Windkraftanlagen mit vertikaler, d.h. im Wesentlichen quer zu einer horizontalen Windrichtung verlaufender, Drehachse sind als Systeme zur dezentralen Energiegewinnung im Bereich von 0,5 bis 5 kW und darüber ein zunehmend wichtiger Bauteil eines regenerativen Gesamtenergiekonzepts. Wichtig ist dabei ein möglichst einfacher Aufbau der aus Stator, Rotor und Generator bestehenden Windkraftanlage, um den Montageaufwand und das dafür erforderliche Know-how möglichst gering zu halten.

Die Druckschrift WO 2009/003537 A1 beschreibt eine gattungsgemäße Windkraftanlage, die bereits mit relativ geringem Montageaufwand aufbaubar ist. Der Stator ist durch ein Gestänge zusammengesetzt, das in der Ansicht von oben bzw. unten einen im Wesentlichen sternförmigen Aufbau hat, der durch zwei um 45° zueinander versetzte Quadrate entsteht. An acht Ecken des sternförmigen Aufbaus sind sogenannte Statorblätter oder Leitbleche angebracht, die seitlich einströmende Luft so auf einen innen liegenden Rotor und dessen Rotorschaufeln leiten, dass der Rotor unabhängig von der Windrichtung in Bewegung versetzt wird und den Generator zur Gewinnung elektrischer Energie antreiben kann.

Als nachteilig an dem in WO 2009/003537 A1 offenbarten Stand der Technik hat sich erwiesen, dass der Statoraufbau trotz des hohen Grades an Rotati- onssymmetrie um die Drehachse und Achsensymmetrie bezüglich der senkrecht zur Drehachse stehenden Mittelachse immer noch relativ kompliziert ist. Das Gestänge ist aus einer Vielzahl von Leichtmetall- oder Kunststoff-Stangen verschiedener Größen mittels geeigneter Schraubverbindungen zusammenzubauen, was mehr Erfahrung und technisches Geschick erfordert als zunächst anzunehmen wäre.

US 201 1/0140450 A1 beschreibt eine Vertikal-Windkraftanlage mit einem aus acht Ringsegmentteilen zusammengesetzten Statoraufbau. Die einzelnen Ringsegmentteile bilden nach vier Seiten geschlossene und sich in Richtung eines zentrisch angeordneten Rotors verengende Luftführungskanäle, an deren Ende die Rotorflügel sitzen.

Weitere Beispiele von herkömmlichen Vertikal-Windkraftanlagen sind in DE 20 2010 016 013 U1 und US 4,269,563 A gezeigt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine stabile Windkraftanlage bereitzustellen, deren Stator mittels geringem Montageaufwand auf- baubar ist und deren Bauteile sich trotzdem sehr kostengünstig herstellen lassen. Diese Aufgabe wird durch die im vorliegenden Anspruch 1 definierte Windkraftanlage gelöst. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausführungsbeispiele.

Ausgehend von der Grundidee, den Montageaufwand zu verringern, scheint es zunächst optimal, den gesamten Stator bzw. ein diesen tragendes Statorgrundgerüst aus einem Stück zu fertigen. Dies bringt aber den Nachteil mit sich, dass das Statorgrundgerüst bzw. der Stator insgesamt dann relativ sperrig wird und sich daher schlecht lagern oder platzsparend verpacken lässt. Das Grundkonzept der vorliegenden Erfindung sieht daher vor, dass der Stator bzw. dessen Grundgerüst aus wenigstens zwei Segmentteilen zusammengesetzt ist, die im Wesentlichen baugleich sind.

In der Minimalkonfiguration mit genau zwei Segmentteilen lassen sich diese wie zwei Hälften einer Walnussschale zusammenstecken. Dabei kann die Grenzfläche zwischen den zwei Hälften sowohl in einer Ebene senkrecht zur Drehachse als auch in einer Ebene parallel zu dieser verlaufen.

