DE2138500A1

DE2138500A1 - WIND POWER PLANT TOWER

Info

Publication number: DE2138500A1
Application number: DE2138500A
Authority: DE
Inventors: Josef Gierschek
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-08-02
Filing date: 1971-08-02
Publication date: 1973-02-15

Description

Windkraftwerk-TCrmX Die Erfindung betrifft einen Windkraftwerk-Turm, bestehend aus einem lastabtragenden, wartungsarmen, in dem Fundament eingespannten Turmschaft, um den eine Vielzahl von Radialturbinen, Äxialturbinen oder windkraftnutzende Vorrichtungen angeordnet sind und die Nutzung der im Wind latend vorhandenen kinetischen Energie zur Erzeugung von mechanischer oder elektrischer Energie in großem Maßstab und wirtschaftlich zu ermöglichen, wobei zur Hebung der Wirtschaftlichkeit solcher Anlagen Turmkrone und Turmschaft gesondert mit geringem Aufwand nutzbar gemacht werden können wenn auf er Turmkrone z. B. eine Aussichtsgondel mit Gaststättenbetrieb angeordnet wird. Wind power plant TCrmX The invention relates to a wind power plant tower, consisting of a load-bearing, low-maintenance, clamped in the foundation Tower shaft around which a large number of radial, axial or wind power turbines are used Devices are arranged and use the kinetic latent in the wind Energy for the generation of mechanical or electrical energy on a large scale and economically enable, with the aim of increasing the profitability of such Systems tower crown and tower shaft made separately usable with little effort can be if on he tower crown z. B. a gondola with a restaurant is arranged.

Es sind bereits Anlagen zur Nutzung der Windkraft in den verschiedensten Bauformen bekannt wie Windmühlen, Windräder, Windturbinen und sonstige windkraftnutzende Vorrichtungen, die einzeln oder örtlich als Gruppe auf den Kronen von Fachwerktürmen (Gebäuden) oder Maste (drehbar) montiert sind.There are already systems for the use of wind power in the most diverse Structures known such as windmills, wind turbines, wind turbines and other wind power users Devices that are installed individually or locally as a group on the crowns of lattice towers (Buildings) or masts (rotatable) are mounted.

Es ist auch eine Bauform bekannt, wobei an einem abgespannten Mast örtlich eine Gruppe von Windrädern-drehbar gelagert ist (Deutsche Patentschrift 629 414). Bei anderen Anlagen ist der gesamte Turm drehbar gelagert, der mit einer oder wenigen Turbinen oder Windrädern bestückt ist.There is also a design known, with a guyed mast locally a group of wind turbines is rotatably mounted (German patent 629 414). In other systems, the entire tower is rotatably mounted with a or a few turbines or wind turbines.

Ferner ist eine Großanlage als Projekt bekanntgeworden, bei der ein Windrad von sehr großem Durchmesser mit waagerecht liegender Achse vorgesehen war.Furthermore, a large-scale plant has become known as a project in which a A very large diameter wind turbine with a horizontal axis was provided.

(Buch: Windkraftanlagen von J. Wilhelm van Heys im Siemens-Verlag, Berlin, Ausgabe 1956).(Book: Wind turbines by J. Wilhelm van Heys published by Siemens, Berlin, 1956 edition).

Zur konstanten Erzeugung von Energie ist außerdem die Speicherung von sporatisch erzeugter Energie aus Windkraftwerken über Pumpspeicher-Wasserkraftwerke oder sonstigen Medien bekannt.Storage is also essential for the constant generation of energy sporadically generated energy from wind power plants via pumped storage hydropower plants or other media known.

