TECH N ISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Windkraftanlagen . Sie betrifft eine vertikale Windkraftanlage gemäss dem Oberbeg riff des Anspruchs 1 . Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Anlage.

STAN D DER TECHN I K

Neben den üblichen, meist mit drei Flügeln ausgestatteten horizontalen Windkraftanlagen, die kommerziell in grosser Zahl hergestellt und eingesetzt werden und Leistungen im MW- Bereich abgeben , werden auch immer wieder vertikale Windkraftanlagen vorgeschlagen, die nach unterschiedlichen Prinzipien arbeiten können.

Die Druckschrift US 3 ,902 ,072 A offenbart einen Windkraftgenerator mit einer horizontalen rotierenden Plattform, auf der am Aussenumfang eine Vielzahl von vertikalen Flügeln angeord net ist, die alle koaxial um eine zentrale Achse und jeweils um eine eigene Achse rotieren . Die Drehung der vertikalen Flügel richtet sich nach Änderungen in der Windrichtung und Windgeschwindigkeit und die Drehung jedes einzelnen Flügels ist so gesteuert, dass auf % des Umlaufsweges der Plattform aus dem Wind Leistung entnommen wird, während auf dem Rest des Weges die Flügel so gestellt sind, dass sie dem Wind minimalen Widerstand bieten . Die Steuerung der Flügel erfolgt über eine zentrale Getriebe- Mechanik mit einem gemeinsamen Servomotor. Die Druckschrift US 4 ,41 0 ,806 A beschreibt eine vertikale Windkraftanlage mit einer rotierenden Struktur, die eine Serie von drehbeweglichen vertikalen Flügeln umfasst, deren Stellungen so gesteuert werden , dass sich ein konstante Drehzahl für die rotierende Struktur ergibt, sofern eine ausreichende Windgeschwind igkeit vorliegt. Eine M ikroprozessor- Steuerung verarbeitet die Informationen über Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Drehzahl der rotierenden Struktur und erzeugt ein elektrisches Signal zum Einstellen der Flügelposition . Die Steuerung der Anlage umfasst elektrische Flügel- Aktuatoren, mit deren Hilfe die Flügel der rotierenden Struktur moduliert werden. Die Flügelmodulation steuert den Anstellwinkel , der seinerseits die Drehzahl des Rotors bestimmt. Ein Windgeschwind igkeitsmesser gibt Daten für Start und Stopp der Anlage aus, während ein Windrichtungsmesser eingesetzt wird , um das Umschlagen der Flügel bei 90 ° und 270 ° relativ zur Windrichtung zu halten . Die Steuerung ist so ausgelegt, dass bei Windgeschwindigkeiten zwischen 1 9 und 40 Meilen/ h eine konstante Drehzahl aufrechterhalten wird .

Die Druckschrift US 4 ,494 ,007 A offenbart eine vertikale Windkraftanlage, bei der die Orientierung der um eine gemeinsame zentrale Achse rotierenden Flügel von einer Windfahne über eine gemeinsame Mechanik während ihres Umlaufs um die zentrale Achse so gesteuert wird, dass, wenn sich die Windgeschwind igkeit ändert, die Drehstellung der Flügel in einer kompensierenden Richtung verändert wird .

Die Druckschrift US 4 , 609 ,827 A beschreibt eine vertikale Windkraftanlage mit Blättern mit Flügelprofil. En positives und synchrones Flügel- Orientierungssystem wird durch einen ausserhalb des Rotors angeord neten Mechanismus gesteuert. Zwei neuartige Einrichtungen verbessern die aerodynamische Effizienz und erhöhen die Rotationskräfte. Die in der Druckschrift US 6 ,379 , 1 1 5 B1 offenbarte Windkraftanlage umfasst eine drei rotierende Drehachse sowie eine Mehrzahl von an der Achse angebrachten , drehenden Stützarmen , zwischen denen Flügel zur Aufnahme der Windkraft drehbar gelagert sind . Ein Windmesser misst Windrichtung und -geschwindigkeit. Servomotoren an den Flü- geln steuern die Stellung der Flügel nach Massgabe der gemessenen Winddaten. Ver- schieden Methoden der Steuerung werden dazu angegeben .

Die Druckschrift US 20081 75709 A1 beschreibt eine Turbine mit hohem Wirkungsgrad zur Energieerzeugung aus einer Wind- oder Wasserströmung . Die Turbine hat eine zent- rale Achse mit einer Mehrzahl von Flügeln, die um die Achse herum nach Art eines Schaufelrades drehbar sind . Jeder Flügel hat eine Flügelachse parallel zur Flügellängsrichtung und zur zentralen Achse und ist um die Flügelachse drehbar. Während des Betriebs der Turbine nimmt jeder Flügel einen Anstellwinkel zur Strömungsrichtung an, der dynamisch gesteuert wird, wenn sich der Flügel um die zentrale Achse dreht, um das Drehmoment des Flügels um die Achse zu maximieren .

Die Druckschrift WO 2009086648 A2 schliesslich zeigt eine Windkraftanlage mit we- nigstens einem um eine vertikale Achse drehbaren Rotor, welcher zwischen zwei hori- zontalen , mit Abstand übereinander liegenden Lagerebenen eine Mehrzahl von auf ei- nem U mfangskreis verteilt angeordneten, jeweils um eine vertikale Schwenkachse schwenkbaren Rotorblättern umfasst, deren Schwenkbereich beidseitig durch einen An- schlag beg renzt ist, wobei die Breite der Rotorblätter kleiner als ungefähr 1 / 3 des Rad ius des Umfangskreises ist. Insbesondere können dabei Rotorblätter in mehreren Ebenen übereinander angeordnet sein .

