DE102022119604A1

DE102022119604A1 - Vorrichtung zur wandlung von windenergie in elektrische energie

Info

Publication number: DE102022119604A1
Application number: DE102022119604.6A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-08-04
Filing date: 2022-08-04
Publication date: 2024-02-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Wandlung von Windenergie in elektrische Energie mit einem Rotor (2) und einem Stator (3), bei der der Rotor (2), insbesondere ein Vertikalachsenrotor, gegenüber dem Stator (3) um eine Rotationsachse (4) drehbar gelagert ist und bei der der Rotor (2) mindestens einen Flügel (5) mit einer Flügelachse (6) aufweist, welche im Wesentlichen parallel versetzt zu der Rotationsachse (4) des Rotors (2) verläuft. Es ist wesentlich, dass der Flügel (5) um die Flügelachse (6) drehbar gelagert ist und an dem Flügel (5) mindestens ein steuerbares Leitwerk (8) angeordnet ist, welches dazu ausgebildet ist, den Flügel (5) aerodynamisch um seine Flügelachse (6) zu verstellen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wandlung von Windenergie in elektrische Energie mit einem Rotor und einem Stator, bei der der Rotor, insbesondere ein Vertikalachsenrotor, gegenüber dem Stator um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist und bei der der Rotor mindestens einen Flügel mit einer Flügelachse aufweist, welche im Wesentlichen parallel versetzt zu der Rotationsachse des Rotors verläuft.
Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt und dienen zur umweltverträglichen Erzeugung elektrischer Energie. Aus DE 3810339 A1 ist eine Windkraftanlage bekannt, die einen Rotor aufweist, der an einem Mast angeordnet ist und unter der Einwirkung von Wind um eine aufrecht verlaufende Achse drehbar gelagert ist. Der Rotor ist mit mehreren, sich aufrecht erstreckenden, von der Drehachse beabstandeten Rotorblättern versehen. Ein elektrischer Generator ist vorgesehen, um mittels der Rotationsbewegung des Rotors gegenüber dem Stator eine elektrische Spannung zu erzeugen und nutzbar bereitzustellen.
Ein Vorteil der vorstehend beschriebenen, vorbekannten Vorrichtung besteht darin, dass die Drehbewegung des Rotors grundsätzlich unabhängig von der Anströmrichtung des Windes ist. Besonders im Unterschied zu Vorrichtungen mit einem Horizontalachsenrotor muss die Orientierung der Rotationsachse des Rotors bei einer Veränderung der Anströmrichtung gegenüber dem Stator grundsätzlich also nicht verändert werden, damit der Wind den Rotor in eine Rotationsbewegung um seine Rotationsachse versetzen kann.
Allerdings geht die Bauweise vorbekannter Vorrichtungen mit einem Optimierungsbedarf hinsichtlich ihrer Effizienz bei der Wandlung von Windenergie in elektrische Energie einher. Dies hängt damit zusammen, dass die Flügel des Rotors bei einer Anströmung mit Wind, wie gewünscht, zwar eine Rotationsbewegung des Rotors bewirken, sich infolge dieser Rotationsbewegung jedoch zumindest zeitweise auch entgegen der Anströmrichtung des Windes, also im Gegenwind, bewegen. Die Flügel weisen jeweils einen Auftriebsbeiwert und einen Widerstandsbeiwert auf, die zu einer Auftriebskraft bzw. einem Strömungswiderstand am Flügel führen. Im Gegenwind liegt bei vorbekannten Vorrichtungen ein ungünstiges Verhältnis zwischen dem Auftriebsbeiwert und dem Strömungsbeiwert vor, welches zu erheblichen Effizienzeinbußen der gesamten Vorrichtung führt.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Wandlung von Windenergie in elektrische Energie bereitzustellen, die eine gesteigerte Effizienz aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.
Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung zur Wandlung von Windenergie in elektrische Energie in an sich bekannter Weise einen Rotor und einen Stator auf, bei der der Rotor, welcher vorzugsweise als Vertikalachsenrotor ausgebildet ist, gegenüber dem Stator um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist und bei der der Rotor mindestens einen Flügel mit einer Flügelachse aufweist, welche im Wesentlichen parallel versetzt zu der Rotationsachse des Rotors verläuft.
Es ist wesentlich für die Erfindung, dass der Flügel um die Flügelachse drehbar gelagert ist und an dem Flügel mindestens ein steuerbares Leitwerk angeordnet ist, welches dazu ausgebildet ist, den Flügel aerodynamisch um seine Flügelachse zu verstellen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Flügel mittels des Leitwerks und der drehbaren Lagerung um seine Flügelachse gegenüber der Anströmrichtung des Windes verstellt werden kann. Hierdurch kann der oben beschriebene, negative Einfluss eines Strömungswiderstandes verringert werden, wenn der Flügel sich infolge der Rotationsbewegung des Rotors entgegen der Windrichtung bewegt.
Das Leitwerk stellt im Sinne der Erfindung ein strömungstechnisches Bauteil oder eine Baugruppe dar, deren Zweck die aerodynamische Einstellung des Flügels um seine Flügelachse ist. Es ist vorteilhaft, dass für eine Veränderung der Drehlage des Flügels derselbe Windstrom ausgenutzt werden kann, der bei der Rotationsbewegung des Rotors grundsätzlich das oben beschriebene Moment entgegen der Rotationsbewegung bewirkt. In Zusammenwirkung mit dem Leitwerk kann dieser Windstrom dazu dienen, den Flügel zur Änderung seines Einstellwinkels gegenüber der Anströmrichtung des Windes zu verstellen und die auf den Flügel wirkende Luftkraft des Windes, den Strömungswiderstand des Flügels sowie die resultierende Vortriebskraft bedarfsgerecht zu verändern. Dadurch kann bedarfsweise ein Verhältnis zwischen dem Auftriebsbeiwert und dem Widerstandsbeiwert des Flügels eingestellt werden, wodurch die Effizienz der Vorrichtung bei der Wandlung von Windenergie in elektrische Energie gegenüber vorbekannten Vorrichtungen wesentlich verbessert wird.
Vorzugsweise weist der Rotor eine Mehrzahl an Flügeln auf, die jeweils um ihre Flügelachse drehbar gelagert sind und jeweils mittels mindestens eines Leitwerks verstellbar sind. Insbesondere kann der Rotor fünf oder sechs Flügel aufweisen, die vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang des Rotors verteilt angeordnet sind.
Vorzugsweise beträgt der Durchmesser des Rotors mindestens 100 Meter. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Winkelgeschwindigkeit des Rotors bei einem Durchmesser von 100 Metern unter gängigen Einsatzbedingen auf bis zu 45°/Sekunde reduziert und bevorzugt konstant gehalten werden kann. Gegenüber Rotoren mit einem geringeren Durchmesser ist die Winkelgeschwindigkeit bei der Rotationsbewegung um die Rotationsachse bei gleicher Luftkraft oder Antriebsleistung des Windes somit deutlich verringert. Mit Verringerung der Winkelgeschwindigkeit erhöht sich der zur Verfügung stehende Zeitraum, in dem der Flügel erfindungsgemäß aerodynamisch verstellt werden kann. Somit begünstigt ein hoher Durchmesser des Rotors die Effizienz der Vorrichtung insoweit, als die Verstellung des mindestens einen Flügels zuverlässig und genau erfolgen kann.
Vorzugsweise ist die Vorrichtung derart dimensioniert, dass sie eine Schnelllaufzahl zwischen 1-3, insbesondere etwa 2,8, aufweist. Die Schnelllaufzahl gibt das Verhältnis einer Umfangsgeschwindigkeit des Rotors zu der Windgeschwindigkeit an. Gegenüber vorbekannten Vorrichtungen mit einer Bauweise als Horizontalachsenrotor, die typischerweise eine Schnelllaufzahl von 7-9 aufweisen, kann die Schnelllaufzahl unter vergleichbaren Einsatzbedingungen somit deutlich geringer gewählt sein. Dies geht mit Vorteilen bei der Dimensionierung der mechanisch beanspruchten Komponenten, insbesondere der Lager einher. Zudem ergibt sich infolge einer verringerten Schnelllaufzahl ein entsprechend verringerter Luftwiderstand an den bewegten Komponenten des Rotors. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann also insbesondere als sog. Langsamläufer ausgebildet sein.
