Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine auf einer

Wasseroberfläche schwimmende offshore Windkraftanlage mit einem Rotor mit einer um eine vertikale Drehachse rotierbaren Welle. Die Welle steht mit einem Generator in Verbindung, der eine Drehbewegung der Welle in elektrische Energie umwandelt. Ferner verfügt die Windkraftanlage über einen Schwimmkörper, der für Auftrieb sorgt, sodass die Windkraftanlage auf der Wasseroberfläche schwimmen kann. Ferner betrifft die Erfindung einen offshore Windpark, der mehrere solcher offshore

Windkraftanlagen umfasst. Weltweit ist bei der Windenergiegewinnung zunehmend ein Trend zu Offshore-Anlagen zu erkennen. Diese haben gegenüber

Onshore-Windkraftanlagen strömungsdynamische Vorteile und führen zu einer geringeren Beeinträchtigung der Umwelt im Bereich von Siedlungsgebieten. Auch Deutschland beteiligt sich mit der Errichtung der ersten Windparks vor der deutschen Küste an dieser Entwicklung. Die dort vorgesehenen

Windturbinen entsprechen der klassischen Konfiguration mit horizontaler Drehachse und werden auf sogenannten

Gründungsstrukturen am Meeresboden installiert. Die klassische Konfiguration umfasst einen relativ hohen Turm, eine Gondel am oberen Ende des Turms, einen Antriebsstrang mit oder ohne Getriebe, einen Generator und eine Steuerungselektronik in der Gondel, einen Rotor mit horizontaler Drehwelle und

Rotorblättern an den Rotornabenflanschen sowie

Windnachführungssysteme für die Gondel (Yaw-System) und für die Rotorblätter (Pitch-System) . Als Gründungsstruktur wird diejenige Konstruktion bezeichnet, die sich zwischen der

Gründung im Meeresboden und der einzelnen Windturbine, also im Wasser und Wasser/Luft-Grenzbereich befindet. Diese

klassischen Windkraftanlagen nutzen zur Energiegewinnung die technologischen Standards horizontalachsiger Windkraftanlagen (HWKA) , wie sie auch im Onshore-Betriebsbereich eingesetzt werden. Die verwendete Technologie verspricht eine hohe

Effizienz der Einzelanlage und damit bei Wassertiefen bis 40 m trotz aller hiermit verbundenen, technisch bedingten

AufStellungsproblemen eine rentable Energiegewinnung. Aus umweltpolitischer Sicht ist die großflächige Verankerung von Gründungsstrukturen im Meeresboden allerdings fragwürdig, und aus technischer und wirtschaftlicher Sicht wird eine

Flächenausdehnung in Bereiche größerer Meerestiefen

kompliziert und unrentabel werden.

Eine alternative Lösung, die auch umweltverträglicher und wirtschaftlicher ist, kann die Windenergiegewinnung auf schwimmenden Plattformen (sog. Bargen) bieten. Unter Plattform ist eine Tragstruktur mit Schwimmkörpern zu verstehen, welche Tragstruktur eine bestimmte Anzahl von optimal positionierten Windturbinen aufnehmen kann. Idealerweise wird eine modulare Bauweise angestrebt, bei der ein Modul eine schwimmende

Tragstruktureinheit bezeichnet, die eine einzelne

Windkraftanlage beherbergt. Ein solches Modul kann isoliert aufgestellt werden oder Teil einer variablen, modular

aufgebauten Verknüpfungsanordnung mehrerer Module sein. Eine Stromerzeugung durch schwimmende, modular zusammengesetzte Windparks kann dabei denjenigen aus Windturbinen, die auf festen Fundamenten installiert werden, in vielerlei Hinsicht überlegen sein. Die schwimmende Anordnung stellt aufgrund des Wegfalls der Fundamente eine umweltschonendere Variante der Offshore-Energiegewinnung dar, kann durch flexible

topologische Optimierung der einzelnen Windturbinen eine höhere Leistung bezogen auf eine Gesamtfläche erzielen und bei Fehlfunktionen oder Ausfall von wichtigen Komponenten der Anlagen eine höhere Betriebsverfügbarkeit durch einen

unkomplizierten Modulaustausch ermöglichen. Einzelne Module können einfach an Land gebracht werden, so dass zum Beispiel Wartung, Reparatur oder Ertüchtigung (sog. repowering)

kostengünstig mit Onshore-Einsatztechniken ausgeführt werden kann .

Das Konzept der Windenergiegewinnung auf schwimmenden

Plattformen stellt definitiv eine Neuentwicklung von

kompletten Windenergieanlagen dar. Verglichen mit den Onshore- WEA (Windenergieanlagen) und den heutigen Trends im Offshore- Bereich können hier neue Strategien der Erschließung

zweckmäßiger Windenergiestandorte vorgestellt werden und

Windparks neuer Art errichtet werden.

Aufgrund der Schwimmfähigkeit und der modularen

Zusammenstellung der Plattformen stellt dieses Konzept eine umweltschonendere Version als andere Offshore-Konzepte mit Gründungsstrukturen dar. Hinzu kommt eine sehr hohe

Wiederherstellungs-/Recyclingeffizienz , wobei nach Ablauf der Lebensdauer die Möglichkeit eines naturgerechten und

vollständigen Rückbaus des gesamten Windparks gegeben ist.

Durch die modulare, plattformartige Flächenerrichtung zur Aufstellung der aerodynamischen Wandler (Windenergiekonverter) werden Installations- , Logistik-, Innerparkverkabelungs- , Instandhaitungs- und Betriebsführungsprozesse kostengünstiger, risikoärmer und technisch/praktisch einfacher umsetzbar.

Darüber hinaus wird mittels ausgeklügelter Austausch- und Reparaturkonzepte eine höhere Verfügbarkeit ermöglicht als bei den jetzigen Offshore-Konzepten . Die Entwicklung von Windenergiegewinnungssystemen auf schwimmfähigen, modular gekoppelten Tragstrukturen setzt die Synergie unterschiedlicher Technologiefelder voraus. Ein fundamentaler Faktor dieser Synergie stellt die Schnittstelle zwischen maritimen Technologieentwicklungen und den

Entwicklungen neuer Typen von Windenergiekonvertern dar. Es ist offensichtlich, dass eine Überführung der Standardbauform, bestehend aus Turm, Gondel mit integriertem

Gesamtantriebsstrang und Rotor, auf eine schwimmfähige

Tragstruktur nicht ohne weiteres umsetzbar ist. Eine

schwimmende Konstruktion erfordert eine deutliche

Schwerpunktverlagerungen Richtung Wasseroberfläche (besser noch tiefer) und eine Reduzierung der Masse im Vergleich zu herkömmlichen WKA (Windkraftanlagen) . Die Herausforderung besteht nicht allein in der Entwicklung geeigneter Typen von Windenergiekonvertern, sondern erstreckt sich auch auf die Entwicklung von Rotorblattbauweisen in Extremleichtbauweise und neue Antriebsstrangkonzepte.

Eine vertikalachsige Rotoranordnung (Vertikalachse-Wind- Energie Anlagen, VWEA) des aerodynamischen Wandlers ermöglicht funktionsbedingt die notwendige Tieferlegung von schweren Baugruppen des Antriebsstrangs. Dadurch kann ein Umkippen der Windkraftanlage bei starkem Wind und/oder rauem Seegang erschwert werden. Eine derartige VWEA ist bspw. aus der US 2016/0327027 AI, bei der bspw. der Generator am unteren Ende des Rotors auf einem Schwimmkörper der Anlage angeordnet ist. Dabei ist jedoch problematisch, dass für den Generator ein eigenes Gehäuse vorgesehen werden muss, um ihn vor

Feuchtigkeit, Salz, Korrosion und mechanischen Einflüssen zu schützen. Ferner ist die Schwimmstabilität der bekannten VWEA noch nicht optimal .

Auf der Basis statistischer Analysen ist bei der Gestaltung von WEA aus heutiger Sicht weniger der erreichbare

Wirkungsgrad für die Bemessung bedeutsam, sondern die

gesamten, tatsächlichen Stromentstehungskosten. In dieser Betrachtungsweise versprechen VWEA im Onshore-Betriebsbereich eine ganze Reihe von Vorteilen. VWEA benötigen beispielweise keine Windnachführung, wodurch der Gestaltungs- und Bauaufwand niedriger wird. In Bereichen mit ständiger, schnell

wechselnder Windrichtung ist diese Nachführung aufgrund der Trägheit der Gondel, der Rotorblätter, der Messketten und der Versteileinrichtungen nicht möglich, so dass der Rotor einer HWEA zeitweise nicht optimal angeströmt wird.