Die bekannten Anlagen können die gestellte Aufgabe nur unvollkommen erfüllen, mechanische oder elektrische Energie in großem Maßstab konstant und preiswert zu erzeugen, da der überwiegende Teil dieser Anlagen auf Grund der Konstruktion und von der Art her bedingt, nur in geringen Höhen über dem Terrain einsetzbar ist, infolgedessen die einigermaßen konstante und wesentlich höhere Strömungsgeschwindigkeit des Windes in großen Höhen nicht nutzen kann, außerdem bei diesen Anlagen infolge von nur einer oder einer geringen Anzahl von windkraftnutzenden Vorrichtungen schon bei einem Ausfall einer dieser Vorrichtungen einen vollständigen oder sehr hohen Leistungsausfall erfährt. Zusätzlich würde bei der Errichtung vieler dieser Anlagen eine sehr große Grundstücksfläche erforderlich sein infolge der Strömungsbedingungen und der Abstandsradien für die windnutzenden Vorrichtungen je Anlage mit den dabei auftretenden hohen Grunderwerbskosten und der eventuellen Unmöglichkeit von den geographischen Verhältnissen her wie z. B. bei B ergkuppen.The known systems can only imperfectly the task set meet mechanical or electrical energy on a large scale constant and inexpensive to produce, as the majority of these systems due to the construction and due to its nature, can only be used at low heights above the terrain, consequently the reasonably constant and significantly higher flow velocity of the wind at high altitudes, also as a result of these systems of just one or a small number of devices that use wind power in the event of a failure of one of these devices, a complete or very high Experiences loss of performance. In addition, many of these facilities would be built a very large plot of land may be required due to the flow conditions and the distance radii for the wind-using devices for each system with the included occurring high land acquisition costs and the possible impossibility of the geographical conditions such as B. at B ergkuppen.

Bei dem verbleibenden Rest von bekannten Anlagen, der für die Nutzung des Windes in großen Höhen vorgesehen ist, wird durch die Nichtnutzbarkeit der lastabtragenden Turmkonstruktion zur örtlichen Erhöhungfler Strömungsgeschwindigkeit und einer nicht leichten Nutzungsmöglichkeit für andere Zwecke durch Turmaufbauten und des Turmes selbst, die Energiebilanz und damit die Wirtschaftlichkeit stark gemindert; hinzu kommt, daß Unterhalt und Wartung dieser Anlagen sehr aufwendig sind und damit ebenfalls den Preis der erzeugten Energie ungünstig beeinflußt.For the remainder of known facilities, those for use of the wind is provided at great heights, is due to the unusability of the load-bearing Tower construction for the local increase of the flow velocity and one not easy use for other purposes through tower structures and the tower itself, the energy balance and thus the profitability are greatly reduced; added comes that upkeep and maintenance of these systems are very expensive and thus also adversely affects the price of the energy produced.

Die bei diesem Rest der Anlagen vorgesehenen windkraftnutzenden Eine richtungen geringer Anzahl und besonders großer Ausdehnung werden unverhältnismäßig kostenintensiv, da auf Grund von statischen und Festigkeitsproblemen die Verwirklichung dieser Vorrichtung Sondermaßnahmen-erfordert. Bei Ausfall einer dieser Vorrichtungen treten die Nachteile, wie schon für den überwiegenden Teil der Anlagen beschrieben sind, auf.The ones that use wind power in this remainder of the plants directions of small numbers and particularly large dimensions become disproportionate cost-intensive, as the implementation is due to static and strength problems this device requires special measures. If one of these devices fails the disadvantages occur, as already described for the majority of the systems are on.

Große Grundstücksflächen werden ebenfalls bei diesen Anlagen erforderlich mit den Nachteilen, wie sie für den überwiegenden Teil der Anlagen schon beschrieben wurden.Large areas of land are also required for these systems with the disadvantages as already described for the majority of the systems became.