Untersuchungen haben gezeigt, dass es mit Vorteilen einhergeht, wenn eine Schnelllaufzahl von 2,8 und ein sich ergebender Leistungsbeiwert von 0,43 bis zu einer Anströmgeschwindigkeit von 14 Meter/Sekunde konstant bleiben. Es ist daher vorteilhaft, wenn die Steuerung des Leitwerks ausgebildet ist, um den Flügel derart zu verstellen, dass die auf den Flügel wirkende Luftkraft oberhalb einer Anströmgeschwindigkeit von 14 Meter/Sekunde nicht weiter ansteigt. Dadurch wird die strukturelle Belastung des Rotors sowie der weiteren Komponenten trotz der höheren Windgeschwindigkeit nicht weiter erhöht. Vorzugsweise ist der Flügel und bevorzugt eine Generatorbremskraft derart einstellbar, dass die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors mit einem Durchmesser von etwa 100 Metern im Bereich des Flügels 39,2 Metern/Sekunde beträgt und konstant bleibt. Damit bleibt auch die Winkelgeschwindigkeit und die verfügbare Zeit zur Flügeleinstellung ebenfalls konstant.
Bei einem Durchmesser von mindestens 100 m besteht ein entsprechender Raumbedarf für die Installation der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Es ist daher besonders bevorzugt, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung für den Einsatz in sog. Offshore-Windparks vorgesehen wird, in denen der erforderliche Raum üblicherweise zur Verfügung steht. Hierbei kann der Stator dazu ausgebildet sein, an einem Meeresgrund z.B. mittels Pfeilern befestigt zu werden. Zur mechanischen Entlastung, kann der Stator zumindest einen Auftriebskörper aufweisen, welcher dazu ausgebildet ist, unter Wasser eine entgegen der Schwerkraft gerichtete Auftriebskraft auf den Stator auszuüben. Vorzugsweise weist der Flügel eine Flügelhöhe von 100 Metern auf, insbesondere wenn der Rotordurchmesser ebenfalls 100 Meter beträgt.
Bevorzugt weist der Flügel ein Flügelprofil gemäß NACA (National Advisory Committee for Aeronautics) 2415 auf, bei dem der nutzbare Auftriebsbeiwert zwischen -0,5 und +1,0 liegt und der Luftwiderstandsbeiwert unterhalb von 0,01 liegt. Die Flügeltiefe beträgt vorzugsweise 1°. Die Wölbung beträgt 0,67 cm bei einem Rotordurchmesser von 100 m. Die sich ergebende effektive Wölbung beträgt 2,2 %. Der Momentenbeiwert liegt vorzugsweise bei -0,05.
Der Leistungsbeiwert des Rotors mit dem vorstehend beschriebenen Flügel kann bis zu einer Anströmgeschwindigkeit von 12 Metern/Sekunde bei 0,43 liegen und damit im Vergleich zu vorbekannten Vorrichtungen, z.B. Enercon E 126, geringer sein. Allerdings haben Untersuchungen gezeigt, dass der Leistungsbeiwert oberhalb einer Anströmgeschwindigkeit von 12 Metern/Sekunde bis zu einer Anströmgeschwindigkeit von 14 Metern/Sekunde um 36% gegenüber der oben beispielhaft genannten E 126 zunimmt und bei einer Anströmgeschwindigkeit von 17 Metern/Sekunde um 70% zunimmt. Für die Angaben der Leistungsbeiwerte wird vorliegend von dem Wirkungsgrad eines Standardgenerators in Höhe von etwa 0,93 ausgegangen.
Der maximale Auftriebsbeiwert des Flügels beträgt bei einer relativen Verdrehung des Rotors gegenüber der Anströmrichtung des Windes von 250° vorzugsweise 1,02. Im Luv beträgt der maximale Auftriebsbeiwert Wert < -0,5. Der Wirkungsgrad beträgt vorzugsweise 78,4 % und die Nettoleistung e = 0,44. Bei einem höher angesetzten maximalen Auftriebsbeiwert kann die Flügeltiefe verringert werden.
Während der Rotationsbewegung des Rotors verändert der Flügel seine relative Lage in Bezug auf den anströmenden Wind, wodurch sich unterschiedliche Strömungszustände ergeben. Diese bewirken in Abhängigkeit der Drehlage des Flügels um seine Flügelachse unterschiedliche Kräfte, die auf den Flügel wirken und über eine Flügellagerung abgestützt werden müssen. Untersuchungen des Anmelders haben gezeigt, dass hierbei eine Kraft auf den Flügel wirken kann, die in Bezug auf die Rotationsachse des Rotors zumindest anteilig radial verläuft und in Richtung der Rotationsachse gerichtet ist. Diese Kraft kann grundsätzlich zwar von dem Flügellager gehalten werden, jedoch muss das Flügellager hierfür hinreichend groß dimensioniert sein.
Eine konstruktive Maßnahme, um das Flügellager zu entlasten, kann darin bestehen, eine oder mehrere Ausgleichsstreben vorzusehen, mittels derer der Flügel mit einem oder mehreren benachbart angeordneten Flügeln verbunden wird. Über eine solche Ausgleichsstrebe ist es möglich, die oben genannte Kraft auf mehrere Flügellager zu verteilen.
Zusätzlich oder alternativ, kann die Flügelmasse derart gewählt sein, dass bei einer Rotationsbewegung des Rotors eine auf den Flügel wirkende Zentrifugalkraft derart hoch ist, dass die oben genannte, radial gerichtete Kraft - - ausgeglichen wird. Hierfür kann der Flügel eine Flügelmasse aufweisen, die sich aus einer Minimalmasse und einer Zusatzmassezusammensetzt. Die Minimalmasse kann etwa durch den Aufbau und die Materialwahl des Flügels bestimmt sein, während die Zusatzmasse in Gestalt - einer höheren Flügelmasse angeordnet sein kann. Das Gewicht der Zusatzmasse ist gewählt, um die auf den Flügel wirkende Zentrifugalkraft bei der Rotationsbewegung des Rotors gezielt einzustellen. Die Flügelmasse beträgt vorzugsweise 4.538 kg, wobei die Minimalmasse 4.394 kg und die Zusatzmasse 144 kg betragen können.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung weist das Leitwerk einen gegenüber dem Flügel feststehenden Leitwerksteil und einen gegenüber dem Flügel beweglichen Leitwerksteil auf. Eine Einstellvorrichtung, welche insbesondere einen steuerbaren Einstellmotor umfasst, ist im Bereich des feststehenden Leitwerksteils angeordnet und dazu ausgebildet, den beweglichen Leitwerksteil gegenüber dem feststehenden Leitwerksteil zu verstellen.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Weiterbildung weist das Leitwerk einen feststehenden Leitwerksteil auf, welcher als Flosse bezeichnet werden kann, sowie einen beweglichen Leitwerksteil, der als Ruder bezeichnet werden kann. Der feststehende Leitwerksteil kann mittels einer oder mehrerer Befestigungsstreben an dem Flügel befestigt sein. Die Antriebsbewegung der Einstellvorrichtung kann bevorzugt mittels eines Getriebes auf den beweglichen Leitwerksteil übertragen werden. Das Getriebe kann hierfür ein Ritzel und ein Zahnkranzsegment umfassen, wobei das Ritzel mit der Einstellvorrichtung und das Zahnkranzsegment mit dem beweglichen Leitwerksteil mechanisch gekoppelt ist. Bevorzugt ist der bewegliche Leitwerksteil in Bezug auf eine Mittellage um +/- 30° gegenüber dem feststehenden Leitwerksteil schwenkbar.
