windturbinenanlage umfasst gemäß einem ersten Erfindungsaspekt zwei vertikal übereinander angeordnete und miteinander verbundene Windturbinenmodule, wobei das eine Windturbinenmodul eine Windturbine umfasst, die einen Widerstandsläufer, aber keinen Auftriebsläufer aufweist, und das andere Windturbinenmodul eine Windturbine umfasst, die einen Auftriebsläufer, aber keinen Widerstandsläufer aufweist. Der Widerstandsläufer ist derart ausgebildet, dass ein Drehmoment nur in einer definierten Drehrichtung auf die zugehörige Welle übertragen wird, während der Widerstandsläufer entgegen der Drehrichtung frei läuft. Weiter ist vorgesehen, dass die Wellen der beiden Windturbinenmodule miteinander gekoppelt sind.
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Diese Lösung ist mit dem Vorteil verbunden, dass der Widerstandsläufer und der Auftriebsläufer jeweils in einem separaten Stützkäfig untergebracht sind, wobei jedoch das Prinzip einer Anlaufhilfe durch die Kopplung der beiden Wellen gegeben ist. Dadurch, dass Widerstandsläufer und Auftriebsläufer nicht in dem gleichen Stützkäfig untergebracht sind, kann erreicht werden, dass der Auftriebsläufer von noch mehr Wind durchströmt wird und eine höhere Rotationsgeschwindigkeit erreicht.
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Es ist gemäß dem ersten Erfindungsaspekt weiter vorgesehen, dass jeweils zwei Windturbinenmodule, deren Wellen wie erläutert miteinander gekoppelt sind, gestürzt, d. h. Kopf über auf zwei weiteren Windturbinenmodulen, deren Wellen miteinander gekoppelt sind, angeordnet sind. Durch die gestürzte Anordnung wird Unwucht-Schwingungen entgegengewirkt.
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Eine Ausgestaltung des ersten Erfindungsaspektes sieht vor, dass die Wellen der beiden Windturbinen über ein Übersetzungsgetriebe, z.B. ein Planetengetriebe miteinander gekoppelt sind, wobei das Übersetzungsgetriebe derart angeordnet und ausgebildet ist, dass die Rotationsgeschwindigkeit der Windturbine mit Auftriebsläufer größer ist als die Rotationsgeschwindigkeit der Windturbine mit Widerstandsläufer. Hierdurch wird erreicht, dass der Auftriebsläufer in besonders effektiver Weise eine Anlaufhilfe durch den Widerstandsläufer erfährt und dadurch besonders schnell seine optimale Strömungssituation erreicht, um eigenständig laufen zu können.
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Gemäß einem zweiten Erfindungsaspekt ist vorgesehen, das zwei Windturbinenmodule identischer Bauart vertikal übereinander angeordnet werden, wobei das obere Windturbinenmodul gestürzt, d. h. Kopf über auf dem unteren Windturbinenmodul angeordnet wird, wobei auch die Windturbine des oberen Windturbinenmoduls in eine gestürzte Position gelangt. Damit einher geht, dass die beiden Windturbinen der beiden Module mit unterschiedlicher Drehrichtung laufen. So weist jede Windturbine eine natürliche Drehrichtung auf, die durch die Form der Läufer definiert ist. Bei einer gestürzten bzw. um 180° gedrehten Anordnung einer Windturbine dreht diese in die entgegengesetzte Richtung.
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Dabei ist vorgesehen, dass die Windturbine jedes Windturbinenmoduls mindestens einen Widerstandsläufer und mindestens einen Auftriebsläufer umfasst, wobei der Auftriebsläufer mit der Welle fest verbunden ist und der Widerstandsläufer derart mit der Welle verbunden ist, dass über den Widerstandsläufer ein Drehmoment nur in einer definierten Drehrichtung auf die Welle übertragbar ist, während der Widerstandsläufer entgegen der Drehrichtung frei läuft.
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Die gestürzte Anordnung des oberen Windturbinenmoduls wird ermöglicht durch die modulare Bauweise der beiden Module unter Verwendung eines quaderförmigen Stützkäfigs.
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Eine solche gestürzte Anordnung ist mit dem Vorteil verbunden, dass auftretende Schwingungen und Vibrationen reduziert oder sogar vollständig verhindert werden. Denn aufgrund der identischen Bauart und gestürzten Anordnung des oberen Moduls heben sich die durch die beiden Module erzeugten Schwingungen zumindest teilweise auf.
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Sämtliche Komponenten der Windturbine einschließlich des Generators sind innerhalb des Stützkäfigs, also dem durch diese definierten Volumen angeordnet, so dass keine Komponenten aus den Seitenflächen des Stützkäfigs herausragen. Hierdurch wird ein Windturbinenmodul bereitgestellt, das über den quaderförmigen Stützkäfig in einfacher Weise und modular mit weiteren Windturbinenmodulen verbunden werden kann. Dabei wird durch den modularen Aufbau mit Stützkäfig der Transport und das Handling der einzelnen Windturbinenmodule stark vereinfacht. Dies gilt in besonderem Maße, wenn der Stützkäfig würfelförmig ausgebildet ist.