Vorzugsweise wird der Stator bzw. das Statorgrundgerüst aus mehr als zwei, besonders bevorzugt drei, vier, sechs, acht, zehn oder zwölf Segmentteilen aufgebaut, die sich wie Kuchenstücke zu einem Hohlzylinder zusammensetzen lassen. Die einzelnen Segmentteile sind im Wesentlichen baugleich, vorzugswei- se sogar vollständig baugleich, so dass sie alle durch die gleichen Produktionsmaschinen herstellbar sind. Dadurch lassen sich die Herstellungskosten und der fertigungstechnische Aufwand insgesamt gering halten.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung hat der Stator bzw. dessen Grundgerüst die Grundform eines Hohlzylinders, in dem der Rotor unter- gebracht ist. Jedes baugleiche Segmentteil bildet dann in der Draufsicht einen kreissegmentförmigen, insbesondere kreissektorförmigen oder ringsegmentförmi- gen, Teil des Hohlzylinders, der die innerhalb des Hohlzylinders liegenden Rotorflügel umschließt, das heißt in der Draufsicht zumindest teilweise überdeckt. Dies ermöglicht eine besonders stabile und kompakte Bauweise der aus Stator und Rotor zusammengesetzten Windkraftanlage.

Beträgt die Anzahl der baugleichen Segmentteile n, so ist der Stator bzw. dessen Grundgerüst rotationssymmetrisch bezüglich einer Drehung um die Drehachse mit dem Winkel 360 n. Das Zusammensetzen der einzelnen Segmentteile erfolgt vorzugsweise über Steckverbindungen, die an entsprechenden Grenzflä- chen der Segmentteile angeformt sind. Es sind aber auch andere Verbindungsarten denkbar, beispielsweise Schraub- oder Nietverbindungen in an den Segmentteilen vorgesehenen Bohrlöchern. Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedes Segmentteil wiederum aus mindestens zwei Modulteilen aufgebaut, die sich wiederum über an den Grenzflächen angeformte Steckverbinder zusammenstecken lassen. Wie schon bei den Segmentteilen sind aber auch andere Verbindungsar- ten denkbar, beispielsweise Schraub- oder Nietverbindungen in an den Modulteilen vorgesehenen Bohrlöchern.

Die Modulteile umfassen pro Segmentteil wenigstens ein Deckel-Modulteil und ein Boden-Modulteil, die wiederum im Wesentlichen baugleich sind. Dadurch lassen sich die Produktionskosten weiter senken, weil die Modulteile kleiner als die zugehörigen Segmentteile und daher fertigungstechnisch billiger herstellbar sind. Für ein Statorgrundgerüst mit beispielsweise n = 4 Segmentteilen kann der entsprechende Hohlzylinder dann nämlich durch Herstellung von acht baugleichen Modulteilen zusammengesetzt werden. Wegen der einfachen Verbindungsmöglichkeit der Modulteile durch Steckverbinder und dem anhand der äußeren Form der Modulteil leicht zu erfassenden Grundaufbau des Stators kann die Montage von nur kurz eingewiesenen Servicekräften oder sogar durch den Endkunden selbst übernommen werden.

Das Deckel- und das Boden-Modulteil sind vorzugsweise jeweils zur Befestigung eines Lagers ausgelegt, in dem die Rotor-Drehachse drehbar am Stator gelagert ist. Besonders vorzugsweise haben die Deckel-Modulteile und die Boden-Modulteile dazu jeweils radial innen eine sektorförmige Aussparung, die - jeweils nach dem Zusammensetzen der einzelnen Segmente - eine zentrische Aussparung bildet. In der Deckel-Aussparung lässt sich ein Radiallager befestigen. In der Boden-Aussparung wird gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungs- beispiel der Generator befestigt, in dem die Rotor-Drehachse zum Antrieb des Generator-Rotorelements angeordnet ist. Der so geschaffene Gesamtaufbau ist besonders kompakt und stabil und dabei dennoch konstruktiv so simpel, dass ein schneller und fehlerfreier Aufbau keine Schwierigkeiten macht.