Aufgabe der Erfindung ist es, die den bekannten-Bauwerken und Anlagen anhaftenden Mängel zur Nutzung der Windkräfte zu beseitigen und elektrische oder mechanische Energie in großem Maßstab und relativ konstant zu einem wirtschaftlichen-Preis zu erzeugen, dies bei einer kleinen bebauten Grundfläche, geringe Abnahme der Leistung bei Ausfall einer windkraftnutzenden Einrichtung, geringen Unterhalt für den überwiegenden Teil der Anlage und bei Verwendung von windkraftnutzenden Vorrichtungen in annähernd handelsüblichen Größen bei einer leichten Wartungsmöglichkeit der Anlage.The object of the invention is to improve the known structures and systems to eliminate adherent defects to the use of wind forces and electrical or mechanical energy on a large scale and relatively constant at an economical price to generate, this with a small built-up area, little decrease in performance in the event of failure of a facility using wind power, low maintenance for the majority Part of the system and when using devices that use wind power in approximately commercial sizes with easy maintenance of the system.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe im wesentlichen- dadurch gelöst, daß um einen begeh- und zusätzlich nutzbaren kreisringförmigen hohen Turmschaft vorzugsweise aus Stahlbeton verstellt und im Fundament eingespannt, eine Vielzahl von bekriech- oder begehbare strömungsgünstige Turbinenträger, bestückt mit je 1 oder mehreren Turbinen einschließlich der Generatoren zur elektrischen Energieérzeugung oder sonstige windkraftnutzende Vorrichtungen leicht um den Turmschaft drehbar gelagert und entlang des Turmschaftes aufgereiht werden. Bei der Nutzung von mechanischer Energie kann die Ubertragung mit den geeigneten und bekannten tbertragungsmitteln wie Wellen, Zahnräder, ßZahnkränz-e usw.According to the invention, the task set is essentially thereby solved that around a walkable and additionally usable circular high tower shaft preferably made of reinforced concrete and clamped in the foundation, a large number of flow-efficient turbine carriers that can be crawled or walked on, each equipped with 1 or several turbines including the generators for generating electrical energy or other devices that use wind power are easily rotatably mounted around the tower shaft and lined up along the tower shaft. When using mechanical Energy can be transmitted with suitable and known means of transmission such as shafts, gears, gear rings, etc.

erfolgen.take place.

Durch die bei dieser Erfindung vorteilhaft gewählte Querschnittsgeometrie und dem Baumaterial wird es möglich, ein Tragelement zu schaffen, das über dem Terrain bei. kleinem Querschnitt vollkommen frei ist und für eine nahtloseAneinanderreihung von Turbinen bis in großen Höhen, z.B. 400 m, mit hoher und relativ konstanter Luftgeschwindigkeit zur Verfügung steht, wobei dieses Tragelement-wartungsfrei ist.Due to the cross-sectional geometry advantageously chosen in this invention and the building material makes it possible to create a support element that overlooks the terrain at. small cross-section is completely free and for seamless sequencing from turbines up to great heights, e.g. 400 m, with high and relatively constant air speed is available, this support element being maintenance-free.

Ein weiteres wesentliches Merkmal dieser Erfindung ristes, daß durch die gewählte Kontur des Turmes eine nutzbare erhöhte Strömung seitlich des Turmes erzeugt wird, in die alle Turbinen oder sonstige windkraftnutzende Vorrichtungen angeordnet bzw. von dieser erhöhten Strömung beaufschlagt werden, die Energiebilanz wesentlich verbessert wird.Another key feature of this invention ristes that through the chosen contour of the tower a usable increased flow to the side of the tower is generated in all turbines or other devices using wind power arranged or acted upon by this increased flow, the energy balance is significantly improved.

Eine weitere vorteilhafte Maßnahme der Erfindung ist, daß die. Achsen z.B.Another advantageous measure of the invention is that the. axles e.g.

bei Turbinen je nach Bauart im Grundriß gesehen um einen entsprechenden Winkel zur anstehenden Windrichtung versetzt sind, um eine optimale Nutzung der beschleunigten Luftströmung zu erreichen; dabei sind als zusätzliche Verbesserung die links des Turmes -angeordneten Turbinen zu den rechts vom-Turm angeordneten in der Laufrichtung gegenläufig, um eine weitgehende Kompensierung der statischen bzw. dynamischen Beanspruchung der abtragenden Bauteile zu erreichen. Die Lage des Schwerpunktes aus Turbinen, Generatoren- und Turbinenträgergewicht wird dabei soweit nach vorne (zur Windrichtung) verlegt, wie es strömungstechnisch und standsicherheitsmäßig vorteilhaft und zulässig ist, um die Beanspruchung des-Turmschaftes zu verringern bzw. die Fundamentgröße günstig zu beeinflussen.in the case of turbines, depending on the design in the plan, a corresponding one The angles are offset to the wind direction in order to make optimal use of the to achieve accelerated air flow; are included as an additional improvement the turbines on the left of the tower to those on the right of the tower in the opposite direction to extensive compensation to achieve the static or dynamic stress on the abrading components. The position of the center of gravity from the turbine, generator and turbine carrier weight is moved as far forward (to the wind direction) as it is fluidic and is advantageous and permissible in terms of stability in terms of the stress on the tower shaft to reduce or to influence the foundation size favorably.

