DE102010010208A1

DE102010010208A1 - Windkraftmaschine

Info

Publication number: DE102010010208A1
Application number: DE102010010208A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-03-04
Filing date: 2010-03-04
Publication date: 2011-09-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windkraftmaschine mit ie des Windes in nutzbare Energie, umfassend einen Rotor und eine an dem Rotor geschaltete Verbrauchsstelle, welcher Rotor eine um eine Rotordrehachse drehbare Rotorwelle und einen an der Rotorwelle gekoppelten Radkörper mit einer, vorzugsweise an der Rotorwelle koppelbaren, Nabe und mehreren Rotorblättern umfasst, an welchem Radkörper die Rotorblätter schwenkbar gekoppelt sind, der Radkörper Streben aufweist, welche mit ihren anderen Enden an der Nabe gekoppelt sind, die Rotorblätter an den einen Enden der Streben um Drehachsen DD drehbar gelagert sind, die Rotorblätter derart mit den Streben drehbar verbunden sind, dass kurze Rotorblattschenkel und lange Rotorblattschenkel ausgebildet sind, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Rotordrehachse zu den Drehachsen DD parallel ausgerichtet ist, der Radkörper, vorzugsweise innenseitig, Einstelleinrichtungen zu Bereitstellung von Verstellungen der Rotorblätter aufweist, die Einstelleinrichtungen bogenförmig um die Drehachsen D der Rotorblätter angeordnete Drehsperren, welche zum Anschlagen der langen Rotorarmschenkel der Rotorblätter geeignet sind, aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftmaschine mit einer Einrichtung zur Umsetzung von Strömungsenergie des Windes in nutzbare Energie, welche umfasst einen Rotor und eine an dem Rotor geschaltete Verbrauchsstelle, welcher Rotor einen um eine Rotordrehachse drehbaren Radkörper mit einer Nabe und mehreren Rotorblättern umfasst, an welchem Radkörper die Rotorblätter schwenkbar gekoppelt sind, der Radkörper an seiner Nabe gekoppelte Streben aufweist, die Rotorblätter an einen Enden der Streben um Drehachsen drehbar gelagert sind, die Rotorblätter unmittig mit den Streben unter Bildung kurzer Rotorblattschenkel und langer Rotorblattschenkel drehbar verbunden sind und ein Verfahren zur Erzeugung von nutzbarer Energie aus Strömungsenergie des Windes unter Verwendung der Windkraftmaschine.
Windkraftmaschinen wandeln die kinetische Energie oder Strömungsenergie des Windes in besondere Energieformen, wie elektrische Energie, um. Die Windkraftmaschinen umfassen ein Windrad oder einen Rotor mit an einer Welle befestigten und so geformten und ausgerichteten Flächen, von Flügelschaufeln, Rotorblättern oder dergleichen, dass sie von der den Windradkreis durchströmenden Luft in Drehung versetzt werden. Im Stand der Technik sind sowohl horizontale wie auch vertikal drehende Windräder von Windkraftmaschinen bekannt. Bei den Horizontalachsenrotoren einer herkömmlichen Windkraftmaschine werden die Propeller gegen den Wind eingestellt und ein Blattanstellwinkel jederzeit der Windgeschwindigkeit bis zur Sturmsicherheit angepasst. Neben den herkömmlichen Horizontalachsenrotoren sind im Stand der Technik auch Vertikalachsenrotoren bekannt.
Im Fall der Verwendung von Vertikalachsenrotoren für Windkraftmaschinen kann der Rotor mit einer Rotorwelle lotrecht ausgestaltet und sogenannte Darrieus-Rotoren und/oder Savonius-Rotoren an die Rotorwelle gekoppelt werden. Diese Vertikalachsenrotoren zeichnen sich durch den Vorteil aus, dass sie nicht in einer bestimmten Windrichtung ausgerichtet werden. Jedoch sind diese nicht regelbar und können nicht von alleine anlaufen. Durch die Unabhängigkeit der Vertikalachsenrotoren von der Windrichtung erübrigt sich das kostenträchtige Nachführen der Rotorwellen der Vertikalachsenrotoren zwecks Ausrichtung der Rotorwelle längs der Windrichtung im Gegensatz zu Horizontalachsenrotoren.
Rein rechnerisch übersteigt das geschätzte Potential kostenloser Windenergie, die Tag und Nacht zur Verfügung steht, weltweit den aktuellen Energiebedarf um das Vielfache. Dieses theoretische Potential lässt sich allerdings nicht in der Praxis oder nur zum Teil umsetzen. Es sind verschiedene Windkraftanlagen zur Stromerzeugung im Einsatz. Beispielsweise die oben genannten Darrieus-Rotoren mit vertikaler Rotorachse oder mit horizontaler Rotorachse Western Holländer oder Propeller-Rotoren. Bei diesen herkömmlichen eingesetzten Propeller-Windkraftanlagen ist die Rotorachse horizontal, die durch dreiblättrige Rotorblätter über nur einen Generator zur Stromerzeugung in einer windrichtungsnachführenden Gondel am oberen Turmabschluss untergebracht sind. Damit die vorgegebene Rotorumdrehung/Minute konstant geregelt werden kann, wird der Rotorblattanstellwinkel in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit, beispielsweise automatisch, angepasst. Bei zu hoher Windgeschwindigkeit muss zum Schutz der Vorüberlastung der Rotor zusätzlich gebremst werden ggf. die Rotorblätter auf Stillstand eingestellt werden. Die Stromerzeugung ist bei diesen Windkraftanlagen durch die Leistung des Generators und die dafür vorgesehene Umdrehung/Minute des Rotors immer gleich. So kann bei diesen Windkraftantriebssystemen nur ein Teil der zurzeit herrschenden Windstärke oder Winddrucks in elektrische Energie umgesetzt werden. Nur durch eine Vielzahl von Windkraftanlagen dieser Bauart ist es bis heute möglich, die Steigerung durch Windkraft zu erhöhen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung soll es sein, eine Windkraftmaschine und eine Windkraftanlage bereitzustellen, die die Windkraft von Windstärke 2 bis 10 auszuschöpfen vermag und in elektrische Energie umwandeln kann.
Aufgabe der Erfindung soll es gleichfalls sein, eine Windkraftmaschine und Windkraftanlage bereitzustellen, welche mehrere Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie und Leistung je nach Windstärke antreiben können.
Ebenso soll die bereitzustellende Windkraftmaschine auch geringen Winddruck, wie auch erhöhten, beispielsweise Windstärke zwischen 2 bis 10, mit hohem Wirkungsgrad in elektrische Energie umwandeln können.
Die Aufgaben werden gelöst durch den Hauptanspruch und den Nebenanspruch. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der Erfindung.
