Titel: Windenergieanlage mit horizontaler Rotorwelle und mit drehbarem Turm

[0001] Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage für große Bauhöhen und Leis- tungen über 5 Megawatt nach dem Oberbegriff des 1. Patentanspruchs. Mit solchen

Anlagen können bei Nabenhöhen von über 150 m und Rotordurchmesser bis 200 m erreicht werden. Die Gesamthöhen dieser Anlagen können damit über 200 m bei Eigenmassen von mehr als 1000 1 betragen.

[0002] Windenergieanlagen, die in den letzten beiden Jahrzehnten entwickelt und hergestellt wurden, zeichnen sich durch weitgehend übereinstimmende Bauweise aus.

Über einem vom Standort und Boden abhängig ausgebildeten Fundament ist der darauf befestigte Turm entsprechend der beabsichtigten Nabenhöhe als ruhender, nicht drehbarer Turm errichtet und oberhalb des Turmes in Nabenhöhe die mit dem Rotor und Antrieb versehene Gondel drehbar aufgebaut.

[0003] Eine solche Windenergieanlage ist beispielsweise aus der Druckschrift DE 10

2008 023 109 AI bekannt. Sie besteht im Wesentlichen aus dem Turm, der feststehend auf einem Fundament angeordnet ist. Das obere Ende dieses Turmes ist mit einer kippsicheren Drehverbindung und einem Drehantrieb versehen. Die Drehverbindung nimmt die Gondel mit dem Rotornabenlager, der Rotornabe und den Rotorblättern auf. Wei- terhin sind auf der Gondel noch alle notwendigen Funktionsbauteile des Antriebs- und

Kontrollsystems untergebracht. Eine Schutzkonstruktion umhaust die Gondel komplett.

[0004] Die Gesamtmasse der Bauteile mit der Gondel beträgt gegenwärtig bei 5 bis 6 MW Leistung ca. 250 - 300 t, im Spitzenfall über 600 t. Für Windenergieanlagen mit noch größerer Leistung werden diese Bauteilmassen und -großen mit den bekannten Spezialhebezeugen kaum noch beherrschbar sein und zu erheblichen Kosten und großer Zeitdauer bei der Errichtung, aber auch bei der Unterhaltung der Anlagen führen.

[0005] Mit der zunehmenden Erfahrung und stärkeren wissenschaftlich-theoretischen Durchdringung des Entwicklungsprozesses sowie durch den steigenden Druck zum verstärkten Einsatz regenerativer Energien werden immer größere Anlagen entwickelt.

[0006] Die Nabenhöhen betragen inzwischen mehr als 125 m. Die Rotoren entwickelten sich bis über 130 m Durchmesser. Die Leistungsgrößen der Anlagen stiegen bis in die unteren Bereiche der Megawattklasse. [0007] Das gegenwärtige Jahrzehnt ist gekennzeichnet von Entwicklungen über 5 MW, von Rotordurchmessern bis 160 m und zunehmenden Einsatz getriebeloser Generatoren.

[0008] Die damit einhergehende Vergrößerung der Bauteile und zunehmende Eigen- massen stellen ständig höhere Anforderungen an die zur Montage der Anlagen erforderlichen Hebezeuge. Auch immer wieder infrage kommende Reparaturen oder Teiletausch benötigen leistungsstarke Hebezeuge. Man versucht, neue Bauweisen einzuführen, die schwere Antriebsteile in Nabenhöhe vermeiden oder schwere Antriebsteile leichter montierbar gestalten, z.B. statt einem 6 MW-Generator zwei 3 MW- Generatoren einzusetzen.

[0009] Aus der Druckschrift DE 20 201 1 108 484 U„Windenergieanlage mit horizontaler Rotorachse und mit unten liegendem Antrieb" ist eine solche neue Bauweise bekannt geworden, indem der gesamte Turm mit seinen Rotorblättern in den Wind gestellt wird und das aus dem Wind gewonnene Drehmoment über die Rotornabe und ei- nen Koepe-Seiltrieb über eine obere Seiltreibscheibe zur unteren Seiltreibscheibe am

Turmfuß und dort auf die Antriebseinheit mit Generator weitergeführt wird. Durch diese Anordnung der Antriebseinheit am Turmfuß werden gegenüber der Anordnung auf der Gondel günstigere statische Verhältnisse erreicht und es werden zur Montage und Wartung einer so ausgerüsteten Windenergieanlage keine so große und für hohe Lasten ausgelegte Hebezeuge benötigt. Mit solchen werden hohe Leistungen zur Energiegewinnung im Bereich großer Megawattleistungen möglich. Solche Windenergieanlagen werden Nabenhöhen von über 150 m und Rotordurchmesser von 200 m erreichen und damit Gesamthöhen von über 200 m bei Eigenmassen von über 1000 t besitzen. Diese so großen Windenergieanlagen sollen an den für sie typischen Einsatzorten mit be- kannten Hebezeugen montierbar sein.