Um eine zusätzliche Nutzung der Strömung zu erreichen, kann jeweils in einem gewissen Abstand hinter der vorderen Turbinenebene eine weitere Turbinenebene angeordnet sein.In order to achieve additional use of the flow, each at a certain distance behind the front turbine level another turbine level be arranged.

Bei einer weiteren Art der Erfindung sind um den Stahlbetonschaft eine Vielzahl von Radialturbinen oder sonstige windkraftnutzende Vorrichtungen über die Turmhöhe verteilt, um den Turmschaft leicht drehbar angeordnet und abweChselnd links bzw. rechts laufend, um die Beanspruchung des Turmschaftes auf Torsion zu vermindern.Another type of invention involves the reinforced concrete shaft a large number of radial turbines or other devices that use wind power distributed over the height of the tower, arranged to be easily rotatable and alternating around the tower shaft running to the left or right to reduce the torsion stress on the tower shaft Reduce.

In der Zeichnung sind 2 Ausführungsbeispiele dargestellt: Fig. 1 zeigt die Ansicht eines Windkraftwerk-Turmes mit axialen Turbinen und einer Aussichtsgondel auf der Turmkrone.Two exemplary embodiments are shown in the drawing: FIG. 1 shows the view of a wind power tower with axial turbines and a viewing gondola on the tower crown.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den Turmschaft der Fig. 1.FIG. 2 shows a cross section through the tower shaft of FIG. 1.

Fig. 3 zeigt einen Turbinenträger in der Ansicht von Fig. 1.FIG. 3 shows a turbine carrier in the view of FIG. 1.

Fig. 4 zeigt einen Höhenschnitt durch einen Turbinenträger (Ring) von Fig. 1 mit der Lagerausbildung.Fig. 4 shows a vertical section through a turbine carrier (ring) of Fig. 1 with the bearing training.

Fig. 5 zeigt die Ansicht eines Windkraftwerk-Turmes mit radial um den Turm angeordneten windkraftnutzenden Vorrichtungen und einem Aufbau für eine fernmeldetechnische Relaisstation.Fig. 5 shows the view of a wind power station tower with radial around Arranged the tower wind power using devices and a structure for a telecommunications relay station.

Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch den Turmschaft der Fig. 5.FIG. 6 shows a cross section through the tower shaft from FIG. 5.

Fig. 7 zeigt einen Teilhöhenschnitt in der Turmmitte der Fig. 5.FIG. 7 shows a partial vertical section in the middle of the tower in FIG. 5.

Fig. 8 zeigt einen Höhenschnitt durch eine Radialturbinenlageraus~ bildung von der Fig. 5.Fig. 8 shows a vertical section through a radial turbine bearing from ~ formation of Fig. 5.

In Fig. 1, 2, 3 und 4 ist als Ausführungsbeispiel ein Windkraftwerk-Turm gewählt, bei dem jeder Turbinenträger mit jeweils 2-Axial-Turbinen bestückt ist.In Fig. 1, 2, 3 and 4 is a wind power tower as an embodiment selected, in which each turbine carrier is equipped with 2-axial turbines.

Um den kreisringförmigen Stahlbeton-Turmschaft (1) sind die Turbinenträger (10) über ollen (4) leicht drehbar um die Hochachse des Turmes gelagert.The turbine supports are around the circular reinforced concrete tower shaft (1) (10) mounted on ollen (4) easily rotatable around the vertical axis of the tower.

In der Stahlbetonwand befinden sich Öffnungen (12) als Fenster oder Ausstieg-Lucken, je nach Nutzung und Bedarf.There are openings (12) as windows or in the reinforced concrete wall Exit gaps, depending on use and needs.

Die geschoßbildenden Decken (11) versteifen gleichzeitig den Turmschaft.The floor-forming ceilings (11) simultaneously stiffen the tower shaft.

Die entstehenden Geschosse können für Maschinenräume genutzt oder einer sonstigen Nutzung zugeführt werden.The resulting storeys can be used for machine rooms or can be used for other purposes.

