Titel: Windenergieanlage mit horizontaler Rotorachse und mit unten liegendem Antrieb

[0001] Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage für große Bauhöhen und Megawattleistungen mit horizontaler Rotorwelle und unter der Nabenhöhe liegendem Antrieb, bei der der gesamte Turm mit den Rotorblättern in den Wind gestellt wird.

Stand der Technik

[0002] Windenergieanlagen mit horizontaler Rotorwelle führen das durch den Wind über die Rotorblätter erzeugte Drehmoment in der Regel in Nabenhöhe auf der drehbaren Gondel über eine horizontale Antriebswelle entweder über ein Getriebe auf die Generatorwelle oder im Falle eines getriebelosen Antriebes je nach Bauart direkt auf den Rotor oder Stator des Generators. Diese traditionelle Bauweise ist in Fig.l dargestellt und wird am Anfang des Ausführungsbeispiels näher beschrieben

[0003] Sie bringt mit sich, dass alle Energie erzeugenden und Energie fortleitenden Antriebsteile in der Nähe der Rotorachse, also der Nabenhöhe der Windenergiean- läge liegen.

[0004] Aus der Druckschrift DE 202009 009 517 Ul ist weiterhin eine Windenergieanlage mit horizontaler Welle und mit drehbarem Turm bekannt, wobei die Aufgabe dieser Erfindung darin besteht, den Drehantrieb für die Gondel anders und einfacher zum Drehen des Turmes nach unten zu verlegen.

[0005] Aus der Druckschrift DE 102008024829A1 ist eine Windkraftanlage bekannt, bei der der Generator im Bereich des Bodens angeordnet ist, eine Kraftübertragungseinrichtung vom Rotor zum Generator und einen Schwungspeicher mit Kupplungseinrichtung aufweist, der die Schwungmasse erst ab einer bestimmten Mindestdrehzahl des Generators in Bewegung setzt.

[0006] Aus dem Standardwerk der Fachliteratur über Windenergieanlagen: Erich

Hau, Springer- Verlag 2008, Grundlagen, Technik, Einsatz von Windkraftanlagen; und Siegfried Heier, Windkraftanlagen 2009, Verlag Vieweg und Teuber; sind darüber hinaus Lösungen über untenliegende Antriebe für kleinere Windenergieanla- gen mit horizontaler Rotorachse bekannt, die über einen Kegeltrieb an der Rotorwelle in Nabenhöhe die Antriebsleistung über eine starre Welle durch den Turm nach unten führen und im Turmfuß entweder das Getriebe mit dem Generator in vertikaler Anordnung oder durch einen weiteren Kegeltrieb der Generator in horizontaler Lage angeordnet ist. Diese Art der Kraftübertragung von der oberen Rotorwelle zur unteren Generatorwelle ist nur bei Windenergieanlagen begrenzter Bauhöhen und Leistungen wirtschaftlich anwendbar.

Aufgabe der Erfindung

[0007] Aufgabe der Erfindung ist es, die Folgewirkungen der in Nabenhöhe zunehmenden Eigenmassen und Abmessungen für immer größer werdende, ausgeführte Windenergieanlagen auf das Schwingungssystem, die Standsicherheit und die Festigkeit des Systems nachhaltig einzudämmen; weiterhin die zunehmenden Aufwendungen für die Montage und Teilung dieser größer und schwerer werdenden Bauteile in immer größerer Nabenhöhe zu begrenzen und die Übereinstimmung der Hebezeuganforderungen für die Montage sowie die Möglichkeiten für Hersteller und Dienstleister zu fördern, alle Aufgaben des Service, der Wartung und erforderlicher Unterhaltungsmaßnahmen nicht in Nabenhöhe ausführen zu müssen, und mit wesentlich geringerem Aufwand und Risiko in niedrigerer Höhe zu beherrschen.

[0008] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Antriebskonzept der Windenergieanlage neu aufgebaut wird und die entscheidenden masseintensiven Bauteile des Antriebsstranges von der drehbaren Gondel in Nabenhöhe in niedrigere Bauhö- he unterhalb der Nabenhöhe auf eine Anordnungshöhe zwischen Drehverbindung für den Turm und Nabenhöhe zu verlegen. In Nabenhöhe auf dem Turm verbleibt nur noch die Lagerung der Rotorwelle mit der Rotornabe samt Rotorblättern. Eine drehbare Gondel ist nicht erforderlich und auch nicht mehr vorgesehen.

