WO2012156352A1 - Windkraftanlage - Google Patents

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Werner NOPHUT
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Dipl.-Ing. Werner Nophut Gmbh
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/728—Onshore wind turbines

Definitions

  • the invention relates to a wind turbine, which includes a tower, a horizontal rotatably mounted on the tower generator component, a composite with the generator component ⁇ nes, several wings having wind turbine and a tower provided on the wind deflector.
  • Wind turbines are already known. They serve to convert the kinetic energy of the wind into electrical energy and feed it into the power grid.
  • a wind turbine is ⁇ arranged at the upper end of a tower having a plurality of wings.
  • the kinetic ⁇ energy of the wind acts on the wings of the wind turbine and puts the wind turbine in a rotary motion.
  • the wind turbine transmits the rotational energy to a generator also located on the tower, which converts this energy into electrical energy.
  • the generator is usually arranged together with a gear in a so-called nacelle, which is horizontally rotatably mounted on the tower and is subjected together with the wind turbine by means of a sensor-controlled drive a Windidessnach arrangement.
  • a nacelle is always referred to as a generator component following ⁇ .
  • a wind energy plant which has arranged on a hub rotor blades and a generator connected to the hub up.
  • the hub is designed as a hollow shaft. This improves torque transmission from the wind turbine to the generator.
  • a wind power machine which has a tower which supports a drive ⁇ strand with a rotor. At least one wing ⁇ it extends radially from the rotor.
  • the wing has meh ⁇ eral flaps, extending from a suction surface of the die ⁇ gels and along different chord lines in the vicinity of a tip of the blade, to reduce the sound emissions at the Be ⁇ drive of the wind power engine occurring.
  • a wind turbine which has a rigid tower construction.
  • a wind turbine On obe ⁇ ren end of the tower structure a wind turbine is provided with a housing which carries a propeller assembly with two or three blades.
  • the propeller assembly is mounted on a substantially horizontal axis supported in bearings in the housing.
  • the known wind power machine has flat plates in a helically wound around the tower from bottom to top winding web, the plates in the Are mounted substantially radially from the tower standing outward. The plates are joined together to form a continuous helix extending from the tower section in the length of a propeller blade.
  • the coil catches the wind and forces a wind flow to the slipstream.
  • Lee side of the tower This flow affects the
  • the object of the invention is to provide a wind turbine ⁇ system, in which the forces acting on the wings of a wind turbine aerodynamic loads are further reduced.
  • a wind power plant which egg ⁇ nen tower, a horizontally rotatably arranged on the tower generator component, a ver ⁇ connected with the generator component, several wings exhibiting wind turbine and a tower provided on the wind deflector comprises, formed from ⁇ , the wind deflector is rotatably mounted on the tower about the longitudinal axis of the tower.
  • Figure 1 is a sketch of a wind turbine according to the He ⁇ invention.
  • Figure 2 is a cross-sectional view of the wind turbine according to Figure 1 along the section line A-A shown in Figure 1.
  • FIG. 1 shows a sketch of a wind power plant according to the invention.
  • This wind turbine comprises a tower 2, a rotation about the longitudinal axis of the tower in this Gela siege wind deflector 3, a on the tower horizontally rotatably mounted generator component 4, one end connected to the Ge ⁇ neratorbauteil 4, a plurality of wings 6a and a hub 5 exhibiting pinwheel 6 on.
  • the length 1 of the wind ⁇ guide element 3 is preferably greater than or equal to the length of the wings 6a of the wind turbine.
  • the wind deflector 3 consists of a single section. However, it may also consist of several sections which either adjoin one another in the axial direction of the tower or are also spaced from each other.
  • the length 1 of the wind deflector 3 is smaller than the length of the blades of the wind turbine and the wind deflector is arranged in an axial region of the tower, which is adjacent to the wing tip region of the wing which is currently rotating past the tower.