Bei der kompakten Bauweise gemäß dem im letzten Absatz erläuterten Ausführungsbeispiel, bei dem der Rotor vom Stator nahezu vollständig eingeschlossen ist, ist für eine optimale Funktionsweise der Windkraftanlage eine ausreichende Luftzu- und -abfuhr besonders wichtig. Dies gelingt durch zusätzliche axiale Lüftungsschlitze, die in den Deckel- und/oder Boden-Modulteilen vorgesehen sind.

Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist jedes Segmentteil aus drei Modulteilen aufgebaut, wobei zwischen dem Deckel-Modulteil und dem Boden-Modulteil jeweils ein Statorblätter aufweisender oder diese hal- tender Mittel-Modulteil vorgesehen ist. Jedes Segmentteil lässt sich dann dadurch zusammenbauen, dass das Deckel-Modulteil und das Boden-Modulteil parallel zu der Drehachse mit einem Mittel-Modulteil verbunden wird, das wiederum aus mehreren Teilen zusammengesteckt sein kann. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass sich jedes Segmentteil in einzelne flache Modulteile zerlegen lässt, die besonders gut stapelbar sind und beim Transport in zerlegtem Zustand nur wenig Volumen einnehmen. Außerdem lassen sich zwischen den baugleichen Deckel- und Boden-Modulteilen Mittel-Modulteile verschiedener Längen anbringen. Auf diese Weise kann man die Höhe des Stator-Hohlzylinders variieren, ohne den fertigungstechnischen Aufwand wesentlich zu erhöhen.

Erfindungsgemäß kann jedes Modulteil einschließlich seiner Steckverbinder einstückig im Spritzgussverfahren hergestellt werden. Bevorzugte Herstellungsmaterialien sind witterungsbeständige Kunststoffe oder Aluminium.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung haben die Mittel-Modulteile einen trapezförmigen Querschnitt. Die nicht parallelen Seiten des Trapezes bilden die Grenzflächen mit den Steckverbindungen zu dem Deckel- bzw. Boden-Modulteil. Durch diesen angeschrägten Grenzflächenverlauf erhöht sich nicht nur die Verbindungssteifigkeit der einzelnen Modulteile untereinander, sondern es wird auch die Festigkeit und Kippsicherheit des Stators ins- gesamt verbessert. Die entsprechenden Grenzflächen des Boden- bzw. Deckel- Modulteils sind ebenso angeschrägt, so dass der Aufbau des Statorgrundgerüsts nach außen insgesamt kompakt bleibt.

Besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf ein Statorgrundgerüst der Windkraftanlage gemäß den ersten drei Ausführungsbeispielen der Erfindung;

Fig. 2a eine schematische Querschnittsansicht der Windkraftanlage gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2b eine schematische Querschnittsansicht der Windkraftanlage gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3a eine perspektivische Ansicht des Stators gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel von schräg oben;

Fig. 3b eine perspektivische Ansicht des Stators gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel von schräg unten;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Modulteils gemäß einem dritten

Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 5 eine perspektivische Gesamtansicht der Windkraftanlage gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel von schräg oben;

Fig. 6a eine perspektivische Ansicht einer Windkraftanlage gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung von schräg oben; und

Fig. 6b eine perspektivische Ansicht der Windkraftanlage gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel von schräg unten.

Wie in der Fig. 1 zu sehen ist, wird der Stator in den bevorzugten Ausführungsbeispielen 1 bis 3 aus genau vier baugleichen Segmentteilen 1 1 a-c durch Steckverbinder 12 zusammengesetzt. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf be- schränkt und es sind auch beliebige andere Anzahlen von Segmentteilen n möglich, insbesondere n = 2, 3, 5, 6, 8, 10 oder 12.