[0010] Die feststehenden Türme der bisherigen Bauweise werden durch die auf den Rotor von vorn wirkende Windkraft und durch die hinter der Drehmitte auf dem Turm angeordneten Gondel wirkenden vertikalen Belastungen durch die Bauteilmassen der die Energie gewinnenden mechanischen und elektrischen Antriebseinheit gleichgerich- tet summarisch belastet. Da sich die Windrichtung und damit die Gondel ringsum den

Turm drehen, wird dieser statisch und dynamisch ebenso ringsum belastet. [001 1] Die angestrebte Vervielfachung der jetzt erreichten Leistungsgrößen der Windenergieanlagen verlangt größere Rotordurchmesser, gleichzeitig höhere Nabenhöhen und schwerere und größere Antriebseinheiten.

[0012] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Lösungskonzept für Windenergieanlagen mit gegenüber ihrer Standfläche drehbarem Turm zu schaffen, das die bisherige Belastungsart der Turmkonstruktion entscheidend günstiger und insgesamt die über 200 m hohen Anlagen gegen alle extremen Witterungsunbilden standsicher gestaltet.

[0013] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruches 1 gelöst, wobei zweckmäßige Ausführungsformen durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche beschrieben sind.

[0014] Vorgesehen ist dabei eine Windenergieanlage, mit einem Turm, einer an einem Ende des Turmes gelagerten und mit Rotorblättern versehenen Rotorwelle, einem mit der Rotorwelle gekoppelten Antrieb sowie einem am anderen Ende des Turmes angeordneten Drehlager zur drehbaren Lagerung des Turmes auf einem Fundament, so dass der Turm insgesamt je nach dem, aus welcher Richtung der Wind zu einem bestimmten Zeitpunkt weht, gedreht werden kann. Die drehbare Lagerung des Turmes auf dem Fundament muss dabei kippsicher ausgeführt sein, um die auf den Turm lastenden Biegemomente auffangen zu können. Eine gegenüber dem Turm verdrehbare Gondel entfällt damit. Nach Maßgabe der vorliegenden Erfindung ist der Turm dabei zumindest im Rotordrehbereich als Doppelturm mit zwei Turmteilen ausgebildet ist.

Die Rotorwelle kann dabei in vorteilhafter Weise statisch bestimmt auf beiden Turmteilen gelagert sein wobei die Rotorblätter zwischen den Turmteilen rotieren

[0015] Aufgrund der Tatsache, dass der Turm vollständig in die jeweils optimale Richtung gedreht werden kann, ist es möglich, den Turm an sich aerodynamisch opti- mal zu gestalten. Um die auf dem Turm lastenden durch den Wind erzeugen Kräfte zu reduzieren, kann daher der Querschnitt der Bauelemente des Turmes zumindest im oberen, von dem Rotor überstrichenen Bereich als aerodynamisches günstiger Querschnitt ausgebildet sein, wobei insbesondere Flügelprofile, elliptische Profile oder ähnliche zum Einsatz kommen können. Das aerodynamische Profil ist dabei vorzugsweise so zu wählen, dass der vor dem Turm entstehende Staudruck auf der Luvseite des Turmes deutlich gesenkt wird, was sich auf positiv auf die Gesamtauslegung und Dirnen- sionierung der Gesamtanlage auswirkt. Vorteilhafter Weise können dabei auch stabilisierende Umströmungseffekte erzielt werden.

[0016] Der minimale Abstand zwischen den beiden Turmteilen entspricht zumindest im Rotordrehbereich vorzugsweise der doppelten maximalen Auslenkung der Rotor- blattspitzen durch Verformung zuzüglich eines Sicherheitsabstandes.

