Gegenstand der Erfindung ist eine Windkraftanlage zur Nutzbarmachung von Windenergie, gekennzeichnet durch:

(a) einen Mast;

(b) n aufrechte Rotorblätter, die voneinander umfangs- mäßig beabstandet und von einer Drehachse radial beabstandet angeordnet sind; und

(c) eine von dem Mast zu den Rotorblättern führenden Tragstruktur für die Rotorblätter.

Die bisher wohl am weitesten verbreitete Bauart von Windkraftanlagen weist einen Rotor mit waagerechter Achse nach Art eines Flugzeugpropellers sowie einen üblichen Stromgenerator auf, der von dem Rotor über ein Getriebe angetrieben wird. Demgegenüber zeichnet sich die erfindungsgemäße Windkraftanlage dadurch aus, daß die Rotorblätter geringer belastet und deshalb dauer¬ hafter sind bzw. in einfacherer Bauweise ausgeführt werden können, insbesondere weil keine kombinierte, in zwei Richtungen angreifende Belastung aus Fliehkraft und Windkraft konzentriert an einer einzigen Stelle, der Rotorblattwurzel, angreift. Dies führt zu günstigen Voraussetzungen, daß erfindungsgemäße Windkraftanlagen mit hoher Leistung gebaut werden können und daß auch hohe Windgeschwindigkeiten genutzt werden können.

In den Ansprüchen 2 bis 12 sind bevorzugte Ausgestaltun¬ gen der Erfindung angegeben, die weiter unten noch ge¬ nauer erläutert werden. Hauptziel dieser Ausgestaltungen sind die Vereinfachung und Verbilligung der Tragstruktur für die Rotorblätter. Eine leichte und unaufwendig her¬ stellbare Tragstruktur trägt zu einer wesentlichen Verbilligung der gesamten Windkraftanlage bei.

In einer bevorzugten Ausführungsform bilden die Trag¬ struktur und die Rotorblätter eine gemeinsame, starre Einheit, die mit nur einem Lager oder mit nur zwei Lagern an dem Mast gelagert sein kann. Der äußere Bereich der Tragstruktur besteht vorzugsweise im wesent¬ lichen aus einer Reihe von in Umfangsrichtung verteilten, im wesentlichen tetraederförmigen Elementen, jeweils aufweisend vier Streben, eine Tangenti-alstrebe bzw. einen Umfangsabschnitt des inneren Bereichs und einen

Mittelabschnitt des betreffenden Rotorblatts. Wenn davon gesprochen ist, daß Streben "zusammenführen", dann bedeutet dies nicht zwingend ein Zusammenkommen dieser Streben an exakt einer Stelle; ein Zusammenkommen nahe zueinander erfüllt den gleichen Zweck. Analoges gilt für die Ausdrucksweise "Ausgehen von den Ecken"; ein Ausgehen vom Bereich der betreffenden Ecke ist völlig ausreichend. Die Ausdrucksweise "Streben führen "an" dem betreffenden Rotorblatt zusammen" bedeutet nicht zwin¬ gend, daß die Streben exakt an der Begrenzung des Rotor- blatts zusammenkommen; ein Zusammenführen in der Nähe des Rotorblatts erfüllt den gleichen Zweck.

Die in den Ansprüchen 13 und 14 angegebenen, weiter unten noch genauer erläuterten Ausgestaltungen der Erfindung führen dazu, daß der Mast mit geringerem Gewicht kon¬ struiert werden kann, was ebenfalls der Verbilligung der Windkraftanlage dient. Wenn von "Boden" gesprochen ist, dann soll dieser Begriff sowohl die Erdoberfläche an Land als auch den Meeresboden unter einer Wasser¬ schicht nicht zu großer Tiefe umfassen. Es ist ein bedeutsamer Aspekt der Erfindung, daß die Windkraft¬ anlage sich besonders gut zur Aufstellung in relativ flachen Meeresgebieten eignet. Gerade in derartigen Gebieten ist das mittlere Windangebot häufig besonders hoch. Außerdem muß durch den Betreiber der Windkraft¬ anlage nicht aufwendig und umständlich Baugrund be¬ schafft werden.