Vorzugsweise ist eine Steuereinrichtung, insbesondere ein elektrisches Steuergerät, signaltechnisch mit der Einstellvorrichtung verbunden und dazu ausgebildet, das Leitwerk mittels der Einstellvorrichtung in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit und/oder der Anströmrichtung des Windes einzustellen. Insbesondere kann hierdurch ein variables Luv/Lee-Verhältnis der Luftkraft erreicht werden und bevorzugt ein Luv/Lee Verhältnis der Luftkraft von 50%/50%, höchst vorzugsweise von 30%/70%, eingestellt werden. Der Begriff Luv bezeichnet einen Zustand des Flügels in einer Drehlage des Rotors, bei der der Flügel dem anströmenden Wind zugewandt ist. Der Begriff Lee bezeichnet einen Zustand des Flügels in einer Drehlage des Rotors, bei der der Flügel, dem anströmenden abgewandt ist. Dementsprechend bezeichnet ein Luv/Lee Verhältnis der Luftkraft, ein Verhältnis der auf den Flügel wirkenden Luftkraft, die in den entsprechenden Drehlagen des Rotors auf den Flügel wirkt. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Luv/Lee Verhältnisse der Luftkraft von 50%/50% bzw. von 30%/70% besonders vorteilhaft für die Effizienzsteigerung und der Verringerung der Turbulenz im Rotorinneren der Vorrichtung sind.
Bevorzugt ist ein Sensor signaltechnisch mit der Steuereinrichtung verbunden und dazu ausgebildet, die Windgeschwindigkeit und/oder die Anströmrichtung zu messen und zumindest ein Messsignal in die Steuereinrichtung einzugeben. Ferner kann der Sensor dazu ausgebildet sein, eine Position des Flügels auf einer Bewegungsbahn um die Rotationsachse des Rotors zu erfassen und das Messsignal in Abhängigkeit der erfassten Position in die Steuereinrichtung einzugeben. In der Ausgestaltung als elektrisches Steuergerät kann ein Programmcode in dem elektrischen Steuergerät implementiert sein, mittels dessen die Steuerung der Einstellvorrichtung in Abhängigkeit von dem zumindest einen Messsignal erfolgt. Die Steuerung kann dabei mittels eines mathematischen Modells indirekt und in Abhängigkeit eines Leistungsinputs als Funktion der Windgeschwindigkeit und/oder der Anströmrichtung über den gewünschten Einstellwinkel des Flügels erfolgen. Der Einstellwinkel beschreibt eine relative Drehlage des Flügels um seine Drehachse gegenüber der Anströmrichtung des Windes.
Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung signaltechnisch mit einem Generator verbunden, der dazu vorgesehen ist, infolge der Relativbewegung des Rotors gegenüber dem Stator eine elektrische Spannung zu erzeugen, um das Leitwerk in Abhängigkeit eines Leistungsoutputs zu steuern. Dadurch ist es beispielsweise möglich, Spannungsschwankungen bedarfsweise auszugleichen, indem die auf den Flügel wirkende Luftkraft entsprechend der jeweiligen Position auf der Kreisbahn gezielt verringert oder erhöht wird. Hierfür kann der gewünschte Anstellwinkel des Flügels in Abhängigkeit einer gewünschten Anpassung einer generierbaren Spannung mittels der Steuerung des Leitwerks verstellt werden.
Bevorzugt weist der Flügel gegenüber einer Anströmrichtung des Windes einen Abrisswinkel auf und ist innerhalb eines Winkelbereichs um seine Flügelachse derart verstellbar, dass ein einstellbarer Maximalwinkel des Flügels einen Winkelabstand gegenüber dem Abrisswinkel aufweist. Dadurch ist es auf einfache Weise möglich, einen zuverlässigen Betrieb der Vorrichtung zu gewährleisten, da ein strömungstechnisch ungünstiger Zustand des Flügels über den gesamten Winkelbereich, in dem der Flügel um seine Flügelachse verstellbar ist, vermieden wird. Dadurch kann eine einstellbare Luftkraft über den gesamten Winkelbereich auf den Rotor übertragen werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Flügel zumindest zwei Leitwerke auf, welche entlang der Flügelachse zueinander beabstandet angeordnet sind. Eine derartige Ausgestaltung erlaubt es insbesondere, die Torsionsbelastung an dem Flügel entlang der Flügelachse zu reduzieren, da der Flügel entlang der Flügelachse gleichmäßiger belastet wird als mit nur einem Leitwerk.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst der Rotor zumindest einen Basisring, welcher im Wesentlichen konzentrisch um die Rotationsachse des Rotors angeordnet ist, wobei der Flügel an dem Basisring um seine Flügelachse drehbar gelagert ist. Der Stator umfasst einen Träger, welcher vorzugsweise eine zu dem Basisring korrespondierende Geometrie aufweist. Ferner ist eine Lageranordnung mit zumindest einem Magnetpaar vorgesehen, die zur feldkraftschlüssigen Lagerung des Basisrings gegenüber dem Träger ausgebildet ist.
Im Vergleich zu einer Lagerung, bei der der Rotor an einem Statorturm und damit nahe seiner Rotationsachse gelagert ist, erlaubt es die Ausgestaltung eines umlaufenden Basisringes und des Trägers die zwischen Ihnen zu übertragenden Kräfte und Momente auf einen größeren Bereich zu verteilen. Insbesondere kann das Magnetpaar sowie bevorzugt weitere Magnetpaare über den Umfang des Basisringes verteilt angeordnet sein. Damit wird ein großer zur Verfügung stehender Bauraum ausgenutzt, um das Magnetpaar sowie bevorzugt weitere Magnetpaare anordnen zu können. Eine derartige Anordnung erlaubt es gegenüber einer vergleichbaren Lagerung am Statorturm die Relativgeschwindigkeiten der Pole des Magnetpaares zu erhöhen und die Magnete des Magnetpaares somit jeweils mit geringen Flussdichten zu dimensionieren.
Die feldkraftschlüssige Lagerung ist gegenüber herkömmlichen, mechanischen Lagern reibungsarm und geht mit Vorteilen hinsichtlich ihres Verschleißes einher. Grundsätzlich liegt es im Rahmen der vorteilhaften Weiterbildung, dass die feldkraftschlüssige Lagerung ausgebildet ist, um Zug- oder Druckkräfte zu übertragen, insbesondere in vertikaler Richtung und damit parallel zu der Schwerkraft.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst der Rotor zwei Basisringe, wobei der Flügel an einem ersten Basisring um seine Flügelachse drehbar gelagert ist und der zweite Basisring mittels der Lageranordnung feldkraftschlüssig an dem Träger gelagert ist. Zwischen dem ersten Basisring und dem zweiten Basisring ist zumindest ein gelenkig gelagerter Stiel angeordnet, um den ersten Basisring und den zweiten Basisring relativ zueinander beweglich zu lagern.
Die vorstehend beschriebene Weiterbildung beruht auf der Erkenntnis, dass eine Lagerung des ersten Basisringes gegenüber dem zweiten Basisringes vorteilhaft ist, die ihre relative Beweglichkeit zueinander ermöglicht. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass eine Beweglichkeit in Bezug auf die Rotationsachse des Rotors in radialer Richtung möglich ist, um dadurch eine entsprechende Ausweichbewegung des Flügels in radialer Richtung zu ermöglichen.
In einer einfachen Ausführungsform ist der Flügel an dem ersten Basisring gelagert. Der Stiel erstreckt sich dabei unterhalb des Flügels entlang der Flügelachse und ist über ein Gelenk an dem zweiten Basisring angeordnet. Es liegt im Rahmen der vorteilhaften Weiterbildung, dass der Stiel biegsam ausgestaltet ist. Hierbei kann die Ausgleichsbewegung infolge der gelenkigen Lagerung des Stiels an dem zweiten Basisring und/oder infolge einer Verbiegung des Stiels unter Last erfolgen.
Bevorzugt weist die Vorrichtung eine Mehrzahl an Flügeln auf, die mittels des ersten Basisrings in den Bereichen ihrer jeweiligen Flügelspitzen mechanisch gekoppelt sind. Dadurch kann die Ausweichbewegung aller Flügel unter Last synchron erfolgen.
Der Stiel ist vorzugsweise zwischen dem ersten Basisring und dem zweiten Basisring angeordnet und dabei gelenkig gelagert. Hiermit ist es auf konstruktive Weise besonders einfach, eine relative Verlagerung des ersten und des zweiten Basisringes in radialer Richtung zu ermöglichen. Bevorzugt weist der Stiel eine Stiellänge von 1 bis 2 Meter auf.