Die bekannten vertikalen Windkraftanlagen sind für bodennahe Winde ausgelegt und weisen daher eine vergleichsweise geringe Gesamthöhe auf. Wird eine solche Anlage jedoch für Höhen ausgelegt, die den Höhen der heutigen horizontalen Windkraftanlagen vergleichbar sind, muss eine Höhenabhängigkeit der Windgeschwindigkeit und ggf. sogar Windrichtung in die Ü berlegungen zu einer möglichst effizienten Energieerzeugung mit einbezogen werden .

DARSTELLU NG DER ERFIN DU NG

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine vertikale Windkraftanlage zu schaffen , die auch auf grössere Gesamthöhen hin skalierbar ist und zugleich einen hohen Wirkungsgrad bei gleichzeitig einfachem und funktionssicherem Aufbau ermöglicht.

Es ist weiterhin eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Anlage anzugeben .

Diese und andere Aufgaben werden durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 1 8 gelöst.

Die erfind ungsgemäss vertikale Windkraftanlage umfasst zwei oder mehr längs einer vertikalen Maschinenachse übereinander angeord nete Zellen , wobei jede der Zellen eine Mehrzahl von vertikalen Flügeln umfasst, die innerhalb der Zelle auf einem konzentrischen Kreis um die Maschinenachse herum verteilt angeordnet und gemeinsam auf diesem Kreis bewegbar und drehfest mit einer Hauptwelle verbunden sind, und wobei die Flügel in der Zelle jeweils einzeln um eine, insbesondere durch ihr Inneres verlaufende, vertikale Drehachse drehbar gelagert sind. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass jedem der Flügel M ittel zugeordnet sind, mit welchen der Flügel während des Umlaufens um die Maschinenachse unabhäng ig von den anderen Flügeln in eine vorbestimmte und jederzeit änderbare Drehstellung um seine Drehachse gebracht werden kann. Bne Ausgestaltung der vertikalen Windkraftanlage nach der .Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass jede Zelle einen konzentrisch zur Maschinenachse angeordneten ersten und zweiten Ring umfasst, welche Ringe die Zelle oben und unten begrenzen , und zwischen denen die Flügel der Zelle um 360 ° drehbar angeordnet sind .

Insbesondere sind die Flügel einer Zelle an ihren Enden auf dem ersten und zweiten Ring um 360° drehbar gelagert.

Insbesondere haben benachbarte Zellen jeweils einen Ring gemeinsam .

Insbesondere sind aber auch die M ittel zum Verändern der Drehstellung der Flügel auf den Ringen angeord net.

Speziell umfassen die M ittel zum Verändern der Drehstellung der Flügel einen elektrisch oder hydraulisch angetriebenen Motor.

Die Drehbewegung des elektrisch oder hyd raulisch angetriebenen Motors kann dabei beim elektrisch angetriebenen Motor über Zahnräder oder beim hydraulisch angetriebenen Motor direkt auf den zugehörigen Flügel übertragen werden .

Speziell ist der elektrisch oder hydraulisch angetriebene Motor mit der Motorachse in der Ringebene liegend angeordnet, und die Drehbewegung zwischen den Zahnrädern wird beim elektrischen Antrieb mittels eines Zahnriemens übertragen. Bei der Hydraulikvariante ist der Hydraulikmotor direkt, d.h. ohne Getriebe, mit der Flügeldrehachse verbunden.

F_s ist aber auch den kbar, dass der elektrisch oder hyd raulisch angetriebene Motor mit der Motorachse senkrecht zur Ringebene angeordnet ist, und dass zur Übertragung der Drehbewegung beim elektrischen Antrieb ein Winkelgetriebe zwischengeschaltet ist. Bne andere Ausgestaltung der vertikalen Windkraftanlage nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die unterste der Zellen einen vorbestimmten Abstand zum Boden aufweist, und dass die Hauptwelle zwischen der untersten Zelle und einem in Bodennähe angeord neten Maschinenhaus und an ihren Enden drehbar gelagert ist.

Speziell ist die Hauptwelle aus mehreren in axialer Richtung hintereinander angeordneten Abschnitten zusammengesetzt, und die Abschnitte sind untereinander über Flansche verbunden.

Insbesondere umfasst die Hauptwelle einen unteren zylind rischen Abschnitt, einen mittleren, sich nach oben konisch erweiternden Abschnitt und einen oberen zylindrischen Abschnitt, der einen grösseren Aussendurchmesser aufweist als der untere zylind rische Abschnitt.

Auf dem unteren zylind rischen Abschnitt ist vorzugsweise der Rotor eines elektrische Energie erzeugenden Generators drehfest angebracht.

Speziell ist zur drehbaren Lagerung der Hauptwelle am unteren Ende der Hauptwelle ein Lagerzapfen und am oberen Ende eine Stützrollenlaufbahn vorgesehen . Der Lagerzapfen ist mit einem Drucklager ausgestattet, das die unteren vertikalen Gravitationskräfte des Rotors übernimmt, und mit einem Radiallager, das die horizontalen unteren Reaktionswindkräfte der Hauptwelle aufnimmt.