Schwere und wartungsintensive Komponenten aus dem

Antriebsstrang wie Getriebe, Generatoren und

Aufhängungslagerungen können bei einer VWEA in Bodennähe installiert werden. Auch wirkt die Schwerkraft bei der VWEA als konstante Last auf alle Rotorblätter. Im Gegensatz dazu werden die Rotorblätter bei einer HWEA durch die Schwerkraft zyklisch belastet und sind dadurch, abhängig von der

Spannweite, extremen Wechsellasten ausgesetzt.

Die Gegenüberstellung der Ausführungen in den

unterschiedlichen Literaturquellen macht jedoch deutlich, dass für die VWEA bisher noch keine intensive und systematische Forschung vorangetrieben wurde. Dies gilt besonders für

Großanlagen in MW-Bereich, sodass noch viele technologische Entwicklungsreserven vorhanden sind.

Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Offshore Windkraftanlage mit einem Rotor mit einer vertikalen Drehachse zur Energiegewinnung im MW-Bereich, dahingehend auszugestalten und weiterzubilden, dass ihr Einsatz im Offshore-Bereich optimiert wird, insbesondere hinsichtlich höherer

Verfügbarkeit und verbesserter Effizienz (Gesamtkosten für Herstellung, Errichtung und Betrieb der Windkraftanlage im Verhältnis zu der generierten Energiemenge) .

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ausgehend von der

Windkraftanlage der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass der Generator in dem Schwimmkörper angeordnet und über eine Serviceklappe in dem Schwimmkörper von oberhalb der

Wasseroberfläche zugänglich ist.

Unter 'offshore' im Sinne der vorliegenden Erfindung wird nicht nur das offene Meer verstanden. Vielmehr soll dieser Begriff im Rahmen der Erfindung auch größere Binnengewässer, insbesondere Binnenseen (z.B. kaspisches Meer, Bodensee), umfassen, auf denen die schwimmende Windkraftanlage bzw. ein aus mehreren Windkraftanlagen zusammengesetzter Windpark errichtet werden könnte. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird also der Generator nicht einfach auf der schwimmenden Tragstruktur angeordnet, sondern bewusst in einem abgeschlossenen Schwimmkörper der Anlage angeordnet, so dass kein zusätzliches Gehäuse für den

Generator (und eventuell weiterer mechanischer

und/elektrischer Komponenten, wie bspw. ein Getriebe oder ein Frequenzumrichter) mehr erforderlich ist. Die in dem

Schwimmkörper verfügbare Räumlichkeit erlaubt zudem die

Konzipierung und Einsatz beliebig großer Generatoren. Dies ist insofern unproblematisch, weil ein größerer Schwimmkörper zur Aufnahme größerer und schwerer Generatoren für mehr passive Schwimmstabilität der Windkraftanlage gegen Umkippen sorgt. Dies beruht auf der Tatsache, dass der Angriffspunkt für die Gewichtskraft konstruktiv unschwer unterhalb des

Angriffspunkts für die Auftriebskraft angeordnet werden kann und somit ein stabiler Gleichgewichtszustand hervorgebracht wird .

Um die Verfügbarkeit der Windkraftanlage zu verbessern, verfügt der Schwimmkörper über eine Serviceklappe, über die Servicetechniker bei Bedarf Zugang zu dem Generator haben, um ihn zu warten oder zu reparieren. Vorzugsweise ist die

Serviceklappe so groß ausgebildet, dass der Servicetechniker in den Schwimmkörper hinein klettern kann, um dort vor Ort den Generator zu warten, zu reparieren oder marktübliche defekte Standardkomponenten auszutauschen. Der Servicetechniker gelangt mittels eines Serviceschiffes oder eines Hubschraubers kurzfristig auf den Schwimmkörper. Gesonderte Schwimmmodule gleicher Bauweise können sowohl als Hubschraub-Landeplätze als auch als Service-Schiff-Andockungsstellen dienen. Von dort hat er über die Serviceklappe direkt Zugang zu dem Generator und muss nicht erst von dem Schwimmkörper zu einem separaten

Gehäuse des Generators gehen. Insbesondere bei schwimmenden Windkraftanlagen kann jeder zurückzulegende Weg über Deck oder auf Leitern, Laufstegen mühsam oder sogar gefährlich sein. Insofern stellt es eine deutliche Verbesserung dar, wenn der Servicetechniker von dem Schwimmkörper und die darin

vorgesehene Serviceklappe direkt Zugang zu dem Generator hat.

Vorzugsweise ist der Generator zumindest größtenteils

unterhalb der Wasseroberfläche angeordnet, um den Schwerpunkt der Windkraftanlage möglichst weit nach unten zu verlagern und so ein Umkippen der Windkraftanlage aufgrund von starken Wind und/oder rauem Seegang zu verhindern.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Generator als ein flachliegender und rastmomentfreier Ringgenerator ausgebildet ist, der ohne

Zwischenschaltung eines Getriebes direkt mit der Rotorwelle in Verbindung steht und ohne Zwischenschaltung eines

Frequenzumrichters direkt Energie einer geforderten

Netzfrequenz erzeugt. Durch Verstellen der Neigung der

Rotorblätter und/oder gezieltes Abbremsen des Rotors kann die Drehzahl des Rotors in einem weiten Bereich unabhängig von der Windgeschwindigkeit und/oder -richtung konstant gehalten werden, so dass Energie mit einer konstanten Frequenz, vorzugsweise der gewünschten Netzfrequenz (z.B. Bahnstrom 16,7 Hz, 25 Hz in Nordamerika, 50 Hz in Europa), direkt erzeugt werden kann. Solche flachliegenden Ringgeneratoren können einen Durchmesser von > 10 m aufweisen (sog.

Großringgeneratoren) . Großringgeneratoren können insbesondere Durchmesser von 10 bis 25 m haben. Mittels adäquater

Umrichterverkettung ermöglichen sie eine störungsfreie

Direkterzeugung (d.h. ohne Frequenzumrichter) der

erforderlichen Netzfrequenzen auch bei begrenzter

Umdrehungszahl .

Ein flachliegender Ringgenerator hat zudem den Vorteil, dass der Läufer während des Betriebs um eine vertikale Drehachse rotiert und dabei aufgrund von Kreiselkräften die

Windkraftanlage aktiv stabilisiert und zusätzlich gegen

Umkippen sichert (sog. gyroskopischer Effekt) . Unter einem gyroskopischen Effekt versteht man den durch Kreiselkräfte hervorgerufenen Selbststeuerungseffekt, der einem System (hier: der Windkraftanlage) aufgrund der Drehbewegung

einzelner Elemente (hier: eines rotierenden Teils des

Generators) innewohnend (inhärent) ist. Dabei handelt es sich nicht nur um eine Schwimmstabilisierung aufgrund des

Trägheitsmoments, sondern auch um dynamische Vorgänge im Zusammenhang mit der Drehimpulserhaltung, die das System auch bei Störungen (hier: Neigung aufgrund von Wind und/oder Seegang) in einen stabilen Zustand zurückführen können.

Aufgrund des großen Durchmessers des Ringgenerators und der relativ schweren rotierenden Massen sind die dabei wirkenden Kräfte zudem relativ groß, so dass sich eine besonders große Schwimmstabilität der Windkraftanlage ergibt.

Die großen festen und beweglichen Massen am Fuße der

Windkraftanlage dienen einerseits zur Verbesserung der

passiven Schwimmstabilität durch den tiefen Schwerpunkt und andererseits zur Verbesserung des Trägheitsmoments des Rotors, damit dieser auch bei böigem Wind auch dann mit nahezu

unverminderter Geschwindigkeit weiterdreht, wenn der Wind kurzzeitig nachlässt. Diese Konstruktion erlaubt es

gleichzeitig, den oberen Teil der Windkraftanlage,

insbesondere den Rotor, ohne Beeinträchtigung der

Gleichlaufeigenschaften bei böigem Wind in Leichtbauweise auszugestalten. Dadurch wird die Stabilität der

Windkraftanlage ohne Beeinträchtigung der

Gleichlaufeigenschaften bei böigem Wind zusätzlich gefördert.

Im Allgemeinen tragen folgende Effekte kumulativ zur

Schwimmstabilität bzw. zur Verbesserung des Schwimmverhaltens des Schwimmkörpers mit integriertem Großringgeneratoren bei :

1) Angriffspunkt der Gewichtskraft unterhalb des

Angriffspunktes der Auftriebskraft. Dadurch wird eine passive Erhaltung des Gleichgewichtszustands gewährleistet.