Die Ausgestaltung des ersten und des zweiten Basisringes geht mit einer Funktionstrennung einher. Der erste Basisring dient, wie oben erwähnt, vorrangig zur mechanischen Kopplung der Flügel, während der zweite Basisring zur Übertragung von Kräften und Momenten zwischen dem Rotor und dem Stator dient. Dementsprechend können der erste und der zweite Basisring unabhängig voneinander gestaltet und jeweils zur Ausführung der oben genannten Funktionen optimiert werden, beispielsweise hinsichtlich ihres jeweiligen Gewichtes oder etwa ihrer Steifigkeiten.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Lageranordnung ein Fahrgestell, auf welchem der Basisring, insbesondere der zweite Basisring, aufliegt und bei der das Magnetpaar zumindest einen Rotormagneten und zumindest einen Statormagneten aufweist. Der Rotormagnet ist dabei an einer dem Basisring, insbesondere dem zweiten Basisring, zugewandten Seite des Fahrgestells und der Statormagnet an einer dem Basisring, insbesondere dem zweiten Basisring, abgewandten Seite des Trägers angeordnet, sodass der Basisring, insbesondere der zweite Basisring, in zumindest einer relativen Drehlage des Rotors gegenüber dem Stator unter Ausübung einer Zugkraft hängend von dem Träger gehalten ist.
Das Fahrgestell stellt im Sinne der vorteilhaften Weiterbildung eine Komponente oder eine Baugruppe dar, welche den Basisring hält und gegenüber dem Träger verlagerbar ausgebildet ist. In einer denkbaren Ausführungsform kann das Fahrgestell als Metallkonstruktion, insbesondere als Stahlkonstruktion, ausgestaltet sein, wobei jedoch auch denkbar ist das Fahrgestell zumindest teilweise in Leichtbauweise aus einem Kunststoff, insbesondere einem faserverstärkten Kunststoff, herzustellen.
Gemäß der vorteilhaften Weiterbildung ist es möglich, den Rotor nach der Art eines sog. Transrapids am Stator zu lagern. Hierbei wird ein Schwebezustand zwischen dem Rotor und dem Stator herbeigeführt, bei dem ein Luftspalt zwischen dem Rotormagneten und dem Statormagneten eingestellt wird. Bevorzugt besteht im Betrieb daher keinerlei mechanischer Kontakt zwischen den Komponenten des Rotors zu denen des Stators, um das Gewicht des Rotors sowie die auf ihn wirkenden Kräfte zu stützen. Es kann jedoch zweckdienlich sein, Führungselemente vorzusehen, die die Bewegungsbahn des Fahrgestells bei einer relativen Verlagerung des Basisrings gegenüber dem Träger definieren, insbesondere um eine radial wirkende Seitenkraft aufzunehmen. Die Position der Führungselemente sowie ihre Ausgestaltung sind nicht auf eine bestimmte Ausführungsform beschränkt und können somit oberhalb und/oder unterhalb und/oder radial versetzt zu dem Fahrgestell angeordnet sein.
Im Vergleich zu einer Anordnung, bei der der Rotormagnet oberhalb des Statormagneten angeordnet ist, ist es mittels der hängenden Anordnung auf einfachere Weise möglich, einen mechanisch stabilen Zustand herbeizuführen, sodass grundsätzlich keine Seitenkräfte erforderlich sind, um den Rotor und den Stator in einer definierten Relativlage zu halten.
In einer denkbaren Ausführungsform weist das Fahrgestell zumindest eine Ausnehmung auf, welche zumindest einseitig geöffnet ist und bei der der Rotormagnet in der Ausnehmung angeordnet ist. Der Träger weist hierbei eine Auskragung auf, welche entlang der Radialachse des Rotors in die Ausnehmung des Fahrgestells hineinragt und bei der zumindest der Statormagnet an der Auskragung angeordnet ist.
Mit der vorstehend beschriebenen Weiterbildung ist es auf konstruktiv einfache Weise möglich, die oben beschriebene hängende Anordnung des Rotors gegenüber dem Stator zu realisieren. Insbesondere kann das Fahrgestell eine im Wesentlichen vertikal verlaufende Wandung aufweisen, in derem oberen Bereich der Basisring aufliegt und in derem unterem Bereich eine im Wesentlichen radial verlaufende Halterung ausgebildet ist, an der der Rotormagnet angeordnet ist.
Die Auflage und die Halterung begrenzen hierbei die Ausnehmung des Fahrgestells vorzugsweise in vertikaler Richtung nach oben bzw. nach unten. Die Auskragung des Trägers kann zwischen der Auflage und der Halterung in die Ausnehmung hineingreifen und dient zur Aufnahme des Statormagneten. Der Träger und das Fahrgestell sind dabei derart angeordnet, dass der Rotormagnet und der Statormagnet zueinander korrespondierend angeordnet sind, um die feldkraftschlüssige Lagerung auszubilden. Zudem ist es mittels der vorstehend beschriebenen Ausgestaltung auf konstruktiv einfache Weise möglich, den Luftspalt zwischen dem Rotormagneten und dem Statormagneten gegenüber äußeren Einflüssen zu schützen, da das Magnetpaar zumindest von der Auskragung des Trägers sowie der Halterung und der Wandung des Fahrgestells verdeckt sein kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das oben beschriebene Magnetpaar ein erstes Magnetpaar und der Statormagnet ein erster Statormagnet und der Rotormagnet ein erster Rotormagnet. Die Lageranordnung umfasst zudem zumindest ein zweites Magnetpaar, um eine Seitenkraft des Rotors an dem Stator abzustützen, wobei das zweite Magnetpaar einen zweiten Rotormagneten und einen zweiten Statormagneten aufweist, von denen der zweite Rotormagnet von dem Fahrgestell gehalten ist und der zweite Statormagnet von dem Träger gehalten ist.
Mit dem zweiten Magnetpaar ist es auf einfache Weise möglich, auf eine mechanische Führung zu verzichten, die das Fahrgestell oder den Basisring oder einen anderen Teil des Rotors in radialer Richtung stützt um die Seitenkraft aufzunehmen. Vielmehr wird eine zweite feldkraftschlüssige Lagerung vorgesehen, die, wie bereits in Bezug auf das erste Magnetpaar erläutert, reibungsarm ist und damit einen geringen Laufwiderstand für die Relativbewegung zwischen dem Rotor und dem Stator bildet.
Vorzugsweise weist die Lageranordnung zumindest ein drittes Magnetpaar auf, um die Seitenkraft des Rotors an dem Stator abzustützen, wobei das dritte Magnetpaar einen dritten Rotormagneten und einen dritten Statormagneten aufweist, von denen der dritte Rotormagnet von dem Fahrgestell gehalten ist und der dritte Statormagnet von dem Träger gehalten ist.
Die vorstehend beschriebene vorteilhafte Weiterbildung ermöglicht es, das zweite Magnetpaar zu entlasten, da die Seitenkräfte des Rotors nicht alleine mittels des zweiten Magnetpaares, sondern zusätzlich durch das dritte Magnetpaar abgestützt werden können. Durch eine geeignete Polung des zweiten und des dritten Magnetpaares ist es ebenfalls möglich, eine Zentrierung des Fahrgestells in radialer Richtung herbeizuführen und damit eine optimale Ausrichtung des ersten Rotormagneten gegenüber dem ersten Statormagneten zu erreichen. Damit können das zweite und das dritte Magnetpaar zur Verbesserung der Lagerung mittels des ersten Magnetpaares dienen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Rotormagnet, insbesondere der erste Rotormagnet, als Permanentmagnet ausgestaltet und der Statormagnet, insbesondere der erste Statormagnet, als elektrisch steuerbarer Elektromagnet mit mindestens einer elektrischen Spule ausgestaltet.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Weiterbildung ist es auf einfache Weise möglich, die feldkraftschlüssige Lagerung steuerbar auszubilden, indem eine an dem Elektromagneten anliegende Spannung oder der durch seine elektrische Spule fließende Strom in Abhängigkeit der erforderlichen Lagerkräfte einstellbar ist. Insbesondere ist es mittels einer Regelung der Spannung oder des Stromes auch möglich, das dynamische Verhalten des Rotors positiv zu beeinflussen, zum Beispiel, wenn der Rotor infolge von Schwankungen in der Windstärke zu Schwingungen angeregt wird. Ein Abstandssensor kann vorgesehen sein, um den Luftspalt zwischen dem Permanentmagneten und dem Elektromagneten zu überwachen. Wird mittels des Abstandssensors eine Veränderung des Luftspaltes detektiert, gibt dieser ein Abstandssignal in eine Steuereinrichtung aus. Die Steuereinrichtung gibt wiederum ein Steuersignal an eine elektrische Energiequelle aus, die energietechnisch mit dem Elektromagneten verbunden ist, um eine gewünschte Feldkraft zwischen dem Permanentmagneten und dem Statormagneten einzustellen. Somit kann mittels des Magnetpaares bedarfsweise eine ausgleichende Gegenkraft erzeugt werden.