Schliesslich kann das obere Lager der Hauptwelle, das als Stützrollenlager ausgebildet ist und die vertikalen oberen Reaktionswindkräfte der Hauptwelle aufnimmt, durch ein sich schräg nach unten erweiterndes Stützgestell auf ausserhalb der Maschinenachse angeordneten Fundamenten abgestützt sein , wobei die unteren Axial- und Radiallager der Hauptwelle im Generatorgehäuse untergebracht sind, welches innerhalb des im Stützgestell hängend angeordneten Maschinenhauses an den oberen Streben befestigt ist.

Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist an jeder der Zellen oben und unten jeweils eine Windmesseinrichtung zur Messung von Windrichtung und Windgeschwindigkeit angeord net ist, welche vorzugsweise ein Ultraschall-Anemometer umfasst. Hiermit ist es möglich , die lokale Windeinwirkung auf jeden Flügel mit guter Genauigkeit zu bestimmen .

Weiterhin kann an jeder der Zellen oben und/ oder unten beim Flügellager eine Kraftmesseinrichtung für radiale und tangentiale Kraftrichtung vorgesehen sein, um die auftretenden Kräfte an den Flügeln zu bestimmen und mit zu berücksichtigen .

Das erfind ungsgemässe Verfahren zum Betrieb einer vertikalen Windkraftanlage nach der Erfindung ist dad urch gekennzeichnet, dass die Drehstellung der einzelnen Flügel der Windkraftanlage um ihre Drehachse unabhäng ig voneinander nach Massgabe von Messwerten der Windgeschwindigkeit, der Windrichtung , der Drehzahl der Windkraftanlage und der Position der Flügel auf ihrem Umlauf um die Maschinenachse aktiv gesteuert wird .

Ene Ausgestaltung des erfind ungsgemässen Verfahrens ist dad urch gekennzeichnet, dass für den Flügelwinkel, der die Auslenkung eines Flügels aus einer Grundposition tangential zum Umlaufkreis um die Maschinenachse beschreibt, virtuelle Kurvenscheiben bereitgestellt werden, welche jeweils den Verlauf des Flügelwinkels über der Position des Flügels auf dem Umlaufkreis festlegen , und dass die aktive Steuerung der einzelnen Flügel nach Massgabe der virtuellen Kurvenscheiben erfolgt. Insbesondere wird zur Auswahl der für die aktive Steuerung der Flügel verwendeten virtuellen Kurvenscheiben fortlaufend die Schnelllaufzahl λ der Windkraftanlage bestimmt, wobei die Schnelllaufzahl λ das Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeit der Flügel zur Windgeschwindigkeit angibt, und es wird nach Massgabe der bestimmten Schnelllaufzahl λ die für die aktive Steuerung der Flügel verwendete virtuelle Kurvenscheibe ausgewählt bzw. zwischen verschiedenen virtuellen Kurvenscheiben gewechselt.

Speziell sind die virtuellen Kurvenscheiben auf eine Nullposition der Windkraftanlage bezogen, und die Nullposition ist von der Windrichtung abhängig.

Insbesondere wird für jede der Zellen eine eigene, von der Höhe über dem Boden abhängige Windgeschwindigkeit bestimmt, und die Drehstellung der einzelnen Flügel der Zelle um ihre Drehachse wird nach Massgabe der für die Zelle ermittelten Windgeschwindigkeit aktiv gesteuert.

KU RZE ERLÄUTERU NG DER FIGU REN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen :

Fig. 1 in einer vereinfachten Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel der vertikalen

Windkraftanlage nach der Erfindung mit zwei Zellen und der unteren Lagerung der Hauptwelle in einem hängend angebrachten Maschinenhaus ;

Fig. 2-4 in der Draufsicht ( a) und in der Seitenansicht ( b) die drei Ringe für die Lagerung der Flügel in der Anlage nach Fig. 1 ;

Fig. 5 in einer Seitenansicht die Hauptwelle der Anlagen nach Fig. 1 ; Fig. 6 eine Seitenansicht eines Flügels mit oberem und unterem Lager der Anlagen gemäss Fig . 1 ;

Fig. 7 in einer ausschnittweisen perspektivischen Darstellung zwei verschiedene

Arten der Montage eines Elektromotors zur Flügelverstellung an dem die Flügel tragenden unteren Ring ;

Fig. 8 eine andere Ansicht eines horizontal unteren Ring montierten Elektromotors zur Flügelverstellung , der durch eine Abdeckung geschützt ist;

Fig. 9 die berechnete optimale Flügelstellung über eine 360 °- Drehung der Anlage bei einer Schnelllaufzahl von 0 ,4 im Diagramm ( a) und in der axialen Draufsicht ( b) ;

Fig. 1 0 entschärfte Flügelsteuerungskurven , die den technischen Grenzen der Antriebsmittel Rechnung tragen ;

Fig. 1 1 ein Blockschema der elektromechanischen Steuerung der Flügelstellung gemäss einen Ausführungsbeispiel der Erfindung ; und

Fig. 1 2 ein Blockschema der elektrohydraulischen Steuerung der Flügelstellung gemäss einen anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

WEGE ZU R AUSFÜ H RU NG DER ERFI N DU NG

In Fig. 1 ist in einer vereinfachten Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel der vertikalen Windkraftanlage nach der Erfindung wiedergegeben. Die Windkraftanlage 1 0 der Fig . 1 umfasst zwei Zellen Z1 und Z2 , die entlang einer vertikalen Maschinenachse MA übereinander angeordnet sind . Jede der Zellen Z1 , Z2 hat zwei horizontale, konzentrisch zur Maschinenachse MA positionierte Ringe 1 1 , 1 6 bzw. 1 6 , 1 9 , zwischen denen eine Mehrzahl ( im Beispiel 3) von vertikalen Flügeln 1 3 jeweils um eine eigene Drehachse 1 2 drehbar gelagert sind . Der mittlere Ring 1 6 ist dabei beiden Zellen Z1 und Z2 gleichermassen zugeordnet.

