DE102009008805A1 - Windkraftanlage - Google Patents

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    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03DWIND MOTORS
    • F03D1/00Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/06Rotors
    • F03D1/0608Rotors characterised by their aerodynamic shape
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/72Wind turbines with rotation axis in wind direction

Abstract

Die Windkraftanlage ist mit dem zusätzlichen Windrad (4) ausgerüstet, das auf der Luvseite des Turmes (2) angeordnet ist und das die Dämpfung der Nick- und Giergeschwindigkeit sichert.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage gemäß den Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Alle Windkraftanlagen mit horizontaler Rotationsachse des Windrades müssen der Windrichtung nachgeführt werden. Dazu ist die Gondel mit dem Windrad und mit dem Elektrogenerator horizontal um eine vertikale Gierachse drehbar auf dem Turm angebracht. Windkraftanlagen, deren Windräder auf der Leeseite des Turmes angeordnet sind, brauchen den komplizierten Windnachführungsmechanismus mit dem Windrichtungsgeber und mit den Stellmotoren nicht. Der Wind wirkt auf das Windrad ein und dreht die Gondel automatisch gegen den Wind und sorgt für eine sogenannte passive Windnachführung (z. B. DE 31 19736 C2 ).
  • Aber bei solchem Verfahren der Windnachführung entstehen sogenannte Nick- und Gierschwingungen der Gondel mit dem Windrad und mit dem Elektrogenerator, deren Amplituden und Frequenzen die unzulässigen Größen erreichen können. Um solche Schwingungen zu dämpfen, benutzt man verschiedene Vorrichtungen und Verfahren (z. B. EP 0 009 767 A2 ), die die Konstruktion der Windkraftanlagen komplizieren und unzuverlässigen beim Betrieb machen.
  • Der Anmeldung liegt offensichtlich die Aufgabe zugrunde, die Windkraftanlage zu schaffen, die einfach in seinem Aufbau ist, zuverlässig über lange Betriebszeiten arbeitet und deren Stromerzeugung gegenüber den bisher bekannten Windkraftanlagen verbessert und nicht aufwendig ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Windkraftanlage die Windfahne oder das zusätzliche Windrad, die auf der Luvseite des Turmes angeordnet sind, aufweist.
  • Die Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt, hierbei sind nur die Oberteile der Windkraftanlagen zu sehen. Es zeigen
  • 1 eine Windkraftanlage mit der Windfahne,
  • 2 ein Querschnitt A-A gemäß 1,
  • 3 eine Windkraftanlage mit dem zusätzlichen Windrad und mit den Ausgleichsschaufeln,
  • 4 ein Querschnitt C-C gemäß 3,
  • 5 eine Windkraftanlage gemäß 3 jedoch mit dem Zahnradtrieb und mit der verschobenen zusätzlichen Windrad,
  • 6 eine Windkraftanlage mit dem zusätzlichen Rotor,
  • 7 eine Windkraftanlage mit dem zusätzlichen Stator,
  • 8 eine Windkraftanlage mit zwei Paar der gleichachsigen Windräder,
  • 9 ein Querschnitt B-B gemäß 8,
  • 10 eine Windkraftanlage mit dem drehbaren Stator,
  • 11 eine Darstellung entsprechend 10, bei der jedoch die beide Windräder sich einerseits auf einer Seite der Gondel befinden.
  • 3, 5, 6, 7, 8, 10, 11 sind die Längsschnitte der Gondel.
  • In den Figuren zeigen die Pfeile die Windrichtung.
  • Die Windkraftanlage besteht aus der Gondel 1, die um eine vertikale Gierachse 13 horizontal schwenkbar am oberen Ende des Turmes 2 angebracht ist. in der Gondel 1 ist der Elektrogenerator 16 mit dem Rotor 7 und dem Stator 8 angebracht. Der Rotor 7 ist durch die Welle 5 kinematisch mit dem Windrad 3, das sich auf der Leeseite des Turmes 2 befindet, verbunden. Wenn sich die Windrichtung ändert, wirkt der Wind auf das Windrad 3 ein, infolgedessen sich ein Drehmoment um die vertikale Gierachse 13 bildet, das dreht die Gondel 1 um die Gierachse 13 automatisch in die richtige Richtung und ordnet die windwärts an. Wenn der Wind wirbelt oder böiger ist und seine Richtung sich in der Horizontal- und Vertikalebene plötzlich, schnell und häufig ändert, entstehen die Nick- und Gierschwingungen der Gondel 1, deren Amplituden und Frequenzen die unzulässigen Größen erreichen können. Um solche Schwingungen zu dämpfen und die Gondeldrehgeschwindigkeit zu verringern, ist es nötig ein Gegendrehmoment anzulegen, wobei dieses Gegendrehmoment muss weniger als Drehmoment vom Wind sein.