Beim ersten Ausführungsbeispiel besteht jedes Segmentteil 1 1 a aus einem Deckel-Modulteil 13a, einem Boden-Modulteil 15a und einem zwischen diesen zwei Modulteilen 13a, 15a angeordneten Mittel-Modulteil 14a. Das Mittel-Modul- teil 14a hat, wie in der Querschnittsansicht der Fig. 2a zu sehen ist, im radialen Querschnitt die Grundform eines gleichschenkligen Trapezes. Die parallelen Seiten 21 , 22 des Trapezes liegen radial innen bzw. außen und die beiden anderen Seiten 23, 24 bilden angewinkelte Grenzflächen zu entsprechend angewinkelten Grenzflächen 26, 27 des Deckel-Modulteils 13a bzw. des Boden-Modulteils 15a. An den Grenzflächen sind versetzt zueinander Steckverbinder 16 angeformt, die in entsprechende Hohlräume bzw. Steckplätze an dem den Steckverbindern entgegengesetzten Grenzflächen eingreifen und so ein leichtes Zusammenstecken der einzelnen Modulteile 13a, 14a, 15a ermöglichen.

Der Statoraufbau ist insgesamt rotationssymmetrisch bezüglich der Dreh- achse 7, um die sich ein innerhalb des Stator-Hohlzylinders angeordneter Rotor mit den Rotorflügeln 5 drehen kann. Der Statoraufbau ist aber auch achsensymmetrisch bezüglich einer senkrecht auf der Drehachse 7 stehenden Mittelachse 8. Durch das hohe Maß an Symmetrie und die intelligente Aufteilung der Segment- und Modulteile und deren Steckverbinder lassen sich sowohl die Herstellungsko- sten reduzieren als auch der Montageaufwand gering halten.

Bei dem in der Fig. 2a gezeigten ersten Ausführungsbeispiel entsteht wegen der schräg zur Mittelachse 8 verlaufenden Seitenwände 23, 24, 26, 27 eine relativ lange Grenzfläche zwischen dem Mittel-Modulteil 14a und den zugehörigen Deckel- bzw. Boden-Modulteilen 13a, 15a. Die gegenüber senkrecht zur Drehach- se 7 verlaufenden Seitenwänden erzielte Verlängerung der Grenzflächen an sich stabilisiert bereits die Verbindungsfestigkeit des daraus zusammengesetzten Segmentteils 1 1 a. Der angewinkelte Verlauf der Grenzflächen erhöht aber auch die Festigkeit und Kippsicherheit des Statoraufbaus insgesamt.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel, das in den Figuren 1 , 2b, 3a und 3b zu sehen ist, ist wiederum jedes Segmentteil 1 1 b aus drei Modulteilen 13b, 14b und 15b zusammengesetzt. Hier verlaufen aber die Grenzflächen zwischen dem Mittel-Modulteil 14b und den angrenzenden Deckel- bzw. Boden-Modulteilen 13b, 15b parallel zur Mittelachse 8 und daher senkrecht zur Drehachse 7. Dieser Grenzflächenverlauf ist zwar unter Stabilitätsgründen etwas weniger günstig als bei dem ersten Ausführungsbeispiel, führt aber zu einer weniger komplexen Bau- art der einzelnen Modulteile 13b, 14b, 15b, weil rechte Winkel generell einfacher zu handhaben sind und insbesondere eine leichtere Lagerung und Transportfähigkeit mit sich bringen.

In den Figuren 3a und 3b ist der gesamte Statoraufbau des zweiten Ausführungsbeispiels nochmals in einer perspektivischen Ansicht von schräg oben bzw. schräg unten dargestellt. Die Modulteile sind so zusammengesteckt, dass das Deckel-Modulteil 13b und das Boden-Modulteil 15b an einem Außenum- fangsabschnitt jeweils axial leicht gegenüber den Mittel-Modulteilen 14b abgesetzt sind und dazwischen jeweils eine Ringnut 19a, 19b bleibt. Die untere Ringnut 19a kann zur Befestigung eines (nicht dargestellten) Ständers dienen. Die obere Ringnut 19b kann beispielsweise zur Aufhängung des Stators verwendet werden.