Die'' Turmkrone R ist mit einer Aussichtsgondel (13) versehen, die für Gaststättenbetrieb genutzt werden kann und zusätzlich z.B. mit 4 weiteren Geschossen (14) für fernmeldetechnische Einrichtungen. Darauf befindet sich ein Antennenmast (15).The '' tower crown R is provided with a viewing gondola (13) which can be used for catering and in addition, e.g. with 4 additional floors (14) for telecommunications equipment. There is an antenna mast on top (15).

Der Turbinenträger (10) ist eine Stahlrohr-Fachwerkkonstruktion. Die untere Fachwerkebene ist dabei begeh- bzw. belastbar ausgebildet. Die seitlichen Fachwerkebenen sind sicherheitshalber mit einem Drahtgewebe versehen, um das~Åbstürzen von Personen zu verhindern. Die Ausbildung des Turbinentrågers (10) kann jedoch auch wahlweise in einer Schalenkonstruktion erfolgen.The turbine carrier (10) is a tubular steel framework construction. the The lower truss level is designed to be walkable or resilient. The side To be on the safe side, truss levels are provided with wire mesh to prevent them falling to prevent from people. The formation of the turbine carrier (10) can, however can also optionally be made in a shell construction.

Am Ende der Turbinenträger ist je eine Gondel (9) angeordnet, die die Lagerung der Turbinenwelle umschließt und trägt. Diese Gondel enthält gleichzeitig den Elektro-Generator zur Erzeugung elektrischer Energie, die dann zum Turm geführt wird; dort erfolgt die Übergabe ins Innere des Turmes über Stromschienen und Schleifkontakte.At the end of the turbine carrier a nacelle (9) is arranged, which the bearing of the turbine shaft encloses and carries. This gondola contains at the same time the electric generator to generate electrical energy, which is then led to the tower will; there the transfer to the inside of the tower takes place via busbars and sliding contacts.

Um eine Regelung der Turbinendrehzahl - entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit - zu bewerkstelligen, sind die Blätter mit den bekannten Blattverstelieinrichtungen versehen. Ist keine Blattverstellung der Turbine vorgesehen, kann die Drehzahlregelung durch das Verschwenken der Gondel (8) am Turbinenträgerende um eine horizontale Drehachse, senkrecht zur Turbinenachse, erfolgen.To regulate the turbine speed - according to the flow velocity - To accomplish, the sheets are with the known Blattverstelieinrichtungen Mistake. If there is no blade adjustment of the turbine, the speed control can be used by pivoting the nacelle (8) at the end of the turbine support around a horizontal one The axis of rotation is perpendicular to the turbine axis.

Die erzeugte, zu übertragende, mechanische Energie kann bei einer Variante von der Turbinenwelle über die bekannten mechanischen Übertragungsmittel wie Wellen, Zahnräder, Ketten usw. bis zu einem beliebigen Ort des Turbin-enträgers oder bis innerhalb des Turmes erfolgen, um dort die elektrische Energie zu erzeugen.The generated mechanical energy to be transmitted can be at a Variant of the turbine shaft using the known mechanical transmission means like shafts, gears, chains etc. up to any point of the turbine carrier or to take place within the tower in order to generate the electrical energy there.

Die Steuerung der Turbinenträger erfolgt über justierbare Leitflächen (7), um die Turbinen (2) entsprechend der Windrichtung zu halten bzw. zu verdrehen. Eine Fernsteuerung kann mit den bekannten Übertragungsmitteln erfolgen. Eine Drehzahlregelung der Turbinen (2) ist möglich, wenn eine zusätzliche Verdrehung dermaßen erfolgt, daß die Turbinen in einem bestimmten Winkel zur anstehenden Luftströmung verdreht werden, sodaß die Beaufschlagung der Turbinen geringer wird.The turbine carriers are controlled via adjustable guide surfaces (7) to hold or turn the turbines (2) according to the wind direction. Remote control can take place with the known transmission means. A speed control of the turbine (2) is possible if an additional rotation takes place in such a way that that the turbine rotates at a certain angle to the pending air flow will, so that the loading of the turbines is less.

Bei einem Verzicht auf Leitflächen, erfolgt die Verdrehung des Turbinenträgers über einen oder mehrere im Turm installierte Stellmotore mit Zahnradabtrieb und am Turbinenträger befestigten Zahnkranz oder Kette.If there are no guide surfaces, the turbine carrier is rotated via one or more servomotors with gear output and installed in the tower Ring gear or chain attached to the turbine carrier.