Die Erfindung betrifft eine Windkraftmaschine mit einer Einrichtung zur Umsetzung von Strömungsenergie des Windes in nutzbare Energie, welche umfasst:
einen Rotor und eine an dem Rotor geschaltete Verbrauchsstelle, welcher Rotor eine um eine Rotordrehachse drehbare Rotorwelle und einen an der Rotorwelle gekoppelten Radkörper, welcher vorzugsweise eine, vorzugsweise an der Rotorwelle koppelbaren, Nabe hat, mit mehreren Rotorblättern umfasst, an welchem Radkörper die Rotorblätter schwenkbar gekoppelt sind, der Radkörper Streben aufweist, welche mit ihren anderen Enden an der Nabe gekoppelt sind,
die Rotorblätter an den einen Enden der Streben um Drehachsen drehbar gelagert sind, die Rotorblätter derart mit den Streben drehbar verbunden sind, dass kurze Rotorblattschenkel und lange Rotorblattschenkel ausgebildet sind,
welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Rotordrehachse zu den Drehachsen parallel ausgerichtet ist, der Radkörper, vorzugsweise innenseitig, Einstelleinrichtungen zu Bereitstellung von Verstellungen der Rotorblätter aufweist, die Einstelleinrichtungen, vorzugsweise bogenförmig um die Drehachsen der Rotorblätter angeordnete, Drehsperren, welche zum Anschlagen der langen Rotorarmschenkel der Rotorblätter geeignet sind, aufweisen.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Windkraftanlage zur Erzeugung von Windenergie mit mindestens zwei Windkraftmaschinen, welche Windkraftmaschinen über eine gemeinsame Rotorwelle zusammenwirken.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von nutzbarer Energie aus Strömungsenergie des Windes unter Verwendung einer Windkraftmaschine, welche einen Rotor und eine an dem Rotor geschaltete Verbrauchsstelle hat, welcher Rotor einen um eine Rotordrehachse drehbaren Radkörper, welcher eine Nabe und/oder eine Rotorwelle aufweist, und mehreren Rotorblättern umfasst, an welchem Radkörper die Rotorblätter um Drehachsen DD geschwenkt werden, die Rotorblätter unmittig unter Bildung kurzer Rotorblattschenkel und langer Rotorblattschenkel drehbar an dem Radkörper verbunden sind, die Rotordrehachse zu den Drehachsen DD parallel ausgerichtet ist, der Radkörper, vorzugsweise innenseitig angeordnete, Einstelleinrichtungen zu Bereitstellung von Verstellungen der Rotorblätter aufweist, wobei die Einstelleinrichtungen bogenförmig um die Drehachsen DD der Rotorblätter angeordnete Drehsperren, welche zum Anschlagen der langen Rotorarmschenkel der Rotorblätter geeignet sind, umfasst, durch die Drehsperren die Verstellungen der Rotorblätter, z. B. in Windfahnenstellungen und/oder Segelstellungen der Rotorblätter, bewirkt werden können, die langen Rotorarmschenkel der Rotorblätter nacheinander gegen die in Koppelstellung geschaltenen Drehsperren in Segelstellung angeschlagen werden können, wobei die langen Rotorarmschenkel der Rotorblätter von der Segelstellung in die Windfahnenstellung durch die Schaltung der Drehsperren von der Koppelstellung in die Ruhestellung freigegeben werden können.
Die erfindungsgemäße Windkraftmaschine umfasst einen Rotor und eine an dem Rotor schaltbare Verbrauchsstelle. Der Erfindung liegt zugrunde, dass die erfindungsgemäße Windkraftmaschine einen drehbaren Rotor umfasst, an welchem die Rotorblätter um Drehachsen schwenkbar gelagert sind, die Rotordrehachse und die Drehachsen DD der Rotorblätter parallel zueinander und im wesentlichen senkrecht oder lotrecht verlaufen können, die Verstellungen der Rotorblätter mittels Einstelleinrichtungen über Drehsperren der Einstelleinrichtungen erfolgen können, die Drehsperren die Verstellungen der Rotorblätter in die Segelstellungen und die Windfahnenstellungen zu bewirken vermögen, bei Windfahnenstellungen die Rotorblätter parallel zu der Windrichtung ausgerichtet, bei Segelstellungen die Rotorblätter mit ihren Windangriffsflächen der Windrichtung zugewandt sein können, die Drehsperren die Rotorblätter aus der Segelstellung heraus in die Windfahnenstellung durch Drehen des Radkörpers und durch Beaufschlagen der Rotorblätter mit einer Kraftbeaufschlagung bringen können. Die Drehung des Radkörpers um die Rotordrehachse, z. B. über ein Gestänge oder eine elektronische Steuereinrichtung, die Schaltung der Drehsperren der Einstelleinrichtungen in die Ruhestellung ohne Anschlagen der Rotorblätter und in die Koppelstellung zum Anschlagen der Rotorblätter werden gesteuert, z. B. elektrisch oder mechanisch, durch die Steuereinrichtung.
Im Sinne der Erfindung wird auch unter Verbrauchsstelle verstanden, ein Generator zur Erzeugung elektrischer Energie durch Umsetzung von Strömungsenergie, z. B. Drehstrom-Asynchron oder -Synchron-Generatoren, Verdichter, welche flüssigkeits- und/oder gasförmige Medien fördern und/oder verdichten können, und dergleichen mittels mechanische Energie.
Im Sinne der Erfindung wird unter nutzbare Energie jedwede Energieform, wie mechanische, elektrische und/oder thermische Energie auch verstanden.
Unter Windenergie wird im Sinne der Erfindung auch verstanden, die aus der Luftbewegung umgewandelte nutzbare Energie, wie elektrische Energie.
Der Rotor weist einen um eine Rotordrehachse drehbaren Radkörper auf, welcher z. B. eine mittig angeordnete Nabe und an der Nabe strahlenförmig ausgerichtete Streben aufweist. Die Nabe kann fest oder drehbar mit der Rotorwelle verbunden oder an diese koppelbar, je nach Erfordernis, sein. Auch können in einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Windkraftmaschine die Streben ohne Nabe mit der Rotorwelle fest verbunden sein. Zur Lagestabilisierung der Streben sind die einen Enden der Streben, die der Nabe oder der Rotorwelle gegenüberliegen, mit Traversen verbunden. Die Traversen können in der Draufsicht um die Nabe kreisförmig ausgerichtet sein. An den einen Enden der Streben können Rotorblätter drehbar gelagert werden. Die anderen Enden der Streben können an der Nabe oder der Rotorwelle gekoppelt sein.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Windkraftmaschine sind die Rotorblätter in der Draufsicht an den einen Enden der Streben drehbar, aber unmittig gekoppelt, so dass die Rotorblätter mit langen Rotorblattschenkel mit großer Windangriffsfläche und mit kurzen Rotorblattschenkel mit geringer Windangriffsfläche ausgebildet werden. In einer besonderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Windkraftmaschine entspricht die Länge des langen Rotorblattschenkels dem Zweifachen oder 1,5fachen der Länge des kurzen Rotorblattschenkels, zur Erhöhung des Drehmoments. Unter Länge des Rotorblattschenkels wird im Sinne der Erfindung auch verstanden, der Abstand zwischen der Drehachse DD des Rotorblatts und der der Drehachse DD oder der Welle des Rotorblatts abgewandte Spitze des Rotorblatts.
Unter Rotorblattschenkel wird im Sinne der Erfindung auch verstanden, der Bereich des Rotorblatts von der Drehachse DD des Rotorblatts zu der der Drehachse DD abgewandte Spitze des Rotorblatts.
In einer besonderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Windkraftmaschine ist die Rotorwelle des Radkörpers mit ihrer Rotordrehachse senkrecht zu der Windrichtung ausrichtbar und/oder lotrecht ausrichtbar. Durch die Drehbewegung des Radkörpers mit der Rotorwelle um die Rotordrehachse beschreiben die Rotorblätter mit ihren Drehachsen eine Kreisbahn um die Rotordrehachse.
In dem von den Traversen und den Streben begrenzten Innenraum des Radkörpers können Einstelleinrichtungen zur Bereitstellung der Verstellungen der Rotorblätter angeordnet sein. Die Einstelleinrichtungen können mit um die Rotordrehachse der Rotorblätter bogenförmig angeordnete Drehsperren ausgestaltet sein. Die Drehsperren dienen zum Anschlagen der Rotorblätter oder der langen Rotorblattschenkel der Rotorblätter und zum Freigeben derselben in Abhängigkeit von der Drehstellung des Radkörpers zu der Windrichtung. In einer Ausgestaltung ist die Rotordrehachse mit den Drehachsen der Rotorblätter parallel ausgerichtet. Die Drehrichtung des Rotors verläuft vorzugsweise in Gegenrichtung der Drehrichtung der Rotorblätter.