Diese Ringnuten 19a, 19b sind in der Fig. 2b nicht dargestellt, da diese rein schematischen Ansicht nur das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Segmentierung von Bauteilen verdeutlichen soll. In den Figuren 1 , 2a und 2b sind die Modul- bzw. Segmentteile auch separiert dargestellt, um einen besseren Eindruck der Verbindungsweise der einzelnen Teile untereinander zu ermöglichen.

Der insgesamt hohlzylindrische Aufbau des Stators lässt sich anhand der Figuren 3a und 3b besonders gut erkennen. Dabei bilden die vier Deckel-Modulteile 13b und die vier Boden-Modulteile 15b zusammen jeweils die beiden Grund- flächen des Hohlzylinders und die vier Mittel-Modulteile 14b dessen Mantelfläche. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel bilden die Mittel-Modulteile 14b auch gleichzeitig die schräg verlaufenden Statorblätter 4 aus. Alternativ ist es aber auch möglich, dass separate Statorblätter 4 oder Teile davon in die Mittel-Modulteile 14b eingesetzt und von diesen nur gehalten werden.

Das Deckel- und das Boden-Modulteil 13b und 15b sind in der Draufsicht im Wesentlichen ringsegmentförmig, so dass sich von oben gesehen in der Mitte des Stators eine kreisförmige Aussparung 17 bildet, in der mittels eines geeigne- ten Rotorlagers (nicht gezeigt) die in der Figur 2b gezeigte Rotorachse 7 angeordnet ist. Eine entsprechende kreisförmige Aussparung 17 bildet sich auch durch ein Zusammensetzen der Boden-Modulteile 15b, wobei hier vorzugsweise der Generator (nicht gezeigt) untergebracht und an den einzelnen Boden-Modulteilen 15b befestigt wird. Außerdem weisen die einzelnen Deckel- und Boden-Modulteile 13b und 15b auch axiale Lüftungsschlitze 18 auf, die eine Steigerung der Luftströmungseffizienz durch die Windkraftanlage und ihren Stator ermöglichen. Es sei darauf hingewiesen, dass weder die Aussparung 17 noch die Lüftungsschlitze 18 in der Draufsicht der Fig. 1 und der Seitenansicht der Fig. 2a oder 2b zu sehen sind, weil die Figuren 1 , 2a und 2b als rein schematische Ansichten derartige Details der besseren Übersichtlichkeit halber aussparen.

In den Figuren 4 und 5 ist eine weitere Variante der Erfindung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel dargestellt. Anders als bei den ersten beiden Ausführungsbeispielen wird jedes Segmentteil 1 1 c bei dem dritten Ausführungsbeispiel nicht aus drei Modulteilen sondern nur aus zwei Modulteilen 13c und 15c zusammengesetzt.

Die Fig. 4 zeigt ein Deckel-Modulteil 13c gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel in einer perspektivischen Ansicht. Ein baugleiches Boden-Modulteil 15c lässt sich mit diesem über die Steckverbinder 16 verbinden, um so das Segment- teil 1 1 c zu bilden, das sich zusammen mit drei baugleichen weiteren Segmentteilen 1 1 c zu dem gesamten Statorgrundgerüst zusammensetzen lässt. Anders als beim ersten und zweiten Ausführungsbeispiel weist das Deckel-Modulteil 13c nicht nur einen Deckelbereich 29 auf, sondern auch axial verlaufende Streben 28, die mit entsprechenden axialen Streben des Boden-Modulteils 15c die Mantelflä- che des Stator-Hohlzylinders bilden, und dadurch das Vorsehen eines Mittel-Modulteils erübrigen. Der Montageaufwand wird dadurch gegenüber dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel noch geringer.

Wie in der Fig. 5 zu sehen ist, lässt sich in dem durch vier Deckel-Modulteile 13c und vier Boden-Modulteile 15c aufgebaute Statorgrundgerüst der Rotor mit den Rotorschaufeln 5 unterbringen. Außerdem wird entlang der axialen Streben 28 jeweils ein Statorblatt 4 eingesetzt, das durch das Statorgrundgerüst gehalten wird und seitlich auf die Windkraftanlage einströmende Luft auf die Rotorschaufeln 5 lenkt. Alternativ ist es aber auch möglich, die Streben 28 so zu verbreitern, dass sie - ähnlich wie in den Figuren 3a und 3b - selbst die Statorblätter 4 bilden.