2) Große Kipp-Trägheitsmomente wegen der großflächigen

Platzierung von festen und rotierenden Schwermassen innerhalb des Schwimmkörpers. Dadurch wird eine „nervöse"

Schwimmreaktion des Schwimmkörpers wegen großen Seegangs und/oder böigen Windes unterdrückt und 3) Erhaltung des Drehimpulses durch die rotierenden Teile der Windkraftanlage, grundsätzlich durch die Massen des

Generatorläufers, sodass dadurch eine zusätzliche aktive Erhaltung der Kippstabilität gewährsleistet wird.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Ringgenerator einen

Energieerzeugungsabschnitt mit einem Generatorstator und einem Generatorläufer sowie einen Lagerungsabschnitt aufweist, der ausgebildet ist, eine Magnetlagerung der Welle zumindest in einer Richtung parallel zu der vertikalen Drehachse zu

realisieren. Der Lagerungsabschnitt weist vorzugsweise einen ersten kreis- oder kreisringförmigen Abschnitt mit Magneten einer bestimmten Polarität sowie einen diesem zugeordneten zweiten Abschnitt mit Magneten derselben Polarität auf, so dass sich die beiden Abschnitte abstoßen und sich in

vertikaler Richtung betrachtet zwischen den beiden Abschnitten ein Luftspalt ausbildet, so dass die beiden Abschnitte in vertikaler Richtung ohne Materialkontakt allein durch

magnetische Kräfte gelagert sind. Bei einer Windkraftanlage stellen die Lager nach dem Rotor und der Getriebeeinheit (meist Zahnräder) den nächst-häufigsten Grund für einen

Ausfall der Windkraftanlage dar. Bei einem Rotor mit

vertikaler Drehachse wirken die größten Kräfte in vertikaler Richtung. Durch die besondere Ausgestaltung der Lager zur Aufnahme der Vertikalkräfte als Magnetlager kann die

Verfügbarkeit der Windkraftanlage entscheidend verbessert werden. Die Magnete können bspw. als supraleitende Magnete oder aber als geregelte Elektromagneten ausgebildet sein. Die Magnetlagerung kann als passive, aktive oder als ein

elektrodynamisches Magnetlager ausgebildet sein.

Die in horizontaler Richtung wirkenden Querkräfte können durch herkömmliche mechanische Lager (Kugellager, Gleitlager,

Wälzlager, etc.) aufgenommen werden. Das ist relativ

problemlos möglich, da bei Windkraftanlagen mit einem Rotor mit vertikaler Drehachse die horizontalen Kräfte weitgehend symmetrisch wirken. In einer Weiterbildung der Erfindung ist es aber auch möglich, dass der Lagerungsabschnitt ausgebildet ist, eine Magnetlagerung der Welle auch in einer Richtung quer zu der vertikalen Drehachse zu realisieren. Auch hier können die Magnete bspw. als supraleitende Magnete oder aber als geregelte Elektromagnete ausgebildet sein. Die Magnetlagerung kann als passive, aktive oder als ein elektrodynamisches Magnetlager ausgebildet sein.

Um eine unerwünschte Wechselwirkung zwischen den Magnetfeldern zur Energieerzeugung und den Magnetfeldern für die Lagerung zu verringern oder gar ganz zu vermeiden, wird vorgeschlagen, dass der Lagerungsabschnitt des Ringgenerators versetzt und beabstandet zu dem Energieerzeugungsabschnitt an dem

Ringgenerator ausgebildet ist. Der Lagerungsabschnitt kann in Richtung der vertikalen Drehachse und/oder quer dazu zu dem Energieerzeugungsabschnitt an dem Ringgenerator ausgebildet sein. Zur Realisierung einer möglichst sicheren und

zuverlässigen Lagerung ist es denkbar, dass mehrere

Lagerungsabschnitte an dem Ringgenerator ausgebildet sind. Ferner ist es denkbar, auch mindestens ein konventionelles mechanisches Lager vorzugsehen, das beim Ausfall des

magnetischen Lagers die Lagerungsfunktion übernimmt.

Bei Offshore-Windkraftanlagen kann man sich die besondere Strömungsdynamik über der Wasseroberfläche zunutze machen, wonach die Windgeschwindigkeiten in einer geringen Höhe oberhalb der Wasseroberfläche deutlich größer sind als in der entsprechenden Höhe oberhalb dem Festland der Erdoberfläche (vgl. die unterschiedlichen Strömungsgrenzschichtprofile an Land und auf See) . Auf See sind die Grenzschichtprofile

"fülliger". Der Grund hierfür liegt in der unterschiedlichen Rauigkeit der Oberflächen. Auf dem Festland sorgen Gebäude, spezielle Geländetopografien (Berge und Täler) sowie Pflanzen (Büsche und Bäume) für eine relativ hohe Rauigkeit, wohingegen die Wasseroberfläche auf dem Meer oder einem See deutlich weniger Rauigkeit aufweist. Bei Offshore-Windkraftanlagen kann somit bereits der in geringen Höhen unmittelbar oberhalb der Wasseroberfläche herrschende Wind zur Energiegewinnung genutzt werden, so dass die Rotorblätter eines vertikalen Rotors bereits unmittelbar (z.B. wenige Meter) oberhalb der

Wasseroberfläche eine mit Wind beaufschlagbare Wirkfläche haben sollten. Ferner nehmen die Windgeschwindigkeiten mit zunehmender Höhe von der Wasseroberfläche zu. Um trotzdem für eine über die Spannweite der Rotorblätter weitgehend konstante Kraftbeaufschlagung der Rotorblätter zu sorgen, kann es vorteilhaft sein, wenn die Wirkfläche im unteren Bereich der Rotorblätter größer ist als im oberen Bereich. In diesem Sinne wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen, dass der Rotor mehrere Rotorblätter aufweist, die jeweils eine im Wesentlichen vertikale Spannweite haben. Abhängig von der Rotorblattgeometrie und zur Einstellung eines optimalen bzw. zweckmäßigen Drehmomentverlaufs um die

Drehachse können sie konisch nach oben oder nach unten

zulaufen .

Im Allgemeinen tragen bei einer Rotorblattgeometrie mit einer konstanten Profiltiefe konisch spitz nach oben

zusammenlaufende Rotorblätter zur Regulierung des

Drehmomentverlaufs bei . Bevorzugt wird aber eine größere

Profiltiefe der Rotorblätter am unteren Ende der Rotorblätter vorgesehen als am oberen Ende. In diesem Fall sind konisch nach unten zulaufenden Rotorblätter von Vorteil, weil - neben einer zweckmäßigen Regulierung des Drehmomentverlaufs - die nach oben gerichteten Kraftkomponenten der

Auftriebskraftverteilung gegen das Rotorgewicht wirken, was zu einer Entlastung der Lagerung des Rotors führt. Dadurch können neue Aufhängungs- und Lagerungskonzepte mit reduziertem

Verbrauch von umweltbelastenden Schmierstoffen eingesetzt werden. Insbesondere können dadurch umweltfreundliche

(hydraulische) Gleitlager, (magnetische) Permanentmagnetlager oder (pneumatische) Luftlager oder eine Kombination dieser Lager eingesetzt werden.

Zur Erhöhung der aerodynamischen Leistung werden die

Rotorblattspitzen im oberen Bereich mit Winglets versehen, um die durch den Druckausgleich induzierten Randwirbeleffekte zu minimieren. Dadurch wird die Auftriebsverteilung am oberen Blattspitzenbereich bei gleicher Profiltiefe "fülliger", was eine gleichzeitige Erhöhung der Drehmoment erzeugenden

Windkraftkomponenten bedeutet . Darüber hinaus führen

abgeschwächte Randwirbel zu einem störungsärmeren

Strömungsnachlauffeld der angeströmten Windkraftanlage. Dies wäre bei der Gestaltung von Windparks vorteilhaft, weil die aerodynamische Leistung benachbarter Windkraftanlagen weniger beeinträchtigt wird. Dadurch kann der erforderliche Abstand von nebeneinander angeordneten modular zusammengesetzten

Windkraftanlagen verringert werden, was die Belegungsdichte des Windparks erhöht. Das Aufbringen von Wirbelgeneratoren auf die Saugoberfläche der Rotorblätter, in der Nähe und entlang der Hinterkante der Blätter, wird eine frühzeitige

Strömungsablösung bei größeren Anstellwinkeln entlang der Spannweite verhindert. Somit werden die rotierenden Blätter länger in einem aerodynamisch optimalen Zustand verweilen.