In Fig. 5,6,7 und 8 ist als Ausführungsbeispiel ein Windkraftwerk-Turm gewählt, bei dem Turbinen (2) in Radialbauweise angeordnet sind.In Fig. 5,6,7 and 8 is a wind power tower as an embodiment selected, in which the turbines (2) are arranged in a radial design.

Um den kreisringförmigen Stahlbeton-Turmschaft (1) sind die Radial-Turbinen (2) über Rollen (4) und Schienen (3) drehbar um die Hochachse des Turmes gelagert. Es ist hier nur eine schematische Darstellung der Turbine gezeichnet. Es können natürlich Turbinen jeder Art nach dem Stand der Technik eingesetzt werden z.B. mit einem äußeren Kranz von Leitschaufeln und der dahinterliegenden Turbine.The radial turbines are located around the circular reinforced concrete tower shaft (1) (2) mounted on rollers (4) and rails (3) rotatably around the vertical axis of the tower. Only a schematic representation of the turbine is drawn here. It can Of course, turbines of any kind according to the state of the art can be used e.g. with an outer ring of guide vanes and the turbine behind them.

Die Umsetzung der mechanischen in elektrische Energie kann außerhalb des Turmschaftes über einen linearen Generator (8) erfolgen, der am Turmumfang angeordnet ist. Es kann jedoch auch mittels Zàhnkranæ, Wellen oder den sonstigen bekannten mechanischen Übertragungsmitteln die erzeugte mechanische Energie an jeden beliebigen Platz innerhalb des Turmes oder außerhalb des Turmes,z.B. bis zum Turmfuß, übertragen werden um in elektrische Energie umgeformt zu werden.The conversion of mechanical into electrical energy can be done outside of the tower shaft via a linear generator (8), which is arranged on the tower circumference is. However, it can also be done by means of toothed crane, shafts or the other known ones mechanical transmission means the generated mechanical energy to any Space inside the tower or outside the tower, e.g. to the base of the tower are to be converted into electrical energy.

Bei der gewählten Turbinenart sind Verkleidungsflächen'(5) für die Strömungsführung dargestellt.With the selected type of turbine are cladding surfaces' (5) for the Flow guidance shown.

Anströmflächen (6) sind als Zuführungs- und justierbare Steuerungsflächen vorgesehen.Inflow surfaces (6) are used as feed and adjustable control surfaces intended.

Verkleidungs- und Anströmflächen sind über Hilfseinrichtungen wie Stellmotore,-, entsprechend der. Windrichtung und Strömungsgeschwindigkeit, steuerbar,um eine Drehzahlregelung zu bewerkstelligen.Cladding and inflow areas are via auxiliary equipment such as Servomotors, -, according to the. Wind direction and flow speed, controllable to to accomplish a speed control.

Claims

Patent claims:

Wind power station 'tower for utilizing the kinetic latent in the wind Energy for the economical generation of mechanical or electrical energy on a large scale, characterized in that a load-bearing, low-maintenance, in the foundation clamped tower shaft (1) a large number of individual or groups of axial turbines on turbine carriers, radial turbines or devices using wind power around the vertical axis or

are easily rotatable and controllable around the tower shaft, wherein to increase the profitability of such systems and thus the energy to be generated Tower crown and tower shaft can be made usable separately with little effort, if on the tower crown e.g.

a gondola with a restaurant is arranged.

2. Wind power tower according to claim 1, characterized in that the Reinforced concrete shaft (1) has a circular cross-section and in its property as a load-bearing component at the same time due to its cross-sectional shape over its entire length acts as a displacement body and an increase in wind speed in the area to be used.

3. Wind power station tower according to claim 1 and / or 2, characterized in that that the turbine axes seen in plan at a certain angle gegen'der Main wind direction are offset in order to make optimal use of the lateral, faster Allow air flow, with the direction of rotation of the turbines to the axis of symmetry is opposite.

4. Wind power station tower according to claim 1 to 3, characterized in that that by the off-center arrangement of the center of gravity of turbines and generators and turbine carrier a restoring torque from this relative to the center of gravity of the tower Loads in relation to the overturning moment arise from the wind load.

L e r s e i t e