In den Figuren 6a und 6b ist der Gesamtaufbau der Windkraftanlage des vierten Ausführungsbeispiels in einer perspektivischen Ansicht von schräg oben bzw. schräg unten dargestellt. Hier ist der Stator aus zehn baugleichen und im wesentlichen kreissektorförmigen Segmentteilen 1 d zusammengesetzt. Jedes Segmentbauteil 1 d ist wiederum aus einem Deckel-Modulteil 13d, einem Boden- Modulteil 15d und einem das Statorblatt 4 bildenden Mittel-Modulteil 14d zusam- mengesetzt. Die Verbindung der einzelnen Modulbauteile 13d, 14d, 15d untereinander wird ebenso wie die Verbindung der einzelnen Segmentbauteile 1 1 d miteinander vorteilhafterweise durch Schraub- und/oder Steckverbindungssysteme hergestellt.

Innerhalb des im wesentlichen hohlzylindrischen Gesamtaufbaus des Sta- tors aus den zehn Segmentbauteilen 1 1 d befindet sich der Rotor mit den insgesamt ebenfalls zehn Rotorschaufeln 5, die drehbar um die Drehachse 7 gelagert sind. Dazu befindet sich in einer durch die Deckel-Modulteile 13d gebildeten zentrischen Aussparung 17 ein Radiallager zur drehbaren Lagerung des oberen Endes der Rotor-Drehachse 7. Das untere Ende der Drehachse 7 ist mit dem Gene- rator zur Energiegewinnung gekoppelt. Wie in der Fig. 6b dargestellt, ist das Generatorgehäuse 10 dazu in einer durch die Boden-Modulteile 15d gebildeten zentrischen Aussparung untergebracht und direkt an den radial innen liegenden Enden der einzelnen Boden-Modulteile 15d befestigt. Zur Befestigung eignen sich hier besonders Schraubverbindungssysteme.

Die in der Draufsicht rotationssymmetrische Anordnung und Befestigung der einzelnen Deckel- und Boden-Modulteile 13d, 15d mit der jeweils zentrischen Aussparung 17 hat sich als besonders stabile und montagefreundliche Verankerungsmöglichkeit für Rotor und Generator am Statorgrundgerüst erwiesen. Lüftungsschlitze 18 in den Deckel- und Boden-Modulteilen 13d, 15d sorgen wie schon bei den anderen Ausführungsbeispielen für eine ausreichende Luftzufuhr und Luftabfuhr in axialer Richtung.

Zusammenfassend wird bei der Vertikal-Windkraftanlage der Erfindung der Stator, bzw. ein die Statorblätter 4 tragendes Statorgrundgerüst in Modulbauweise vollständig aus mindestens zwei baugleichen Segmentbauteilen 1 1 a-d zusam- mengesetzt. Die einzelnen Segmentbauteile 1 1 a-d können wiederum aus Modulbauteilen 13a-d, 14a-b, 14d, 15a-d aufgebaut sein, von denen die Deckel-Modulteile 13a-d und die Boden-Modulteile 15a-d wiederum vorzugsweise baugleich sind. Auf diese Weise wird sowohl der fertigungstechnische Aufwand gering gehalten als auch eine einfache Montage des Statorgrundgerüsts ermöglicht. Bezugszeichenliste

4 Statorblatt

5 Rotorschaufel

7 Drehachse

8 Mittelachse

10 Generatorgehäuse

11a-d Segment(bau)teil

12, 16 Steckverbinder

13a-d Deckel-Modul(bau)teil

14a-b, 14d Mittel-Modul(bau)teil

15a-d Boden-Modul(bau)teil

17 Aussparung

18 Lüftungsschlitze

19a-b Ringnut

21 -24 Trapez-Seitenwände

26, 27 Grenzflächen-Seitenwände

28 Streben

29 Deckelbereich