Der Aufbau der Ringe 1 1 , 1 6 und 1 9 ergibt sich aus den Fig. 2 , 3 und 4. Jeder der Ringe 1 1 , 1 6 und 1 9 ist als gleichseitiges Dreieck oder regelmässiges Vieleck ausgebildet, in dessen Ecken die Flügel 1 3 mittels eines entsprechenden Lagersupports 38 gelagert sind ( siehe auch Fig. 7) . Der Umfang wird aus Stangen 33 gebildet, die mit einem im Zentrum befindlichen vertikalen Rohr 35 durch radial verlaufende Stangen 31 und Rohre 32 verbunden sind. Auf der U nterseite der Ringe dienen Flacheisen 34 der Zugabstrebung. U m das zentrale Rohr 35 herum sind radiale Rippen 37 angeordnet, die zugleich an den Enden des Rohres 35 ausgebildete Flansche 36 stützen .

Die Zellen Z1 , Z2 mit ihren Flügeln 1 3 sind über zentrale Rohre 1 5 und 1 8 mit einer unterhalb der Zellen drehbar gelagerten vertikalen Hauptachse 20 drehfest verbunden, so dass sie zusammen mit der Hauptachse 20 um die Maschinenachse MA rotieren können. Die Hauptachse 20 ist am oberen Ende in einem Lagerhalter 23 mit Stützrollen drehbar gelagert, der über ein Gestell von schräg nach unten gespreizten Rohren 24 auf aussen liegenden Fundamenten 29 abgestützt ist. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind die unteren Vertikal- und Radiallager im Generatorgehäuse untergebracht, welches im Maschinenhaus 26 befestigt ist, das am Gestell 24 hängend angeord net ist. Auf diese Weise kann mehr Gewicht in die aussen liegenden Fundamente 29 eingeleitet werden, wodurch sich das Standmoment der Gesamtkonstruktion erhöht. Die Höhe H1 kann beispielsweise 75 m oder auch mehr ( z.B. über 200 m) betragen. Der Durchmesser d1 des Kreises, auf dem sich die Flügel 1 3 mit ihren Drehachsen 1 2 bewegen, beträgt beispielsweise 20 m. Jede der Zellen Z1 , Z2 sieht aufgrund der unterschiedlichen Höhe eine eigene Windgeschwindigkeit v _w ¹ und v _w ² .

Die Hauptachse 20 besteht im Beispiel gemäss Fig. 5 aus einem unteren zylind rischen Abschnitt 45 kleineren Durchmessers, einem mittleren , sich nach oben zu konisch erweiternden Abschnitt 43 und einem oberen zylindrischen Abschnitt 41 grösseren Durchmessers. Die Abschnitte 41 , 43 und 45 sind durch Flansche 42 und 44 fest miteinander verbunden. Am oberen Ende des oberen zylind rischen Abschnitts 41 ist eine Stützrollenlaufbahn 40 angebracht, am unteren Ende des unteren zylind rischen Abschnitts 45 ein unterer Lagerzapfen 46. Die Abschnitte haben die Längen h1 , h2 und h3 von z.B. 4 m, 1 1 m und 0 ,5 m.

Wie in Fig . 1 zu erkennen ist, trägt der untere zylindrische Abschnitt 45 den Rotor 22 eines Generators sowie eine Bremse 21 , die beide im Maschinenhaus 26 untergebracht sind . Zellen Z1 und Z2 zusammen mit der Hauptachse bilden den um die Maschinenachse MA drehenden Rotor der Windkraftanlage.

In Fig . 2 ( a) ist beispielhaft die Lage eines der jedem Flügel 1 3 zugeordneten Aktuatoren 38 eingezeichnet. Der Aktuator 39 ist in diesem Fall parallel zur Stange 33 des Ringes 1 9 liegend in unmittelbarer Nähe des Lagersupports 38 des entsprechenden Flügels angeordnet. Dies ist noch deutlicher im vergrösserten Ausschnitt der Fig . 7 zu erkennen , wo der eine der beiden eingezeichneten Aktuatoren , Aktuator 39a, diese parallele Lage zur Stange 33 einnimmt. Der betreffende Flügel 1 3 ist an seiner Drehachse oberhalb des Lagersupports 38 mit einem ersten Zahnrad 49 versehen . Der Aktuator 39a, in diesem Fall ein elektrischer Servomotor, wirkt über eine Winkelgetriebe 52 auf ein zweites Zahnrad 50 , das sich auf derselben Höhe befindet wie das erste Zahnrad 49 und mit diesem über einen ( nicht dargestellten) Zahnriemen antriebsmässig verbunden ist. Soll der Bnsatz eines Winkelgetriebes vermieden werden, kann der Aktuator ( 39 b) auch vertikal eingebaut werden, erzeugt dann allerdings mehr Strömungswiderstand . Der liegend angeordnete Aktuator 39a kann gemäss Fig . 8 auf einfache Weise mit einer Abdeckung 51 versehen werden, um ihn vor Witterungseinflüssen zu schützen .