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Der Stützkäfig schützt sowohl die rotierenden Teile der Windturbine als auch die Umgebung. Ersteres, da über den Stützkäfig beispielsweise Vögel von einem Kontakt mit der eigentlichen Windturbine abgehalten werden. Letzteres, da in dem seltenen Fall eines Bruchs oder dergleichen von Turbinenkomponenten der Stützkäfig sich lösende Teile abfangen und dadurch die Umgebung schützen kann.
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Der Stützkäfig wird beispielsweise durch eine Rahmenkonstruktion gebildet, die die Kanten des durch den Stützkäfig gebildeten Quaders bildet. Der Begriff Rahmenkonstruktion wird dabei als Oberbegriff für jedwede Konstruktion verwendet, die die Kanten des Quaders strukturell definiert. Es kann sich beispielsweise um eine Rohrkonstruktion handeln, bei der die Kanten des durch den Stützkäfig gebildeten Quaders durch Rohre gebildet sind. Alternativ können die Kanten beispielsweise durch Profile oder Gitterstäbe gebildet sein. Die zwischen den Kanten der Rahmenkonstruktion ausgebildeten sechs Seitenflächen des Quaders sind grundsätzlich offen, so dass der Wind durch die Rahmenkonstruktion treten kann. Dies schließt allerdings nicht aus, im Bereich der Seitenflächen zusätzliche Verstrebungen vorgesehen sind, die die Stabilität des Stützkäfigs erhöhen, oder in Teilbereichen Schutzbleche angeordnet sind.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Windturbinenmodul zwei vertikal beabstandete Platten aufweist, nämlich eine Oberplatte und eine Unterplatte, die mit dem Stützkäfig verbunden sind und zwischen denen die Windturbine angeordnet ist. Die Oberplatte und die Unterplatte dienen der Befestigung und Lagerung der Komponenten der eigentlichen Windturbine. Über sie erfolgt der Einbau der Windturbine in den Stützkäfig.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass an einer Ecke des Stützkäfigs, an der zwei Kanten des durch den Stützkäfig gebildeten Quaders zusammenstoßen, ein Knotenblech angeordnet ist, das Aufnahme-Bohrungen zur Befestigung von Komponenten des Windturbinenmoduls aufweist. Bei Anordnung von solchen Knotenblechen an jeder Ecke des Stützkäfigs ergeben sich 24 Knotenbleche. Die genannte Oberplatte und Unterplatte sind beispielsweise über solche Knotenbleche mit dem Stützkäfig verbunden.
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Eine Ausgestaltung hierzu sieht vor, dass die Windturbine über Dämpfungselemente vom Stützkäfig entkoppelt ist. Hierzu sind beispielsweise die Oberplatte und/oder die Unterplatte über Dämpfungselemente mit dem Stützkäfig verbunden. Durch diese Ausgestaltung wird sichergestellt, dass auftretende Schwingungen und Vibrationen der Windturbine sich nicht oder in nur reduziertem Maße auf den Stützkäfig übertragen.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass der Generator auf einer Befestigungsplatte angeordnet ist, die wiederum mit der Unterplatte verbunden ist. Gemäß einer Ausführungsvariante ist die Befestigungsplatte in der Ebene der unteren horizontalen Seitenfläche des Stützkäfigs angeordnet.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Stützkäfig kubisch ausgebildet ist. Hierdurch wird ein besonders kompakter und einfach stapelbarer Aufbau bereitgestellt.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Stützkäfig zusätzliche Verstrebungen aufweist, die jeweils in der Ebene einer Seitenfläche des Stützkäfigs ausgebildet sind. Diese dienen einer strukturellen Verstärkung und Versteifung des Windturbinenmoduls. Dies kann insbesondere dann von erhöhter Bedeutung sein, wenn mehrere Windturbinenmodule zu einer Windturbinenanlage zusammengesetzt sind. Auch kann der Stützkäfig Schutzbleche oder Verkleidungsbleche aufweisen, die sich beispielsweise angrenzend an die Kanten des quaderförmigen Stützkäfigs erstrecken. Solche Schutzbleche oder Verkleidungsbleche können ebenfalls an den bereits erwähnten Knotenblechen befestigt sein.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das Windturbinenmodul des Weiteren mindestens einen Wind-Kollektor umfasst, der an einer vertikal verlaufenden Kantenstruktur des Stützkäfigs angeordnet ist. Beispielsweise sind solche Wind-Kollektoren an allen vier vertikal verlaufenden Kantenstrukturen des Stützkäfigs angeordnet. Die flächig ausgebildeten Wind-Kollektoren sammeln den Wind durch eine vergrößerte Anströmfläche und führen diesen der Windturbine zu, so dass das Anlaufverhalten und die Leistung der Windturbine verbessert werden. Dabei kann eine Ausführungsvariante vorsehen, dass die Wind-Kollektoren schwenkbar am Stützkäfig angeordnet sind.