Ferner wird vorgeschlagen, dass der Rotor mehrere Rotorblätter aufweist, die jeweils in einem Abstand zu der Drehachse angeordnet sind, wobei die Spannweite der jeweiligen

Rotorblätter eine helix- förmige Gestalt um die Drehachse/ Drehwelle aufweist. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die Rotorblätter jeweils um einen Teil eines Umfangs des Rotors, der mindestens einem Kehrwert der Gesamtzahl an Rotorblättern des Rotors entspricht, um die Drehachse verdreht/ verdrillt sind. So ist es bspw. denkbar, dass bei Verwendung von drei umfangsseitig gleichmäßig verteilt um die Drehachse angeordneten Rotorblättern jedes Rotorblatt um mindestens 1/3 des Umfangs um die Drehachse verdreht ist, sich also von dem unteren Ende zu dem oberen Ende hin in einem Umfangsbereich von mindestens 120° erstreckt.

Somit ergibt sich als mögliche Geometrie der Rotorblätter:

- Darrieus-Typ (Rotor mit zwei bogenförmigen, elastischen Blättern) ,

- VAWIAN-Typ (Rotor mit zwei geraden, starren Blättern in H- Form) ,

- H-Darrieus-Typ (Rotor mit mehreren geraden, starren

Blättern) , und

- „verdrillte", starre Rotorblätter (3D-Strangdesign in

Doppel-Helix-Form oder Dreifach-Helix-Form, sog. Twister).

Für alle oben erwähnten Geometrien können die Rotorblätter zur optimalen Nutzung der Wind-Anströmung wegen der

atmosphärischen Windströmungs-Grenzschichten entlang ihrer Spannweite eine zunehmende Profiltiefe aufweisen. Aus der Sicht einer strukturmechanischen/ aerodynamischen

Gegenüberstellung bezüglich Lasttragfähigkeit und maximaler Windenergiegewinnung werden bei der Optimierung der

Rotorblattgeometrie (Rotorblattfläche, Spannweite, Streckung, Profiltiefe) die Rotorblätter im unteren Bereich größere

Profitiefen als im oberen Bereich aufweisen. Eine

entsprechende Blattverwindung entlang der Spannweite, das Einsetzen von Winglets an den oberen Rotorblattspitzen und die Platzierung von Wirbelgeneratoren werden die aerodynamische Wirkung zusätzlich deutlich erhöhen. Eine Dreifach-Heiix-Form von Rotorblättern weist einen

nachweisbar vergleichbar vibrationsarmen Betrieb auf, was mechanisch und umweltspezifisch (geräuscharm) von großem

Vorteil ist.

Des Weiteren können bei der Windkraftanlage mit vertikaler Drehachse neue Konzepte von Strukturbauweisen zum Einsatz kommen, die gegenwärtig allenfalls im Bereich des Flugzeugbaus verwendet werden, um die Rotorblattstruktur und die

drehmomentübertragenden Wellen und Achsen bei weiterhin ausreichender Festigkeit und Strukturstabilität in

Extremleichtbauweise herstellen zu können. Bei der Verwendung von Faserverbundwerkstoffen wird eine fasergerechte

Herstellung angestrebt, die noch leichtere Entwürfe unter Einhaltung der Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen ermöglicht .

Die notwendige/ erforderliche Trägheitsmasse zur Erhaltung des Drehimpulses kann in dem Schwimmkörper (Modul) untergebracht werden (siehe z.B. Permanentmagnete für den Läufer des

Ringgenerators, insbesondere mit Durchmesser >10 m, und die Bodenlagerung der Drehanordnung) .

Eine extremer Leichtbau der aerodynamisch beaufschlagten

Drehanordnung hat neben den strukturmechanischen Vorteilen auch eine besondere Auswirkung auf die Material- und

Transportkosten, auf die Handhabung bei Montagen- und

Austauschaktivitäten sowie auf die Umweltfreundlichkeit und Recyclingeffizienz aufgrund der Verwendung von weniger

Material .

Es ist denkbar, dass die Windkraftanlage über durchhängende oder vorgespannte Leinen am Grund des Wassers verankert ist, auf dem die Windkraftanlage schwimmt. Mit Hilfe der Leinen kann die WKA selbst bei relativ großen Tiefen an einer

bestimmten Position über dem Meeresgrund verankert werden. Das Ausbringen der Leinen ist wesentlich einfacher,

kostengünstiger und weniger Arbeit als die Herstellung eines Fundaments für nicht schwimmfähige, fest im Meeresboden verankerte WKAs . Es ist jedoch vorteilhaft, wenn das

Verankerungskonzept eine Windnachführung einzelner oder aller Windkraftanlagen eines Windparks erlaubt. Dies kann z.B. durch motorisierte Antriebsmodule zwischen den Schwimmkörpern einzelner Windkraftanlagen erzielt werden.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der

vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die

Windkraftanlage ein Global Navigation Satellite System, nachfolgend GNSS, um eine aktuelle Position der

Windkraftanlage erfassen zu können, einen Antrieb, um die Position und/oder Ausrichtung der Windkraftanlage auf der Wasseroberfläche verändern zu können, und eine Steuer- oder Regelungseinrichtung aufweist, die mit dem GNSS und dem

Antrieb in Verbindung steht, um den Antrieb in Abhängigkeit von der erfassten Position der Windkraftanlage anzusteuern, um die Windkraftanlage in eine gewünschte Position und/oder

Ausrichtung auf der Wasseroberfläche zu bringen. Auf diese Weise ist es möglich, dass sich die Windkraftanlage selbstständig in eine gewünschte Position bewegt und dort verbleibt. Zudem kann durch Berücksichtigung der Windrichtung und -stärke bei der Ansteuerung des Antriebs auch die

Ausrichtung der Windkraftanlage variiert werden, um die

Energiegewinnung unabhängig von den Windverhältnissen zu optimieren .

Die Erfindung schlägt auch einen modular aufgebauten offshore Windpark vor, der mehrere erfindungsgemäße offshore

Windkraftanlagen umfasst. Vorzugsweise sind die einzelnen Windkraftanlagen des Windparks starr miteinander verbunden. Zwischen den Schwimmkörpern einzelner Windkraftanlagen oder seitlich davon können Hubschrauber-Landeplatzmodule oder

Schiffs-Anlegemodule angeordnet sein, über die Personen (bspw. Wartungs- und Inspektionspersonal) auf dem Windpark abgesetzt werden können. In diesem Fall ist es dann vorteilhaft, wenn lediglich mindestens eine ausgewählte Windkraftanlage des Windparks, bspw. ein Hubschrauber-Landeplatzmodul des

Windparks, ein GNSS, um eine aktuelle Position des Windparks erfassen zu können, und mindestens zwei Motoren zum Antrieb aufweist, um die Position und/oder Ausrichtung des gesamten Windparks auf der Wasseroberfläche im Rahmen eines

Windnachführungssystems verändern zu können.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine erfindungsgemäße Windkraftanlage gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform in einer

Seitenansicht teilweise im Schnitt;

Figur 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils der

Windkraftanlage aus Figur 1 ;

Figur 3 eine erfindungsgemäße Windkraftanlage gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht;

Figur 4 ein Ausführungsbeispiel eines Rotors einer

erfindungsgemäßen Windkraftanlage in einer perspektivischen Ansicht;

Figur 5 einen Horizontalschnitt durch ein oberes Ende eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Rotors einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage ;

Figur 6 einen Horizontalschnitt durch ein unteres Ende des

Ausführungsbeispiels eines Rotors einer

erfindungsgemäßen Windkraftanlage aus Figur 5;

Figur 7a eine erfindungsgemäße Windkraftanlage gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einer

Seitenansicht ; Figur 7b eine erfindungsgemäße Windkraftanlage gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einer

Seitenansicht ;

Figur 8 ein beispielhaftes Rotorblatt einer

erfindungsgemäßen Windkraftanlage ;

Figur 9a zwei beispielhafte Rotorblätter einer

erfindungsgemäßen Windkraftanlage ;

Figur 9b-9d Details der Rotorblätter aus Figur 9a;

Figur 10 eine erfindungsgemäße Windkraftanlage gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einer

Seitenansicht teilweise im Schnitt;

Figur 11 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Windpark umfassend mehrere erfindungsgemäße Windkraftanlagen;

Figur 12 einen Ausschnitt eines unteren Teils einer

erfindungsgemäßen Windkraftanlage gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform;

Figur 13 einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen

Windkraftanlage gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht; Figur 14 einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen

Windkraftanlage gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht; und

Figur 15 einen Ausschnitt eines unteren Teils der

Windkraftanlage aus Figur 14 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.

Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage dargestellt, die jeweils verschiedene Merkmale aufweisen. Selbstverständlich ist es auch denkbar, die Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele in beliebiger Weise miteinander zu kombinieren, selbst wenn die nicht ausdrücklich in den Figuren dargestellt ist oder in der Beschreibung erläutert ist. Die einzelnen Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele können also in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden.

In Figur 1 ist eine Seitenansicht teilweise im Schnitt einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage gezeigt. Die Windkraftanlage ist in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Dabei handelt es sich um eine schwimmende offshore

Windkraftanlage mit einem Rotor 12 mit einer um eine vertikale Drehachse 14 rotierbaren Welle 16. Die Welle 16 steht mit einem Generator in Verbindung, der in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 18 bezeichnet ist. Der Generator 18 wandelt eine Drehbewegung der Welle 16 in elektrische Energie um. Ferner umfasst die Windkraftanlage 10 mindestens einen

Schwimmkörper 30. Der Schwimmkörper 30 sorgt für den

notwendigen Auftrieb, so dass die gesamte Windkraftanlage 10 auf einer Wasseroberfläche 32 schwimmen kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Generator 18 in dem Schwimmkörper 30 vorzugsweise unterhalb der Wasseroberfläche 32 angeordnet. Ferner ist der Generator 18 über eine oder mehrere Serviceklappen 34, die in dem Schwimmkörper 30

ausgebildet sind, von oberhalb der Wasseroberfläche 32

zugänglich. Die geöffneten Serviceklappen 34 sind in Figur 1 beispielhaft mit gestrichelten Linien eingezeichnet. Bei verschlossenen Serviceklappen 34 ist der Schwimmkörper 30 wasserdicht, so dass kein Wasser in das Innere des

Schwimmkörpers 30 eindringen kann. Für den Fall, dass doch einmal Wasser eindringen sollte (z.B. durch eine kurzzeitig geöffnete Serviceklappe 34 oder aufgrund eines Lecks in dem Schwimmkörper 30) , kann im Inneren des Schwimmkörpers 30 ein Wasserstandssensor (nicht dargestellt) und/oder eine Lenzpumpe (nicht dargestellt) angeordnet sein. Die Welle 16 kann mittels eines oder mehrerer Radiallager 36 und/oder mittels eines oder mehrerer Axiallager 38 in dem Schwimmkörper 30 gelagert sein.

In der Figur 1 schwimmt der Schwimmkörper 30 auf der

Wasseroberfläche 32. Selbstverständlich wäre es auch denkbar, dass der Schwimmkörper vollständig unter Wasser angeordnet wäre, wobei dann die Serviceklappe 34 am Ende eines über die Wasseroberfläche ragenden Rohrs oder Schnorchels angeordnet wäre, über das/den das Innere des Schwimmkörpers 30 zugänglich ist .

Durch die Anordnung des Generators 18 in dem Schwimmkörper 30, vorzugsweise unterhalb der Wasseroberfläche 32, wird der

Schwerpunkt der Windkraftanlage 10 möglichst weit nach unten verlagert, so dass sich eine besonders hohe passive

Schwimmstabilität der Windkraftanlage 10 gegen Umkippen ergibt. Zudem ist der Generator 18 über die Serviceklappen 34 besonders schnell und einfach für Servicetechniker erreichbar, so dass eine Wartung und/oder Reparatur des Generators 18 innerhalb besonders kurzer Zeit möglich ist und die

Verfügbarkeit der Windkraftanlage 10 steigt.

Der Generator 18 ist vorzugsweise als ein flach liegender Großringgenerator ausgebildet und in Figur 1 im Schnitt gezeigt. Selbstverständlich können auch andere Arten von

Generatoren verwendet werden. Der Generator 18 umfasst

insbesondere einen Generatorstator 20 und einen relativ dazu drehenden Generatorläufer 22. Gegenwärtige Großringgeneratoren für den on-shore Betrieb weisen einen Durchmesser von ca. 5 m auf. Neuere Forschungsergebnisse melden erhebliche

Leistungssteigerungen bei Ringgeneratoren mit einem

Durchmesser in der Größenordnung von mehr als 10 m. Derartige Ringgeneratoren 18 lassen sich besonders vorteilhaft in dem großen Schwimmkörper 30 der Windkraftanlage 10 anordnen, da der Schwimmkörper 30 zur Erlangung eines gewünschten

Mindestmaßes an Schwimmstabilität (Sicherung gegen Umkippen) sowieso eine gewisse Mindestgröße aufweisen muss und die Schwimmstabilität der Windkraftanlage 10 umso besser ist, desto großflächiger der Schwimmkörper 30 ist. Außerdem werden hier umfangspezifisch auch große Schwimmkörper erwünscht, um einen zweckmäßigen Mindestabstand von benachbarten

Windkraftanlagen in einem modular aufgebauten Windpark zu erzielen, wenn benachbarte Windkraftanlagen jeweils mit ihren Schwimmkörpern aneinandergrenzen . Optimale

Aufstellungsabstände von Windkraftanlagen innerhalb eines Windparks werden auf der Basis der strömungsinduzierten

Nachlauffeider der einzelnen Windkraftanlagen definiert (vgl . Figur 9) . Zudem sorgt der drehende Ringgenerator 18 bzw. der drehend Läufer 22 aufgrund des gyroskopischen Effekts und der dadurch wirkenden Kreiselkräfte für zusätzliche "aktive" Stabilität sowohl der Rotorwelle selbst (Drehstabilität) als auch der gesamten der Windkraftanlage 10 bezüglich ihres Schwimmverhaltens (Schwimmstabilität) . Sowohl der Stator 20 als auch der Läufer 22 sind in dem dargestellten Beispiel ringförmig ausgebildet. Der Läufer22 steht mit der Welle 16 über eine Tragstruktur 24 in Verbindung. Der Stator 20 ist mittels einer anderen Tragstruktur 25 an der Wandung

(alternativ auch auf dem Boden) des Schwimmkörpers 30

befestigt .

Eine Drehung des Rotors 12 der Windkraftanlage 10 durch

Beaufschlagung der Rotorblätter 13 mit Wind versetzt den

Läufer 22 des Generators 18 in eine Drehung um die Achse 14 relativ zu dem Stator 20. Der Läufer 22 des Generators 18 kann mittels eines Magnetlagers oder auf sonstige Weise gelagert sein. Wenn der Läufer 22 Dauermagnete, die mit wechselnder Polarität über den Umfang verteilt sind, und der Stator 20 mehrere Spulen aufweist, wird durch die Drehung des Läufer 22 in den Spulen ein Strom induziert. Die Drehung des Rotors 12 der Windkraftanlage 10 kann durch Verstellen des

Anstellwinkels der Rotorblätter 13 und/oder durch gezieltes Abbremsen des Rotors 12 derart variiert werden, dass

unabhängig von der aktuellen Windsituation und ohne ein

Getriebe zwischen dem Rotor 12 der Windkraftanlage 10 und dem Läufer 22 des Generators 18 stets Energie einer gewünschten konstanten Netzfrequenz (z.B. 25 Hz oder 50 Hz) erzeugt wird.

In dem dargestellten Beispiel ist der Schwimmkörper 30 mittels vorgespannter oder durchhängender Leinen 40 am Meeresgrund 42 verankert. Dadurch wird sichergestellt, dass die

Windkraftanlage 10 stets an einer vorgegebenen Position bezüglich des Meeresgrunds 42 positioniert ist, ohne dass ein Fundament im Meeresgrund 42 und eine aufwendige und teure Tragkonstruktion für die Windkraftanlage 10 vorgesehen werden müsste. Selbstverständlich sind auch andere Maßnahmen denkbar, die Windkraftanlage 10 in einer vorgebebenen Position

bezüglich des Meeresgrunds 42 zu halten. Die Tiefe T zwischen der Wasseroberfläche 32 und dem Meeresgrund 42, in dem die Windkraftanlage 10 verankert ist, beträgt vorzugsweise über 40 m, vorzugsweise sogar über 50 m. Die Windkraftanlage 10 könnte sogar in Wassertiefen T von über 100 m verankert werden. Die Höhe H der Windkraftanlage 10 gemessen ab der Wasseroberfläche 32 kann einige 10 m betragen. Grundsätzlich können bei der erfindungsgemäßen Windkraftanlage 10 größere Höhe H als bei herkömmlichen schwimmenden offshore

Windkraftanlagen realisiert werden, da der Schwerpunkt der Anlage 10 besonders niedrig liegt und der flachliegende

Großringgenerator 18 für zusätzliche passive Schwimmstabilität sorgt .