  • Gemäß 1 entsteht das Gegendrehmoment um die vertikale Gierachse 13 mit Hilfe des vertikalen Blattes der Windfahne 14, die sich auf der Luvseite des Turmes 2 befindet. Bei der Änderung der Windrichtung in der Horizontalebene wirkt der Wind auf das Windrad 3 ein und bildet ein Drehmoment, das sich die Gondel 1 um die vertikale Gierachse 13 zu wenden bestrebt. Gleichzeitig wirkt der Wind auf das vertikale Blatt der Windfahne 14 ein und bildet das Gegendrehmoment, das weniger als Drehmoment vom Wind ist und das der Wendung der Gondel 1 entgegenwirkt. Infolgedessen dreht sich die Gondel 1 um die vertikale Gierachse 13 langsamer. So erreicht man die Dämpfung der Gierschwingung. Um die Nickschwingung zu dämpfen, aufweist die Windfahne 14 das horizontale Blatt (2), das gleichartig funktioniert. Wenn sich die Windrichtung in der Vertikalebene ändert, wirkt er auf das Windrad 3 ein und bildet das Drehmoment um die Querachse der Gondel 1. Gleichzeitig wirkt der Wind auf das horizontale Blatt der Windfahne 14 ein und bildet das Gegendrehmoment um dieselbe Achse. Dieses Gegendrehmoment ist weniger als Drehmoment vom Wind, deshalb wendet sich die Gondel 1 um seine Querachse und stellt sich seine Längsachse entlang den Wind auf. Wenn nötig ist die Längsachse der Gondel 1 in der Querposition immer zurückzuhalten, sind das Drehmoment vom Wind um die Querachse der Gondel 1 und das Gegendrehmoment um dieselbe Achse gleich groß. Das Drehmoment ist gleich dem Produkt aus einer Kraft des Windes, die auf das Windrad 3 einwirkt, und der Entfernung bis zu der Achse der Wendung der Gondel 1. Das Gegendrehmoment ist gleich dem Produkt aus einer Kraft des Windes, die auf die Windfahne 14 einwirkt, und der Entfernung bis zu derselben Achse der Wendung der Gondel 1. Da die Windrichtung sich nicht nur in den Horizontal- und Vertikalebene ändern kann, sondern auch in den schiefen Ebenen, kann die Windfahne 14 außer den horizontalen und vertikalen Blättern noch geneigte Blätter aufweisen. D. h. kann die Windfahne 14 ein Blatt oder mehrere Blätter haben.
  • Anstatt der Windfahne 14 kann das zusätzliche Windrad 4 an der Gondel 1 drehbar auf der Luvseite des Turmes 2 angebracht sein. Wobei seine Konstruktionsabmessungen können gleichbedeutende oder andere als die Konstruktionsabmessungen des Windrades 3 sein und können sich beide Windräder in entgegengesetzter oder in gleicher Richtung drehen.
  • Die 3 ist eine andere Bauart der Windkraftanlage, in der zum Unterschied von der letztgenannten Windkraftanlage das zusätzliche Windrad 4, das auf der Luvseite des Turmes 2 angeordnet ist, durch die zusätzliche Welle 6 mit dem Rotor des Elektrogenerators 16 kinematisch verbunden ist. Das Windrad 3 und das zusätzliche Windrad 4 rotieren beide in der gleichen Richtung. Wobei der Durchmesser des zusätzlichen Windrades 4 ist kleiner als der Durchmesser des Windrades 3. Wenn nötig, können die Schaufeln des Windrades 3 und die Schaufeln des zusätzlichen Windrades 4 die ungleichen Anstellwinkel aufweisen. Außerdem können jede Schaufel des Windrades 3 und die entsprechende Schaufel des zusätzlichen Windrades 4 in gleichen Ebenen oder willkürlich verschränkt, z. B. schachbrettartig, angeordnet sein und die Schaufelanzahl kann bei dem Windrad 3 und bei zusätzlichem Windrad 4 ungleich sein. In dieser Konstruktion muss das Gegendrehmoment auch kleiner als das entsprechende Drehmoment vom Wind sein.