[0017] Weiterhin bevorzugt kann zumindest ein Turmteil in Höhe der Rotornaben mit einer Plattform versehen sein, wobei auf der zumindest einen Plattform auch der mit der Rotorwelle kuppelbare Generator mit oder ohne Getriebe angeordnet sein kann o- der ein mit der Rotorwelle kuppelbares Abtriebselement, das in einer Drehmoment übertragenden Verbindung mit einem korrespondierenden Antriebselement im unteren Bereich des Turmes steht, das mit dem Generator kuppelbar ist.

[0018] Ebenso bevorzugt kann das Abtriebselement wie auch das Antriebselement eine Treibscheibe sein, die über zumindest eine Seilschlaufe als Koepetrieb miteinander verbunden sind.

[0019] Weiterhin bevorzugt kann die Seilschlaufe als vulkanisiertes Flachband oder als ähnlicher, entsprechender verstärkter Flachriementrieb ausgebildet sein, um die Lebensdauer der Seilschlaufe bzw. des Seiltriebes bei gleichzeitiger Verringerung des Eigengewichtes der Seilschlaufe zu erhöhen sowie die Durchmesser der Treibscheiben zu optimieren.

[0020] Das Antriebselement und der Generator können auch als integrierte Einheit ausgebildet sind, wobei im Falle des Einsatzes von Treibscheiben die Komponenten des Generators innerhalb der unteren Treibscheibe angeordnet sein können. Die An- und Abtriebselemente sind dabei vorzugsweise von einer jeweiligen Umhausung umgeben, zum Schutz gegen äußere Einflüsse.

[0021] Schließlich ist ein Fundament zur Aufnahme einer Windenergieanlage gemäß der Erfindung vorgesehen, wobei auf dem mehrteiligen Fundament ein mehrteiliger Ständer verankert ist, der zur Aufnahme des Turms oben eine waagerechte Kreisbahn und zentrisch eine kippsichere Drehverbindung oder ein zentrierendes Lager aufnimmt.

[0022] Der gesamte drehbare Turm, der automatisch mit seinem Rotor in den Wind gestellt werden muss, ist also als Doppelturm ausgebildet, der zumindest auf seiner Frontseite vorsätzlich aerodynamisch günstig gestaltet ist, so dass der Turmvorstau verringert wird. Ein günstig gewählter Turmquerschnitt in Belastungsrichtung des Windes und der Antriebseinheit gestattet, diesen Turm mit geeigneter Anschlusskonstruktion auf eine große, mehrachsige, kippsichere Drehverbindung oder eine Kreisringbahn mit einem zentrierenden Lager mit Drehantrieb zu stellen und damit ringsum standsicher zu gestalten.

[0023] Nochmals größere Anlagen erhalten einen Doppelturm, der von zwei gegenüber angeordneten Teiltürmen gebildet wird, die im unteren Bereich zu einem im Querschnitt einteiligen Turmkörper zusammengeführt werden können und damit die Standflächen mittels geeigneter Laufräder oder Fahrwerke auf dem entsprechend großen Drehkreis mit Fundamenten unter der Fahrbahn dimensioniert werden.

[0024] Der Doppelturm bietet die Möglichkeit, auch die größten Rotordurchmesser in

Nabenhöhe zweiseitig stabil zu lagern und von dieser Rotornabe aus einseitig oder beidseitig Antriebseinheiten anzuschließen; z.B. mit Koepetrieb das Drehmoment nach unten zu übertragen. Eine solche Lösung ist aus der Druckschrift DE 20 2011 108 484 U bekannt. Diese Antriebseinheiten liegen somit unten, unmittelbar über dem Dreh- kreis des Turmes und sind für Montage- und Wartungsarbeiten gut und sicher erreichbar.

[0025] Im Bereich der Rotorblattlänge wird der Doppelturm freigängig für den sich drehenden Rotor einschließlich der Rücksichtnahme auf die Durchbiegung der Blätter gestaltet.

[0026] Bei Anlagen mit größerer Grundfläche ist es vorteilhaft, ein Drehwerk mit einem zentrierenden Lager und einer koaxial dazu angeordneten Kreisringfahrbahn (als Rad-, Rollen- oder Kugellaufbahn) vorzusehen.