In Figur 2 ist ein Teil der Windkraftanlage aus Figur 1 in perspektivischer Ansicht gezeigt. Insbesondere ist der Rotor 12 mit den Rotorblättern 13 gezeigt. Ferner sind der Stator 20 und der Läufer 22 des Generators 18 gezeigt. Der Schwimmkörper 30 ist in Figur 2 nicht gezeigt. Es ist zu erkennen, dass der Rotor 12 drei starre Rotorblätter 13 aufweist, die jeweils in einem Abstand zu der Drehachse 14 der Welle 16 angeordnet sind. Es handelt sich in diesem Beispiel also um einen sog. Ii- Rotor 12. Selbstverständlich kann auch eine größere oder geringere Anzahl an Rotorblättern 13 vorgesehen sein. Die Rotorblätter 13 haben eine gerade Spannweite, das heißt die Längsachsen 15 der Rotorblätter 13 sind gerade und verlaufen parallel zueinander und parallel zu der Drehachse 14. Ferner haben die Rotorblätter 13 an ihren oberen und unteren Enden die gleiche Profiltiefe t ₀ bzw. t _u . Selbstverständlich können im Rahmen der Erfindung auch andere Rotoren 12 bzw.

Rotorblätter 13 eingesetzt werden, was nachfolgend noch näher erläutert wird. So ist bspw. in Figur 3 eine Windkraftanlage 10 mit einer anderen Art von Rotor 12 gezeigt. Dabei ist deutlich zu erkennen, dass die Profiltiefe t ₀ am oberen Ende der

Rotorblätter 13 geringer ist als die Profiltiefe t _u am unteren Ende ist. Dadurch wird der Tatsache Rechnung getragen, dass die Windgeschwindigkeiten unmittelbar oberhalb der

Wasseroberfläche 32 geringer sind als in größeren Höhen H zur Wasseroberfläche 32. Durch die größere Profiltiefe t am unteren Ende als oberen Ende der Rotorblätter 13 wirkt trotz unterschiedlicher Windgeschwindigkeiten in verschiedenen Höhen H eine weitgehend konstante Auftriebsverteilung entlang der Spannweite der Rotorblätter 13. Zudem wird der Schwerpunkt der Windkraftanlage 10 durch die größeren Massen an den unteren Enden der Rotorblätter 13 nach unten verlagert, was die passive Schwimmstabilität der Windkraftanlage 10 gegen

Umkippen fördert. Durch eine geometrische Verwindung der

Rotorblätter 13 um ihre Längsachsen 15 (entlang der

Spannweite) kann zudem der lokale Anstellwinkel der

Rotorblätter 13 optimal angepasst werden. Dadurch kann die Betriebsfähigkeit der Windkraftanlage 10 bzw. des Rotors 12 auch bei stärkeren Winden gewährleistet werden. Zudem kann dies zur Variation der Drehzahl des Rotors 12 genutzt werden. Durch optimales Einstellen der lokalen Anstellwinkel kann also unabhängig von der Windstärke die Drehzahl des Rotors 12 weitgehend konstant gehalten werden.

In Figur 4 ist noch eine andere Art von Rotor 12 für die erfindungsgemäße Windkraftanlage 10 gezeigt. Es handelt sich dabei um eine Art Darrieus-Rotor 12 (sog. Twister) . Der Rotor 12 weist mehrere Rotorblätter 13 auf, die jeweils in einem Abstand zu der Drehachse 14 angeordnet sind. Die Spannweiten 15 der Rotorblätter 13 sind um die Drehachse 14 verdrillt, so dass sich eine Helix-Form ergibt. Vorzugsweise sind die

Rotorblätter 13 jeweils um einen Teil eines Umfangs um die Drehachse 14 versetzt, der in etwa einem Kehrwert der

Gesamtzahl an Rotorblättern 13 des Rotors 12 entspricht. In dem dargestellten Beispiel mit drei Rotorblättern 13 erstreckt sich jedes der Rotorblätter 13 von seinem unteren zu seinem oberen Ende somit über einen Bereich von etwa 120° (360° Umfang / 3 Rotorblätter) .

Wenn man den Rotor 12 aus Figur 3 mit dem Rotor 12 aus Figur 4 kombiniert, erhält man einen Rotor 12, bei dem zum einen die Profiltiefe t ₀ am oberen Ende der Rotorblätter 13 geringer ist als die Profiltiefe t _u am unteren Ende und die Längsachsen 15 der Rotorblätter 13 zudem um die Drehachse 14 verdreht sind. Ein Schnitt durch ein oberes Ende derart ausgestalteter

Rotorblätter 13 in einer Ansicht von oben ist beispielhaft in Figur 5 gezeigt. Ein entsprechender Schnitt durch ein unteres Ende solcher Rotorblätter 13 ist in Figur 6 gezeigt.

Ferner sind in den Figuren 7a und 7b Windkraftanlagen 10 mit einer anderen Art von Rotor 12 gezeigt. Der Rotor 12 weist mehrere Rotorblätter 13 auf, die einen konischen Verlauf relativ zur Drehachse 14 aufweisen. Derartige

Rotorblattneigungen können zur Regulierung des Drehmoments durch die Hebelarmeinwirkung genutzt werden. In Figur 7a ist ein Abstand der Rotorblätter 13 zu der Drehachse 14 am unteren Ende (a _u ) der Rotorblätter 13 größer als am oberen Ende (a ₀ ) . In Bezug auf die Figur 7b ist ein Abstand der Rotorblätter 13 zu der Drehachse 14 am unteren Ende (a _u ) der Rotorblätter 13 kleiner als am oberen Ende (a ₀ ) , so dass bei einer

Beaufschlagung der Rotorblätter 13 mit Wind eine nach oben gerichtete Kraftkomponente F _E auf den Rotor 12 wirkt. Mit F _N ist die Normalkomponente der Auftriebskraft durch die

Beaufschlagung eines Rotorblatts 13 mit Wind bezeichnet. Die Normalkraft F _N teilt sich auf in eine der Zentrifugalkraft F _z entgegen gerichtete Kraftkomponente F _R und eine Komponente F _E auf, die gegen die Schwerkraft wirkt. Auf diese Weise können die Lager zur Lagerung des Rotors 12 bzw. der Welle 16, insbesondere die Axiallager 38, entlastet werden. Dies erlaubt es, im Bereich der Windkraftanlagen völlig neuartige Lager zur Lagerung des Rotors 12 einzusetzen, bspw. Gleitlager,

Magnetlager (vgl. Figur 12) oder sogar Luftlager. Im

Allgenmeinen konisch gerichtete Auftriebsflächen, spitz nach oben oder spitz nach unten zulaufenden Rotorblatt- Konfigurationen, können auch zur Abstimmung eines optimalen Drehmoments beitragen, was durch eine zweckmäßige Anpassung der Hebelarme der drehmomenterzeugenden Windkräfte am

Rotorblatt 13 entlang der Spannweite ermöglicht wird.

Die großen Massen am Fuße der erfindungsgemäßen

Windkraftanlage 10 dienen einerseits zur Verbesserung der passiven Schwimmstabilität durch den tiefen Schwerpunkt und andererseits zur Verbesserung des Trägheitsmoments des Rotors 12, damit dieser auch bei böigem Wind auch dann mit nahezu unverminderter Geschwindigkeit weiterdreht, wenn der Wind kurzzeitig nachlässt. Diese Konstruktion erlaubt es

gleichzeitig, den oberen Teil der Windkraftanlage 10,

insbesondere den Rotor 12, ohne Beeinträchtigung der

Gleichlaufeigenschaften bei böigem Wind in Leichtbauweise auszugestalten. Dadurch wird die Schwimmstabilität der

Windkraftanlage 10 ohne Beeinträchtigung der

Gleichlaufeigenschaften bei böigem Wind zusätzlich gefördert.