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Widerstandsläufer und Auftriebsläufer sind grundsätzlich bekannt. Ein Widerstandsläufer entnimmt dem Wind Leistung nach dem Widerstandsprinzip und wandelt diese in mechanische Energie um. Gemäß einer Ausgestaltung ist der Widerstandsläufer als Savonius-Rotor ausgebildet, der mindestens zwei schaufelförmige, einander überlappenden Flügel aufweist, die in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sind. Sofern zwei Flügel eingesetzt werden, sind die Flügel des Savonius Rotors um 180° in Umfangsrichtung versetzt. Bei einem Auftriebsläufer werden die Rotorblätter durch das Prinzip des aerodynamischen Auftriebs bewegt. Bei einem Auftriebsläufer können sich die Rotorblätter anders als bei einem Widerstandsläufer mit einer Geschwindigkeit drehen, die höher ist als die Windgeschwindigkeit. Gemäß einer Ausgestaltung ist der Auftriebsläufer als H-Darrieus-Rotor ausgebildet, der mindestens zwei parallel zur Drehachse bzw. zur Welle angeordnete, an Tragarmen befestigte Rotorblätter aufweist.
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Gemäß der Erfindung ist der Widerstandsläufer derart ausgebildet, dass ein Drehmoment nur in einer definierten Drehrichtung auf die zugehörige Welle übertragen wird, während der Widerstandsläufer entgegen der Drehrichtung frei läuft, d. h. keine Kopplung zwischen der Welle und dem Widerstandsläufer vorliegt. Hierdurch wird es ermöglicht, dass der Auftriebsläufer den Widerstandsläufer in seiner Drehgeschwindigkeit nach einer Anlaufphase, in der der Widerstandsläufer ein Drehmoment auf die Welle überträgt, überholt. Wenn der Auftriebsläufer schneller dreht als der Widerstandsläufer, dreht sich der Widerstandsläufer im Bezugssystem der Welle, die fest mit dem Auftriebsläufer verbunden ist, entgegen der Drehrichtung. Er läuft in dieser Drehrichtung frei und behindert nicht die schnellere Bewegung des Auftriebsläufers.
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Zur Verbindung des Widerstandsläufer mit der Welle derart, dass über den Widerstandsläufer ein Drehmoment nur in der definierten Drehrichtung auf die Welle übertragbar ist, ist der Widerstandsläufer gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung über ein oder mehrere Einwegkugellager mit der Welle verbunden ist. Solche Einwegkugellager sind vom prinzipiellen Aufbau her mit solchen vergleichbar, wie sie in Tretlagern für Fahrräder eingesetzt werden. Eine Drehmomentübertragung auf die Welle in der einen Drehrichtung findet statt, wobei für diesen Fall das Einwegkugellager blockiert. Bei einer Drehung des Widerstandsläufers entgegen der Drehrichtung relativ zur Welle blockiert das Einwegkugellager dagegen nicht, so dass der Widerstandsläufer in dieser Richtung drehbar mit der Welle verbunden ist.
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Der Auftriebsläufer ist beispielsweise durch Klemmböcke fest mit der Welle verbunden.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der Widerstandsläufer zwei Schaufelanordnungen umfasst, die in zwei vertikal beabstandeten Ebenen der Windturbine angeordnet ist. Der Widerstandsläufer ist somit in zwei Untereinheiten aufgeteilt, die vertikal übereinander angeordnet sind. Jede Untereinheit weist eine Schaufelanordnung auf, die beispielsweise als Savonius-Rotor ausgebildet und zwei um 180° versetzte schaufelförmige Läufer aufweist. In den beiden Untereinheiten sind die Schaufelanordnungen dabei um 90° versetzt. Hierdurch wird erreicht, dass das Drehmoment gleichmäßiger verteilt auf die Welle übertragen wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass am freien Ende der Welle eine mechanische Bremse angeordnet ist, welche bei Erreichen einer eingestellten maximalen Drehzahl die WindTurbine abbremst oder blockiert.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass am freien Ende der Welle eine elektromagnetische, fliehkraftgeregelte Bremse angeordnet ist, wobei die Bremse derart ausgebildet sein kann, dass durch die Fliehkraft nach außen gedrückte Backen der Bremse, bestückt mit Dauermagneten, zwischen zwei Metallscheiben fahren und dort durch das entstehende Magnetfeld abgebremst werden. Dabei gilt, dass je höher die Drehzahl, desto größer die Bremswirkung ist.
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Durch eine gestürzte Anordnung werden insbesondere Unwuchten reduziert, die dadurch entstehen, dass beim als Darrieus-Rotor ausgebildeten Auftriebsläufer die an den vertikal angeordneten Rotorblättern anliegende Strömung beim Erreichen der windabgewandten Seite kurz abreißt und dadurch eine Unwucht entsteht. Diese Unwucht ist in ihrer Intensität von der jeweiligen Drehzahl, Windgeschwindigkeit und Winderscheinung abhängig. Mit Winderscheinung ist dabei gemeint, ob der Wind gleichmäßig von einer Richtung oder aus schnell wechselnden Richtungen kommt, und/oder ob die Windgeschwindigkeit gleichmäßig, konstant oder ungleichmäßig, stoßweise verläuft.