Im Sinne der Erfindung werden unter Verstellungen der Rotorblätter auch verstanden die Segelstellungen der Rotorblätter, so dass die Rotorblätter mit ihrer Windangriffsfläche der Windrichtung zugewandt sind, um mit Winddruck oder Kraft beaufschlagt zu werden. Die Rotorblätter mit ihren Windangriffsflächen können in der Draufsicht quer, schräg zu der Windrichtung ausgerichtet sein. Die Windangriffsfläche der Rotorblätter und die der Rotorblattschenkel können im rechten Winkel oder in einem Winkel weniger als 90° zu der Windrichtung ausgerichtet sein. Windenergie ist die aus der Luftbewegung umgewandelte meist elektrische Energie.
Unter luvseitiger Seite wird im Sinne der Erfindung auch verstanden die dem Wind zugewandte Seite, also die Windangriffsfläche.
Ebenso wird unter Verstellungen auch im Sinne der Erfindung verstanden z. B. die Segelstellungen und Windfahnenstellungen der Rotorblätter; in Windfahnenstellungen sind die Rotorblätter in der Draufsicht oder deren Windangriffsflächen und die der Windangriffsflächen gegenüberliegenden windabgewandten Flächen der Rotorblätter im Wesentlichen parallel zu der Windrichtung ausgerichtet.
Im Sinne der Erfindung wird unter Betrieb auch verstanden Beaufschlagen oder Einwirken durch Wind oder Winddruck auf die erfindungsgemäße Windkraftmaschine, so dass der Rotor sich um seine Rotordrehachs infolgedessen zu drehen vermag. Winddruck ist auch der physikalische Druck, der von der strömenden Luft auf die Windangriffsfläche des Rotorsblatts ausgeübt wird.
Die Einstelleinrichtung weist Drehsperren auf, die vorzugsweise bogenförmig um die Drehachsen oder die Wellen der Rotorblätter angeordnet sind. In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Windkraftmaschine hat die Einstellrichtung eine Drehsperre, als sogenannte feste Drehsperre, die in Koppelstellung verbleibt, welche Drehsperre in Bezug auf die Drehrichtung der langen Rotorblattschenkel abgewandt ist.
Unter Koppelstellung wird im Sinne der Erfindung auch verstanden, die Stellung der Drehsperre, bei welcher das Rotorblatt mit seiner Spitze oder seinem Ende seines langen Rotorarmschenkels, welche Spitze oder welches Ende der Drehachse des Rotorblattes abgewandt ist, gegen die Drehsperre anschlägt. Die sonstigen Drehsperren können sich je nach Drehstellung des Radkörpers oder Rotors in Koppelstellung oder in Ruhestellung befinden.
In Koppelstellung wird die Drehsperre, die beispielsweise in Richtung zu der Drehrichtung des Rotorblattes zugewandt ist, zum Anschlagen des langen Rotorblattschenkels gegen die Drehsperre in Richtung zu der Drehachse oder der Welle des Rotorblatts ausgefahren. In Ruhestellung wird die Drehsperre, die beispielsweise in Richtung zu der Drehrichtung des Rotorblattes zugewandt ist, zum Freigeben des gegen sie angeschlagenen langen Rotorblattschenkels in Richtung zu der Drehachse oder der Rotorwelle des Rotors eingefahren. Die Drehsperre kann in Abhängigkeit von der Drehstellung des Radkörpers oder Rotors zu der Windrichtung von der Koppelstellung in die Ruhestellung und umgekehrt geschaltet werden.
Unter Ruhestellung wird im Sinne der Erfindung auch verstanden das Einfahren der Drehsperre in Richtung zu der Rotordrehachse, so dass der an die Drehsperre angeschlagene lange Rotorblattschenkel freigegeben wird und sich in Richtung zu der der eingefahrenen Drehsperre benachbarten Drehsperre durch Kraftbeaufschlagung schwenken kann.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von nutzbarer Energie aus Strömungsenergie des Windes unter Verwendung einer Windkraftmaschine, welche einen Rotor und eine an dem Rotor geschaltete Verbrauchsstelle hat, welcher Rotor einen um eine Rotordrehachse drehbaren Radkörper mit einer Nabe und mehreren Rotorblättern umfasst, an welchem Radkörper die Rotorblätter um Drehachsen DD schwenkbar gekoppelt sind, die Rotorblätter unmittig unter Bildung kurzer Rotorblattschenkel und langer Rotorblattschenkel drehbar an dem Radkörper verbunden sind, die Rotordrehachse zu den Drehachsen DD parallel ausgerichtet ist, der Radkörper, vorzugsweise innenseitig angeordnete, Einstelleinrichtungen zu Bereitstellung von Verstellungen der Rotorblätter aufweist, wobei die Einstelleinrichtungen bogenförmig um die Drehachsen DD der Rotorblätter angeordnete Drehsperren, welche zum Anschlagen der langen Rotorarmschenkel der Rotorblätter geeignet sind, umfasst, durch die Drehsperren die Verstellungen der Rotorblätter in Windfahnenstellungen und Segelstellungen der Rotorblätter bewirkt werden, die langen Rotorarmschenkel der Rotorblätter nacheinander gegen die in Koppelstellung geschaltenen Drehsperren in Segelstellung angeschlagen werden, wobei die langen Rotorarmschenkel der Rotorblätter von der Segelstellung in die Windfahnenstellung durch Schaltung der Drehsperren von der Koppelstellung in die Ruhestellung freigegeben werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verbleibt vorzugsweise die der Drehrichtung des Radkörpers abgewandte Drehsperre als sogenannte feste Drehsperre in Koppelstellung; die in Koppelstellung geschaltenen Drehsperren können nacheinander beim Durchlaufen der Segelstellungen A bis D in die Ruhestellung geschaltet werden. Die in Ruhestellung geschaltenen Drehsperren können gemeinsam in die Koppelstellung nach dem Übergang von der Segelstellung D in die Windfahnenstellung E der langen Rotorarmschenkel 1H der Rotorblätter 1D geschaltet werden.
Die erfindungsgemäße Windkraftanlage zur Erzeugung von Windenergie kann mit mindestens zwei Windkraftmaschinen, welche übereinander angeordnet sein können, über eine gemeinsame Rotorwelle zusammenwirken, wobei diese mit Stabilisierungsmasten und Stabilisierungsauslegern gehalten und mit einem Windkraftrotordeck als Hubschrauberlandplatz ausgestaltet sein kann
Durch die Drehung des Radkörpers um die Rotordrehachse kann zusehends das Rotorblatt von der Windfahnenstellung in die Segelstellung übergehen. Die Drehsperren der Einstellrichtung werden derart von einer Steuerungseinrichtung angesteuert, dass möglichst die Windangriffsfläche des langen Rotorblattschenkels und die des kurzen Rotorblattschenkels in die Position quer zu der Windrichtung ausgerichtet sind, indem nacheinander die Drehsperren von der Koppelstellung in die Ruhestellung während der Drehung des Rotors übergehen. In Segelstellung werden bei Betrieb der lange Rotorblattschenkel des Rotorblattes nacheinander gegen die Drehsperren der Einstelleinrichtungen anschlagen; bei dem Übergang von der Windfahnenstellung in die Segelstellung oder nach Erreichen der Windfahnenstellung des Rotorblatts wird zumindest die Drehsperre, die der Drehrichtung des Rotorblatts zugewandt ist, in Koppelstellung geschaltet werden, so dass bei dem Übergang von der Windfahnenstellung in die Segelstellung der lange Rotorblattschenkel gegen die Drehsperre anschlagen kann.