Die erfindungsgemäße Windkraftanlage läßt sich in zwei unterschiedlichen Auslegungen ausführen, nämlich mit stationärem Mast, um den sich die Tragstruktur, die- Rotorblätter und gegebenenfalls die Tragstruktur-Ab-

spannseile bzw. -Streben unter Windeinwirkung drehen, sowie mit rotierbarem, zentralem Mast, an den die Trag¬ struktur mitsamt den Rotorblättern und gegebenenfalls die Tragstruktur-Abspannseile bzw. -Streben fest ange¬ schlossen sind. Im letztgenannten Fall sind die Mast- Abspannseile bzw. die Mast-Schrägstützen, sofern vor¬ handen, günstigerweise so an den zentralen Mast ange¬ schlossen, daß sich der zentrale Mast relativ zu ihnen drehen kann. Der Mast kann, insbesondere in einem unteren Bereich,aber auch insgesamt, durch eine Anzahl von nach unten divergierenden Stützen ersetzt sein.

Die Ansprüche 15 bis 17, die weiter unten noch genauer erläutert werden, beziehen sich auf bevorzugte Ausge¬ staltungen der Erfindung, bei denen die Windkraftanlage für Stromerzeugung ausgelegt ist. Die "Einrichtung zum Umwandeln der Drehbewegung der Rotorblätter in elektri¬ sche Energie" unterscheidet sich von einem üblichen Generator grundlegend durch einen sehr viel größeren Durchmesser des ringförmigen Luftspalts. Es ist kein eine eigene, kostspielige Maschine darstellender Gene¬ rator vorhanden. Vielmehr sind die "Funktionsteile" der Umwandlungseinrichtung in den Stahlbau der Windkraft¬ anlage integriert. Es wird mit deutlich gröberen Tole¬ ranzen als bei üblichen Generatoren gearbeitet. Auch unter diesem Aspekt ist es günstig, die Umwandlungsein¬ richtung mit einem mit Dauermagneten aufgebauten Erre¬ gersystem auszubilden, vorzugsweise mit hochkoerzitiven Dauermagneten, beispielsweise auf der Basis von Elementen der seltenen Erden mit Kobalt oder auf Eisen-Neodym- Basiε oder mit billigeren Ferrit-Dauermagneten. Mit der¬ artigen Dauermagneten kann man einen Luftεpalt ver¬ gleichsweise großer Dicke verwirklichen. Außerdem

reagieren derartige Magnete auf, beispielsweise durch die bereits genannten gröberen Toleranzen bedingte, Luft- spaltvariationen nur wenig. Eine derartige Umwandlungs¬ einrichtung könnte man "Kreisringgenerator" oder "Langstatorgenerator" nennen; sie ähnelt mehr einem Lineargenerator als einem üblichen Stromgenerator. Vorzugsweise ordnet man das Erregersystem dem rotier¬ baren Funktionsteil zu, weil sich die Fortleitung des erzeugten Stroms von dem anderen, statoinären Funktions¬ teil unkomplizierter gestaltet.

Der "große Durchmesser" des Luftspalts bzw. der beiden Tragringe läßt sich am besten in Relation zum Anordnungs¬ durchmesser der Rotorblätter genauer charakterisieren, Werte von mehr als 12%, vorzugsweise mehr als 20%, Luft¬ spaltdurchmesser in Relation zu Anordnungsdurchmesser der Rotorblätter sind bevorzugt.

Die Ansprüche 18 bis 21 beziehen sich auf bevorzugte, weiter unten noch genauer erläuterte Ausgestaltungen der Erfindung hinsichtlich der Aufsteilbarkeit der Windkraftanlage auf dem Meeresboden. Es ist günstig, wenn man im Meeresboden nicht erst fundamentartige Strukturen bauen muß, auf denen dann die Windkraftanlage ruht, sondern statt dessen die Windkraftanlage mit einem oder mehreren Fundamentkörpern ausrüstet, die auf dem Meeresboden aufsitzen. Der Begriff "Aufsitzen" soll auch ein begrenztes Einsinken in die oberste Schicht des Meeresbodens umfassen. Es versteht sich, daß der Fundamentkörper oder die Fundamentkörper gemeinsam eine derart große Aufsitzfläche haben, daß das Gewicht der Windkraftanlage in den Meeresboden abgeleitet wird. Die Standsicherheit der Windkraftanlage auch unter den

höchsten vorkommenden Windgeschwindigkeiten resultiert aus ihrem Eigengewicht.