[0009] Das in Nabenhöhe mit den Rotorblättern aus dem Wind gewonnene Dreh- moment wird über die Rotornabe mit seiner Drehzahl auf eine obere oder mehrere obere Seiltreibscheiben, die auf der Rotorwelle angeordnet sind und über einen die- ser Leistung entsprechenden ein- oder mehrteiligen Treibscheibentrieb verfügen, in den Bereich des unterhalb der Nabenhöhe angeordneten Antriebes übertragen.

[0010] Die unterhalb der oberen angeordnete zweite Treibscheibe oder die mehreren Treibscheiben mit einem Getriebe und/oder einem Generator können dabei in der Vertikalen frei beweglich, vorzugsweise pendelnd, angeordnet sein, dass sie zugleich als Spanngewicht dienen. Die Kombination aus Treibscheiben mit einem Getriebe und/oder einem Getriebe kann vorzugsweise auch als Koepetrieb ausgebildet sein.

[0011] Weiterhin bevorzugt können an den unteren Seiltreibscheiben mit dem Ge- triebe und/oder dem Generator automatisch zu- und abschaltbare Zusatzgewichte vorgesehen sein, die je nach Höhe des gemessenen Bedarfs die Vorspannung des Endlosseiltriebes bedarfsgerecht regeln.

[0012] Schließlich kann als Variante die Regelung der Vorspannung statt mit Variation von Gewichten durch ein Hydrauliksystem erfolgen.

[0013] Oberhalb der Plattform kann bei mehrteiligem Seiltrieb jeder Seilstrang einzeln eine Seilspannvorrichtung erhalten, da jedes Seil minimale Längendifferenzen besitzen kann. Von der Lagerung der unteren Seiltreibscheibe aus kann der weitere Antriebsstrang entweder zweifach nach jeder Seite oder einfach nach einer Seite angeordnet sein.

[0014] Der Turm einschließlich der oberen und unteren Antriebsteile ist über dem

Fundament oder in anderer Höhe mittels einer geeigneten Drehmöglichkeit als Kreisbahnträger, als Rollendrehverbindung oder in gemischter Bauweise mit zentrischer Bolzenhalterung und kreisfönniger Roll- oder Laufbahn drehbar gelagert und wird - wie bisher die Gondel auf dem Turm - nunmehr als Turm ohne Gondel jedoch mit Antriebssystem unterhalb der Nabenhöhe automatisch in den Wind gestellt.

[0015] Der Vorteil der Erfindung liegt in der Verlegung des Antriebsstranges von der bisherigen Lage in der Gondel in Nabenhöhe in tiefere Lagen unterhalb der Nabenhöhe bis hinab in den Turmfuß bzw. neben dem Turmfuß auf dem drehbaren Teil der Plattform über der Drehverbindung

[0016] - zur Verbesserung des dynamischen Schwingungssystems der gesamten Windenergieanlage, [0017] - zum Vermeiden der Montage besonders schwerer Bauteile von sehr großen Windenergieanlagen, insbesondere kompletter getriebeloser Antriebe der Megawattklasse wegen des Fehlens von Hebezeugen in den zugehörigen Nabenhöhen,

[0018] - im Vermeiden hoher Kosten für das Teilen und Fügen schwerer Bauteile in diesen Höhen aus gleichem Grunde und

[0019] - insbesondere in der entscheidenden Verbesserung aller Service- und Unterhaltungsarbeiten am Antriebsstrang durch Anordnung unterhalb der Nabenhöhe bis zur Anordnung in Flurhöhe.