  • Wind turbines are usually equipped with a Windraumsnach arrangement the wind turbine, depending on the output signals of a wind direction sensor tracking the positioning of the wind turbine 6 such that its position is adapted to the current wind direction, so that the impact of the wind is optimized for the blades of the wind turbine.
  • the wind deflector 3 is mechanically coupled with this Windriosnach arrangement the wind turbine, so that with each change in position of the wind turbine 6 and an associated change in position of the wind deflector 3, ie a movement of the wind deflector 3 in one of the current wind direction adapted rotational position, connected is.
  • the wind deflector does not need its own, individually assigned drive.
  • the wind deflector 3 is associated with its own drive, which ensures in dependence on the output signals of a wind direction sensor that the Windleitvor ⁇ direction 3 is brought into a current wind direction adapted rotational position.
  • the wind deflector preferably has a symmetrical structure, so that their production can be carried out in a simple manner. Alternatively, however, it is also possible to equip the wind deflector with an asymmetrical structure in order to optimize the effect of the wind deflector.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of the wind power plant shown in FIG. 1 along the dashed line AA indicated in FIG. From the figure 2 it can be seen that in the direction of the arrows shown flowing wind 9 meets a wing 6a and that of The wind flowing past the wing is derived from the wind deflector 3 of the type such that it does not strike the tower 2 but is guided past it. Furthermore, it can be seen from FIG. 2 that, according to one embodiment of the invention, the wind deflector 3 is fastened to a rotatable bearing 7, which is rotatable about the tower 2. An embodiment in which the wind deflector 3 is formed asymmetrically, is indicated in the figure 2 by the reference numeral 8.
  • a wind turbine which is equipped according to the present invention with a rotatable about the longitudinal direction of the tower mounted on this wind deflector, is advantageously prevented that during the rotation of a wing of the wind turbine of these wings is exposed to a flow deficit, which by flow gradients or by turbulence of the air flow is generated at the tower. Since, due to the use of a rotatable about the longitudinal axis of the tower rotatably mounted on this wind deflector no rapid changes of the aerodynamic load acting on the wings, also a generation of interfering acoustic pulses is reduced.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage, welche einen Turm, ein auf dem Turm horizontal drehbar angeordnetes Generatorbauteil, ein mit dem Generatorbauteil verbundenes, mehrere Flügel aufweisendes Windrad und eine am Turm vorgesehene Windleitvorrichtung enthält. Die Windleitvorrichtung ist um die Längsrichtung des Turmes drehbar an diesem gelagert.

Description

Windkraftanlage
Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage, welche einen Turm, ein auf dem Turm horizontal drehbar angeordnetes Generatorbauteil, ein mit dem Generatorbauteil verbunde¬ nes, mehrere Flügel aufweisendes Windrad und eine am Turm vorgesehene Windleitvorrichtung enthält.
Windkraftanlagen sind bereits bekannt. Sie dienen dazu, die kinetische Energie des Windes in elektrische Energie umzuwandeln und in das Stromnetz einzuspeisen. Zu diesem Zweck wird am oberen Ende eines Turmes ein Windrad ange¬ ordnet, welches mehrere Flügel aufweist. Die Bewegungs¬ energie des Windes wirkt auf die Flügel des Windrades und versetzt das Windrad in eine Drehbewegung. Das Windrad gibt die Rotationsenergie an einen ebenfalls auf dem Turm angeordneten Generator weiter, der diese Energie in elektrische Energie umwandelt. Der Generator ist in der Regel zusammen mit einem Getriebe in einer sogenannten Gondel angeordnet, welche horizontal drehbar auf dem Turm befestigt ist und zusammen mit dem Windrad mittels eines sensorgesteuerten Antriebes einer Windrichtungsnachführung unterworfen wird. Eine derartige Gondel wird nach¬ folgend stets als Generatorbauteil bezeichnet.