Die Aktuatoren 39 bzw. 39a, b werden über entsprechende Zuleitungen von einer zentralen Versorgungseinheit mit Energie versorgt und über Steuersignale entsprechend den Vorgaben einer Steuerung angesteuert. Werden anstelle der elektrischen hydraulische Aktuatoren ( Motore) eingesetzt, erfolgt die Versorg ung durch entsprechende Hydraulikleitungen aus einer zentralen Hydraulikeinheit.

Bnen Ü berblick über das Konzept der aktiven Flügelsteuerung gibt das Blockschaltbild auf Fig . 1 1 .

Die Flügel 1 3 bzw. F1 - F6 der Zellen Z1 und Z2 werden aktiv mittels Aktuatoren 39a ( über Winkelgetriebe 52) oder 39 b ( direkt) um ihre Längsachse gedreht. Jeder beliebige Flügelwinkel (Winkel zwischen Tangentiale am Umlaufkreis des Rotors und Sehnen linie des Flügels) kann für jeden Flügel an jeder Position auf dem U mlaufkreis individuell eingestellt werden.

Aufgabe der aktiven Flügelsteuerung ist es, mit allen ( im Beispiel 1 2) Flügeln 1 3 bzw. F1 - F6 in beiden Zellen einen mit der Rotorposition variierenden Flügelwinkel zu fahren. Je nach Windgeschwindigkeit und Drehzahl des Rotors wird ein anderer Verlauf des Flügelwinkels über der Rotorposition gefahren. Hierzu werden verschiedene virtuelle Kurvenscheiben erzeugt und in einem Speicher abgelegt. Der Flügelwinkel folgt dann dem Randverlauf der ausgewählten virtuellen Kurvenscheibe. Der Nullpunkt der Rotorposition ist dabei abhängig von der Windrichtung . Windrichtung und Windgeschwindigkeit werden von einem Windgeschwind igkeitsaufnehmer 67 und einem Windrichtungsaufnehmer 68 gemessen .

Der Windmessung kommt bei der vorliegenden Anlage gemäss Fig. 1 eine besondere Bedeutung zu. Eine vertikale Windturbine 1 0 der in Fig. 1 gezeigten Art hat über der ganzen Wirkhöhe des Rotors gleichförmig gestaltete Flügel 1 3 , die während jeder Rotorumdrehung individuell optimal gesteuert werden können . Der Anstellwinkel des Flügels 1 3 zur relativen Windanströmung soll in jedem Zeitpunkt der Rotorumdrehung gesteuert werden können. Die Flügel„fliegen" bei Rotordrehung quasi auf einer kreisförmigen Bahn , mit dem Rotorradius, ums Zentrum des Rotors bzw. die Maschinenachse MA und erzeugen dabei einen Auftrieb in radialer Richtung und einen Vortrieb in tangentialer Richtung. Der Vortrieb soll jederzeit so optimiert werden können, dass die Turbine 1 0 einen maximalen Antrieb erfährt.

Aus Gründen der statischen und dynamischen Flügelbelastung ist der Rotor über der Wirkhöhe je nach Grösse der Windturbine in ein bis vier Zellen ( zwei Zellen Z1 und Z2 im Beispiel der Fig . 1 ) aufgeteilt. Eine Zelle Z1 , Z2 enthält je drei Flügel 1 3 , die unten und oben jeweils drehbar am Ende eines radialen Arms gelagert und so fest mit dem Zentrum des Rotors verbunden sind . Die drei Arme bilden je einen fiktiven Ring oben und unten an jeder Zelle.

Da alle Rotorzellen mit dem Rotor fest verbunden sind , drehen sie auch immer gleichschnell wie der Rotor. Die Windrichtung und die Windgeschwindigkeit können sich aber über der Wirkhöhe des Rotors stark ändern, besonders bei grossen ( hohen) Turbinen. Um eine optimale Vortriebssteuerung zu gewährleisten , müsste man in jedem Zeitpunkt der Rotorumdrehung die Geschwindigkeit und Richtung der relativen Windanströmung jedes Flügels genau kennen. M it einer statischen Windmessung könnte vertikal und mit Abstand zum Rotor die Windgeschwindigkeit und die Windrichtung über der Höhe gemessen werden ( Windmessmast) . Da der Windmessmast fest und in einigem Abstand zur Turbine steht, würde er bei ungünstiger Windrichtung im Windschatten der Turbine stehen und auch wegen des Abstands ungenaue und nicht der Realität an den Flügeln entsprechende Messergebnisse liefern .

F_s wird deshalb vorgeschlagen , je eine Windmesseinrichtung W1 -W3 ( Fig . 1 ) pro Ring aussen an je einem Ringarm zu befestigen . Die Windmesseinrichtung W1 -W3 wird nun in jedem Zeitpunkt der Rotordrehung die genaue relative Windanströmung in Richtung und Geschwindigkeit bezogen auf den Arm und somit auch auf den Flügel bestimmen . Die Windmesseinrichtung sollte vorzugsweise keine mechanisch- dynamischen Messkomponenten enthalten wie Windfahne und Windrad, sondern soll Windrichtung und Windgeschwindigkeit mittels Ultraschall messen ( Ultraschall-Anemometer) , da mechanische Messkomponenten durch die Zentrifugalbeschleunigung am Rotor Fehlresultate zeigen könnten . Die Windmesseinrichtung W1 -W3 muss einen gen ügenden Abstand zum Armende haben, um nicht vom Luftwirbelbereich des Armendes beeinflusst zu sein .