Ausführungsbeispiele

[0027] Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfmdungsgegenstandes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und zugehörigen Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Die Zeichnungen zeigen:

[0028] Fig. la eine Windenergieanlage als drehbarer Doppelturm mit untenliegender kippsicheren Kugeldrehverbindung und je einem oben angeordneten Antrieb auf jedem Turmteil in teilweise geschnittener Darstellung in einer Seitenansicht, [0029] Fig. lb eine Windenergieanlage als drehbarer Doppelturm mit untenliegender kippsicheren Kugeldrehverbindung und je einem oben auf beiden Seiten der Rotornabe angeordneten Koepetrieb, deren Antriebe jeweils auf dem Turmfuß angeordnet sind, [0030] Fig. 2 eine Windenergieanlage in einer weiteren Ausführung als drehbarem Doppelturm auf einer Kreisringbahn mit mittigem Lager und mit Fahrwerken sowie oben auf jeder Seite der Rotorwelle einem angeordneten Antrieb auf jeder Turmteilseite in einer Seitenansicht,

[0031] Fig. 3 die Windenergieanlage nach Fig. 2 in einer zweiten Ansicht,

[0032] Fig. 4 die Windenergieanlage nach den Fig. 2 und 3 in der Draufsicht und [0033] Fig. 5 eine Windenergieanlage nach den Fig. 2, 3, 4 in Seitenansicht für den besonderen Einsatz in aufge Ständerter Ausführung, indem der untere Turmteil auf Fundamenten feststehend verankert ist und ab einer erforderlichen oder gewünschten Höhe die weitere Anlage auf einer Kreisbahn und / oder Kugeldrehverbindung auf dem Turmfuß drehbar aufgestellt ist, wobei der untere Teil eines Koepetriebes dabei auf dem oberen drehbaren Teil des Doppelturmes unterhalb des Rotorbereiches liegt.

1. und 2. Ausführungsbeispiel

[0034] Die Windenergieanlagen nach beiden Ausführungen gemäß Fig. la, lb sowie Fig. 2 und 3 haben gemeinsam, dass sie aus einem Turm 2 bestehen, der als Doppelturm mit den beiden Teiltürmen 2a und 2b ausgebildet ist. Diese beiden Teiltürme 2a und 2b sind im Rotorblattbereich 10 so weit beabstandet, dass auch bei einer maximalen Verformung der Rotorflügel 6 bei böigem Wind ausreichend Sicherheit gegenüber jedem Teilturm 2a und 2b aufweisen. Unterhalb des Rotorblattbereiches 10 können beide Turmteile 2a und 2b durch eine Stahlkonstruktion 2c zu einer Einheit zusammengeführt werden oder sie werden getrennt bis zum Turmfuß 1 1 geführt und dort auf dem Fundament 1 drehbar gelagert.

[0035] Oben befindet sich auf den Teiltürmen 2a und 2b die Plattform 4. Diese Plattform 4 nimmt einseitig oder gegenüberliegend beidseitig die Lager 7 für die Rotornabe 5 mit den Rotorblättern 6 auf. Beiderseits der Rotornabe 5 ist nach dem in Fig. 2a dargestellten 2. Ausführungsbeispiel je ein Antriebsaggregat 8 angeschlossen. Ein solches Antriebsaggregat 8 kann entweder nur aus einem Generator oder einer Getriebe- Generator-Einheit bestehen. Es ist auch möglich, den Generator oder die Getriebe- Generator-Einheit nach dem in Fig. 2b dargestellten 3. Ausführungsbeispiel auf der Standfläche am Turmfuß 11 anzuordnen. Zur Übertragung des Drehmomentes von oben nach unten wird ein Ein- oder Mehrseiltrieb, bestehend aus einer oberen und einer unteren Seiltreibscheibe 19 und 20 (Koepetrieb) sowie einer beide Scheiben miteinander verbindenden Seilschlaufen vorgesehen. Eine solche Lösung ist in der Druckschrift DE 20 201 1 108 484 U offenbart.

[0036] Die Antriebsaggregate 8 werden durch eine Umhausung 9 geschützt, wobei optional auch die Treibseile 22 der Seilschlaufen selbst von einer Umhausung ge- schützt sein können. Zur Nachführung der Rotorblätter 6 in den Wind wird der gesamte

Turm 2 gegenüber dem Fundament 1 gedreht.