  • Während der Bewegung des Luftstromes durch das zusätzliche Windrad 4 entsteht seine Drallerzeugung. Um die Entdrallung des Luftstromes auszuführen, kann die Gondel 1 mit den Ausgleichsschaufeln 17 ausgerüstet werden (3, 4). Wobei können die Ausgleichsschaufeln 17 verstellbar oder unverstellbar sein. Die Länge der Ausgleichsschaufeln 17 kann gleich, größere oder kleinere als die Länge der Schaufeln des Windrades 3 oder des zusätzlichen Windrades 4 sein. Die Anzahl der Ausgleichsschaufeln 17 kann mehr als eine sein. Die Form und die Konstruktion der Ausgleichsschaufeln können verschieden sein. Sie hängen hauptsächlich von den Konstruktionen des Windrades 3 und des zusätzlichen Windrades 4 ab.
  • Zur Verringerung des Kippmoments, das auf die Gondel 1 infolge der Rotation der Windräder wirkt, rotiert das zusätzliche Windrad 4 in entgegengesetzter Richtung als das Windrad 3. Dabei ist die zusätzliche Welle 6 des zusätzlichen Windrades 4 z. B. durch den Zahnradtrieb 9 mit dem Rotor des Elektrogenerators 16 verbunden und sich abseits von der Welle 5 befindet, d. h. die Welle 5 und die zusätzliche Welle 6 sind nicht gleichachsig (5).
  • Damit bei dem Ausfall eines der Windräder die Arbeit der Windkraftanlage sich fortsetzt, weist die Windkraftanlage den zusätzlichen Rotor 10 auf, dessen zusätzliche Welle 6 mit dem zusätzlichen Windrad 4 verbunden ist, wobei der Rotor 7 und der zusätzliche Rotor 10 einen gemeinsamen Stator 8 haben und in gleicher oder entgegengesetzter Richtung rotieren (6). Der zusätzliche Rotor 10 kann den eigenen zusätzlichen Stator 15 haben, d. h. in der Gondel 1 zwei Elektrogeneratoren angeordnet sind, deren Rotoren in gleicher oder entgegengesetzter Richtung rotieren. In diesem Fall sind weniger Türme 2 erforderlich (7).
  • Die Windkraftanlage kann mehr als zwei Generatoren haben, z. B. vier (8, 9). In diesem Fall weist sie zwei Paar fluchtender Windräder auf, und zwar zwei fluchtende Windräder 3 und 3' und zwei fluchtende zusätzliche Windräder 4 und 4', jedes von ihnen mit eigenem Elektrogenerator 16 kinematisch verbunden ist. Wobei können die Konstruktionsabmessungen der Windräder 3 und 3' und der zusätzlichen Windräder 4 und 4' und ihre Drehrichtung sowohl gleich als auch ungleich sein.
  • Die Windkraftanlage gemäß 10 weist den drehbaren Stator 12 auf, der mit dem zusätzlichen Windrad 4 durch die Welle 11 in Drehung getrieben wird. Dabei rotieren der Rotor 7 und der drehbare Stator 12 in entgegengesetzter Richtung, infolgedessen steigt die Relativgeschwindigkeit des Rotors 7 in dem Magnetfeld des Stators 12. Der drehbare Stator 12 kann mit dem Windrad 3 kinematisch verbunden sein und der Rotor 7 kann mit dem zusätzlichen Windrad 4 kinematisch verbunden sein.
  • 11 stellt eine ähnliche Windkraftanlage dar, jedoch sind das Windrad 3 und das zusätzliche Windrad 4 gleichachsig hintereinander auf einer Seite der Gondel 1 angeordnet.