Der Ringgenerator 18 kann einen Energieerzeugungsabschnitt 80 mit einem Generatorstator 20 und einem Generatorläufer 22 sowie einen Lagerungsabschnitt 82 aufweist, der ausgebildet ist, eine Magnetlagerung der Welle 16 zumindest in einer

Richtung parallel zu der vertikalen Drehachse 14 zu

realisieren. Der Lagerungsabschnitt 82 weist vorzugsweise einen ersten kreis- oder kreisringförmigen Abschnitt 84 mit Magneten einer bestimmten Polarität sowie mindestens einen diesem zugeordneten zweiten Abschnitt 86 mit Magneten

derselben Polarität auf, so dass sich die beiden Abschnitte 84, 86 abstoßen und sich in vertikaler Richtung betrachtet zwischen den beiden Abschnitten 84, 86 mindestens ein

Luftspalt 88 ausbildet, so dass die beiden Abschnitte 84, 86 in vertikaler Richtung ohne Materialkontakt allein durch magnetische Kräfte gelagert sind. Bei einer Windkraftanlage 10 stellen die Lager nach dem Rotor 12 und - sofern vorhanden - dem Getriebemodul den meist-häufigsten Grund für einen Ausfall der Windkraftanlage 10 dar. Bei einem Rotor 12 mit vertikaler Drehachse 14 wirken die größten Massenkräfte auch in vertikaler Richtung (Gewichtskräfte) , da sich die

Zentrifugalkräfte gegenseitig kompensieren. Durch die

besondere Ausgestaltung der Lager 82 zur Aufnahme der

Vertikalkräfte als Magnetlager kann die Verfügbarkeit der Windkraftanlage 10 entscheidend verbessert werden. Die Magnete können bspw. als supraleitende Magnete oder aber als geregelte Elektromagneten ausgebildet sein. Die Magnetlagerung kann als passive, aktive oder als ein elektrodynamisches Magnetlager ausgebildet sein.

Die in horizontaler Richtung wirkenden Querkräfte, meist aerodynamische Kräfte, können durch herkömmliche mechanische Lager (Kugellager, Gleitlager, Wälzlager, etc.; vgl. Lager 36) aufgenommen werden. Das ist relativ problemlos möglich, da bei Windkraftanlagen 10 mit einem Rotor 12 mit vertikaler

Drehachse 14 die resultierende Querbelastung klein ist. In einer Weiterbildung der Erfindung ist es aber auch möglich, dass der Lagerungsabschnitt 82 ausgebildet ist, eine

Magnetlagerung der Welle 16 auch in einer Richtung quer zu der vertikalen Drehachse 14 zu realisieren. Dabei ist zwischen gleichpoligen Magneten 84, 90 in horizontaler Richtung ein Luftspalt 92 ausgebildet. Auch hier können die Magnete 84, 90 bspw. als supraleitende Magnete oder aber als geregelte

Elektromagnete ausgebildet sein. Die Magnetlagerung kann als passive, aktive oder als ein elektrodynamisches Magnetlager ausgebildet sein. Um eine unerwünschte Wechselwirkung zwischen den Magnetfeldern zur Energieerzeugung (im Abschnitt 80) und den Magnetfeldern für die Lagerung (im Abschnitt 82) zu verringern oder gar ganz zu vermeiden, wird vorgeschlagen, dass der Lagerungsabschnitt 82 des Ringgenerators 18 versetzt und beabstandet zu dem

Energieerzeugungsabschnitt 80 an dem Ringgenerator 18

ausgebildet ist. In Figur 12 ist der Lagerungsabschnitt 82 in Richtung der vertikalen Drehachse 14 versetzt zu dem

Energieerzeugungsabschnitt 80 an dem Ringgenerator 18

ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich kann der

Lagerungsabschnitt 82 aber auch quer zu der vertikalen

Drehachse 14 versetzt zu dem Energieerzeugungsabschnitt 80 an dem Ringgenerator 18 ausgebildet sein. Zur Realisierung einer möglichst sicheren und zuverlässigen Lagerung ist es denkbar, dass mehrere Lagerungsabschnitte 82 an dem Ringgenerator 18 ausgebildet sind. Ferner ist es denkbar, auch mindestens ein konventionelles mechanisches Lager vorzugsehen, das beim

Ausfall des magnetischen Lagers 82 die Lagerungsfunktion übernimmt .

Alle zuvor beschriebenen unterschiedlichen Arten von Rotoren 12 bzw. deren jeweilige Merkmale können nach Belieben

miteinander kombiniert werden, um für den Einzelfall einen optimalen Rotor 12 zu erhalten.

In Figur 8 ist beispielhaft ein Rotorblatt 13 einer

Windkraftanlage 10 gezeigt, bei dem zur Erhöhung der

aerodynamischen Leistung die Rotorblattspitze 13a im oberen Bereich mit einem Winglet 19 versehen ist, um die durch den Druckausgleich induzierten Randwirbeleffekte zu minimieren. Ein Winglet 19 kann auf den Spitzen 13a von allen oder nur einigen Rotorblättern 13 einer Windkraftanlage 10 vorgesehen werden. In Figur 9a sind beispielhaft zwei Rotorblätter 13 einer Windkraftanlage 10 gezeigt, wo Wirbelgeneratoren 19a auf die zur Drehachse 14 gerichtete Saugoberfläche 13b der

Rotorblätter 13, in der Nähe und entlang der Hinterkante 13c der Blätter 13 angeordnet sind. Dadurch wird eine frühzeitige Strömungsablösung bei größeren Anstellwinkeln entlang der Spannweite verhindert. Die Figuren 9b bis 9d zeigen Details der nebeneinander angeordneten Wirbelgeneratoren 19a. Diese können beispielsweise folgende Abmessungen aufweisen: H = 10 bis 20 mm, L ungefähr 40 mm, S = 30 bis 50 mm, ß = 15° bis 20°, und der Abstand Z = 3xH bis 5xH = 30 bis 100 mm.

In Figur 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer

erfindungsgemäßen Windkraftanlage 10 dargestellt. Dabei kann zusätzlich oder alternativ zu der Verankerung der

Windkraftanlage 10 am Meeresgrund 42 durch Leinen 40 eine Anordnung vorgesehen werden, die ein autarkes Positionieren und Ausrichten der Windkraftanlage 10 bezüglich des

Meeresgrunds 42 erlaubt. Die Anordnung umfasst ein Global Navigation Satellite System (GNSS) 50, um eine aktuelle

Position der Windkraftanlage 10 anhand von Satellitensignalen 52 erfassen zu können. Ferner umfasst die Anordnung einen Antrieb 54, um die Position und/oder Ausrichtung der

Windkraftanlage 10 auf der Wasseroberfläche 32 verändern zu können. In diesem Beispiel ist der Antrieb als eine Schiffsschraube ausgebildet. Diese kann um eine Drehachse 56 gedreht werden, um die Richtung des Vortriebs durch den

Antrieb 54 zu verändern. Selbstverständlich kann der Antrieb auch anders ausgebildet sein, bspw. als ein in seiner Richtung veränderbarer Wasserstrahlantrieb. Schließlich umfasst die Anordnung noch eine Steuer- oder Regelungseinrichtung 58, die mit dem GNSS 50 und dem Antrieb 54 in Verbindung steht, um den Antrieb 54 in Abhängigkeit von der erfassten Position der Windkraftanlage 10 anzusteuern, um die Windkraftanlage 10 in eine gewünschte Position und/oder Ausrichtung auf der

Wasseroberfläche 32 zu bringen. Zur Energieversorgung der Anordnung bzw. ihrer Komponenten 50, 54, 58 kann eine wieder aufladbare Batterie 60 vorgesehen sein. Diese könnte bspw. durch den durch den Generator 18 erzeugten Strom geladen werden. Selbstverständlich ist auch die Windkraftanlage 10 aus Figur 10 mit einem beliebigen der oben beschriebenen und in den Figuren 1 bis 9 gezeigten Rotoren 12 kombinierbar.

In Figur 11 ist ein Beispiel für einen Windpark 70 gezeigt, der aus mehreren Windkraftanlagen 10 der oben beschriebenen Art modular aufgebaut ist. Dabei haben die Schwimmkörper 30 in der Draufsicht eine solche äußere Umfangsform, dass sie von mehreren Seiten nebeneinander angeordnet und aneinander befestigt werden können. In dem dargestellten Beispiel haben die Schwimmkörper 30 die Form eines gleichmäßigen

(gleichschenkligen und gleichwinkligen) Oktagons .