[0037] Der Turm 2 wird im Bereich der Turmteile 2a und 2b in seiner Detailkonstruktion auf der Luvseite aerodynamisch günstig geformt. Dadurch wird eine Verbesserung der Standsicherheit und des Wirkungsgrades der Anlage erreicht.

[0038] Bei der Windenergieanlage nach dem 1. und 2. Ausführungsbeispiel gem. Fig. la und lb sind die beiden Turmteile 2a und 2b beispielsweise als Rohrkonstruktion ausgebildet und unterhalb des Rotorblattbereiches 10 möglicherweise durch eine Stahlkonstruktion 2c miteinander verbunden. Bei Bedarf kann der Turm 2 unten mit einer Standfläche für die Antriebsaggregate 8 bzw. für die Anwendung des Koepetriebes und weitere Elektroanlagen versehen werden. Zwischen dem Turmfuß 1 1 und dem Fundament 1 wird als drehbare Lagerung eine mehrteilige kippsichere Kugeldrehverbindung 3 vorgesehen.

3. Ausführungsbeispiel

[0039] Die Windenergieanlage nach dem 3. Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 2 bis 4 unterscheidet sich von den vorherigen Ausführungsbeispielen dadurch, dass die beiden Turmteile 2a und 2b gemeinsam von unten nach oben als pyramidenförmig verlaufende Stahlträgerkonstruktion mit im Rotorblattbereich 10 auf der Luvseite aerody- namisch günstiger Form ausgebildet sind. Vom Turmfuß 1 1 bis zum um ein Sicherheitsmaß erweiterten Rotorblattbereich 10 ist der Doppelturm 2 miteinander verbun- den. Der untere Turmabschluss kann auf der Oberseite als Standfläche für Antriebe und Elektroanlagen 17 benutzt werden.

[0040] Ein solcher Turm 2 ist besonders dazu geeignet, das aus dem Wind gewonnene Drehmoment von der Rotornabe 5 zu den unten auf der Standfläche am Turmfuß 11 untergebrachten Antriebsaggregaten 8 per Koepetrieb zu übertragen. Dazu wird auf der

Abtriebswelle nach der Rotornabe 5 über eine erste Seiltreibscheibe das Drehmoment nach unten über einen Seiltrieb zu einer zweiten Seiltreibscheibe über eine Antriebswelle zu einem dort integrierten Generator übertragen. Diese Möglichkeit ist in den Zeichnungen nicht dargestellt, weil sie bereits aus der Druckschrift DE 20 2011 108 484 U bekannt ist.

[0041] Ein solches Bauwerk erreicht durch die vorgesehenen großen Rotorblattdurchmesser 13 Gesamtbauhöhen von über 200 m über dem Fundament 1 und muss mit seinen Bauteilgrößen und Gesamteigenmassen von über 1000 t eine entsprechend stabile und standsichere Ausführung für solche Maßstäbe erhalten.

[0042] In der Draufsicht der Windenergieanlage nach dem 3. Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 dargestellt, wie der Doppelturm 2 auf vier Fahrwerken 14 auf der Kreisringbahn 15, die als Rad-, Rollen- oder Kugellaufbahn ausgebildet sein kann, abgestützt wird. In der Kreismitte wird dieser Doppelturm 2 in seiner Drehachse 16 zusätzlich durch ein Lager 18 zentriert. Die Anzahl der vorgesehenen Fahrwerke 14 muss mindes- tens drei betragen und kann je nach Einsatzfall größer sein.

4. Ausführungsbeispiel

[0043] In der Zeichnung nach Fig. 5 ist ein 4. Ausführungsbeispiel dargestellt. Es un- terscheidet sich gegenüber dem 3. Ausführungsbeispiel dadurch, dass auf dem Fundament 1, das mehrteilig ausgebildet sein kann, ein Ständer 21 verankert ist, der oberhalb die Kreisringbahn 15 für das Fahrwerk 14 des Turms 2 sowie das zentrierende Lager 18 aufnimmt. Dadurch kann die Nabenhöhe der Windenergieanlage um die Höhe des Ständers 21 vergrößert und die zentrierende Lagerung, Fahrwerke und Kreisringbahn aus dem bodennahen Bereich herausgehoben und möglichen negativen Einwirkungen

(Verunreinigungen, Schneeverwehungen, Sabotage etc.) entzogen werden.