  • Die Windräder und die zusätzlichen Windräder aller Windkraftanlagen können die gleichen oder die ungleichen Konstruktionsabmessungen aufweisen, d. h. der Durchmesser, die Schaufelanzahl, der Anstellwinkel und die Drehzahl der Windräder 3, der Windräder 3', der zusätzlichen Windräder 4 und der zusätzlichen Windräder 4', sowie ihre Drehrichtungen können gleichen oder ungleichen sein.
  • Wobei das Gegendrehmoment um die vertikale Gierachse 13 durch die Windeinwirkung auf das vertikale Blatt der Windfahne 14 oder auf die zusätzliche Windräder 4 und 4' weniger als das Drehmoment um dieselbe Achse, das bei der Einwirkung des Windes auf die Windräder 3 und 3' entsteht, ist. Und das Gegendrehmoment um die Querachse der Gondel 1 durch die Windeinwirkung auf die horizontale Blatt der Windfahne 14 oder auf die zusätzliche Windräder 4 und 4' weniger oder gleich als das Drehmoment um dieselbe Achse, das bei der Einwirkung des Windes auf die Windräder 3 und 3' entsteht, ist. Das erzielt sich mit entsprechenden Konstruktionsabmessungen der Windkraftanlage, die man durch die Berechnung bestimmt.
  • 1
    Gondel
    2
    Turm
    3, 3'
    Windrad
    4, 4'
    zusätzliches Windrad
    5
    Welle
    6
    zusätzliche Welle
    7
    Rotor
    8
    Stator
    9
    Zahnradtrieb
    10
    zusätzlicher Rotor
    11
    Welle des Stators
    12
    drehbarer Stator
    13
    Gierachse
    14
    Windfahne
    15
    zusätzlicher Stator
    16
    Elektrogenerator
    17
    Ausgleichsschaufel
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 3119736 C2 [0002]
    • - EP 0009767 A2 [0003]

Claims (27)

  1. Windkraftanlage mit der Gondel (1), die um eine vertikale Gierachse (13) schwenkbar auf dem Turm (2) angeordnet ist und in welcher der Elektrogenerator (16) festgestellt ist, dessen Rotor (7) kinematisch mit dem Windrad (3) verbunden ist, wobei das Windrad (3) sich auf der Leeseite des Turmes (2) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Gondel (1) mit der Windfahne (14) in Form vertikales Blattes ausgerüstet ist, die auf der Luvseite des Turmes (2) angeordnet ist, wobei ihre Fläche so ist, dass das Gegendrehmoment um der vertikalen Gierachse (13) durch Windeinwirkung auf sie weniger als das Drehmoment um dieselber Gierachse (13) durch Windeinwirkung auf das Windrad (3) ist.
  2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Windfahne (14) eine kreuzartige Form im Querschnitt aufweist, wobei die Fläche ihres horizontalen Blattes so ist, dass das Gegendrehmoment um der Querachse der Gondel (1) durch Windeinwirkung auf dieses Blatt weniger als das Drehmoment um dieselber Querachse durch Windeinwirkung auf das Windrad (3) ist.
  3. Windkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche des horizontalen Blattes der Windfahne (14) so ist, dass das Gegendrehmoment um der Querachse der Gondel (1) durch Windeinwirkung auf dieses Blatt und das Drehmoment um dieselber Querachse durch Windeinwirkung auf das Windrad (3) gleich groß sind.
  4. Windkraftanlage nach Ansprüchen 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Windfahne (14) ein Blatt oder mehrere Blätter hat, die geneigt angeordnet sind.
  5. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Windrad (4) anstatt der Windfahne an der Gondel (1) auf der Luvseite des Turmes (2) drehbar befestigt ist.
  6. Windkraftanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Windrad (4) mit dem Rotor (7) des Elektrogenerators (16) kinematisch verbunden ist.
  7. Windkraftanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Windrad (3) und das zusätzliche Windrad (4) mit der Rotation in entgegengesetzter Richtung aufgestellt sind.
  8. Windkraftanlage nach Ansprüchen 6, 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Windrad (3) mit dem eigenen Rotor (7) kinematisch verbunden ist und dreht ihn und das zusätzliche Windrad (4) mit dem eigenen zusätzlichen Rotor (10) kinematisch verbunden ist und dreht ihn, wobei beide Rotoren (7) und (10) im gemeinsamen Stator (8) angeordnet sind.