Selbstverständlich können die Schwimmkörper 30 auch die Form eines beliebig anderen Polygons aufweisen. Von den Abmessungen her ist der Schwimmkörper 30 in der Draufsicht so groß ausgebildet, dass der flachliegende Großringgenerator 18 und eventuell noch andere Komponenten der Windkraftanlagen 10, bspw. Frequenzumrichter und/oder Steuerungselektronik, darin aufgenommen werden können (z.B. Länge und Breite des

Schwimmkörpers 30 jeweils 12 bis 18 m) . Die Schwimmkörper 30 der einzelnen Windkraftanlagen 10 sind vorzugsweise starr miteinander verbunden. In diesem Fall würde es ausreichen, wenn mindestens eine der Windkraftanlagen 10 über Leinen 40 am Meeresgrund 42 verankert ist oder eine Anordnung 50, 54, 58 zum autarken Positionieren und Ausrichten der Windkraftanlage 10 bezüglich des Meeresgrunds 42 aufweist. Gesonderte

Schwimmmodule gleicher Bauweise können an einem Schwimmkörper einer oder mehrerer Windkraftanlagen 10 befestigt sein und sowohl als Hubschrauber-Landeplätze 30b als auch als Service- Schiff-Andockungsstellen 30c dienen.

Figur 13 zeigt einen Teil eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage 10. In dem Beispiel hat der Rotor 12 drei Rotorblätter 13, die an ihren

Unterseiten an einer Stützstruktur des Rotors 12 befestigt sind. Selbstverständlich kann auch eine andere Anzahl an Rotorblättern 13 pro Rotor 12 vorgesehen sein. Die

Rotorblätter 13 haben ein unsymmetrisches, gewölbtes Profil nach der Art eines Flugzeugflügels. Die konvex gewölbten Flächen der Rotorblätter 13 sind nach innen in Richtung der Drehachse 14 gerichtet . Bei Inbetriebnahme oder Wartung der Windkraftanlage 10 der Radius des Rotors 12, das heißt der Abstand zwischen der Drehachse 14 des Rotors und einer

Längsachse 15 der Rotorblätter 13 sowie gegebenenfalls auch eine Ausrichtung der Rotorblätter 13 um ihre jeweilige

Längsachse 15 manuell eingestellt werden. Der dargestellte Rotor 12 ist ohne eine Windnachführung realisiert, da die Ausrichtung der Rotorblätter 13 um ihre jeweilige Längsachse 15 nicht während des Betriebs der Windkraftanlage variiert werden kann. Im Bereich eines oberen Endes 13a der

Rotorblätter 13 sind Winglets 19 vorgesehen. Ebenso ist es denkbar, Wirbelgeneratoren (nicht gezeigt) nach Art der

Wirbelgeneratoren 19a aus Figur 9b auf der zur Drehachse 14 gerichteten Saugoberfläche der Rotorblätter 13 anzuordnen, in der Nähe und entlang der Hinterkante 13c der Blätter 13.

Figur 14 zeigt einen Teil eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage 10. Im Unterschied zu dem Beispiel aus Figur 13 ist der hier gezeigte Rotor 12 mit einer regelbaren Windnachführung ausgestattet . Dabei kann die Ausrichtung der Rotorblätter 13 um ihre jeweilige Längsachse 15 während des Betriebs der Windkraftanlage 10 variiert werden (sog. Pitch-System) . Es kann eine permanente Pitch-Regelung abhängig von Windrichtung und Windgeschwindigkeit realisiert werden. Dadurch ist es auch möglich, bei Stillstand des Rotors 12 eine optimale Einstellung zur Windlastminderung

einzustellen. Auch dieser Rotor 12 kann mit Winglets 19 und/oder Wirbelgeneratoren 19a ausgestattet sein, die hier jedoch beide nicht eingezeichnet sind. Im Unterschied zu den Rotorblättern 13 aus Figur 13 haben diese in Figur 14 ein symmetrisches Profil und können deshalb besonders

kostengünstig hergestellt werden.

Die in den Figuren 13 und 14 gezeigten Rotoren 12 von

erfindungsgemäßen Windkraftanlagen 10 können zudem eine geometrische Verwindung der Rotorblätter 13 um ihre

Längsachsen 15 (entlang der Spannweite) aufweisen.

Figur 15 zeigt für das Beispiel aus Figur 14 den

Lagerungsabschnitt 82, der - wie bei dem Beispiel in Figur 12 - in radialer Richtung versetzt zu dem

Energieerzeugungsabschnitt 80 an dem Ringgenerator 18

ausgebildet ist. Selbstverständlich sind auch hier andere Ausgestaltungen und Anordnungen von Lagerungsabschnitt 82 und Energieerzeugungsabschnitt 80 denkbar. Sehr schön zu erkennen ist ein in dem Rotor 12 angeordneter Motor 12a, der über ein Getriebe (nicht dargestellt) ein Rotorblatt 13 des Rotors 12 um die Längsachse 15 und damit den Anstellwinkel des Blatts 13 verstellen kann. Es empfiehlt sich, auf dem Schwimmkörper 30 zumindest im Bereich der Serviceklappe 34, vorzugsweise aber um den gesamten Rotor 12 herum, einen Sicherheitszaun 30a vorzusehen, der verhindert, dass Personen in den

Gefahrenbereich der Rotorblätter 13 gelangen können.

Zusammenfassend kann die erfindungsgemäße Windkraftanlage 10 somit eines oder mehrere der nachfolgend aufgeführten Merkmale aufweisen :

- Einen vertikalachsigen Rotor 12, vorzugsweise in

Leichtbauweise entworfen. - Vorzugsweise zwei oder drei Rotorblätter 13 je Rotor 12, die gleichmäßig über den Umfang des Rotors 12 verteilt angeordnet sind (bei zwei Rotorblättern 13 haben diese in Umfangsrichtung einen Abstand von etwa 180° zueinander, bei drei Rotorblättern von etwa 120°), wobei

grundsätzlich auch mehr als drei Rotorblätter 13 je Rotor 12 vorgesehen werden können.

- Geometrie der Blätter 13: Darrieus-Typ (Rotor 12 mit

flexiblen, bogenförmigen Blättern 13 kanadischer Art) , H- Darrieus-Typ (Rotor 12 mit geraden, starren Blättern 13 gemäß Figuren 1, 2 und 10), „verdrillte" starre

Rotorblätter 13 (3D-Strangdesign in Doppel-Helix-Form oder vorzugsweise in Dreifach-Helix-Form gemäß Figur 4) .

- Rotorblätter 13 mit wachsender Profiltiefe t entlang der Spannweite vom oberen Ende (t ₀ ) zum unteren Ende (t _u ) der Blätter 13 (t ₀ < t _u ) , zur optimaler Nutzung der Wind- Anströmung wegen der atmosphärischen Grenzschicht.

- Rotorblätter 13 sind auf der Mantelfläche eines Zylinders (vgl. Figuren 1 bis 6 und 10) oder vorzugsweise eines Kegels (konische Anordnung, vgl. Figur 7a, hier nach oben spitz zulaufend, und Figur 7b, hier nach unten spitz zulaufend) angeordnet .

- Auf schwimmenden Plattformen (Schwimmkörper 30) montiert.

- Einen im Inneren des Schwimmkörpers 30 angeordneten

Generator 18, vorzugsweise in Form eines flachliegenden Großringkondensators mit einer Leistung von mindestens 7,5 MW .

- Mindestens eine Serviceklappe 34 in der Außenhaut des

Schwimmkörpers 30 oberhalb der Wasseroberfläche 32.

- Die Schwimmkörper 30 haben eine geeignete Form, die einen modularen Aufbau von Windparks 70 aus mehreren aneinander befestigten Windkraftanlagen 10 ermöglicht.

- Zwischen Rotor 12 der Windkraftanlage 10 und dem

Generator 18 ist vorzugsweise kein Getriebe zum Umsetzen der Drehzahl des Rotors 12 in eine andere Drehzahl des Ringgeneratorläufers 22; der Generatorläufer 22 rotiert mit der gleichen Drehzahl wie der Rotor 12 der

Windkraftanlage 10.

- Lagerung der Rotorwelle 16 in dem Schwimmkörper 30

mittels neuartiger Lagerkonzepte, z.B. Gleitlagerung, Permanentmagnetlagerung, Luftlagerung oder einer

Kombination solcher Lagerkonzepte.

- Antriebsanordnung mit einem GNSS 50, einem Antrieb 54 und einer Steuer- oder Regelungseinrichtung 58 zum autonomen Positionieren und Ausrichten der Windkraftanlage 10 bezüglich des Meeresgrunds 42.