Bei einer derartigen Windkraftanlage sind die Flügel des Windrades einer Luftströmung ausgesetzt. Die Luftströ¬ mungsverhältnisse ändern sich stets dann, wenn der jewei¬ lige Flügel den Turm passiert. In diesem Falle wirken Verwirbelungen der Luft bzw. Luftströmungsgradienten auf den jeweiligen Flügel. Durch diese rapide Veränderung der aerodynamischen Last auf den jeweiligen Flügel werden akustische Pulse erzeugt, wodurch in unerwünschte Weise eine Lärmemission auftritt.
Diese rapide Veränderung der aerodynamischen Last auf den jeweiligen Flügel wirkt sich auch in unerwünschter Weise auf die Lager des Windrades aus. Diese unterliegen einem hohen Verschleiß, welcher zu hohen Instandhaltungskosten für die Windkraftanlage führt. Dies ist insbesondere bei Offshore-Anlagen nachteilig, d. h. bei Windkraftanlagen, die auf dem offenen Meer betrieben werden.
Aus der DE 10 2008 063 874 AI ist eine Windenergieanlage bekannt, die an einer Nabe angeordnete Rotorblätter und einen mit der Nabe in Verbindung stehenden Generator auf- weist. Die Nabe ist als Hohlwelle ausgebildet. Dadurch wird die Drehmomentübertragung vom Windrad an den Generator verbessert.
Aus der DE 10 2008 002 930 AI ist eine Windkraftmaschine bekannt, welche einen Turm aufweist, der einen Antriebs¬ strang mit einem Rotor lagert. Wenigstens ein Flügel er¬ streckt sich radial aus dem Rotor. Der Flügel weist meh¬ rere Klappen auf, die sich aus einer Saugfläche des Flü¬ gels und entlang unterschiedlicher Sehnenlinien in der Nähe einer Spitze des Flügels erstrecken, um die im Be¬ trieb der Windkraftmaschine auftretenden Schallemissionen zu reduzieren.
Aus der DE 28 04 711 C2 ist eine Windkraftmaschine be- kannt, die eine starre Turmkonstruktion aufweist. Am obe¬ ren Ende der Turmkonstruktion ist eine Windturbine mit einem Gehäuse vorgesehen, das eine Propelleranordnung mit zwei oder drei Schaufeln trägt. Die Propelleranordnung ist an einer im Wesentlichen horizontalen Achse ange- bracht, die in Lagern in dem Gehäuse gelagert ist. Des Weiteren weist die bekannte Windkraftmaschine flache Platten in einer sich schraubenförmig um den Turm von unten nach oben windenden Bahn auf, wobei die Platten im Wesentlichen radial vom Turm nach außen stehend angebracht sind. Die Platten sind so miteinander verbunden, dass sich eine kontinuierliche Schnecke bzw. Wendel ergibt, die sich von dem Turmabschnitt aus in der Länge einer Propellerschaufel erstreckt. Die Wendel fängt den Wind und erzwingt eine Windströmung zu der Windschattenbzw. Lee-Seite des Turms. Diese Strömung wirkt den
Schwingungen der Propellerschaufeln entgegen, wenn diese während ihrer Drehung den Turm passieren. Dadurch wird erreicht, dass anstelle des vom Propeller während seiner Umdrehung entwickelten dröhnenden bzw. brummenden Geräusches, welches sich ohne die genanten Wendel ständig ver¬ ändern würde, Geräusche in Form eines Dröhnschalles mit konstantem Ton auftreten.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Windkraft¬ anlage anzugeben, bei welcher die auf die Flügel einer Windkraftanlage wirkenden aerodynamischen Belastungen weiter reduziert sind.
Diese Aufgabe wird durch eine Windkraftanlage mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Windkraftanlage, welche ei¬ nen Turm, ein auf dem Turm horizontal drehbar angeordne- tes Generatorbauteil, ein mit dem Generatorbauteil ver¬ bundenes, mehrere Flügel aufweisendes Windrad und eine am Turm vorgesehene Windleitvorrichtung enthält, derart aus¬ gebildet, dass die Windleitvorrichtung um die Längsachse des Turmes drehbar an diesem gelagert ist.
Dadurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die im Betrieb auftretende Luftströmung derart geführt wird, dass diese den Turm passiert, ohne dass Verwirbelungen der Luft auftreten. Zumindest werden derartige Verwirbe- lungen im Vergleich zum Stand der Technik erheblich reduziert. Dies wiederum hat in vorteilhafter Weise zur Folge, dass die im Betrieb der Windkraftanlage auftretenden Lärmemissionen reduziert sind, dass die auf die Lager des Windrades wirkende mechanische Belastung reduziert ist, dass der Verschleiß der Lager reduziert ist und dass die Wartungs- bzw. Instandhaltungskosten der Windkraftanlage reduziert sind.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender beispielhafter Erläuterung anhand der Figuren. Es zeigt
Figur 1 eine Skizze einer Windkraftanlage gemäß der Er¬ findung und
Figur 2 eine Querschnittsdarstellung der Windkraftanlage gemäß Figur 1 längs der in der Figur 1 gezeigten Schnittlinie A-A.
Die Figur 1 zeigt eine Skizze einer Windkraftanlage gemäß der Erfindung. Diese Windkraftanlage weist einen Turm 2, eine um die Längsachse des Turmes drehbar an diesem gela- gerte Windleitvorrichtung 3, ein auf dem Turm horizontal drehbar angeordnetes Generatorbauteil 4, ein mit dem Ge¬ neratorbauteil 4 verbundenes, mehrere Flügel 6a und eine Nabe 5 aufweisendes Windrad 6 auf. Die Länge 1 des Wind¬ leitelementes 3 ist vorzugsweise größer oder gleich der Länge der Flügel 6a des Windrades. Vorzugsweise besteht die Windleitvorrichtung 3 aus einem einzigen Teilstück. Sie kann jedoch auch aus mehreren Teilstücken bestehen, die in Axialrichtung des Turmes entweder aneinander anschließen oder auch voneinander beabstandet sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Länge 1 der Windleitvorrichtung 3 kleiner als die Länge der Flügel des Windrades und die Windleitvorrichtung ist in einem Axialbereich des Turmes angeordnet, der dem Bereich der Flügelspitze des sich gerade am Turm vorbeidrehenden Flügels benachbart ist. Windkraftanlagen sind üblicherweise mit einer Windrichtungsnachführung des Windrades ausgestattet, welche in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen eines Windrichtungssensors die Positionierung des Windrades 6 derart nachführen, dass dessen Position an die momentane Windrichtung angepasst ist, so dass das Auftreffen des Windes auf die Flügel des Windrades optimiert ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Windleitvorrichtung 3 mit dieser Windrichtungsnachführung des Windrades mechanisch gekoppelt, so dass mit jeder Positionsänderung des Windrades 6 auch eine zugehörige Positionsänderung des Windleitelementes 3, d. h. ein Verbringen des Windleitelementes 3 in eine der momen- tanen Windrichtung angepasste Drehposition, verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform benötigt die Windleitvorrichtung keinen eigenen, ihr individuell zugeordneten Antrieb . Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der Windleitvorrichtung 3 ein eigener Antrieb zugeordnet, welcher in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen eines Windrichtungssensors dafür sorgt, dass die Windleitvor¬ richtung 3 in eine der momentanen Windrichtung angepasste Drehposition gebracht wird.
Die Windleitvorrichtung hat vorzugsweise einen symmetrischen Aufbau, so dass deren Herstellung in einfacher Weise erfolgen kann. Alternativ dazu ist es aber auch mög- lieh, die Windleitvorrichtung mit einem unsymmetrischen Aufbau auszustatten, um die Wirkung der Windleitvorrichtung zu optimieren.