  9. Windkraftanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (7) den eigenen Stator (8) aufweist und der zusätzliche Rotor (10) den eigenen zusätzlichen Stator (15) aufweist.
  10. Windkraftanlage nach Ansprüchen 6, 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Paar der gleichachsigen Windräder (3), (3') und ein Paar der gleichachsigen zusätzlichen Windräder (4), (4') aufweist und jedes Windrad (3), (3') und jedes zusätzliche Windrad (4), (4') eigenen Elektrogenerator (16) antriebt, wobei Windräder (3) und (3') drehen sich in entgegengesetzter Richtung und zusätzlichen Windräder (4) und (4') drehen sich auch in entgegengesetzter Richtung.
  11. Windkraftanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Windräder (3) und (3') drehen sich in gleicher Richtung und zusätzliche Windräder (4) und (4') drehen sich auch in gleicher Richtung.
  12. Windkraftanlage nach Ansprüchen 10, 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Paar der Windräder (3), (3') und ein Paar der zusätzlichen Windräder (4), (4') drehen sich in gleicher Richtung.
  13. Windkraftanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Windrad (4) mit dem drehbaren Stator (12) kinematisch verbunden ist und dreht ihn.
  14. Windkraftanlage nach Ansprüchen 1, 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Windrad (3) mit dem drehbaren Stator (12) kinematisch verbunden ist und das zusätzliche Windrad (4) mit dem Rotor (7) kinematisch verbunden ist.
  15. Windkraftanlage nach Ansprüchen 11, 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Windrad (3) und das zusätzliche Windrad (4) beide sich auf einer Seite der Gondel (1) befinden.
  16. Windkraftanlage nach Ansprüchen 6, 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schaufel des Windrades (3) und die entsprechende Schaufel des zusätzlichen Windrades (4) in gleichen Ebenen angeordnet sind.
  17. Windkraftanlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln des Windrades (3) verschränkt, z. B. schachbrettartig, bezüglich der Schaufeln des zusätzlichen Windrades (4) angeordnet sind.
  18. Windkraftanlage nach Ansprüchen 6, 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Windrad (3) und das zusätzliche Windrad (4) nicht fluchtende sind.
  19. Windkraftanlage nach Ansprüchen 5–18, dadurch gekennzeichnet, dass das Windrad (3), das Windrad (3'), das zusätzliche Windrad (4) und das zusätzliche Windrad (4') die gleichen Konstruktionsabmessungen, z. B. der Durchmesser, die Schaufelanzahl, der Anstellwinkel, die Drehzahl, aufweisen.
  20. Windkraftanlage nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass nicht alle Windräder (3), (3'), (4), (4') die gleichen Konstruktionsabmessungen aufweisen, einige Windräder ungleichen Konstruktionsabmessungen aufweisen.
  21. Windkraftanlage nach Ansprüchen 5–20, dadurch gekennzeichnet, dass alle Windräder (3) und (3') und zusätzliche Windräder (4) und (4') die gleiche Drehrichtung aufweisen.
  22. Windkraftanlage nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass nicht alle Windräder (3) und (3') und zusätzliche Windräder (4) und (4') die gleiche Drehrichtung aufweisen, einige Windräder in entgegengesetzter Richtung rotieren.
  23. Windkraftanlage nach Ansprüchen 1–22, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegendrehmoment um die vertikale Gierachse (13) der Gondel (1) weniger als das Drehmoment um dieselbe Gierachse (13) ist.
  24. Windkraftanlage nach Ansprüchen 5–23, dadurch gekennzeichnet, dass die Gondel (1) verstellbare Ausgleichsschaufeln (17) aufweist.
  25. Windkraftanlage nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsschaufeln (17) unverstellbar sind.
  26. Windkraftanlage nach Ansprüchen 24, 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Ausgleichsschaufeln (17) gleich, größere oder kleinere als die Länge der Schaufeln der Windräder (3) und (3') und zusätzliche Windräder (4) und (4') ist und die Anzahl der Ausgleichsschaufeln (17) eine oder mehr ist.
  27. Windkraftanlage nach Ansprüchen 24, 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Form und die Konstruktion der Ausgleichsschaufeln (17) verschieden sind.
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