Auch die weiteren Drehsperren werden in die Koppelstellung bei dem Übergang von der Windfahnenstellung in die Segelstellung oder nach dem Erreichen der Windfahnenstellung des Rotorblatts geschaltet. Die weiteren Drehsperren der Einstellrichtung werden, insbesondere zeitabhängig und/oder windrichtungsabhängig, während der Drehung des Rotors so in Segelstellung angesteuert, dass möglichst die Windangriffsfläche des Rotorblattes quer zu der Windrichtung ausgerichtet ist. Um möglichst die quere Ausrichtung zu der Windrichtung zu erreichen, werden die Drehsperren nacheinander aus der Koppelstellung in die Ruhestellung gefahren, so dass nacheinander der lange Rotorblattschenkel gegen die Drehsperren anzuschlagen vermag und von diesen durch deren Einfahren in die Ruhestellung freigegeben werden kann. Unter Segelstellungen A bis D werden im Sinne der Erfindung auch verstanden, die verschiedenen Ausrichtungen der Windangriffsfläche des Rotorblatts oder dessen Rotorblattschenkels zur Windrichtung. In Segelstellungen A bis D befindet sich das Rotorblatt in einer windzugewandten Position Z. Bei Anschlagen des langen Rotorblattschenkels an der festen Drehsperre verbleibt er in dieser Position, bis er in die Windfahnenstellung oder nahezu in diese infolge der Drehung des Radkörpers schwenken kann. Bei dem Übergang von der Segelstellung in die Windfahnenstellungen wird das Rotorblatt mit seinem langen Rotorblattschenkel, welches noch angeschlagen gegen die feste Drehsperre ist, durch die Drehung des Rotors und durch die infolge Winddrucks erzeugte Kraftbeaufschlagung auf seine windabgewandte Fläche einen Drehimpuls erfahren und in Windfahnenstellung schwenken können. In Windfahnenstellung befindet sich das Rotorblatt in einer windabgewandten Position X.
Unter Windfahnenstellung oder windabgewandte Stellung X wird im Sinne der Erfindung auch eine Stellung der Rotorblätter verstanden, die weitgehend nicht von Winddruck beaufschlagt wird. Unter Segelstellung oder windzugewandte Stellung Z wird im Sinne der Erfindung auch Stellungen der Rotorblätter verstanden, die weitgehend von Winddruck beaufschlagt werden. Unter einem Umlauf des Radkörpers oder Rotors wird im Sinne der Erfindung auch verstanden das einmalige Durchlaufen der Segelstellungen A bis D und der Windfahnenstellungen E und F. Es zeigt sich, dass die erfindungsgemäße Windkraftmaschine durch das fortwährende Durchlaufen der Rotorblätter der Segelstellungen und Windfahnenstellungen in dem Radkörper einen hohen Wirkungsgrad mit hoher Ausbeute an Windenergie erzielen kann.
Um eine Überlast der erfindungsgemäßen Windkraftmaschine bei überhöhtem Winddruck zu vermeiden, ist es auch möglich, den Rotor mit einem Sturmböenüberlastungsschutz auszugestalten. So können die Drehsperren derart angesteuert werden, dass diese in Ruhestellung von der Steuereinrichtung geschaltet werden, um das Rotorblatt in Windfahnenstellung zu fahren. Auch kann der lange Rotorblattschenkel in einer weiteren Ausgestaltung zweigeteilt sein, wobei beide Teile des langen Rotorblattschenkels mittels Federkraftbeaufschlagung in einer Anschlagposition zum Anschlagen gegen die Drehsperren gehalten werden. Bei Überlast werden die Federkraft überwunden und das der Spitze zugewandte Teil des Rotorblattschenkels geschwenkt, so dass kein Anschlagen des langen Rotorblattschenkels gegen die Drehsperre erfolgen kann. Auch können die Drehsperre mit einer Federkraftbeaufschlagt in Koppelstellung ausgefahren sein, so dass bei Überlast die Drehsperren mit einer der Federkraft höheren Kraft beaufschlagt in die Ruhestellung gefahren werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Rotorwelle an eine Verbrauchsstelle mittelbar oder unmittelbar gekoppelt. Unter mittelbarer Kopplung wird im Sinne der Erfindung auch verstanden die Zwischenschaltung eines Getriebes zwischen der Verbrauchsstelle und der Rotorwelle. Im Fall der unmittelbaren Kopplung wird im Sinne der Erfindung auch verstanden der direkte Kraftschluss zwischen der Verbrauchsstelle und der Rotorwelle ohne Getriebe. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die erfindungsgemäße Windkraftmaschine mit ihrer Rotorwelle an einen Generator oder einen Verdichter angeschlossen sein. Der Generator dient zur Erzeugung elektrischer Energie. Der Verdichter kann Luft komprimieren zur elektrischen Stromgewinnung über eine Turbine oder kann der Zuführung der Primarluft bei der Dampferzeugung in Gaskraftwerken dienen. Ebenso ist es möglich, dass die erfindungsgemäße Windkraftmaschine an einen Elektromotor zuschaltbar ist, welcher die von ihm erzeugte elektrische Energie mittels Batterien speichert, die zum Beispiel zum Anlaufen der erfindungsgemäßen Windkraftmaschine liefern können.
In einer weiteren Ausgestaltung können die Drehsperren und/oder das Getriebe mit einer Steuereinrichtung angesteuert werden. Die Steuereinrichtung kann nach einem zeitlichen Programm und/oder nach Maßgaben von zugeführten Messwerten für die Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Winddruck pro Fläche, Drehgeschwindigkeit des Radkörpers und/oder Drehgeschwindigkeit der Rotorblätter die Drehsperren und deren Stellungen ansteuern und beispielsweise die Drehsperren in die Koppelstellung oder in die Ruhestellung einfahren lassen.
Die erfindungsgemäße Windkraftanlage kann in einem Turm angeordnet werden, wobei die Windkraftmaschinen übereinander mit einer gemeinsamen Rotorwelle gekoppelt sind. Hierbei ist es möglich, dass die Rotoren ebenso gegenläufig angeordnet sein können. In einer Ausgestaltung befindet sich in dem unteren Bereich des Turms in einem Maschinenhaus die Generatoren und/oder der Verdichter. Ebenso eignet sich die Anordnung der erfindungsgemäßen Windkraftanlagen auf hoher See, da die erfindungsgemäße Windkraftanlage wartungsarm ist und nicht der aufwändigen Windrichtungsnachführung bedürfen.
Vorteile der erfindungsgemäßen Windkraftmaschine und Windkraftanlagen sind beispielsweise:
Jede Aufstockung eines Windkraftrotors ersetzt eine freistehende herkömmliche Turmwindkraftanlage. Bei Inspektionen oder Ausfall einer Generatoreneinheit können die übrigen Generatoren umprogramiert, ohne ”Verdienstausfall”, weiter laufen. Nur für die Fundamente auf See, werden Schwimmkräne benötigt. Große windabhängige Spezialschwerlasthebekräne und Errichtungsschiffe, werden durch an den Stabilisierungsmasten mitwachsende ”kleine” Kräne, die Wind und Wellen unabhängig sind, ersetzt. Das gut zugängliche Maschinenhaus ist unterhalb der aufgestockten Windkraftrotoren, auf See über dem Wellenbereich, auf einer Plattform zwischen den Stabilisierungsmasten ”feststehend” aufgestellt,
die Wartungsarmut wegen Fehlens von Windnachführungseinrichtungen, von Rotorblättern mit Windanstellwinkelverstellung,
die Zuschaltbarkeit von Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie mit unterschiedlichen Leistungsabgaben und -aufnahmen,
die Ausbeute an elektrischer Energie auch bei geringer Windgeschwindigkeit,
die Stabilität und Verwindungssteifigkeit der erfindungsgemäßen Windkraftanlage,
die Zuschaltbarkeit von Generatoren, Verdichtern und ggf. Turbinen mit einem großen Spektrum an Einsatzmöglichkeiten zur Ausnutzung der Windenergie,
die Robustheit der erfindungsgemäßen Windkraftmaschine.
Die erfindungsgemäße Windkraftanlage zur Erzeugung von Windenergie umfasst mindestens zwei Windkraftmaschinen, die über eine gemeinsame Rotorwelle an eine Verbrauchsstelle gekoppelt sind. Die konstante Rotordrehzahl/Min. wird ebenfalls beispielsweise durch elektronische Datenverarbeitungsanlagen gesteuert, um das Wechseln, den Einsatz und den Betrieb der Generatoren unterschiedlicher Leistungsabgabe zu regeln. Durch die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Windkraftmaschine mehr als Vertikalachsenrotor wird eine Windrichtungsnachführung entfallen.