Im Sinne einer möglichst einfachen Aufstellbarkeit der Windkraftanlage auf dem Meeresboden ist es günstig, den oder die Fundamentkörper als füllbare Schwimmkörper aus¬ zubilden. Dabei kann es sich insbesondere entweder um oben offene Schwimmkörper handeln, die einfach von oben her mit Sand, Steinen oder Wasser gefüllt werden können, oder um Hohlkörper, die geflutet werden können. Im letztgenannten Fall können die Hohlkörper entweder in ihrem Inneren mit einer Pumpe oder mit einem Anschluß zum externen Auspumpen versehen sein, damit man sie bedarfsweise leeren und zum Aufschwimmen bringen kann. Die Schwimmkörper können so groß sein, daß sie im unge¬ füllten Zustand die Windkraftanlage schwimmend halten können.

Vorzugsweise liegt die Anzahl der Rotorblätter im Bereich von zwei bis sechs, wobei die ungeraden Anzahlen drei und fünf besonders bevorzugt sind. Die Rotorblätter müssen nicht unbedingt auf einem gemeinsamen Anordnungs¬ kreis angeordnet sein, wiewohl dies bevorzugt ist. Der in der Anmeldung verwendete Begriff "aufrecht" bedeutet nicht zwingend "vertikal", wiewohl dies bevorzugt ist; leichte Schrägstellungen sind tolerabel, wobei sich dies bei Aufstellung der Windkraftanlage auf dem Meeresboden insbesondere durch geringfügiges Absinken des einen oder anderen Fundamentkörpers durchaus ergeben kann. Wenn von "waagerechter Ebene" bzw. "Ebene quer zur Mastachse" gesprochen ist, soll dies nicht zwingend bedeuten, daß die beschriebenen Bauteile exakt in einer Ebene liegen; es soll die generelle Anordnungsausrichtung der be-

schriebenen Bauteile angegeben werden. Windkraftanlagen werden häufig mit einer Möglichkeit zur Steuerung des Anstellwinkels der Rotorblätter relativ zu deren An¬ ordnungskreis gebaut. Dies kann auch bei der erfindungs¬ gemäßen Windkraftanlage vorgesehen sein; bevorzugt ist jedoch eine Ausbildung ohne eine deartige Anstellungs¬ steuerung, insbesondere unter dem Aspekt einer möglichst einfachen Konstruktion. Hierbei kann sich die Notwendig¬ keit ergeben, in an sich bekannter Weise für eine Möglichkeit zu sorgen, die Rotorblätter durch einen Antrieb zum Starten in Rotation zu versetzen, insbe¬ sondere mittels des beschriebenen Generators. Die Wind¬ kraftanlage eignet sich nicht nur zur Stromerzeugung, wiewohl dies das erfindungsgemäß bevorzugte Einsatz¬ gebiet ist. Alternativ kann man aber auch die Windkraft¬ anlage insbesondere zum Antreiben von Arbeitsmaschinen, wie Pumpen, Kompressoren, benutzen.

Die Erfindung und bevorzugte Ausgestaltungen der Erfin¬ dung werden nachfolgend anhand von schematisiert zeich¬ nerisch dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine an Land aufgestellte Windkraftanlage mit rotierbarem Mast in Seitenansicht;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Tragstruktur der Wind¬ kraftanlage gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine modifizierte Tragstruk¬ tur der Windkraftanlage von Fig. 1;

Fig. 4 eine zweite Ausfuhrungsform einer Windkraftanlage mit unrotierbarem Mast in teilweiser Seitenansicht;

Fig. 5 eine dritte Ausfuhrungsform einer Windkraftanlage für Meeresbodenaufstellung in Seitenansicht, wobei eines der drei Rotorblätter und einer der drei äußeren Fundamentkörper in die Zeichnungs¬ ebene gedreht sind.