Bevorzugt weist die Vorrichtung eine Vielzahl an Elektromagneten und Permanentmagneten auf, die über den Umfang des Rotors bzw. des Stators verteilt angeordnet sind.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Fahrgestell zumindest ein Hilfsrad auf, welches auf einer Lauffläche des Trägers zumindest zeitweise aufliegt und bei einer Relativbewegung zwischen dem Rotor und dem Stator auf der Lauffläche abrollt.
Mit der vorstehend beschriebenen Weiterbildung kann zusätzlich zu der feldkraftschlüssigen Lagerung eine mechanische Lagerung vorgesehen werden, die die Ausfall- und Betriebssicherheit der Vorrichtung erhöht. Insbesondere wenn die feldkraftschlüssige Lagerung infolge von Stillstand, Wartung oder Instandhaltung nicht in Betrieb ist, kann das Hilfsrad dazu dienen, die Rotorlast an dem Stator abzustützen. Es liegt im Rahmen der vorteilhaften Weiterbildung, dass das Hilfsrad in einem geringen Abstand zu der Lauffläche des Trägers angeordnet ist, wenn der Rotor feldkraftschlüssig am Stator gelagert ist. Alternativ kann das Hilfsrad dauerhaft auf der Lauffläche aufliegen. Es kann zweckdienlich sein, das Hilfsrad mittels einer Feder-Dämpfer-Anordnung an dem Fahrgestell zu lagern und damit die dynamischen Eigenschaften des Fahrgestells bei einer Relativbewegung zwischen Rotor und Stator zu verbessern. Durch Anordnung des Hilfsrades mit einem ständigen Kontakt kann die Vorrichtung in konstruktiv einfacher Weise als sog. Semi-Transrapidsystem ausgebildet werden.
Sofern das Fahrgestell die Ausnehmung aufweist, ist es vorteilhaft, wenn das Hilfsrad außerhalb der Ausnehmung angeordnet ist. Durch diese Anordnung lässt sich verhindern, dass ein Abrieb des Hilfsrades in den Luftspalt zwischen den Rotormagneten und den Statormagneten gelangt, welche im Bereich der Ausnehmung angeordnet sind, und die feldkraftschlüssige Lagerung negativ beeinflusst.
Vorzugsweise weist das Hilfsrad eine Radachse auf, welche im Wesentlichen orthogonal zu der Rotationsachse des Rotors verläuft und bei der die Lauffläche im Wesentlichen parallel zu der Radachse verläuft. In der Ausgestaltung als Vertikalachsenrotor kann das Hilfsrad somit dazu dienen, die Gewichtskraft des Rotors zumindest teilweise aufzunehmen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Hilfsrad ein erstes Hilfsrad und die Radachse eine erste Radachse und die Lauffläche des Trägers eine erste Lauffläche. Hierbei weist das Fahrgestell ein zweites Hilfsrad auf, welches auf einer zweiten Lauffläche des Trägers aufliegt und bei der Relativbewegung zwischen dem Rotor und dem Stator auf der zweiten Lauffläche abrollt. Das zweite Hilfsrad weist eine zweite Radachse auf, welche im Wesentlichen parallel zu der Rotationsachse des Rotors verläuft und bei der die zweite Lauffläche im Wesentlichen parallel zu der zweiten Radachse verläuft.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Weiterbildung ist es möglich, eine Seitenkraft des Rotors zusätzlich zu einer feldkraftschlüssigen Lagerung, insbesondere mittels des zweiten und/oder des dritten Magnetpaares auf mechanische Weise aufzunehmen. Entsprechend den Ausführungen bezüglich des ersten Hilfsrades, erhöht dies die Ausfall- und Betriebssicherheit der Vorrichtung und verbessert ihre Wartbarkeit.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Lagervorrichtung derart ausgestaltet, dass das Hilfsrad, vorzugsweise das erste und/oder das zweite Hilfsrad, gegenüber dem Magnetpaar, insbesondere dem ersten Magnetpaar, zwischen 1 % und 5 % der von dem Magnetpaar, insbesondere von dem ersten Magnetpaar bzw. dem zweiten und/oder dem dritten Magnetpaar, feldkraftschlüssig übertragbaren Nennlast stützt.
Im Sinne der vorstehend beschriebenen vorteilhaften Weiterbildung stellt die Nennlast eine Bezugsgröße für die Dimensionierung der feldkraftschlüssigen Lagerung dar. Diese kann sich aus einem geschätzten oder einem empirisch ermittelten Lastkollektiv ergeben und sich zwischen mehreren Vorrichtungen der hier beschriebenen Art unterscheiden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst der Stator zumindest eine Generatorspule, welche derart am Träger angeordnet ist, dass eine Relativbewegung zwischen dem Rotor und dem Stator infolge einer räumlichen Verlagerung des Rotormagneten, insbesondere des ersten Rotormagneten, zumindest zeitweise eine Änderung der magnetischen Feldstärke im Bereich der Generatorspule bewirkt, um eine elektrische Spannung zu erzeugen. Bevorzugt erfolgt die räumliche Verlagerung des Rotors gegenüber dem Stator nach der Art eines Transrapids.
Ein Vorteil der vorstehend beschriebenen Weiterbildung besteht insbesondere dann, wenn eine feldkraftschlüssige Lagerung für den Rotor und den Stator vorgesehen ist. In diesem Fall dient der Rotormagnet einerseits zur feldkraftschlüssigen Übertragung von Kräften zwischen dem Rotor und dem Stator. Andererseits kann das Wanderfeld des Rotormagneten dazu genutzt werden, um eine Spannung zu generieren. Gegenüber herkömmlichen Rotorlagerungen, bei denen die Generatorkomponenten und das mechanische Lager strukturell voneinander getrennt sind, herrscht vorliegend ein hohes Maß an Funktionsintegration. Dies ermöglicht es, die Lageranordnung kompakt zu gestalten und die Menge an erforderlichen Komponenten zu reduzieren, wodurch die Kosten sinken.
Die vorteilhafte Weiterbildung, die die Generatorspule betrifft, ist grundsätzlich nicht darauf beschränkt, wie die Generatorspule ausgestaltet ist und gegenüber einem Elektromagneten, der ebenfalls als Spule ausgestaltet sein kann, angeordnet ist. Es liegt ferner im Rahmen der Erfindung, dass eine Spule wahlweise als Spule des Elektromagneten oder als Generatorspule betrieben werden kann. Hierfür kann eine Schaltvorrichtung vorgesehen sein, die signaltechnisch mit der oben beschriebenen Steuereinrichtung oder einer anderen Steuereinrichtung verbunden ist.
Im Vergleich zu einer Windkraftanlage mit einem Horizontalachsenrotor kann die Gesamtmasse des Generators wegen seines größeren Durchmessers geringer sein. Dies hängt damit zusammen, dass im Betrieb des Generators mit einem größeren Durchmesser gegenüber einem Generator mit geringerem Durchmesser höhere Polgeschwindigkeiten auftreten. Dies führt dazu, dass die Änderungsrate der magnetischen Feldstärke entsprechend höher sein kann. Dadurch kann beispielsweise die Windungszahl der Generatorspule bei einem größeren Generatordurchmesser zum Zwecke der Gewichtsreduktion geringer gewählt sein als bei einem Generator mit kleinerem Generatordurchmesser. Bevorzugt entspricht die Generatormasse etwa 9.360 Kilogramm.