Ausführungsbeispiel

[0020] Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der nachfolgenden rein illustrativen und in keiner Weise beschränkenden Beschreibung und den dazugehörigen Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausfüh- rungsbeispieleAusfuhmngsbeispieleAusführungsbeispiele dargestellt sind. Es zei- gen:

[0021] Fig.l eine Windenergieanlage nach dem Stand der Technik in geschnittener Darstellung als Seitenansicht,

[0022] Fig. 2a eine Windenergieanlage in erfindungsgemäßer Ausführung mit Seiltreibscheibentrieb im drehbaren Turm oberhalb der Drehverbindung in geschnitte- ner Darstellung in Seitenansicht,

[0023] Fig. 2b eine Windenergieanlage in erfmdungsgemäßer Ausführung mit Seiltreibscheibentrieb am drehbaren Turm oberhalb der Drehverbindung in geschnittener Darstellung in Seiten- und Rückansicht;

[0024] Fig. 2c eine Windenergieanlage in erfindungsgemäßer Ausführung mit An- Ordnung des Antriebes unterhalb der Nabenhöhe in beispielsweise halber Höhe des Turms mit Drehbarkeit des oberen Turmteils ab dieser Höhe und mit der unteren Treibscheibenanordnung in dieser Höhe;

[0025] Fig. 2d eine Windenergieanlage in erfindungsgemäßer Ausführung mit Seiltreibscheibentrieb am drehbaren Turm und bei Verwendung eines integrierten Koe- petriebes als Antriebszentrale in pendelnder Aufhängung des Koepetriebes einschließlich der unteren Treibscheibe und der zugehörigen Spannvorrichtung [0026] Fig. 3 eine Windenergieanlage in erfindungs gemäßer Ausfuhrung nach Fig.2a in einer um 90° gedrehten Darstellung mit einer pendelnden Spannvorrichtung

[0027] Fig. 4 eine Windenergieanlage in erfmdungsgemäßer Ausführung mit einer Kreisringbahn großen Durchmessers als Fundament, auf dem der Turm sich kreis- ringfahrend mit dem Rotor in den Wind dreht und der Einfach- oder Mehrfachantrieb von der zweiseitig gelagerten Rotorwelle über Endlosseiltriebe in einer oder mehreren Turmebenen unterhalb der Nabenhöhe und über der Kreisringbahn das gewonnene Drehmoment in den integrierten Koepegenerator oder in bisher übliche Generatorantriebe fortleitet.

[0028] Fig. 4a im Grundriss die Übersicht zum unteren Teil einer Windenergieanlage nach Fig.4 mit vierfacher Abstützung auf der Kreisringbahn und

[0029] Fig. 4b im Grundriss die Übersicht zum unteren Teil einer Windenergieanlage nach Fig.4 mit dreifacher Abstützung auf der Kreisringbahn.

[0030] Die Windenergieanlage nach Fig.l mit horizontal angeordnetem Antriebssystem 7, bestehend aus Kupplung, Getriebe und Generator, in bisher gewohnter Bauweise nach Fig.l vereint oberhalb des im Fundament 1 verankerten Turms 2 eine kippsichere Drehverbindung 8 mit Drehantrieb. Diese Drehverbindung 8 nimmt oberhalb des Turmes eine drehbare Gondel 4 auf, in der in Nabenhöhe 3 alle Funktionsbauteile des Rotorblattsystems mit Rotornabe 5 und den Rotorblättern 6 sowie das Antriebssystem 7 mit Lagerung, Kupplung, Getriebe und Generator, und eine Schutzhauskonstruktion 9 angeordnet sind.

[0031] Die Summe aller Eigenmassen auf der drehbaren Gondel 4 in Nabenhöhe 3 nimmt mit steigender Nabenhöhe 3 und größeren Rotorblattdurchmesser 6, insbesondere im Zusammenhang mit dem Bemühen um getriebelose Antriebe im Bereich von Megawattleistungen in Relation zur Turmeigenmasse in solchem Maßstab zu, dass neue Bauweisen als getriebelose Antriebe und neue konstruktive Anordnungen des gesamten Antriebssystems gesucht werden und zweckmäßig wären.

[0032] Die Windenergieanlage mit horizontalem Rotor in erfindungsgemäßer Bauart besitzt nach den Fig. 2a,b, c, d und Fig. 3 in Nabenhöhe anstelle der drehbaren Gondel 4 nach Fig.l einen drehbaren Turm 2. Dazu ist über dem Fundament 1 und in beliebiger Höhe über dem Turmfuß eine Drehverbindung 16 mit einem Dreh- werk angeordnet. Solche Drehwerke sind von anderen Großhebezeugen bekannt und bereiten in der praktischen Ausfuhrung für Windenergieanlagen keine Probleme.