Die in Fig. 1 dargestellte Windkraftanlage 2 besteht im wesentlichen aus einem vertikalen, drehbaren Mast 4, einer - ganz grob gesprochen - horizontal ausgerichteten Tragstruktur 6, drei radial außen an der Tragstruktur 6 befestigten, aufrechten Rotorblättern 8, einer Lagerungs¬ basis 10 für den Mast 4, Tragstruktur-Abspannseilen 12, Mast-Abspannseilen 14 und einer Umwandlungseinrichtung 50 zum Umwandeln der Drehbewegung der Rotorblätter 8 bzw. der Tragstruktur 6 bzw. des Mastes 4 in elektrische

Energie .

Der Mast 4 ist als Stahlrohr mit dem belastungsmäßig erforderlichen Durchmesser und der belastungsmäßig er¬ forderlichen Wandstärke ausgebildet. An einer Stelle, die ein Stück unterhalb der Mastspitze liegt, ist die Tragstruktur 6 an dem Mast 4 befestigt. Ziemlich dicht unterhalb dieser Befestigungsstelle 16 sitzt ein sta¬ tionärer Kragen 18 mittels eines nicht eingezeichneten Wälzlagers auf dem Außenumfang des Mastes 4. Von dem Kragen führen drei Mast-Abspannseile 14 schräg nach außen - unten jeweils zu einem Bodenfundament 20. Die Lagerungsbasis 10 sitzt ebenfalls auf einem Bodenfundament 20. Auf der Lagerungsbasis 10 ist das untere Ende des Mastes 4 mittels eines nicht eingezeich¬ neten Wälzlagers, vorzugsweise eines geringe Schrägstel¬ lungen des Mastes 4 zulassenden Wälzlagers, wie eines Pendelrollenlagers, gelagert.

Die Tragstruktur weist einen radial inneren Bereich 22 und einen radial äußeren Bereich 24 auf. Der innere Bereich 22 besteht im wesentlichen aus drei Paaren von Streben 26 und drei Tangentialstreben 28. Jedes Paar von Streben 26 hat mit der zugeordneten Tangentialstrebe 28 die Konfiguration eines in einer Horiztonalebene liegenden, gleichschenkeligen Dreiecks mit radial innerer Spitze. Jeweils zwischen zwei benachbarten "Dreiecken" sind Spannseile 30 vorgesehen, die an die im wesentlichen an die Knotenstelle jeweils zwischen einer Strebe 26 und einer Tangentialstrebe 28 angeschlossen sind.

Von jeder der beschriebenen Knotenstellen 32 führt eine obere Strebe 34 nach außen - oben und eine untere Strebe 36 nach außen - unten. Die beiden oberen Streben 34, die einem der beschriebenen "Dreiecke" 26, 28 zugeordnet sind, führen radial außen zusammen. Das gleiche gilt für jeweils zwei untere Streben 36. Auf diese Weise wird jedes Rotorblatt 8 von vier Streben 34 und 36 getragen, wobei- die Zusammenführungsstellen 38 der oberen Streben 34 bzw. der unteren Streben 36 nahe dem betreffenden Rotorblatt 8 liegen. Insgesamt bilden die dem betreffen¬ den Rotorblatt zugeordneten zwei oberen Streben 34, zwei unteren Streben 36, die betreffende Tangentialstrebe 28 und ein Mittelabschnitt 40 des betreffenden Rotorblatts 8 einen Tetraeder. Die insgesamt sechs oberen Streben 34 und die insgesamt sechs unteren Streben 36 bilden zusam¬ men den äußeren Bereich 24 der Tragstruktur 6, wobei die beschriebenen Tetraeder in Umfangsrichtung der Tragstruktur 6 voneinander beabstandet sind, wie Fig. 2 besonders deutlich zeigt.

In den Fig. 1 und 3 erkennt man ferner insgesamt neun Tragstruktur-Abspannseile 12. Radial innen sind die Abspannseile 12 alle an einem dem Mast 4 zugeordneten Befestigungsring 42 befestigt. Insgesamt sechs untere Abspannseile führen von dem Befestigungsring 42 schräg nach außen/unten zu den beschriebenen Knotenstellen 32 des inneren Bereichs 22 der Tragstruktur 6. Insgesamt drei obere Abspannseile führen von dem Befestigungsring 42 nach schräg unten/außen zu den beschriebenen Zusammen¬ führungsstellen 38 der oberen Streben 34. Die oberen Streben 34 und die unteren Streben 36 liegen symmetrisch zu einer Ebene, die man sich als Fortsetzung der Ebene des inneren Bereichs 22 der Tragstruktur 6 vorstellen

kann.