Weitere bevorzugte Merkmale und Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert. Die Ausführungsbeispiele sind lediglich vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung und sind nicht einschränkend.
Es zeigen:

1 eine Vorrichtung zur Wandlung von Windenergie in elektrische Energie mit einem Vertikalachsenrotor in seitlicher Schnittansicht;
2 ein Leitwerk, das an einem Flügel der Vorrichtung angeordnet ist, in Draufsicht a) und Seitenansicht b);
3 ein schematisches Kräftediagramm, das die Kraftverhältnisse an einem Flügel der Vorrichtung veranschaulicht;
4 eine Draufsicht auf die Vorrichtung in Höhe eines ersten Basisringes;
5 eine Draufsicht auf die Vorrichtung in Höhe eines zweiten Basisringes;
6 ein Fahrgestell der Vorrichtung in geschnittener Vorderansicht.

1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Wandlung von Windenergie in elektrische Energie mit einem Rotor 2 und einem Stator 3, bei der der Rotor 2 als Vertikalachsenrotor ausgebildet ist und gegenüber dem Stator 3 um eine Rotationsachse 4 drehbar gelagert ist, die im Wesentlichen vertikal, also parallel zu der Schwerkraftrichtung g, verläuft. Die Vorrichtung 1 ist im Bereich des Stators 3 teilweise in Wasser angeordnet und als sog. Offshore-Anlage ausgebildet.
Der Rotor 2 weist eine Vielzahl von Flügeln 5 auf, die jeweils eine Flügelachse 6 aufweisen, welche jeweils parallel versetzt zu der Rotationsachse 4 des Rotors 2 verlaufen. Die Flügel 5 sind im Wesentlichen identisch zueinander ausgestaltet und zumindest in Bezug auf die Rotationsachse 4 symmetrisch angeordnet. Zum leichteren Verständnis wird im Folgenden nur auf einen der Flügel 5 Bezug genommen.
Der Rotor 2 weist einen ersten Basisring 7 auf, an dem der Flügel 5 um seine Flügelachse 6 drehbar gelagert ist. Mittels einer solchen Lagerung kann der Flügel 5 einstellbar in unterschiedliche Drehlagen gebracht werden. Eine erste Drehlage kann hierbei derart eingestellt werden, dass ein anströmender Wind mit der Windgeschwindigkeit Vw eine Luftkraft auf den Flügel 5 ausüben kann, um den Rotor 2 in eine Rotationsbewegung gegenüber dem Stator 3 zu versetzen. Infolge der Drehbewegung des Rotors 2 bewegt sich der Flügel 5 dabei zumindest zeitweise auch entgegen des Windes W. Infolge des Strömungswiderstandes des Flügels 5 entsteht ein Drehmoment um die Rotationsachse 4, welches der Drehbewegung des Rotors 2 entgegenwirkt. Um diesen nachteiligen Effekt zu mindern, kann für denselben Flügel 5 eine zweite Drehlage mit einem geänderten Einstellwinkel eingestellt werden, bei der ein gegenüber der ersten Drehlage verringerter Strömungswiderstand herrscht. Hierdurch wird die Effizienz der Vorrichtung 1 verbessert. Insbesondere ist es zur Effizienzsteigerung möglich, ein Luv/Lee Verhältnis der Luftkraft von 50%/50% einzustellen. Ebenso ist es beispielsweise möglich, ein Luv/Lee Verhältnis der Luftkraft von 30%/70% einzustellen.
Zur Einstellung der Drehlage, weist der Flügel 5 zwei Leitwerke 8 auf, die entlang der Flügelachse 6 zueinander versetzt angeordnet sind. Die Leitwerke 8 dienen dazu, den Flügel 5 aerodynamisch, also infolge einer auf sie ausgeübten Luftkraft, um die Flügelachse 6 einzustellen. In einer alternativen und hier nicht gezeigten Ausführungsform kann auch nur ein Leitwerk 8 vorgesehen sein. Ein Vorteil zweier Leitwerke 8 besteht gegenüber der Ausgestaltung mit einem Leitwerk darin, dass der Flügel 5 gleichmäßiger mechanisch belastet wird und insbesondere mit einer geringeren Torsionsbelastung des Flügels 5 um seine Flügelachse 6 einhergeht. Das Leitwerk weist einen gegenüber dem Flügel 5 feststehenden Leitwerksteil und einen gegenüber dem Flügel 5 beweglichen Leitwerksteil auf. Eine Einstellvorrichtung umfasst einen steuerbaren Einstellmotor, der im Bereich des feststehenden Leitwerksteils angeordnet und dazu ausgebildet ist, den beweglichen Leitwerksteil gegenüber dem feststehenden Leitwerksteil zu verstellen.
Die Lagerung des Flügels 5 an dem ersten Basisring 7 wird zusätzlich von einer Vielzahl an Streben unterstützt, die sich oberhalb des ersten Basisringes 7 befinden. Insbesondere umfasst die Lagerung des Flügels 5 eine Vielzahl im Wesentlichen horizontal verlaufender Ausgleichsstreben 9 (vgl. 4), die um die Rotationsachse 4 angeordnet sind und die auf die Flügel 5 wirkenden Kräfte während der Rotationsbewegung des Rotors über den Umfang des Rotors 2 verteilen. Die Ausgleichsstreben 9 sind paarweise über eine Mehrzahl von Knotenpunkten (vgl. 3) miteinander verbunden. Mehrere Abspannstreben 10 verlaufen zwischen den Knotenpunkten der Ausgleichsstreben 9 und einem Statorturm 11. Zusätzlich sind Nebenstreben 12 vorgesehen, die von der oberen Flügelspitze zu einem Bereich verlaufen, in welchem die Abspannstreben 10 am Statorturm 11 gelagert sind. Fangseile 13 sind zusätzlich als Lagermittel vorgesehen und verlaufen jeweils von einem der Knotenpunkte der Ausgleichsstreben 9 zu der Turmspitze des Statorturms 11. Vortriebsstreben 14 verlaufen jeweils diagonal von einem der Knotenpunkte der Ausgleichsstreben 9 zu der unteren Flügelspitze eines benachbarten Flügels 5. Dieser Aufbau ist in Hinblick auf die erreichbare Steifigkeit des Rotors im Verhältnis zu seinem Gesamtgewicht vorteilhaft.
Unterhalb des ersten Basisringes 7 ist ein zweiter Basisring 15 angeordnet. Der erste Basisring 7 ist mittels einer Mehrzahl gelenkig gelagerter Stiele 16 relativ beweglich gegenüber dem zweiten Basisring 15 gelagert. Die Flügel 5 sind mittels des ersten Basisrings 7 in den Bereichen ihrer unteren Flügelspitzen mechanisch miteinander gekoppelt. Eine derartige Lagerung ermöglicht eine Ausweichbewegung der Flügel 5 in radialer Richtung in Bezug auf die Rotationsachse 4. Der zweite Basisring 15 dient als Strukturelement, mittels dessen die auf den Rotor 2 wirkenden Kräfte und Momente auf den Stator 3 übertragen werden.
Der Stator 3 weist einen Träger 17 auf, dessen Geometrie abschnittsweise zu der des zweiten Basisrings 15 korrespondiert, sodass der zweite Basisring 15 und der Träger 17 sich mit Blickrichtung entlang der Rotationsachse 4 teilweise überdecken. Der zweite Basisring 15 ist feldkraftschlüssig an dem Träger 17 gelagert, wie in Bezug auf 6 noch im Detail erläutert ist.
Der Stator 3 weist eine Vielzahl an Pfeilern 18 auf, die über eine Vielzahl an Bogenstützen 19 mit dem Träger 17 verbunden sind. An den Pfeilern 18 sind unterhalb des Wasserspiegels jeweils Auftriebskörper 20 angeordnet, die die entsprechenden Pfeiler 18 unter Ausübung einer Auftriebskraft jeweils entlasten. Ein Maschinenhaus 21 ist an dem Statorturm 11 angeordnet. Eine Mehrzahl an Statorabspannstreben 22 dient der Lagerung und Versteifung des Stators 3.