Ausführungsbeispiele
Die Zeichnungen zeigen aufgrund einer zeichnerischen Vereinfachung in schematischer, stark vergrößerter Weise, ohne Anspruch auf eine maßstabsgetreue Wiedergabe in
1 Großwindkraftmaschine aufstellbar zu Land oder Wasser mit aufgestockten Windkraftrotoren,
2 Windkraftmaschine auf vorhandene Gebäuden vor Ort,
3 Maschinenhaus in der Draufsicht Schnitt A-A,
4 Windkraftradrotor-Antriebssystem,
5 Radrotorblattsperre im ausgefahrenem Zustand,
6 Radrotorblattsperre im eingefahrenem Zustand,
7 Radrotorblattsperre im ausgefahrenem Zustand mit ausgeklinktem druckeinstellbaren Sturmböenüberlastungsschutz. Das Radrotorblatt wird bei plötzlicher Sturmböenüberlastung zur Segelwindfahne,
8 Windkraftmaschine alternativ im Turmbau,
9 Die flexiblen Radrotorachsenverbindung der selbsttragenden aufgestockten Windkraftradrotoren,
10 Turm oder Rotorachse und Koppelungsgetriebe zu den ungleichstarken die je nach Windstärke – von 2 bis 10 – einsetzbaren Generatoren,
11 Windkraftmaschine in der Draufsicht im abgeschaltetem Zustand, z. B. Windfahnenstellung,
12 Großwindkraftmaschine in der Draufsicht im Betrieb oder -szustand mit Hubschrauberlandeplatz, Stabilisierungsmasten, Stabilisierungsausleger und Aufzug,
Die erfindungsgemäße Windkraftmaschine umfasst einen um eine Rotordrehachse 2 drehbaren Radkörper 1B des Rotors 1A. Der Radkörper 1B umfasst in der Draufsicht an einer Nabe 1C angeordnete Streben 1E, die strahlenförmig von der Nabe 1C ausgerichtet und mit deren anderen Enden an dieser gekoppelt sind. Die Nabe 1C ist mit einer Rotorwelle fest verbunden. Die einen Enden der Streben 1E sind zwecks Stabilisierung und Erhöhung der Verwindungssteifigkeit mit Traversen ausgestattet, welche die einen Enden der Streben miteinander verbinden. In den von den Traversen begrenzten Innenraum des Radkörpers 1B sind Einstelleinrichtungen 1K angeordnet. Die Einstelleinrichtungen 1K weisen mittels Steuereinrichtung auf, welche elektromagnetisch arbeitende Drehsperren oder einfache mechanisch arbeitende Drehsperren ansteuern. Die Drehsperren 27a, 27b, 27c, 27d sind bogenförmig oder annähernd viertelkreisförmig oder halbkreisförmig um die Drehachse DD der Rotorblätter 1D angeordnet. Die Drehsperren können sich in Koppelstellung oder in Ruhestellung befinden. Die Drehsperren zum Anschlagen der langen Rotorarmschenkel der Rotorblätter in Segelstellung geeignet sind.
Die Drehsperre 27d, die der Drehrichtung der Rotorblätter 1D abgewandt ist, befindet sich, vorzugsweise bei Betrieb, stets in Koppelstellung. Koppelstellung der Drehsperren bedeutet, dass infolge Koppelstellung die Rotorblätter 1D im Fall der Schwenkung um deren Drehachsen DD gegen die Drehsperren anschlagen können. Die Drehsperren wirken zusammen mit dem drehbaren Radkörper und der auf die Rotorblätter 1D einwirkenden Kraft, beispielsweise Winddruck, auf die Rotorblätter 1D. In Windfahnenstellung E, F befindet sich das Rotorblatt 1D in der windabgewandten Position X, um möglichst keinen Widerstand gegenüber Winddruck zu bieten. In windabgewandter Position X befindet sich das Rotorblatt 1D parallel weitgehend parallel zu der Windrichtung 23. Die Windfahnenstellungen können im Wesentlichen zwei Positionen E und F umfassen. Bei dem Durchlaufen der Segelstellung D zu der Windfahnenstellung E schwenkt das Rotorblatt 1D mit seinem langen Rotorblattschenkel 1H von der Drehsperre 27d in Richtung zu der Drehsperre 27a, welche der Drehrichtung des langen Rotorblattschenkels zugewandt ist, bis zum anschließenden Anschlagen gegen dieselbe. Nach Schwenken des Rotorblatts 1D in die Windfahnenstellung E oder F und/oder Anschlagen desselben gegen die Drehsperre 27a werden die Drehsperren in Koppelstellung geschaltet. In Windfahnenstellung werden die Rotorblätter mit geringem Luftwiderstand gegen die Windrichtung bewegt. Bei dem Übergang von der Windfahnenstellung F zu der Segelstellung A durch Drehung des Radkörpers wird die Windangriffsfläche 1L des Rotorblatts aufgrund des Winddrucks mit einer Kraft beaufschlagt. Bei dem Übergang von der Windfahnenstellung F zu der Segelstellung A, bis schließlich zu der Segelstellung D werden die Drehsperren 27a, 27b, 27c, der Reihe nach aus der Koppelstellung in die Ruhestellung geschaltet, so dass weitgehend die Rotorblätter 1D während der Drehung des Radkörpers mit ihrer Windangriffsfläche 1L aufgrund des Winddrucks mit hinreichender Kraft beaufschlagt werden zur Erzeugung der Drehbewegung des Radkörpers 1B. In Segelstellung C schlägt der lange Rotorblattschenkel 1H gegen die der Drehrichtung des Rotorblatts abgewandte Drehsperre 27d an, welche der Drehsperre 27a, die der Drehrichtung des langen Rotorblattschenkels oder dessen Rotorblattes zugewandt ist, gegenüber liegt. In Segelstellungen A bis D befindet sich das Rotorblatt annähernd in windzugewandter Position Z. Die Drehung des Rotorblatts erfolgt in Gegenrichtung zu der des Rotors.
Die Verstellungen der Rotorblätter 1D umfassen die Windfahnenstellungen E, F und die Segelstellungen A, B, C, D der Rotorblätter 1D. Die Drehsperren 27a, 27b, 27c, 27d bewirken in Abhängigkeit von der Drehstellung des Radkörpers 1B die Verstellungen der Rotorblätter 1D um deren Drehachsen D bei Betrieb. Die Drehsperren 27a, 27b, 27c befinden sich in Abhängigkeit von der Drehstellung des Radkörpers 1B und der Windrichtung 23 in Koppelstellung zum Anschlagen der langen Rotorarmschenkel 1H der Rotorblätter 1D gegen die Drehsperren. Die Drehsperren 27a, 27b, 27c befinden sich in Abhängigkeit von der Drehstellung des Radkörpers 1B und der Windrichtung 23 in Ruhestellung zur Freigabe der langen Rotorarmschenkel 1D. Die der Drehrichtung 24 des Radkörpers 1B als zugewandt ansehbare Drehsperre 27d als feste Drehsperre verbleibt in einer Koppelstellung zum Anschlagen der Rotorblätter 1D gegen die Drehsperre 27d. Ein Umlauf des Radkörpers 1B umfasst die Segelstellungen von A bis D und die Windfahnenstellungen von E bis F.