F_s ist bekannt, dass die Windrichtung und die Windgeschwindigkeit über der Wirkhöhe eines Rotors stark variieren können (Windscherungen und Turbulenzen) . Falls solche Phänomene nicht örtlich und zeitlich genau genug gemessen werden können , um die Flügel 1 3 optimal zu steuern , wird die Turbine einen erheblich geringeren aerodynamischen Wirkungsgrad aufweisen . Wenn die Messung nun bei jeder Zelle Z1 , Z2 oben und unten am U mfang dynamisch und zeitnah erfolgt, kann auch jeder Flügel immer auf den optimalen Relativanstellwinkel gesteuert werden. U m die Windverhältnisse in der M ittelhöhe des Flügels zu bestimmen , sind die jeweiligen Windmessungen oben und unten am Flügel zu mittein , um daraus das Flügelsteuersignal zu bilden. Aus der Messung der Rela- tivanströmung kann über die Rotorumfangsgeschwindigkeit jederzeit auch die absolute Windgeschwindigkeit und Windrichtung trigonometrisch berechnet werden. Anhand dieser Messungen können sehr zeitnah die optimale Schnelllaufzahl der Turbine und der optimale dazu passende Flügelanstellwinkel bestimmt werden.

M it der Messeinrichtung können auch kurzzeitig hohe örtliche Turbulenzen festgestellt werden, die zu einer Flügel- und Turbinen- Ü berlastung führen könnten. Daraus kann dann auch eine allfällige entlastende Flügelverstellung oder vollständige Flügelabschaltung ( Freigabe) erfolgen . Die Messungen mit den Windmesseinrichtungen W1 -W3 an je einem Arm pro Ring erlauben es, die Zellen mit deren Flügeln unabhäng ig voneinander individuell zu steuern.

Es wird weiter vorgeschlagen, an jeder Zelle Z1 , Z2 am unteren oder oberen Ring an je einem Arm beim Flügellager eine Kraftmesseinrichtung K1 - K3 für radiale und tangentiale Kraftrichtung zu installieren . M it der Tangentialkraftmessung kann zusammen mit der Windmesseinrichtung W1 -W3 der Flügelvortrieb und somit der Turbinenwirkungsgrad optimiert werden . Die Signale dieser beiden Messeinrichtungen W1 -W3 und K1 - K3 sollen mittels eines selbstlernenden Steuerungsprogramms ständig den Wirkungsg rad der Turbine adaptiv verbessern .

Das radiale Kraftmesssignal soll zusammen mit dem tangentialen Kraftmesssignal ständig den Belastungsverlauf des Flügels überwachen. M it dieser Messung kann die Häufung und Intensität der Flügelbeanspruchung und damit auch die Restlebensdauer der Flügel bestimmt werden .

Als Alternative oder Ergänzung der vorbeschriebenen Kraftmessung zur Bestimmung der Flügelbeanspruchung könnte auch in der Flügelmitte auf der Oberfläche ein Dehnmess- streifen ( beispielhaft für einen Flügel 1 3 : DM in Fig . 1 ) angebracht werden, der zusammen mit einem Messsystem die Häufung und Intensität der Biegespannungen im Flügel 1 3 misst. Aus diesen Messungen könnte dann die Restlebensdauer der Flügel 1 3 bestimmt werden. Das Verfahren kann insofern kompliziert sein , als das Messsignal vom rotierenden Flügel an den Ringarm übertragen werden muss. Die Dehnmessstreifen- F nrichtung soll aber ausschliesslich nur zur Messung der Flügelbeanspruchung, nicht aber zur Optimierung des Flügelvortriebs verwendet werden .

Das Grund konzept der aktiven Flügelsteuerung ist dem Blockschaltbild in Fig . 1 1 zu entnehmen . Die Komponenten, welche mit einer gestrichelten Linie umrahmt sind ( Rotorblock 53 in Fig . 1 1 ) , werden in einem Schaltschrank auf dem Rotor montiert. Die Kommunikation mit der Steuerung auf dem Turm und die Datenerfassung laufen über eine Wi- Fi- Verbind ung mit entsprechenden Wi- Fi-Transmittern 57 und 66. Die Leistungsversorgung aus einer Drehstrom-Spannungsversorgung 71 (3x400VAC, 1 xN ullleiter und 1 xErdung) läuft über einen Schleifring 62. Die auf dem Rotor befindlichen Funktionsblöcke werden über eine 24VDC-Spannungsversorg ung 56 versorgt. F ne analoge 24VDC- Spannungsversorgung 65 ist auch ausserhalb des Rotors vorgesehen .