2 zeigt eines der in 1 gezeigten Leitwerke 8 in einer Draufsicht a) und einer Seitenansicht b). Das Leitwerk 8 ist über zwei Halterungen 8a an einer Hinterkante des Flügels 5 befestigt. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Leitwerk einen gegenüber dem Flügel 5 feststehenden Leitwerksteil 8b auf, der als Flosse bezeichnet wird, sowie einen gegenüber dem feststehenden Leitwerksteil 8b beweglichen Leitwerksteil 8c, der als Ruder bezeichnet wird. Eine Einstellvorrichtung umfasst einen Elektromotor 8d, welcher mechanisch mit der Flosse verbunden ist und dessen Antriebsbewegung eine relative Verstellung des Ruders gegenüber der Flosse bewirkt. Hierfür weist der Elektromotor 8d ein Ritzel auf, welches mit einem Zahnkranzsegment 8e gekoppelt ist. Das Zahnkranzsegment 8e ist an einer Schwenkachse 8f angeordnet, welche endseitig fest mit dem Ruder verbunden ist. Dadurch wird die Antriebsbewegung des Elektromotors 8d über das Ritzel auf das Zahnkranzsegment und die Schwenkachse 8f übertragen und eine Schwenkbewegung des Ruders bewirkt. Das Ruder ist gegenüber einer Mittelage in einem Winkelbereich 8g um +/-30° schwenkbar, In hier nicht gezeigter Weise, umfasst die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, den Elektromotor 8d für eine relative Verstellung zwischen Flosse und Ruder bedarfsgerecht zu steuern. 3 veranschaulicht die Windgeschwindigkeiten sowie die auf den Flügel 5 wirkenden Kräfte. Hierbei bezeichnet Vw die Anströmgeschwindigkeit des Windes, VF die tangentiale Bewegungsgeschwindigkeit des Flügels 5 und VL die sich ergebende Luftgeschwindigkeit infolge der Anströmung des Flügels 5. Der sich einstellende Windwinkel ww beträgt in dem hier gezeigten Beispiel 19°. Die Luftkraft LK ist über den Anstellwinkel einstellbar und steht senkrecht zu VL. In Abhängigkeit des Anstellwinkels ergeben sich auch die maximale Auftriebsbeiwert c_a des Flügels und sein Widerstandsbeiwert c_w, von welchen der Auftrieb A und der Strömungswiderstand W abhängig sind. Die Vortriebskraft des Flügels VT ergibt sich mittels Projektion der Luftkraft LK auf die tangentiale Bewegungsachse des Flügels und als resultierende Kraft aus dem Strömungswiderstand W und dem Auftrieb A. Ein Einstellwinkel ew beschreibt die Drehlage des Flügels gegenüber seiner Lagerung am Basisring, Ein Anstellwinkel a ist zwischen der Anströmrichtung Vw und einer Sehne des Flügelprofils (nicht gezeigt) eingeschlossen.
4 zeigt die in Bezug auf 1 bereits erläuterte Anordnung an Ausgleichsstreben 9, die um die Rotationsachse 4 verlaufend angeordnet sind und über eine Mehrzahl an Abspannstreben 10 im Bereich des Statorturms (nicht gezeigt) gelagert sind. Die Bewegungsbahn der Flügel ist in 3 als gestrichelter Kreis dargestellt.
Die Ausgleichsstrebe 9 schließt mit ihrer Längsachse und einer Tangentialrichtung der Flügelbahn einen Winkel von etwa 30° ein. Dadurch kann die Ausgleichsstrebe dazu dienen, eine radial und in Richtung der Rotationsachse gerichtete Kraft, die auf den Flügel wirken kann, aufzunehmen und auf mehrere Flügellager zu übertragen. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Flügelmasse derart gewählt, dass bei einer Drehbewegung des Rotors um die Rotationsachse 4 eine auf den Flügel wirkende Zentrifugalkraft im Wesentlichen der über die Ausgleichsstrebe 9 wirkenden Kraft entspricht. Im Übrigen gelten die Ausführungen zu 1 entsprechend.
5 zeigt den Basisring 7, an dem die Flügel drehbar gelagert sind, sowie den unterhalb des zweiten Basisringes 15 angeordneten Träger 17. Wie anhand von 4 erkennbar ist, ist der zweite Basisring 15 ringförmig ausgestaltet, während der Träger 17 eine mehreckige Geometrie aufweist. Die Geometrie des Trägers 17 korrespondiert zu der Geometrie des zweiten Basisringes 15 derart, dass sich in der gezeigten Drehlage des zweiten Basisringes 15 gegenüber dem Träger 17 eine Mehrzahl an Überdeckungsbereichen ergibt, sodass insgesamt eine Überdeckung von ca. 20% zwischen dem zweiten Basisring 15 und dem Träger 17 besteht. Eine Lageranordnung ist vorgesehen, die die relative Verlagerung zwischen dem zweiten Basisring 15 und dem Träger 17 ermöglicht und nachfolgend in Bezug auf die 6 erläutert ist.
6 zeigt den zweiten Basisring 15, oberhalb dessen der Flügel 5 drehbar gelagert ist. An seiner Unterseite liegt der zweite Basisring 15 in einer Vielzahl von Auflagepunkten 23 auf einem Fahrgestell 24 auf, mittels dessen der zweite Basisring 15 gegenüber dem Träger 17 um die Rotationsachse 4 drehbar gelagert ist. Ferner ist an der Unterseite des zweiten Basisrings 15 ein Versteifungsrahmen 25 angeordnet.
Das Fahrgestell 24 umfasst ein im Wesentlichen horizontal angeordnetes Oberteil 26 sowie ein darunter angeordnetes Unterteil 27. Das Oberteil 26 und das Unterteil 27 sind über eine im Wesentlichen senkrecht verlaufende Seitenwand 28 miteinander verbunden. Das Oberteil 26, das Unterteil 27 und die Seitenwand 28 begrenzen eine Ausnehmung 29. Innerhalb dieser Ausnehmung 29 ist ein Rotormagnet 30 an dem Fahrgestell 24 derart angeordnet, dass er zu dem zweiten Basisring 15 gewandt ist.
Der Träger 17 weist eine Auskragung 31 auf, welche in Bezug auf die Rotationsachse 4 radial in die Ausnehmung 29 hineinragt. An einer Unterseite der Auskragung 31 ist ein Statormagnet 32 angeordnet, der gemeinsam mit dem Rotormagneten 30 ein erstes Magnetpaar 33 bildet. Das erste Magnetpaar 33 dient dazu, den zweiten Basisring 15 gegenüber dem Träger 17 feldkraftschlüssig und unter Ausübung einer Zugkraft hängend zu lagern. Vorliegend ist der Statormagnet 32 als Elektromagnet und der Rotormagnet 30 als Permanentmagnet ausgebildet, allerdings ist auch eine Ausgestaltung denkbar, bei der sowohl der Statormagnet 32 als auch der Rotormagnet 30 als Elektromagnete ausgebildet sind.
Zusätzlich zu dem ersten Magnetpaar 33 sind ein zweites Magnetpaar 34 und ein drittes Magnetpaar 35 vorgesehen, die dazu ausgestaltet sind, Seitenkräfte, die in radialer Richtung zwischen dem Fahrgestell 24 und dem Träger 17 wirken, aufzunehmen. Das zweite Magnetpaar 34 und das dritte Magnetpaar 35 sind radial versetzt zueinander angeordnet. Vorliegend sind die an dem Träger 17 angeordneten Magnete des zweiten Magnetpaares 34 und des dritten Magnetpaares 35 als Elektromagnete ausgebildet, während die an dem Fahrgestell angeordneten Magnete des zweiten Magnetpaares 34 und des dritten Magnetpaares 35 als Permanentmagnete ausgebildet sind.