Die Drehsperren 27a, 27b, 27c befinden sich in Abhängigkeit von der Drehstellung des Radkörpers (1B) zur Windrichtung 23 in Koppelstellung zum Anschlagen der langen Rotorarmschenkel 1H der Rotorblätter 1D gegen die Drehsperren oder in Ruhestellung zur Freigabe der langen Rotorarmschenkel 1D. Die Einstelleinrichtung 1K umfasst mindestens 2, 3 oder 4 Drehsperren 27a, 27b, 27c, 27d, welche Drehsperren 27a, 27b, 27c bei einem Durchlaufen der Segelstellungen A nach D nacheinander von der Koppelstellung in die Ruhestellung gebracht werden. Die Drehsperren 27a, 27b, 27c sind bei dem Übergang von der Segelstellung D in die Windfahnenstellung E in Ruhestellung geschaltet. Die Drehsperren 27a, 27b, 27c werden bei dem Durchlaufen der Windfahnenstellungen E nach F von der Ruhestellung in die Koppelstellung geschaltet. Die Drehsperren 27a, 27b, 27c, 27d und/oder das Getriebe sind mit einer Steuereinrichtung versehen, welche nach zeitlichem Programm und/oder Maßgaben von zugeführten Messwerten für die Windgeschwindigkeit, die Drehgeschwindigkeit des Radkörpers 1B und/oder die Drehgeschwindigkeit der Rotorblätter 1D arbeitet, und die Steuereinrichtung nach Maßgaben des Programms und/oder der Messwerte die Drehsperren 27a, 27b, 27c, 27d in Koppelstellungen oder Ruhestellungen schalten und/oder das Getriebe ansteuert.
Bei dem Übergang von der Segelstellung D in die Windfahnenstellung E wird das Rotorblatt 1D zum Schwenken in eine windabgewandte Position X gebracht. In der Windfahnenstellung F verbleibt das Rotorblatt (1D) in der windabgewandten Position X. Bei dem Übergang von der Windfahnenstellung F in die Segelstellung A wird das Rotorblatt 1D in eine windzugewandte Position Z durch Drehen des Radkörpers gebracht, so dass der lange Rotorarmschenkel 1H gegen die Drehsperre 27a anschlägt, welche der der Drehrichtung des Radkörpers als zugewandt aqnsehbare Drehsperre 27d gegenüberliegt. Die Drehsperren 27a, 27b, 27c werden bei den Übergängen von der Segelstellung A über die Segelstellung B und die Segelstellung C zu der Segelstellung D von der Koppelstellung in die Ruhestellung der Reihe nach geschaltet. Die Drehsperren 27a, 27b, 27c, 27d bewirken in Abhängigkeit von der Drehstellung des Radkörpers 1B zu der Windrichtung und der auf die Rotorblätter 1D einwirkenden Kraft die Verstellungen der Rotorblätter (1D) um deren Drehachsen D. In Segelstellungen A, B, C, D ist das Rotorblatt 1D mit seiner Rotorblattfläche 1L als Windangriffsfläche der Windrichtung (23) weitgehend zugewandt -luvseitig angeordnet. In Windfahnenstellungen E, F ist das Rotorblatt 1D mit seinen Rotorblattflächen 1L, 1M der Windrichtung 23 abgewandt, parallel zu dieser ausgerichtet. Die Rotorwelle 1N mit ihrer Rotordrehachse 2 ist senkrecht zu der Windrichtung 23 ausrichtbar und/oder lotrecht ausrichtbar. Die Rotorblätter 1D bewegen mit ihren Drehachsen D sich auf einer Kreisbahn. Der Radkörper 1B weist die einen Enden 1F der Streben 1E verbindende Traversen 1P zur Stabilisierung des Radkörpers 1B. Der Rotor 2 ist mit seiner um die Rotordrehachse 2 drehbaren Rotorwelle 1N verbunden, welche an die Verbrauchsstelle 7 mittelbar oder unmittelbar gekoppelt ist. Die Verbrauchsstellen 7 sind mehrere leistungsverschiedene Generatoren (17) zur Erzeugung elektrischer Energie aus der mechanischen Energie und/oder ein Elektromotor 18 zum Antrieb des Rotors 1B zur Aufnahme des Betriebs, wobei die Rotorwelle 1N über ein Getriebe 16 mit dem Generator 17 und/oder dem Elektromotor 18 verbunden ist. Die Rotorwelle 1N ist zur Stabilisierung des Rotors 1A in Richtung Verbrauchsstelle über diese hinaus verlängert. Die Generatoren sind kombinierbar an die Rotorwelle 2 zuschaltbar und auskoppelbar. In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Rotoren 1A übereinander angeordnet, wobei die übereinander angeordneten Rotoren 1A mit flexiblen Profilsteckverbindungen selbsttragend mit einer gemeinsamen Rotorwelle 2 ausgestaltet sind. Zudem sind die Rotoren 1A mit einem Sturmböenüberlastungsschutz ausgestaltet.
Der Rotor wird durch die Dreh- und Wendesegel angetrieben. Durch die Segeldrehsperren wird der Antrieb des Rotors geregelt. Alle Segeldrehsperren 5 sind vor Startbeginn ausgefahren. Der Segelantrieb beginnt bei Pos. A. Zwischen den Pos. B und C werden die Segeldrehsperren (5) nach und nach eingefahren (6), so wird bei jedem Segelanschlagwechsel der Segelanstellwinkel zum Wind verbessert. Bei Pos. C bleibt die Segeldrehsperre während des Betriebs immer ausgefahren. Zwischen den Pos. D und Pos. E ist kein Antrieb. Bei Pos. E und (4) 28 bekommt das Antriebssegel 9 Rückenwind und wird von dem Wind um 180° gedreht. (Durch die Drehung bei Schneetreiben gleichzeitig Selbstreinigung). Danach werden alle Segeldrehsperren (5) wieder ausgefahren. Durch die Drehung um 180° ist aus dem Antriebssegel 9 eine Segelwindfahne 10 geworden, die jetzt durch die Rotordrehung mit dem geringstmöglichen Widerstand gegen den Wind mitdreht. Bei Pos. F schlägt die Segelwindfahne 10 an die erste Segeldrehsperre (5) an und kann sich nicht mehr als Segelwindfahne 10 mit dem Wind drehen. Sie wird bei der Weiterdrehung des Rotors bei der Pos. A wieder automatisch ein Antriebssegel 9, da der Wind jetzt wieder auf die dem Wind zugewandte Segelantriebsseite bläst und der Segelantrieb beginnt wieder.
Nach einem Stillstand (10) läuft die Windkraftanlage nicht selbsttätig an und benötigt eine Starthilfe (wie beim Auto) bis max. ¼ Umdrehung. Der Anlassmotor (3) 18 kann von den Batterien (3) 22 gespeist werden. Die Batterien können auch bei Stromausfall den Betrieb oder -sablauf aufrecht erhalten, daher ist die Windkraftanlage von äußerer Stromzuführung unabhängig.
Der Turm der erfindungsgemäßen Windkraftanlage, als Windkraftwerksturm oder Großwindanlage 41 bezeichnet, umfasst in einem weiteren Ausführungsbeispiel auf verschiedenen Etagen die erfindungsgemäße Windkraftmaschine. Zur Stabilisierung des Windkraftturms 41 dienen Stabilisierungsmaste 37. Die Windkraftmaschinen sind in einem weiteren Ausführungsbeispiel über eine gemeinsame Rotorwelle miteinander verbunden und treiben die in einem Maschinenhaus 7 gelegenen Generatoren 17 an. Bei Anordnung des Windkraftwerksturms 41 können außenseitig Stabilisierungsausleger 38 im Fall der Aufbringung offshore gekoppelt werden. In einem der Stabilisierungsmaste 37 ist dieser mit einem Aufzug 42 befahrbar. Kombinationseinheiten 39 in Trägern, auf denen die Windkraftmaschinen lasten, nehmen Lager und Getriebe auf. Ebenfalls ist die Anbringung der erfindungsgemäßen Windkraftmaschine im Erdreich möglich. Die von dem Rotor angetriebene Rotorwelle wird in einem säulenartige Turm zu einem Maschinenhaus 7 geführt, welcher im Erdreich verankert ist. Der Radkörper der erfindungsgemäßen Windkraftmaschine weist nicht nur radial angeordnete Streben, sondern konzentrisch um die Rotorwelle angeordnete Traversen auf, die die Streben miteinander verbinden, und in einem Rotordrehgestell 8 angeordnet werden. Im Erdreich wird der Turm, welcher die Rotorwelle aufnimmt, verankert mit Hilfe von Aufsetzbefestigungen 4.