Die weiter vorn angesprochene Umwandlungseinrichtung 50 ist im einzelnen so aufgebaut, wie es weiter unten im Zusammenhang mit der Ausfuhrungsform gemäß Fig. 4 de¬ taillierter beschrieben wird.

Die in Fig. 3 gezeichnete Variante der Tragstruktur unterscheidet sich von der in Fig. 1 und 2 gezeichneten Variante im wesentlichen dadurch, daß die benachbarten "Dreiecke" des inneren Bereichs 22 in Umfangsrichtung zusammengerückt sind, so daß insgesamt nur noch drei symmetrisch verteilte Streben 26 vorhanden sind und keine Spannseile 30 vorhanden sind. An dem äußeren Bereich 24 hat sich nichts Grundsätzliches geändert. Demzufolge sind auch nur noch drei untere Abspannseile 12 vorhanden. Diese Variante eignet sich besonders für Windkraftanlagen 2 geringerer Leistung, bei denen der Anordnungsdurch¬ messer der Rotorblätter 8 kleiner als bei der Variante gemäß Fig. 1 und 2 ist.

Die in Fig. 4 gezeichnete Ausfuhrungsform unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen Ausfuhrungsformen im wesentlichen durch folgendes:

Der Mast 4 ist als undrehbarer Mast ausgeführt. Er ist durch zwei Schrägstützen 70, die in Draufsicht einen Winkel von vorzugsweise 100 bis 150" miteinander bilden, abgestützt. Die Schrägstützen 70 sind gelenkig am Mast 4 angeschlossen.

Der innere Bereich 22 ist im wesentlichen durch einen Tragring 44 mit radialen Speichen 45 gebildet. An diesem Tragring 44 sind die "Tetraeder" des äußeren Bereichs 24 befestigt, die im wesentlichen so ausgebildet sind, wie anhand der Fig. 1 und 2 beschrieben, wobei allerdings ein Umfangsabschnitt des Tragrings 44 die Rolle einer Tangentialstrebe 28 übernimmt.

An dem Tragring 44 ist an einem nach unten ragenden Kragen 46 längs dessen Innenumfangs eine Reihe von Dauer¬ magneten 48 mit in Umfangsrichtung wechselnder Polung be¬ festigt.

Der Tragring 44 ist mit einem zentralen, aufragenden Rohr 72 vereinigt. Die Vereinigung aus Tragring 44 und Rohr 72 ist mittels eines Ringspurlagers 74 im Bereich der Mastspitze drehbar an dem Mast 4 gelagert. Das Wälzlager 74 ist so ausgebildet, daß es Winkelbewegungen des Trag¬ rings 44 relativ zu dem Mast 4 verhindert. Statt nur ein einziges Lager 74 vorzusehen, können auch zwei Lager übereinander vorgesehen sein. Von der Spitze des Rohrs 72 führen drei Abspannseile 12 zu den beschriebenen Stellen 38.

Knapp unterhalb des Tragrings 44 ist an dem Mast 4 ein weiterer Tragring 52 befestigt, der sich im wesentlichen in einer horizontalen Ebene erstreckt. Längs des Außenumfangs des weiteren Tragrings 52 ist ein geblechter Stator 54 befestigt, der in seiner radial äußeren Umfangsfläche senkrecht verlaufende Nuten aufweist, in die Spulen oder Wicklungen eines nicht eingezeichneten Leitersystems eingebracht sind. Zwischen der äußeren Umfangsfläche des Stators 54 und der inneren

Umfangsfläche der Dauermagnetreihe 48 befindet sich ein vertikalzylindrischer Luftspalt 56. Somit bildet der Stator 54 ein erstes Funktionsteil 46 und die Dauermagnetreihe 48 ein zweites Funktionsteil eines elektrischen Generators. Es versteht sich, daß sowohl am Stator 54 als auch am Rotor für magnetische Flußwege zwischen benachbarten Statorpolen bzw. Dauermagnetpolen gesorgt sein muß.