Die virtuellen Kurvenscheiben ( verschiedene Flügelwinkelverläufe mit der Rotorposition) werden auf dem Rotor ( Motioncontroller 58) abgelegt. Sie können jedoch im Betrieb über die Wi- Fi- Verbindung abgeändert werden . Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Drehzahl des Rotors werden auf dem Turm ( nicht drehend) über die I/ O einer mit einem Computer 70 zusammenarbeitenden Speicherprog rammierbaren Steuerung ( SPS) 64 verarbeitet. Welche virtuelle Kurvenscheibe genommen werden muss, wird über die Wi- Fi-Verbindung an den Motioncontroller 58 auf dem Rotor übertragen. Auf dem Rotor sowie auch auf dem Turm sind I/ O verfügbar. Die 6 Aktuatoren 39a bzw. 39 b folgen im einfachsten Fall der gleichen Kurvenscheibe, jedoch mit einem Winkelversatz von 1 20° ( bei z.B. 3 Flügeln pro Zelle) . Der Nullwert der Rotorposition ist abhängig von der Windrichtung . Unterscheiden sich bei höheren Anlagen und/ oder mehr als zwei Zellen die Windgeschwindigkeiten für die Zellen erheblich voneinander, wird für jede der Zellen nach Massgabe der zugehörigen Windgeschwindigkeit eine eigene virtuelle Kurvenscheibe ausgewählt. Es wird also für jede der Zellen Z1 , Z2 eine eigene, von der Höhe über dem Boden abhängige Windgeschwind igkeit ( v _w bestimmt, und die Drehstellung der einzelnen Flügel 1 3 , F1 - F6 der Zelle nach Massgabe der für die Zelle ermittelten Windgeschwindigkeit (v _w aktiv gesteuert. Da die Abhäng igkeit der Windgeschwindigkeit von der Höhe über dem Boden einer Standardkurve folgt, reicht es aus, die Windgeschwind igkeit in einer Höhe zu messen , um daraus die Werte für andere Höhen zu bestimmen . Alle Zellen haben dieselbe Drehzahl um die Maschinenachse MA, aber wegen der unterschiedlichen Höhe unterschiedliche Windgeschwindigkeiten . Entsprechend ergeben sich unterschiedliche Schnelllaufzahlen , die dann über die gesamte Anlage gemittelt eine maximale Energieerzeugung gewährleisten sollen .

Der Schaltschrank mit dem Motioncontroller 58 befindet sich auf dem Rotor. Die Rotorposition sollte auch auf dem Rotor abgeg riffen werden . Hierzu kann ein entsprechender Drehgeber eingesetzt werden. Im Beispiel der Fig. 1 1 ist stattdessen jedoch ein Geber für die Nullposition 54 vorhanden. Die Rotordrehzahl wird auf dem Turm ermittelt. Die daraus resultierenden Schrittimpulse werden über SPS 64 eingelesen und über die Wi- Fi- Verbind ung an den Motioncontroller 58 auf dem Rotor übermittelt.

Die aktive Flügelsteuerung erhält mehrere Eingangssignale direkt von einem Messsystem, das den Windgeschwind igkeitsaufnehmer 67 , den Windrichtungsaufnehmer 68 und ggf. einen Rotordrehmomentaufnehmer 69 umfasst. Zusätzlich werden Impulse 63 für die Drehzahl eingespiesen . Anhand dieser Eingangssignale bestimmt die Flügelsteuerung 64 , wie die einzelnen Flügel gesteuert werden müssen (welche Kurvenscheibe wird verwendet, wo ist der Null- Punkt der Rotorposition) . Die Steuersignale aus dem Motioncontroller 58 gehen über eine Powermodul 59 an ein Abgangsmodul 60 und von dort über eine Verteilbox 55 an die einzelnen Aktuatoren 39a bzw. 39 b.

Der Flügelwinkelverlauf wird periodisch neu ausgewählt ( verschiedene Kurvenscheiben) . Die Windrichtung legt die Nullposition der Rotorposition fest. Von den für die Regelung benötigten Eingangssignalen wird jeweils der Med ian über eine bestimmte Zeit berechnet. Sowohl die Refresh-Zeit als auch das Zeitfenster für die M ittelung der Regelparameter sollten frei wählbar sein . Eine spezielle Steuerung 61 kann Befehle für die Abschaltung der Anlage bzw. die Red uktion der Drehzahl geben.

Die max. Anzahl der verschiedenen Flügelwinkelverläufe (virtuelle Kurvenscheiben) , welche definiert werden können , ist durch den Motioncontroller 58 begrenzt und kann z.B. 99 betragen. Welcher Flügelwinkelverlauf verwendet wird , ist abhängig vom Betriebszustand und der Schnelllaufzahl λ der Turbine. Die Schnelllaufzahl wird in an sich bekannter Weise berechnet aus der Windgeschwindigkeit v _w und der Rotordrehzahl ( bzw. Rotorumfangsgeschwindigkeit) .

Der theoretisch optimale Flügelwinkelverlauf für einen Flügel 1 3 wurde mithilfe eines analytischen Modells für verschiedene Schnelllaufzahlen berechnet. En Beispiel für eine Schnelllaufzahl von 0 ,4 ( a) zusammen mit einer Skizze der physikalischen Positionen der Blätter jede 30 ° ( b) ist in Fig. 9 gezeigt.

Es ist zu beachten, dass die maximalen Beschleunigungen aus Fig. 9 in der Realität nicht erreicht werden können. Die optimalen Flügelwinkelverläufe werden deshalb entschärft und die resultierenden Charakteristiken mit typischen Egenschaften verfügbarer An- triebsmotoren verglichen. Ein Beispiel für zwei unterschiedliche Entschärfungen zeigt Fig . 1 0.