[0033] Das komplette Antriebs System ist erfindungsgemäß nach Fig.2c im oder am drehbaren Turmteil 2a in beliebiger Höhe angeordnet.

[0034] Die Windenergieanlage mit horizontalem Rotor in der dargestellten Bauart besitzt nach Fig. 2c in beliebiger Höhe des Turmes unterhalb der Nabenhöhe 3 eine Drehverbindung 16 mit einem oder mehreren Drehantrieben, wobei der drehbare Turmteil 2a eine entsprechende Plattform zur Aufnahme der unteren ein- oder mehrteiligen Treibscheiben 4 oder eines integrierten Koepetrieb 8 samt Lagerung mit Spanneinrichtung 7 als Antriebszentrale in pendelnder oder kardanisch aufgehängter Ausführung besitzt.

[0035] Am Turmkopf (Fig. 2a,b,c ) ist die Rotornabe 5 mit den Rotorblättern 6 drehbar gelagert. Auf der Rotorwelle 10 ist eine obere oder mehrere obere Seil- treibscheiben 1 1 I Ia verdrehfest angeordnet, über die ein eingliedriger oder mehr- gliedriger Seiltrieb zur unteren Seiltreibscheibe 12 geführt wird. Dadurch wird das aus dem Wind über die Rotorblätter 6 gewonnene Drehmoment vertikal zur unteren Seiltreibscheibe 12 übertragen.

[0036] Die untere Seiltreibscheibe 12 nach Fig. 2a,b,c kann das Drehmoment ohne weitere Unter- oder Übersetzung direkt auf zwei getriebelose Antriebe 15 auf beiden Seiten der Seiltreibscheibe 12 oder auf einen getriebelosen Antrieb 15 auf einer Seite der Seiltreibscheibe 12 fortleiten.

[0037] Die untere Seiltreibscheibe 12 kann auch als komplette Antriebseinheit - wie im System der integrierten Koepetriebe bekannt - aufgebaut sein, indem im In- neren der Treibscheibe 12 der Stator und Rotor des getriebelosen Generators angeordnet ist. Die untere Seiltreibscheibe 12 und zugehörige Antriebssystemteile sind gemeinsam auf einer Plattform 13 aufgebaut. Diese Plattform 13 ist mittels gelenkiger Aufhängung oder geeigneten vertikalen Führungen als Spanngewicht für den gesamten Seiltrieb wirksam.

[0038] Um zwischen den Drahtseilen des Seiltriebes möglicherweise bestehende

Längendifferenzen ausgleichen zu können, können nach Fig.3 separate, auf jeweils ein Seil wirkende Spannvorrichtungen 14 vorgesehen werden. [0039] Für den Fall, dass der Generator eine andere Drehzahl erhalten soll als die obere Seiltreibscheibe 1 1 von der Rotorwelle 10 nach unten abgibt, kann die untere Seiltreibscheibe 12 mit anderem Durchmesser ausgeführt werden oder in sich mit einem ein- oder mehrstufigen Planetentrieb ausgestattet sein.

[0040] Anstelle der in Fig. 2a bis 2c und Fig.3 dargestellten kippsicheren Drehverbindung 16 zwischen dem oberen und unteren Turmteil oder zwischen Turm und kippsicherer Drehverbindung kann nach Fig. 4, 4a und 4b eine standsichere Bauweise mit einer Kreisringbahn 17 gewählt werden, auf der sich der entsprechend ausgeführte Turmfuß 2 mit vier Laufradgruppen oder mit drei Laufradgruppen einschließlich der Fahrantriebe abstützt.

[0041] In Fig .4 wird dargestellt, wie der Rotor zweiseitig statisch bestimmt und mittig im Turm gelagert ist. Die Rotorwelle trägt rechts und / oder links neben der Rotorwellenlagerung die oberen Treibscheiben, die das Drehmoment über Endlosseiltriebe auf die unteren Treibscheiben bzw. auf die Integrierten Koepegeneratoren übertragen.