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Eine weitere Ausgestaltung der Windturbinenanlage sieht vor, dass mehrere Stützkäfige mit Verstrebungen, die an Knotenblechen fixiert sein können, zu einem stabilen Mast zusammengebaut sind. Die Verstrebungen erhöhen dabei die Stabilität des Mastes. Dabei sind nicht notwendigerweise in allen Stützkäfigen auch Windturbinen angeordnet. Beispielsweise dienen zunächst mehrere Stützkäfige ohne Windturbinen dazu, einen Mast bereitzustellen, an dessen oberen Ende dann ein oder mehrere Windturbinenmodule (mit Windturbine) angeordnet sind.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass mehrere Stützkäfige ein Fundament für einen Mast bilden. Die Stützkäfige können dabei mit Verstrebungen, Wänden und/oder Böden versehen sein, um das Fundament für einen Mast zu bilden.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen kubischen Stützkäfig eines erfindungsgemäßen Windturbinenmoduls;
- 2 den Stützkäfig der 1 mit zusätzlich vorgesehenen Verstrebungen;
- 3 in einer Ansicht in horizontaler Richtung von vorne ein Windturbinenmodul mit einer Windturbine, die in einem Stützkäfig gemäß der 1 angeordnet ist, wobei die Windturbine einen Widerstandsläufer und einen Auftriebsläufer umfasst;
- 4 eine Schnittansicht des Windturbinenmoduls der 3;
- 5 in einer Ansicht von oben ein Windturbinenmodul gemäß den 3 und 4, wobei an den vertikalen Seitenkanten des Windturbinenmoduls Wind-Kollektoren angeordnet sind, die eine vergrößerte Anströmfläche für den Wind bereitstellen;
- 6 in perspektivischer Ansicht zwei Windturbinenmodule gemäß der 5, wobei das obere Windturbinenmodul gestürzt auf dem unteren Windturbinenmodul angeordnet ist;
- 7 das Windturbinenmodul der 6 in einer Ansicht von vorne;
- 8 mehrere zu einem Mast zusammengesetzte Stützkäfige gemäß den 1 und 2, wobei am oberen Ende des Mastes zwei Windturbinenmodule entsprechend den 6 und 7 angeordnet sind, so dass das obere Windturbinenmodul gestürzt auf dem unteren Windturbinenmodul befestigt ist;
- 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Mastes, der aus mehreren Stützkäfigen gemäß den 1 und 2 zusammengesetzt ist, wobei die Basis des Mastes ebenfalls durch solche Stützkäfige gebildet wird;
- 10 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Mastes, der aus mehreren Stützkäfige gemäß den 1 und 2 zusammengesetzt ist, wobei die Basis des Mastes ebenfalls durch solche Stützkäfige gebildet wird, und wobei die Stützkäfige im Bereich der Basis mit Wänden und/oder Böden versehen sind;
- 11 in perspektivischer Ansicht zwei übereinander angeordnete und miteinander verbundene Windturbinenmodule, wobei das eine Modul mit einem Widerstandsläufer und das andere Modul mit einem Auftriebsläufer ausgestattet ist und die Wellen der beiden Module gekoppelt sind; und
- 12 eine vergrößerte und detailliertere Darstellung der Ausgestaltung eines Widerstandsläufers, bei dem ein Kraftschluss mit der Welle nur in der einen Drehrichtung besteht und in der anderen Drehrichtung aufgehoben ist.
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Es wird darauf hingewiesen, dass nur die 6, 7 und 11 Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung darstellen. Die weiteren Figuren dienen dem besseren Verständnis der Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung wird anhand der 1-5 ein Windturbinenmodul beschrieben, dass einen Stützkäfig und eine innerhalb des Stützkäfigs angeordnete Windturbine umfasst, wobei der Begriff „Windturbine“ die Komponenten bezeichnet, die für eine Erzeugung elektrischer Energie aus Wind erforderlich sind. Mehrere miteinander verbundene Windturbinenmodule dieser Art werden als Windturbinenanlage bezeichnet, wobei eine vorteilhafte Ausgestaltung vorsieht, dass eine solche Windturbinenanlage zwei Windturbinenmodule umfasst, wie in Bezug auf die 6 und 7 erläutert wird. Die Erfindung betrifft in einem Aspekt auch eine in vorteilhafter Weise ausgebildete Windturbine, wobei diese Windturbine zwar gemäß einer Ausgestaltung, jedoch nicht notwendigerweise in einem Stützkäfig angeordnet ist.
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Die 1 zeigt einen Stützkäfig 5, der allgemein quaderförmig, im dargestellten Ausführungsbeispiel kubisch ausgebildet ist. Der Stützkäfig 5 wird durch eine Rahmenkonstruktion 6 gebildet, die im dargestellten Ausführungsbeispiel durch zwölf Rohre 60 gebildet ist, die entlang der zwölf Kanten des Kubus verlaufen. Die Rohre 60 umfassen vertikal ausgerichtete Rohre 61 an den vertikal verlaufenden Kanten des Kubus und horizontal ausgerichtete Rohre 62 an den horizontal verlaufenden Kanten des Kubus.
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In jeder durch zwei Kanten gebildeten Ecke ist jeweils ein Knotenblech 7 angeordnet, das Bohrungen 8 zur Befestigung weiterer Komponenten und/oder zur Verbindung von mehreren Stützkäfigen 5 untereinander aufweist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist an jeder solchen Ecke ein Knotenblech 7 angeordnet, so dass insgesamt 24 Knotenbleche vorhanden sind, jeweils vier in der Ebene einer Seitenfläche des Kubus.