Zusätzlich weist das Fahrgestell 24 ein erstes Hilfsrad 36 mit einer im Wesentlichen horizontal verlaufenden Radachse 37 auf. Das erste Hilfsrad 36 rollt bei einer Relativbewegung des Rotors gegenüber dem Stator auf einer ersten Lauffläche 38 des Trägers 17 ab. Ein zweites Hilfsrad 39 weist eine im Wesentlichen vertikal verlaufende Radachse 40 auf und rollt an einer zweiten Lauffläche 41 des Trägers ab. Das erste Hilfsrad 36 und das zweite Hilfsrad 37 dienen vorrangig als Führungsmittel, die die Bewegung des Fahrgestells 24 gegenüber dem Träger 17 definieren. Eine derartige Anordnung entspricht im Wesentlichen der eines sog. Semi-Transrapidsystems, bei dem eine feldkraftschlüssige Lagerung durch eine mechanische Lagerung unterstützt wird. Vorliegend ist zumindest das erste Hilfsrad 36 und seine Lagerung am Fahrgestell 24 derart dimensioniert, dass sie etwa 1-5% der Nennlast tragen können, die mit dem ersten Magnetpaar 33 gehalten werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3810339 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung (1) zur Wandlung von Windenergie in elektrische Energie mit einem Rotor (2) und einem Stator (3), bei der der Rotor (2), insbesondere ein Vertikalachsenrotor, gegenüber dem Stator (3) um eine Rotationsachse (4) drehbar gelagert ist und bei der der Rotor (2) mindestens einen Flügel (5) mit einer Flügelachse (6) aufweist, welche im Wesentlichen parallel versetzt zu der Rotationsachse (4) des Rotors (2) verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass der Flügel (5) um die Flügelachse (6) drehbar gelagert ist und an dem Flügel (5) mindestens ein steuerbares Leitwerk (8) angeordnet ist, welches dazu ausgebildet ist, den Flügel (5) aerodynamisch um seine Flügelachse (6) zu verstellen.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, bei der das Leitwerk (8) einen gegenüber dem Flügel (5) feststehenden Leitwerksteil (8b) und einen gegenüber dem Flügel (5) beweglichen Leitwerksteil (8c) aufweist und bei der eine Einstellvorrichtung, welche insbesondere einen steuerbaren Einstellmotor (8d) umfasst, im Bereich des feststehenden Leitwerksteils (8b) angeordnet und dazu ausgebildet ist, den beweglichen Leitwerksteil (8c) gegenüber dem feststehenden Leitwerksteil (8b) zu verstellen.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Flügel (5) zumindest zwei Leitwerke (8) aufweist, welche entlang der Flügelachse (6) zueinander beabstandet angeordnet sind.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der mittels des Leitwerks (8) ein Luv-Lee-Verhältnis einer Luftkraft von 50%/50%, vorzugsweise von 30%/70% einstellbar ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, bei der der Rotor (2) zumindest einen Basisring (7, 15) umfasst, welcher im Wesentlichen konzentrisch um die Rotationsachse (4) des Rotors (2) angeordnet ist, wobei der Flügel (5) an dem Basisring (7, 15) um seine Flügelachse (6) drehbar gelagert ist und wobei der Stator (3) einen Träger (17) aufweist, welcher vorzugsweise eine zu dem Basisring (7, 15) korrespondierende Geometrie aufweist, und mit einer Lageranordnung, welche ein Magnetpaar (33, 34, 35) aufweist, und zur feldkraftschlüssigen Lagerung des Basisrings (7, 15) gegenüber dem Träger (17) ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, bei der der Rotor (2) zwei Basisringe (7, 15) umfasst, wobei der Flügel (5) an einem ersten Basisring (7) gelagert ist und der erste Basisring (7) mittels eines gelenkig gelagerten Stiels (16) relativ beweglich gegenüber einem zweiten Basisring (15) gelagert ist und wobei der zweite Basisring (15) mittels der Lageranordnung feldkraftschlüssig an dem Träger gelagert ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 5 oder 6, bei der die Lageranordnung ein Fahrgestell (24) umfasst, auf welchem der Basisring (7, 15), insbesondere der zweite Basisring (15), aufliegt und bei der das Magnetpaar (33, 34, 35) zumindest einen Rotormagneten (30) und zumindest einen Statormagneten (32) aufweist, wobei der Rotormagnet (30) an einer dem Basisring (7, 15), insbesondere dem zweiten Basisring (15), zugewandten Seite des Fahrgestells (24) angeordnet ist und wobei der Statormagnet (32) an einer dem Basisring (7, 15), insbesondere dem zweiten Basisring (15), abgewandten Seite des Trägers (17) angeordnet ist, derart, dass der Basisring (7, 15), insbesondere der zweite Basisring (15), in zumindest einer relativen Drehlage des Rotors (2) gegenüber dem Stator (3) unter Ausübung einer Zugkraft, welche bevorzugt zumindest der Gewichtskraft des Rotors (2) entspricht, hängend von dem Träger (17) gehalten ist.
Vorrichtung (1) zumindest nach Anspruch 6, bei der das Fahrgestell (24) zumindest eine Ausnehmung (29) aufweist, welche zumindest einseitig geöffnet ist und zumindest der Rotormagnet (30) in der Ausnehmung (29) angeordnet ist, und wobei der Träger (17) eine Auskragung (31) aufweist, welche entlang einer Radialachse des Rotors (2) in die Ausnehmung (29) des Fahrgestells (24) hineinragt und bei der zumindest der Statormagnet (32) an der Auskragung (31) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) zumindest nach Anspruch 6, bei der der Rotormagnet (30) als Permanentmagnet ausgestaltet ist und bei der der Statormagnet (32) als elektrisch steuerbarer Elektromagnet mit mindestens einer elektrischen Spule ausgestaltet ist.
Vorrichtung (1) zumindest nach Anspruch 6, bei der das Fahrgestell (24) zumindest ein Hilfsrad (36, 39) aufweist, welches auf einer Lauffläche (38, 41) des Trägers (17) aufliegt und bei einer Relativbewegung zwischen dem Rotor (2) und dem Stator (3) auf der Lauffläche (38, 41) abrollt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, bei der das Hilfsrad (36) eine Radachse (37) aufweist, welche im Wesentlichen orthogonal zu der Rotationsachse (4) des Rotors (2) verläuft und bei der die Lauffläche (38) im Wesentlichen parallel zu der Radachse (37) verläuft.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 10 oder 11, bei der das Hilfsrad (36, 39) ein erstes Hilfsrad (36) und die Radachse (37) eine erste Radachse (37) ist und die Lauffläche des Trägers eine erste Lauffläche (38) ist und bei der das Fahrgestell (24) ein zweites Hilfsrad (39) aufweist, welches auf einer zweiten Lauffläche (41) des Trägers aufliegt und bei der Relativbewegung zwischen dem Rotor (2) und dem Stator (3) auf der zweiten Lauffläche (41) abrollt, wobei das zweite Hilfsrad (39) eine zweite Radachse (40) aufweist, welche im Wesentlichen parallel zu der Rotationsachse (4) des Rotors (2) verläuft und bei der die zweite Lauffläche (41) im Wesentlichen parallel zu der zweiten Radachse (40) verläuft.
Vorrichtung (1) zumindest nach Anspruch 6, bei der die Lagervorrichtung derart ausgestaltet ist, dass das Hilfsrad (36, 39), vorzugsweise das erste Hilfsrad (36) und/oder das zweite Hilfsrad (39), gegenüber dem Magnetpaar (33, 34, 35), insbesondere dem ersten Magnetpaar (33), zwischen 1 % und 5 % der von dem Magnetpaar (33, 34, 35) haltbaren Nennlast stützt.
Vorrichtung (1) zumindest nach Anspruch 6, bei der der Stator (3) zumindest eine Generatorspule umfasst, welche derart am Träger (17) angeordnet ist, dass eine Relativbewegung zwischen dem Rotor (2) und dem Stator (3) infolge einer räumlichen Verlagerung des Rotormagneten (30) zumindest zeitweise eine Änderung der magnetischen Feldstärke im Bereich der Generatorspule bewirkt, um eine elektrische Spannung zu erzeugen.