Die Rotorwelle ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel mit Generatoren 17 über Getriebe und Kupplungseinheiten 16 verbunden, die um die Rotorwelle sich scharen. In einem Technikraum befindet sich ein Generator und ein Andrehmotor 18. Der Generator ist mit Andrehmotor 18 elektrisch betreibbar und wird von Batterien 22 mit elektrischem Strom versorgt. Aus dem Technikraum 21 wird die Antriebswelle des Generators zu der Rotorwelle herausgeführt, um durch Drehen der Rotorwelle die erfindungsgemäße Windkraftmaschine in den Betrieb übergehen zu lassen, da ein selbsttätiges Anfahren nicht erfolgen kann. In einer Schaltzentrale 20 im Technikraum 21 werden die Batterien 22, das Getriebe 16, die Generatoren 17, usw. überwacht. Das Getriebe und die Kopplungseinheit 16 ist zwischen den Generatoren und der Rotorwelle geschaltet, welche über einen Zahnkranzrad 14 antreibbar sind.
Der lange Rotorblattschenkel ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel zweigeteilt. Der der in dem Rotorblattsegelrahmen 29 ausgerichteten Drehachse des Rotorblatts abgewandte Teil des langen Rotorblattschenkels wird mittels Federkraftbeaufschlagung in Stellung und parallel zu dem der Drehachse des Rotorblattes zugewandten Teil gehalten, um gegen die in Koppelstellung befindlichen Drehsperren anschlagen zu können (Rotorblattanschlag mit druckfederbelastetem Überlastungsschutz 31. Die Federkraftbeaufschlagung 30 ist einstellbar. Der Teil des langen Rotorblattschenkels kann bei Überlast eine derartige Kraft erfahren, die größer ist, als die Federkraft, welche ihn in Anschlagstellung hält, so dass diese überwunden wird und der abgewandte Teil 31 gegen die Windrichtung 23 umschwenkt. Die Drehsperre kann in Koppelstellung oder in Ruhestellung gefahren werden. Die Drehsperre weist einen ausfahrbaren Dorn auf, gegen den angeschlagen wird. Der Dorn 34 hat ein Innengewinde, welches eine Spindeldrehstange 35 aufnimmt. Durch das Drehen der Spindeldrehstange 35 kann der Dorn 34 in die Sperrriegeleinheit 32 in die Ruhestellung eingefahren oder aus dieser in die Koppelstellung herausgefahren werden. Die Spindeldrehstange 35 wird angesteuert bzw. angetrieben von einem Elektromotor 36, welcher gleichfalls in der Sperrriegeleinheit 32 angeordnet ist. Der Elektromotor wird von der Steuereinrichtung angesteuert und führt die Drehbewegungen der Spindeldrehstange 35 entweder zum Einfahren des Dorns, damit die Drehsperre in Ruhestellung gefahren kann, oder in Koppelstellung, damit der Dorn ausgefahren wird, so dass die Drehsperre in Koppelstellung ist.
Die Rotorwelle der erfindungsgemäßen Windkraftmaschine wird in einem weiteren Ausführungsbeispiel in dem Windkraftwerksturm 1 geführt. Die Rotorwelle treibt in einem Maschinenhaus 7 die an der Rotorwelle geschalteten Generatoren an. Die Streben und die Traversen sind in dem Radrotordrehgestell 8 angeordnet. Auch die Steuereinrichtung zur Steuerung der Drehsperren befindet sich im Maschinenhaus 7.
Die erfindungsgemäße Windkraftmaschine ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel als selbsttragender aufgestockter Windkraftradrotor ausgebildet. Diese führt mit ihrem dem Rotor abgewandten Ende in einem Lager 44 geführt. Sie lastet mit ihrer oberen Kugellagerauflage 46 über Kugellager 45 auf der unteren Kugellageraufnahme 44 auf. Die untere Kugellageraufnahme 44 ist verbunden mit dem Stabilisierungsauslager 38. Das untere Ende der Rotorwelle mit beweglichen Profilsteckverbindung 43 zusammenwirken. Weiterhin kann das untere Ende der Rotorwelle über Zahnkranzräder 14 und Zahnradköpfe 15 mit dem Getriebe und der Kopplungseinheit 16 zum Antreiben der Generatoren 17 verbunden sein. In einem weiteren Ausführungsbeispiel befinden sich zwischen den Stabilisierungsmasten 37 der Hubschrauberlandeplatz 47. Der Hubschrauberlandeplatz 47 ist mit den oberen Stabilisierungsausleger 38 und -masten 37 verbunden.
Bezugszeichenliste

1: Windkraftwerksturm
1N: Rotorwelle
2: Rotorachse
3: Radrotorachsenführung
4: Rotorachsen-Aufsetzbefestigung
5: Rotorachsendrehpunkt-Halbkugel
6: Ölstand
7: Maschinenhaus
8: Radrotordrehgestell
9: Rotorblatt mit Drehachse aus der Mitte
10: Rotorblattsegelwindfahne durch die Drehung des Radrotors mit dem geringstmöglichen Widerstand gegen den Wind
11: Rotorblattdrehachse
12: Schnitt A-A Draufsicht Maschinenhaus
13: Windkraftanlage ohne Turmaufbau. Nachträglicher Aufbau vor Ort auf vorhandenen Gebäuden.
14: Zahnkranzrad
15: Zahnradkopf
16: Getriebe und Kuppelungseinheit
17: Generator
18: Generator und Andrehmotor. Da die Windkraftanlage nach Abschaltung nicht von selbst anläuft erst nach ausgefahrenen Drehsperren und ca. ¼ Umdrehung läuft sie wieder an.
19: Einstieg-Maschinenhaus
20: Schaltzentrale
21: Technikraum
22: Batterien zur Eigenversorgung
23: Windrichtung
24: Drehrichtung
25: Befestigungsvorrichtung für Rotorblattdrehsperre – bogenförmig –
26: Rotorblattdrehsperre eingefahren
27: Rotorblattdrehsperre ausgefahren
28: Rotorblatt -9- vor der Drehung um 180° wird nun zur Rotorblattsegelfahne
29: Rotorblattsegelrahmen
30: Druckfeder-Belastung einstellbar
31: Rotorblattanschlag mit druckfederbelastetem Überlastungsschutz
32: Sperrriegeleinheit
33: Sperrriegeleinheit-Befestigung
34: Hubbewegung
35: Spindeldrehstange
36: Elektromotor
37: Stabilisierungsmasten
38: Stabilisierungsausleger
39: Kombinationseinheit
40: Großwindanlage Wasser- und Landaufstellung
42: Aufzug
43: Bewegliche Profilsteckverbindung zwischen zwei Radrotorachsen
44: Untere Kugellageraufnahme und Schraubverbindung mit dem Stabilisierungsausleger
45: Kugellager
46: Obere Kugellagerauflage und Schraubaufhängebefestigung mit der Radrotorachse
47: Hubschrauberlandeplatz

Claims

Windkraftmaschine mit einer Einrichtung zur Umsetzung von Strömungsenergie des Windes in nutzbare Energie, welche umfasst: a) einen Rotor (1A) und eine an dem Rotor (1A) geschaltete Verbrauchsstelle, b) welcher Rotor (1A) einen um eine Rotordrehachse (2) drehbaren Radkörper (1B) mit einer Nabe (1C) und mehreren Rotorblättern (1D) umfasst, c) an welchem Radkörper (1B) die Rotorblätter (1D) schwenkbar gekoppelt sind, d) der Radkörper (1B) an seiner Nabe (1C) gekoppelte Streben (1E) aufweist, e) die Rotorblätter (1D) an einen Enden (1F) der Streben (1E) um Drehachsen (DD) drehbar gelagert sind, f) die Rotorblätter (1D) unmittig mit den Streben (1E) unter Bildung kurzer Rotorblattschenkel (1G) und langer Rotorblattschenkel (1H) drehbar verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass g) die Rotordrehachse (2) zu den Drehachsen (DD) parallel ausgerichtet ist, h) der Radkörper (1B), vorzugsweise innenseitig, Einstelleinrichtungen (1K) zu Bereitstellung von Verstellungen der Rotorblätter (1D) aufweist, i) die Einstelleinrichtungen (1K), vorzugsweise bogenförmig um die Drehachsen (DD) der Rotorblätter (1D) angeordnete, Drehsperren (27a, 27, b, 27c, 27d), welche zum Anschlagen der langen Rotorarmschenkel (1H) der Rotorblätter (1D) geeignet sind, aufweisen.
Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellungen der Rotorblätter (1D) Windfahnenstellungen (E, F) und Segelstellungen (A, B, C, D) der Rotorblätter (1D) umfassen.
Windkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehsperren (27a, 27b, 27c, 27d) in Abhängigkeit von der Drehstellung des Radkörpers (1B) die Verstellungen der Rotorblätter (1D) um deren Drehachsen (DD) bei Betrieb bewirken.
Windkraftmaschine nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umlauf des Radkörpers (1B) die Segelstellungen von (A) bis (D) und Windfahnenstellungen von (E) bis (F) umfasst.
Windkraftmaschine nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehsperren (27a, 27b, 27c) in Abhängigkeit von der Drehstellung des Radkörpers (1B) in Koppelstellung zum Anschlagen der langen Rotorarmschenkel 1H der Rotorblätter 1D gegen die Drehsperren befinden.
Windkraftmaschine nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehsperren (27a, 27b, 27c) in Abhängigkeit von der Drehstellung des Radkörpers (1B) in Ruhestellung zur Freigabe der langen Rotorarmschenkel (1D) sich befinden.
Windkraftmaschine nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstelleinrichtung (1K) mindestens 2, 3 oder 4 Drehsperren (27a, 27b, 27c, 27d) umfasst, welche Drehsperren (27a, 27b, 27c) bei einem Durchlaufen der Segelstellung (A) nach zu der Segelstellung (D) nacheinander von der Koppelstellung in die Ruhestellung bringbar sind.
Windkraftmaschine nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehsperren (27a, 27b, 27c) bei Durchlaufen der Windfahnenstellungen (E) nach (F) von der Ruhestellung in die Koppelstellung bringbar sind.
Windkraftmaschine nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Übergang von der Segelstellung (D) in die Windfahnenstellung (E) das Rotorblatt (1D) zum Schwenken in eine windabgewandte Position X geeignet ist.
Windkraftmaschine nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehsperren (27a, 27b, 27c, 27d) in Abhängigkeit von der Drehstellung des Radkörpers (1B) und der auf die Rotorblätter (1D) einwirkenden Kraft die Verstellungen der Rotorblätter (1D) um deren Drehachsen (DD) bewirken.
Windkraftmaschine nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Segelstellungen (A, B, C, D) das Rotorblatt (1D) mit seiner Rotorblattfläche (1L) als Windangriffsfläche der Windrichtung (23) zugewandt einstellbar ist.
Windkraftmaschine nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) mit einer um die Rotordrehachse (2) drehbaren Rotorwelle (1N), vorzugsweise über die Nabe (1C), verbunden ist, welche an die Verbrauchstelle (7) mittelbar/unmittelbar gekoppelt ist.
Windkraftmaschine nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrauchsstelle (7) mehrere leistungsverschiedene Generatoren (17) zur Erzeugung elektrischer Energie aus der mechanischen Energie und/oder ein Elektromotor (18) zum Antrieb des Rotors (1B) zur Aufnahme des Betriebs ist.
Windkraftmaschine nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (1N) über ein Getriebe (16) mit dem Generator (17) und/oder dem Elektromotor (18) verbunden ist.
Windkraftmaschine nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehsperren (27a, 27b, 27c, 27d) und/oder das Getriebe mit einer Steuereinrichtung versehen sind, welche nach zeitlichem Programm und/oder Maßgaben von zugeführten Messwerten für die Windgeschwindigkeit, die Drehgeschwindigkeit des Radkörpers (1B), Windrichtrung (23) und/oder die Drehgeschwindigkeit der Rotorblätter (1D) arbeitet, und die Steuereinrichtung nach Maßgaben des Programms und/oder der Messwerte die Drehsperren (27a, 27b, 27c, 27d) in Koppelstellungen oder Ruhestellungen schaltet und/oder das Getriebe ansteuert.
Windkraftmaschine nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (1N) zur Stabilisierung des Rotors (1A) in Richtung Verbrauchsstelle über diese hinaus verlängert ist.
Windkraftmaschine nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatoren kombinierbar an die Rotorwelle (2) zuschaltbar und auskoppelbar sind.
Windkraftmaschine nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren (1A) übereinander angeordnet sind.
Windkraftmaschine nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die übereinander angeordneten die Rotoren (1A) mit flexiblen Profilsteckverbindungen selbsttragend mit einer gemeinsamen Rotorwelle (2) ausgestaltet sind.
Windkraftmaschine nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren (1A) mit einem Sturmböenüberlastungsschutz ausgestaltet sind.
Windkraftanlage zur Erzeugung von Windenergie mit mindestens zwei Windkraftmaschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche Windkraftmaschinen über eine gemeinsame Rotorwelle (1N) zusammenwirken.
Windkraftanlage nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Windkraftanlage mit Stabilisierungsmasten und Stabilisierungsauslegern gehalten sind.
Verfahren zur Erzeugung von nutzbarer Energie aus Strömungsenergie des Windes unter Verwendung einer Windkraftmaschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 31, welche einen Rotor (1A) und eine an dem Rotor (1A) geschaltete Verbrauchsstelle, welcher Rotor (1A) einen um eine Rotordrehachse (2) drehbaren Radkörper (1B) mit einer Nabe (1C) und mehreren Rotorblättern (1D) umfasst, an welchem Radkörper (1B) die Rotorblätter (1D) um Drehachsen (DD) schwenkbar gekoppelt sind, die Rotorblätter (1D) unmittig unter Bildung kurzer Rotorblattschenkel (1G) und langer Rotorblattschenkel (1H) drehbar an dem Radkörper (1B) verbunden sind, die Rotordrehachse (2) zu den Drehachsen (DD) parallel ausgerichtet ist, der Radkörper (1B) innenseitig Einstelleinrichtungen (1K) zu Bereitstellung von Verstellungen der Rotorblätter (1D) aufweist, die Einstelleinrichtungen (1K) bogenförmig um die Drehachsen (DD) der Rotorblätter (1D) angeordnete Drehsperren (27a, 27, b, 27c, 27d), welche zum Anschlagen der langen Rotorarmschenkel (1H) der Rotorblätter (1D) geeignet sind, aufweisen, umfasst, durch die Drehsperren (27a, 27, b, 27c, 27d) die Verstellungen der Rotorblätter (1D) in Windfahnenstellungen (E, F) und Segelstellungen (A, B, C, D) der Rotorblätter (1D) bewirkt werden, die langen Rotorarmschenkel (1H) der Rotorblätter (1D) nacheinander gegen die in Koppelstellung geschaltenen Drehsperren in Segelstellung (A, B, C, D) angeschlagen werden, wobei die langen Rotorarmschenkel (1H) der Rotorblätter (1D) von der Segelstellung in die Windfahnenstellung durch Schaltung der Drehsperren (27a, 27, b, 27c) von der Koppelstellung in die Ruhestellung freigegeben werden.