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Gemäß der 2 kann vorgesehen sein, dass der Kubus durch Verstrebungen 25 strukturell verstärkt ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind an jeder Seitenfläche zwei Verstrebungen 25 vorgesehen, die sich diagonal in der jeweiligen Seitenfläche zwischen zwei Knotenblechen 7 erstrecken.
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Die 3 bis 5 zeigen in einer Seitenansicht, in einer Schnittansicht und in einer Ansicht von oben ein Windturbinenmodul 100, das eine Windturbine aufweist, die in einem Stützkäfig 5 gemäß den 1 oder 2 angeordnet ist. Die Windturbine umfasst eine vertikal verlaufende, zentrisch im Stützkäfig 5 angeordnete Welle 2, einen Widerstandsläufer 3, einen Auftriebsläufer 4 und einen elektrischen Generator 1, der durch die Welle 2 angetrieben wird. Die Welle 2 ist mit jeweils einem Kugellager mit Flansch 20 (vgl. 4) in einer Oberplatte 9 und in einer Unterplatte 10 gelagert, wobei die Oberplatte 9 und Unterplatte 10 direkt oder über zwischengeschaltete Bauteile mit Knotenblechen 7 verbunden sind. Die Windturbine ist hierdurch fest innerhalb des Stützkäfigs 5 angeordnet.
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Dabei ist vorgesehen, dass die Oberplatte 9 und die Unterplatte 10 zur Abschwächung von Schwingungen durch elastische Dämpfungselemente 33 mit Halterungen am Stützkäfig 5 befestigt sind.
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An den Aufnahme-Bohrungen 8 der Knotenbleche 7 können, je nach Ausgestaltung des Windturbinenmoduls, des Weiteren Verbindungselemente 11 (vgl. 7), Schutzbleche 12 (vgl. 6) oder andere Bauelemente wie Windkollektoren 37 (vgl. 5) befestigt sein.
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Die Welle 2 ist des Weiteren über eine elastische Kupplung 21 direkt mit dem Generator 1 verbunden. Der Generator 1 ist auf einer Befestigungsplatte 30 angeordnet, wie in der 4 zu erkennen ist. Die Befestigungsplatte 30 ist beispielsweise über mindestens zwei Gewindestangen 31 nebst Befestigungsmuttern 32 mit der Unterplatte 10 verbunden. Dadurch ist der Abstand zwischen dem Generator 1 und der Unterplatte 10 einstellbar. Der Generator 1 befindet sich im unteren Bereich des Windturbinenmoduls innerhalb des Stützkäfigs 5, wobei die Befestigungsplatte 30 zumindest näherungsweise in der Ebene der unteren Seitenfläche des durch den Stützkäfig 5 gebildeten Kubus liegt. Vom Generator 1 wird in an sich bekannter Weise ein 3-Phasen Drehstrom abgegriffen. Die entsprechenden Kontakte sind nicht gesondert dargestellt.
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Der Widerstandsläufer 3 ist als Savonius-Rotor ausgebildet. Er weist zwei schaufelförmige Läufer bzw. Rotorschaufeln 13 auf. Der Widerstandsläufer 3 ist dabei derart ausgebildet, dass er zwei Ebenen 40, 41 mit jeweils zwei schaufelförmigen Läufern bzw. Rotorschaufeln 13 aufweist. Die Ebenen 40, 41 sind durch einen Zwischenboden 16 voneinander getrennt. Weiter umfasst der Widerstandsläufer 3 einen unteren Boden 15 und einen oberen Boden 22. Die Rotorschaufeln 13 sind jeweils um 180° versetzt um die vertikale, zentrisch angeordnete Welle 2 angeordnet. Die Rotorschaufeln 13 sind dabei derart angeordnet, dass sie in Form einer Halbschale 14 vom Rand des jeweiligen Bodens 15, 22 und Zwischenbodens 16 um die Welle 2 ca. ein Viertel der Gesamtöffnung der Rotorschaufeln 13 herumlaufen. Die Rotorschaufeln 13 der beiden Ebenen 40, 41 sind um 90° zueinander versetzt angeordnet.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die Ausbildung des Widerstandsläufers 3 mit zwei Ebenen 40, 41 nur beispielhaft zu verstehen ist. Alternativ kann der Widerstandsläufer auch nur mit einer Ebene oder mit mehr als zwei Ebenen ausgebildet sein.
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Der Widerstandsläufer 3 ist mit der Welle 2 über ein Kugellager 17 und ein Einwegkugellager 18 verbunden. Das Einwegkugellager 18 lässt eine Rotation nur in einer Drehrichtung zu.
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Der Auftriebsläufer 4 ist als H-Darrieus-Rotor ausgebildet, der mehrere parallel zur Drehachse der Welle 2 angeordnete Rotorblätter 34 aufweist. Im Ausführungsbeispiel der 5 sind drei solche Rotorblätter 34 vorgesehen. Die Rotorblätter 34 sind an Tragarmen 42 befestigt. Wie aus der 4 ersichtlich ist, ist der Auftriebsläufer 4 mit der vertikalen, zentrisch im Stützkäfig 5 angeordneten Welle 2 über jeweils einen Klemmbock 19 fest verbunden. Der Auftriebsläufer 4 ist somit fest mit der Welle 2 verbunden, während der Widerstandsläufer 3 derart mit der Welle 2 verbunden ist, das über den Widerstandsläufer 3 ein Drehmoment nur in der Drehrichtung der Windturbine auf die Welle 2 übertragen wird.