Die Flügel werden einer virtuellen Leitachse entsprechend positioniert. Die Leitachse wird durch einen NU LL- Impuls ( Null- Position 54) und die Drehzahl bestimmt. Die SPS 64 speichert mit einer vorbestimmten Frequenz die aktuelle Windgeschwindigkeit, die Rotordrehzahl und die Windrichtung . Periodisch wird der Median von der Windgeschwindigkeit und Rotordrehzahl berechnet. Daraus wird die gemittelte Schnelllaufzahl λ über das letzte Zeitfenster berechnet und die Kurvenscheibe ausgewählt. Der Median der Windrichtung wird ebenfalls periodisch berechnet. Daraus wird die NU LL- Position der Kurvenscheibe bestimmt.

Ist die Schnelllaufzahl der Turbine < 0 ,4 wird ein konstanter Flügelwinkelverlauf verwendet, um die Drehzahl zu erhöhen. Sobald die Schnelllaufzahl > 0 ,4 ist, befindet sich die Turbine im Betrieb.

Beim Herunterfahren wird die Windturbine vom Generator gebremst, um die Drehzahl auf 0 zu bringen. Die Flügelsteuerung erhält von der Steuerung 61 der Anlage ein Signal, dass der Betriebszustand Herunterfahren erreicht wurde und die Flügelantriebe 39a bzw. 39 b werden stromlos gemacht oder bei hydraulischem Antrieb die Hydraulikmotoren freigeschaltet.

Die Rotordrehzahl ist 0 und die Bremsen der Windturbine sind geschlossen . Die Flügelsteuerung wird nicht ausgeschaltet, damit verliert diese auch die Rotorposition nicht. Die Motoren sind stromlos oder die Hydraulikmotore öldruckfrei. Damit richten die Flügel 1 3 sich mit dem Wind aus. Die Windturbine wird mit der Bremse 21 so schnell wie möglich abgebremst. Die Flügel 1 3 werden bei Betätigung des Not-Aus physikalisch stromlos bzw. öldruckfrei gemacht.

Ein zu Fig. 1 1 analoges Blockschaltbild für die elektrohydraulische Steuerung der Flügel in den Zellen ist in Fig . 1 2 wiedergegeben. Die zur Betätigung der einzelnen Flügel vorgese- henen Hydraulik-Aktuatoren HA1 1 - HA1 n und HA21 - HA23 , die mit den notwendigen Ventilen und einer Freischaltung ausgestattet sind, werden über in den Zellen verlegte Hydraulikleitungen von einem ( oder mehreren) zentralen ( im Zentrum des Rotors angeordneten) Hydraulik-Aggregat( en) 73 mit Öld ruck versorgt. Das oder die Hydraulik- Aggregate 73 erhalten ihren Betriebsstrom von einer eigenen Spannungsversorg ung 72 , die an die Energieü bertrag ung ( Schleifring 62 ) angeschlossen ist.

Die Hydraulik-Aktuatoren HA1 1 - HA1 n und HA21 - HA23 können besonders kompakt ausgeführt sein und hohe Stellkräfte abgeben. Darüber hinaus lässt sich sehr leicht durch Öffnen der entsprechenden Ventile der notwendige Freilauf der Flügel sicherstellen .

Bezugszeichenliste

10 Windkraftanlage (vertikal)

11 oberer Ring

12 Drehachse

13 Flügel

14,17 Stange

15,18 Rohr

16 mittlerer Ring

19 unterer Ring

20 Hauptwelle

21 Bremse

22 Rotor (Generator)

23 Lagerhalter

24 Rohr

25 Stange

26 Maschinenhaus

29 Fundament

31 ,33 Stange

32 Rohr

34 Flach

35 Rohr

36 Flansch

37 Rippe

38 Lagersupport

39 Aktuator (Flügel) 39a, b Servomotor

40 Stützrollenlaufbahn

41 oberer Abschnitt ( zylindrisch)

42 ,44 Flansch

43 mittlerer Abschnitt ( konisch)

45 unterer Abschnitt ( zylindrisch)

46 unterer Lagerzapfen

47 ,48 Lager ( z.B. Pendelrollen- oder Pendelkugellager

49 ,50 Zahnrad

51 Abdeckung

52 Winkelgetriebe

53 Rotorblock

54 Null- Position

55 Verteilbox

56 24VDC- Spannungsversorgung

57 Wi- Fi-Transmitter

58 Motioncontroller

59 Powermodul

60 Abgangsmodul

61 Steuerung

62 Schleifring

63 Impuls für Drehzahl

64 SPS

65 24VDC- Spannungsversorgung

66 WiFi-Transmitter 67 Windgeschwindigkeitsaufnehmer

68 Windrichtungsaufnehmer

69 Rotordrehmomentaufnehmer

70 Computer

71,72 Drehstrom-Spannungsversorgung

73 Hydraulik-Aggregat

d1 Durchmesser

DM Dehnungsmessstreifen

FP Flügelprofil

F1-F6 Flügel

HA11-

HA1 n Hydraulik- Aktuator (integriert mit Ventilen und Freischaltung) HA21-

HA23 Hydraulik- Aktuator ( integriert mit Ventilen und Freischaltung) H1 Gesamthöhe

h1-h3 Höhe

K1-K3 Kraftmesseinrichtung

MA Maschinenachse

W1-W3 Windmesseinrichtung

Z1.Z2 Zelle