Bei Drehung der Tragstruktur 6 bzw. des Tragrings 44 um die Mastachse 59 wird durch die sich am Stator 54 entlang bewegenden Dauermagnete 48 in den Spulen oder Wicklungen des Stators 54 eine- Spannung induziert. Der Durchmesser der Luftspalts 56 beträgt mehr als 20 % des Anordnungs¬ durchmessers der Rotorblätter 8.

Das Vorsehen von nur zwei Schrägstützen 70 ist günstig für ein erleichtertes Aufstellen des Mastes 4 mit Hilfe eines Stahlseils vom Boden aus, ohne daß unbedingt ein Kran benötigt würde.

Der Mast 4 leitet das Abstützmoment zum Halten des Stators 54 gegen Rotation zum Boden ab, ohne daß die Schrägstützen 70 durch dieses Drehmoment belastet sind.

Die in Fig. 5 gezeichnete Ausfuhrungsform einer Wind¬ kraftanlage 2 unterscheidet sich von den bisher beschriebenen Ausfuhrungsformen im wesentlichen durch folgendes:

Die Tragstruktur 6 und der Befestigungsring 42 für die Tragstruktur-Abspannseile 12 sind mittels nicht einge¬ zeichneter Wälzlager drehbar an dem stationären Mast 4

gelagert. Vom unteren Endbereich des Mastes 4 führen drei Abstandsstreben 57 schräg nach außen-oben jeweils zu einem der Mast-Abspannseile 14, so daß jeweils deren unterer Abschnitt im wesentlichen senkrecht verläuft.

Für das untere Mastende und für die unteren Enden der Mast-Abspannseile 14 ist jeweils ein oben offener, hohler Fundamentkörper 58 vorgesehen. Der zentrale Fundament¬ körper 58 weist an seiner Unterseite vertikale Platten¬ fortsätze 60 auf, mit denen er sich ortsfest ein Stück in den Meeresboden eingraben kann. Die äußeren Fundament¬ körper 58 weisen eine profilierte Unterseite 62 auf, damit sie keine unerwünschten seitlichen Bewegungen auf dem Meeresboden vollführen. Die Fundamentkörper 58 sind vorzugsweise rund und haben vorzugsweise einen Durchmesser, der mindestens das zweifache bis vierfache ihrer Höhe ausmacht. Eingezeichnet ist ferner ein Rahmen 64, der dreieckformig die drei äußeren Fundamentkörper 58 miteinander verbindet.

Die Umwandlungseinrichtung 50 analog ausgebildet, wie anhand der Fig. 4 detaillierter beschrieben.

Generell wird darauf hingewiesen, daß der beschriebenen Seile 12, 30, 14 auch analoge Streben vorgesehen sein können.

Ferner wird darauf hingewiesen, daß die im Zusammenhang mit den gezeichneten Ausführungsbeispielen beschriebenen Komponenten auch in anderer als der gezeichneten Weise miteinander kombiniert sein können. So ist es beispiels¬ weise möglich, die Variante mit drehbarem Mast 4 auch für Meeresbodenaufstellung mit Fundamentkörpern 58 auszu-

bilden, wobei selbstverständlich die

Umwandlungseinrichtung 50 ein ausreichendes Maß oberhalb des Meeresspiegels angeordnet sein muß. Umgekehrt kann man die Variante gemäß Fig. 5 auch für Aufstellung an Land vorsehen. Die Abstandsstreben 56 können bei allen Varianten vorgesehen sein, sind jedoch bei der Variante für Meeresbodenaufstellung besonders günstig. Bei Vorhandensein von Abspannseilen 14 ist es günstig, mindestens eines der Abspannseile 14 mit einer Einrichtung zum Ändern bzw. Einstellen der Länge auszu¬ statten, insbesondere bei MeeresbodenaufStellung, wo man mit einem unterschiedlich starken Einsinken der äußeren Fundamentkörper 58 in den Meeresboden rechnen muß.