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Der Widerstandsläufer 3 läuft schon mit sehr geringer Windgeschwindigkeit an, kann aber maximal mit der Geschwindigkeit des Windes drehen, d.h., er kann nicht schneller als der Wind drehen. Der Auftriebsläufer 4 läuft dagegen erst bei einer wesentlich höheren Windgeschwindigkeit an, kann aber dann schneller als die eigentliche Windgeschwindigkeit drehen. Dreht sich der Widerstandsläufer 3, so nimmt dieser über die vertikale, zentrische Welle 2 den Auftriebsläufer 4 mit und schiebt diesen sozusagen an. Ist die Geschwindigkeit erreicht, ab welcher der Auftriebsläufer 4 schneller als die Windgeschwindigkeit laufen kann, überholt der Auftriebsläufer 4 den Widerstandsläufer 3 und treibt den Generator 1 noch mehr an. Der Widerstandsläufer 3 bewegt sich relativ zur Drehgeschwindigkeit der Welle 2 bzw. des Auftriebsläufers 4 entgegen der Drehrichtung der Windturbine. Eine solche Ausgestaltung von Widerstandsläufer 3, Auftriebsläufer 4 und Welle 2 ist unabhängig von der Art der strukturellen Anordnung und Befestigung der Windturbine und kann auch bei Windturbinen eingesetzt werden, die nicht in einem Stützkäfig 5 angeordnet sind.
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Die 12 zeigt in vergrößerter und detaillierter Darstellung eine Ausgestaltung des Widerstandsläufers 3, der über ein Einwegkugellager 18 mit der Welle 2 verbunden ist. Der durch das Einwegkugellager 18 bereitgestellte Freilauf in einer Drehrichtung hat die Aufgabe, den Kraftschluss der Verbindung mit der Welle 2 in dieser Drehrichtung aufzuheben.
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Das Einwegkugellager 18 umfasst einen Außenring 45, der über einen Mitnehmer 51 mit dem Widerstandsläufer 3 verbunden ist, und einen Innenring 46, der über einen Mitnehmer wie zum Beispiel eine Passfeder 47 fest mit der Welle 2 verbunden ist. Der Auftriebsläufer 4 ist drehfest mit der Welle 2 verbunden. Aufgrund der nachfolgend erläuterten Funktionsweise des Einwegkugellagers 18 klemmt der Außenring 45 in der einen Drehrichtung mit dem Innenring 46 und damit mit der Welle 2, während er in der anderen Drehrichtung frei läuft.
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So werden beim Kugelfreilauf Kugeln 49 von Druck-Federn 48 in einer Drehrichtung in einen sich verengenden Spalt 50 zwischen Innenring 46 und Außenring 45 gedrückt. Treibt der Außenring 45 den Innenring 46 in Richtung der Federkraft an, so werden die Kugeln 49 eingeklemmt und es entsteht eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Außenring 45 und Innenring 46, so dass über den Widerstandsläufer 3 die Welle 2 und damit auch der Auftriebsläufer 4 angetrieben wird. Beim Antrieb durch den Innenring 45, wenn also der Auftriebsläufer 4 schneller dreht als der Widerstandsläufer 3, heben die Kugeln vom Innenring 46 ab und wird die kraftschlüssige Verbindung zum Außenring 45 und damit zum Widerstandsläufer 3 aufgehoben.
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Es wird darauf hingewiesen, dass im dargestellten Ausführungsbeispiel die Rotorblätter 34 des Auftriebsläufers 4, die naturgemäß eine Druckseite 340 und eine Saugseite 341 ausbilden, mit ihrer Saugseite 341 zur Achse 2 hin ausgerichtet sind. Hierdurch wird erreicht, dass der Wind im Modul an der Saugseite 341 vorbei streicht und somit ein stärkerer Auftrieb erzeugt wird.
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Die Windturbinenmodule 100 können mit flächigen, beispielsweise rechteckigen Wind-Kollektoren 37 ausgestattet sein, die in der 5 dargestellt sind. Diese verlaufen mit ihrer dem Stützkäfig 5 zugewandten Kante entlang der vertikal verlaufenden Kante bzw. den dort ausgebildeten Rohren 61 des Stützkäfigs 5. Sie sind beispielsweise mittels der Aufnahme-Bohrungen 8 an entsprechenden Knotenblechen 7 befestigt. Die Wind-Kollektoren 37 sind in einem Winkel von 45° in Bezug auf die Würfel-Außenfläche angeordnet. Andere Ausführungsvarianten sehen vor, dass die Wind-Kollektoren 37 schwenkbar an der jeweiligen Kante ausgebildet sein. Die Wind-Kollektoren 37 vergrößern die Anströmfläche der Windturbinen und leiten den Wind auf die Turbinen. Die Wind-Kollektoren 37 können in Größe und Form variieren.