Die Figur 2 zeigt eine Querschnittsdarstellung der in der Figur 1 gezeigten Windkraftanlage längs der in der Figur 1 angedeuteten gestrichelten Linie A-A. Aus der Figur 2 ist ersichtlich, dass in Richtung der gezeigten Pfeile strömender Wind 9 auf einen Flügel 6a trifft und dass der am Flügel vorbeiströmende Wind vom Windleitelement 3 der¬ art abgeleitet wird, dass er nicht auf den Turm 2 trifft, sondern an diesem vorbeigeleitet wird. Des Weiteren geht aus der Figur 2 hervor, dass gemäß einer Ausführungsform der Erfindung das Windleitelement 3 an einer drehbaren Lagerung 7 befestigt ist, welche um den Turm 2 drehbar ist. Eine Ausführungsform, bei welcher das Windleitelement 3 unsymmetrisch ausgebildet ist, ist in der Figur 2 mit der Bezugszahl 8 angedeutet.
Bei einer Windkraftanlage, die gemäß der vorliegenden Er- findung mit einer um die Längsrichtung des Turmes drehbar an diesem gelagerten Windleitvorrichtung ausgestattet ist, wird in vorteilhafter Weise verhindert, dass während der Umdrehung eines Flügels des Windrades dieser Flügel einem Strömungsdefizit ausgesetzt ist, welches durch Strömungsgradienten oder durch Verwirbelungen der Luftströmung am Turm erzeugt wird. Da aufgrund einer Verwendung einer um die Längsachse des Turmes drehbar an diesem gelagerten Windleitvorrichtung auch keine rapiden Veränderungen der auf die Flügel wirkenden aerodynamischen Last auftreten, ist auch ein Entstehen von störenden akustischen Pulsen reduziert. Insbesondere ist von Vor¬ teil, dass aufgrund einer Verwendung einer um die Längs¬ achse des Turmes drehbar an diesem gelagerten Windleitvorrichtung es vermieden wird, dass Verwirbelungen im Turmschatten auftreten und zu größeren Lastwechseln und damit zu starken Schallemissionen führen. Bezugs zeichenliste
1 Windkraftanlage
2 Turm
3 Windleitelement
4 Generatoreinheit
5 Nabe
6 Windrad
6a Flügel
7 drehbare Lagerung des Windleitelementes
8 Windleitelement
9 Wind
1 Länge des Windleitelementes

Claims

Patentansprüche
1. Windkraftanlage (1), welche einen Turm (2), ein auf dem Turm horizontal drehbar angeordnetes Generatorbauteil (4), ein mit dem Generatorbauteil verbundenes, mehrere Flügel (6a) aufweisendes Windrad (6) und eine am Turm vorgesehene Windleitvorrichtung (3) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Windleitvorrichtung (3) um die Längsrichtung des Turmes drehbar an diesem gelagert ist.
2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Windleitvorrichtung (3) einen symmetrischen Aufbau hat.
3. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Windleitvorrichtung (3) einen unsymmetrischen Aufbau hat.
4. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windleit¬ vorrichtung (3) mit der Windrichtungsnachführung des Windrades mechanisch gekoppelt ist.
5. Windleitvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen der Windleitvorrichtung (3) individuell zugeordneten Antrieb aufweist .
6. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (1) der Windleitvorrichtung (3) gleich oder größer ist als die Länge der Flügel des Windrades.
7. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windleit¬ vorrichtung (3) aus mehreren Teilstücken besteht, die in Axialrichtung des Turmes aneinander anschließen oder voneinander beabstandet sind.
8. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (1) der Windleitvorrichtung (3) kleiner ist als die Länge der Flügel des Windrades und die Windleitvorrichtung in einem Axialbereich des Turmes angeordnet ist, der dem Bereich der Flügelspitze des Flügels, der sich gerade am Turm vorbeidreht, benachbart ist.
9. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windleit¬ vorrichtung (3) an einer um den Turm drehbaren Lagerung (7) befestigt ist.
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