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Die Windturbinen sind für eine maximale Drehzahl ausgelegt. Wird diese erreicht, greifen mehrere technische Einrichtungen, um die Drehzahl konstant zu halten oder im Extremfall die Turbine zu stoppen. Zum einen wird die Drehzahl durch maximale Leistungsabgabe des Generators 1 begrenzt. Reicht dies nicht aus, wird bei einer bestimmten Drehzahl eine mechanische Bremse 38 (vgl. 4) ausgelöst. Dies wird durch eine mit der Welle 2 direkt verbundenen Einrichtung vollzogen, beispielsweise durch eine Scheibenbremse, die bei einer bestimmten Drehzahl auslöst, oder durch eine fliehkraftgeregelte Bremseinrichtung nach dem Wirbelstrom-Verfahren, den Auftriebsläufer 4 und den Widerstandsläufer 3 abgebremst.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „vertikal“, „horizontal“, „oben“ und „unten“ sich auf ein Windturbinenmodul beziehen, das entsprechend seinem bestimmungsgemäßen Gebrauch angeordnet ist. Die Welle 2 verläuft dabei vertikal.
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Mehrere Windturbinenmodule 100 gemäß den 1-5 können neben- und/oder übereinander angeordnet werden, wobei sie eine Windturbinenanlage bilden. Die Würfelform des Stützkäfig 5 ermöglicht dabei, mehrere Windturbinen in sehr engem Abstand zueinander zu positionieren. Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 6 und 7 sind zwei Windturbinenmodule identischer Bauart derart miteinander verbunden, dass das obere Windturbinenmodul gestürzt, d. h. kopfüber auf dem unteren Windturbinenmodul angeordnet ist. Eine zweite Windturbine 35 des oberen Windturbinenmoduls ist somit kopfüber auf einer ersten Windturbine 36 des unteren Windturbinenmoduls angeordnet. Die zweite Windturbine 35 dreht dabei in entgegengesetzter Richtung wie die erste Windturbine 36.
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Durch diese Anordnung von zwei Windturbinen 35, 36 werden bei der Rotation des Auftriebsläufers 4 entstehende Unwuchten reduziert. Dabei ist zu beachten, dass die Strömung auf den sich vertikal erstreckenden Rotorblättern 34 des Auftriebsläufers 4 beim Erreichen der windabgewandten Seite kurz abreißt, wodurch eine Unwucht entsteht. Diese Unwucht ist in ihrer Intensität von der jeweiligen Drehzahl, Windgeschwindigkeit und Winderscheinung, abhängig. Um dieser Unwucht entgegenzuwirken, ist die zweite Windturbine 35 gestürzt auf der ersten Windturbine 36 angeordnet. Dabei dreht sie in entgegengesetzter Richtung wie die erste Windturbine 36. Dadurch wird erreicht, dass sich die Unwuchten der beiden Windturbinen 35, 36 zumindest teilweise aufheben.
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Um diesen Effekt zu unterstützen, kann die Schwingungsfrequenz einer der Turbinen beispielsweise wie folgt geregelt werden. Über einen Schwingungssensor 43, der in der 6 schematisch dargestellt ist, wird die momentane Unwucht aufgenommen und in einer elektronischen Regelung (nicht dargestellt) verarbeitet. Dabei wird eine von den zwei Windturbinen bei Zunahme der Schwingungen und Vibrationen entlastet oder belastet. Beim Entlasten wird die abgegebene Generatorleistung verringert, das heißt die Drehzahl wird erhöht und beim Belasten wird die Generatorleistung erhöht, das heißt die Drehzahl wird verringert. Dabei bezieht die elektronische Regelung die erforderliche Energie aus der erzeugten Energie der Windturbinen.
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In den 6 und 7 sind Schutzbleche 12 zu erkennen, die an den Knotenblechen 7 angeordnet sind. Die Schutzbleche 12 sind so angeordnet, dass die Oberplatte 9 und die Unterplatte 10 schwingen können. Dabei ragen die Schutzbleche 12 mit ausreichendem Abstand über die Oberplatte 9 und Unterplatte 10.
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Die 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eine Windturbinenanlage, die zwei übereinander angeordnete und miteinander verbundene Windturbinenmodule aufweist.
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Dabei ist vorgesehen, dass der Widerstandsläufer 3 und der Auftriebsläufer 4 in unterschiedlichen Modulen 100a, 100b ausgebildet sind, was durch den modularen Aufbau möglich ist. So weist das eine Modul 100a einen Widerstandsläufer 3 und das andere Modul 100b einen Auftriebsläufer 4 auf.
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Der Widerstandsläufer 3 und der Auftriebsläufer 4 sind dementsprechend jeweils in einem separaten Stützkäfig 5 untergebracht. Dabei ist der Widerstandsläufer 3 derart mit einer vertikal, zentrischen Welle 2 des Moduls 100a verbunden, dass über den Widerstandsläufer 3 ein Drehmoment nur in einer definierten Drehrichtung auf die Welle 2 übertragen wird, während der Widerstandsläufer 3 entgegen der definierten Drehrichtung frei läuft. Im Modul 100b ist der Auftriebsläufer 4 fest mit der Welle 2 dieses Moduls 100b verbunden.
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Weiter ist vorgesehen, dass die beiden Wellen 2 der beiden Module 100a, 100b mittels einer elastischen Kupplung verbunden ist. Somit bleibt das Prinzip der Anlaufhilfe erhalten. Der Auftriebsläufer 4 kann dadurch besser von Wind durchströmt werden und somit auf den zur Mitte gerichteten, konvexen Auftriebsprofilflächen 34 mehr Unterdruck erzeugen und somit mehr Energie aus dem Wind generieren.
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Die beiden Wellen sind beispielsweise über ein Planetengetriebe 44 miteinander verbunden. Das Planetengetriebe 44 übersetzt die Drehbewegung der Welle 2 des Widerstandsläufers 3 derart, dass die Welle 2 des Auftriebsläufers 4 schneller läuft als die Welle 2 des Widerstandsläufers. Somit erreicht der Auftriebsläufer 4 schneller seine optimale Strömungssituation, um eigenständig zu laufen.
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Stützkäfige 5 mit Auftriebsläufer 4 und Widerstandsläufer 3 können in beliebiger Anzahl kombiniert werden.
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Die 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem mehrere modulare Stützkäfige 5 gemäß 1 mittels Verbindungselementen 23 zu einem Mast 24 zusammengesetzt sind. Dabei sind die Seiten des jeweiligen Stützkäfigs 5 entsprechend der 2 mit Verstrebungen 25 ausgestattet, welche die Stabilität erhöhen. Der Mast kann mit einem Beton-Fundament 26 verbunden sein, welches in die Erde eingegraben ist. An der Spitze des Mastes 24 sind zwei Windturbinenmodule 100 entsprechend den 6 und 7 oder gemäß 11 angeordnet. Alternativ kann auch eine davon abweichende Anzahl von Windturbinenmodulen im Mast 24 implementiert sein. Es kann weiter vorgesehen sein, dass an der Mastfläche Solar-Paneele 29 angeordnet sind. Dabei wird darauf hingewiesen, dass die Anordnung von einem oder mehreren Windturbinenmodulen mit quaderförmigen Stützkäfig natürlich auch an einem in anderer Weise gebildeten Mast möglich ist.
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Die 9 und 10 zeigen Ausführungsvarianten einer Windturbinenanlage mit Mast 24, bei denen das Fundament 27 auf dem Boden angeordnet und durch Stützkäfige 5 gebildet ist, die in einer oder in mehreren Ebenen horizontal miteinander verschraubt sind. Die verschraubten Würfel, die das Fundament 27 bilden, können mit Sand oder Kies gefüllt und nach außen mit Böden und Wänden 28 ausgestattet werden. Des Weiteren können Abspannungen z.B. in Form von Stützen oder Seilen 52 an den Ecken des Mastes 24 angeordnet sein, um die Stabilität des Mastes 24 zu erhöhen.
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Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Weiter wird darauf hingewiesen, dass beliebige der beschriebenen Merkmale separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden können, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale aus, die hier beschrieben werden und umfasst diese. Sofern Bereiche definiert sind, so umfassen diese sämtliche Werte innerhalb dieser Bereiche sowie sämtliche Teilbereiche, die in einen Bereich fallen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Generator
- 2
- vertikale, zentrische Welle
- 3
- Widerstandsläufer
- 4
- Auftriebsläufer
- 5
- modularer Stützkäfig
- 6
- Rahmenkonstruktion
- 7
- Knotenblech
- 8
- Aufnahme-Bohrungen
- 9
- Oberplatte
- 10
- Unterplatte
- 11
- Verbindungs-Elemente
- 12
- Schutzbleche
- 13
- Rotorschaufeln
- 14
- Halbschale
- 15
- unterer Boden
- 16
- Zwischenboden
- 17
- Kugellager
- 18
- Einweg-Kugellager
- 19
- Klemmblock
- 20
- Kugellager mit Flansch
- 21
- Elastische Kupplung
- 22
- oberer Boden
- 23
- Verbindungs-Elemente
- 24
- Mast
- 25
- Verstrebungen
- 26
- Beton-Fundament
- 27
- Fundament mit Stützkäfigen
- 28
- Wände und Böden
- 29
- Solar-Panels
- 30
- Befestigungsplatte
- 31
- Gewindestangen
- 32
- Befestigungsmuttern
- 33
- Dämpfungs-Elemente
- 34
- Auftriebsflügel / Rotorblatt
- 340
- Druckseite Rotorblatt
- 341
- Saugseite Rotorblatt
- 35
- zweite Windturbine
- 36
- erste Windturbine
- 37
- Wind-Kollektor
- 38
- mechanische Bremse
- 40
- obere Ebene des Widerstandsläufers
- 41
- untere Ebene des Widerstandsläufers
- 42
- Tragarme des Auftriebsläufers
- 43
- Sensor
- 44
- Planetengetriebe
- 45
- Außenring Einwegkugellager
- 46
- Innenring Einwegkugellager
- 47
- Mitnehmer Nut Innenring/Welle
- 48
- Druckfeder
- 49
- Kugeln
- 50
- Spalt
- 51
- Mitnehmer Nut Außenring/Auftriebsläufer
- 52
- Abspannseile/Abspannstreben
- 61
- vertikale Rohre
- 62
- horizontale Rohre
- 100
- Windturbinenmodul
- 100a
- Windturbinenmodul nur mit Widerstandsläufer
- 100b
- Windturbinenmodul nur mit Auftriebsläufer
