Gebiet, der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Windenergieanlagen gemäss dem. Stand der Technik besitzen einen Mast, an dessen freien Ende eine Maschinengondel angeordnet ist, ^' welche einen Generator beherbergt. An der Maschinengondel ist ein sternförmiger Rotor mit zumeist drei Rotorblättern um eine zentrale horizontale Achse drehbar angeordnet. Das Drehmoment des Rotors ^' wird direkt oder indirekt durch ein Getriebe mittels einer Rotor welle auf den Generator übertragen. Da die Rotorblätter Längen von bis zu 85 Metern aufweisen, wirken enorme mechanische Kräfte, welche die Lagerungen und die Rotorwelle an ihre mechanischen Grenzen bringen. Direkt angetiiebene Generatoren müssen für einen guten Wirkungsgrad in ihrem Durchmesser an den Rotordurchmesser aegepasst sein, Windenergieanlagen mit diesem zentralen Lagerkonzept sind an ihren, physischen Grenzen angelangt.

Aufgabe der Erfindung

Aus den Nachteilen, des beschriebenen Stands der Technik resultiert die die ^' vorliegende Erfindung initiierende Aufgabe eine gattungsgemässe Windenergieanlage weiterzuentwickeln, welche einen verbesserten Ertrag besitzt. Insbesondere soll bei den heute üblichen Dimensionen von Windenergieanlagen deren mechanische Belastung reduziert werden, was zu einem reduzierten Aufwand für die Instandhaltung und Wartung führt,

Beschreibung

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt bei einer Windenergieanlage (WEÄ) dadurch, dass die Tragstruktur einen stationären Rin aufweist, an dem der Rotor drehend geführt ist und an dem der Stator des Generators angeordnet ist. Die mechanische Last des Rotors konzentriert sich durch das Vorsehen des stationären Rings nicht auf eine zentrale Drehachse sondern kann auf den Umfang des stationären Rings verteilt werden. Dadurch lässt sich die mechanische Belastung der erfindungsgemässen Windenergieanlage reduzieren, was zu Einsparungen bei der Instandhaltung und Wartung führt. Auch lassen sich mit der vorgeschlagenen Bauweise Windanlagen mit verlängerten Rotor blättern realisieren. Dies ist mit dem Bau typ des Stands der Technik nicht mehr möglich, da dieser Bautyp an die Grenzen der mechanischen Belastbarkeit stösst. Den stationären. Ring als Stator des Generators zu nutzen ermöglicht es, den Generator direkt in die bestehende Rotor - stationärer Ring - Anordnung zu integrieren. Eine weitere komplizierte mechanische Übertagung der Rotorbewegung auf den Generator ist demnach nicht erforderlich. Bevorzugt ist es daher, wenn der Generator zwischen dem stationäre Ring und dem Rotor ausgebildet ist.

Als vorteilhaft erweist es sich, wenn der Rotor frei ist von einer Verbindung mit einem Maschinenelement, welches eine Welle oder eine Achse ist. Der Rotor ist also auch frei von diesen Maschinenelementen. Unter dem. Begriff einer Welle ist im Rahmen dieser Anmeldung ein stabförmiges Maschinenelement zu verstehen, das zum Weiterleiten von Drehbewegungen und Drehmomenten des Rotors sowie zur Lagerung des Rotors Verwendung findet. Unter einer Achse soll ein stabförmiges Maschinenelement verstanden sein, welches kein Drehmoment überträgt. Da der Rotor an dem stationären Ring geführt ist, kann auf eine Rotorwelle oder eine Rotorachse in Gestalt eines Stabes verzichtet werden. Die mechanische Belastung des Rotors ist dadurch nicht zentral auf eine Welle oder Achse übertragen, sondern kann sich auf den durchmesser grösseren stationären Ring verteilen.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung umfasst der Rotor einen Rotorring, welcher an dem stationären Ring mit einer Vielzahl von Wälzlagern oder Wälzkörpern gelagert ist. Die Wälzkörper können als Räder oder Rollen ausgestaltet sein. Die hohe mechanische Belastung, welche zwangsläufig bei WEA auftritt, kann bei der erfindungsgemässen WEA auf den. Umfang des stationären Rings verteilt werden. Deshalb muss die Belastung nicht von einigen wenigen Wälzlagern aufgenommen, werden, sondern kann, auf viele kleinere Wälzlager verteilt werden. Die Wälzkörper der Wälzlager können Zylinder, Rollen, Tonnen, Kugeln, Kegel usw. sein. In einer Ausgestaltungsform der Erfindung umfasst der Rotor einen Rotorring, welcher an dem stationären Ring durch magnetische Kräfte schwebend gelagert ist. Gerade bei hohen mechanischen Belastungen ist eine schwebende magnetische Lagerung von Vorteil, da dieses Lagerkonzept keinem mechanischen Verschleiss unterworfen ist Dadurch k nnen sich die erhöhten Investitionskosten rasch amortisieren.

Die Erfindung zeichnet sich bevorzugt dadurch aus, dass in die Wälzlager Generatoren integriert sied oder die Wälzlager mechanisch mit Generatoren in Verbindung stehen. Dadurch ist es möglich, nicht nur einen einzigen Generator zur Umwandlung in elektrische Energie zu verwenden, sondern es können viele kleinere Generatoren mit den Wälzlagern in Verbindung stehen. Dies hat den Vorteil, dass die Kopplung an den Rotorring sehr einfach erfolgen kann, da die Wälzlager ohnedies vorhanden sind. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass je nach Windverhältnissen Generatoren einfach zu- und weggeschaltet werden können.

Als zweckdienlich hat es sich erwiesen, wenn, an dem Rotor in U mf angsrich hin wenigstens eine umlaufende Schiene festgelegt ist, welche die Drehbewegung des Rotors auf die Wälzlager überträgt. Der Rotorring benötigt daher keine präzise bearbeitete Lauffläche, an der die Wälzkörper abrollen können» Die Schienen, welche kreisförmig ausgeführt sind, sind einfach und kostengünstig herstellbar und rasch in den Rotorring zu integrieren.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform beträgt das Verhältnis von Rotordurchmesser zur Rotorblattlänge 1:2, bevorzugt 1:1,5 und besonders bevorzugt 1: 1. Trotz des sich durch diese Verhältnisse ergebenden relativ grossen Durchmessers des Rotorrings ist die Fläche zur Nutzung des Windes nur um 10 % geringer, als bei herkömmlichen WEA mit demselben Rotordurchmesser. Der grosse Rotor ring kann die hohen mechanischen Belastungen besonders gut aufnehmen. Eine bevorzugte Dimensionierung des Rotorringes ist beispielsweise 50 m bei einer Rotorbla tlänge von ebenfalls 50 m.

Da durch den grossen Rotorring die erfindungsgemässe WEA bei drei Rotorblättern nicht an ihre mechanischen Grenzen stösst, können auch mehr als drei Rotorblätter verwendet werden und/oder deren Rotor blattlänge verlängert werden, dadurch ist es Denkbar, dass die erfindungsgemässe WEA bis zu 20 Megawatt Leistung erbringen kann.

Zweckmässigerweise sind an dem. stationären Ring wenigstens zwei Kreisbahnen von Wälzlagern angeordnet, um die mechanische Belastung, verursacht durch den grossen Rotor, noch besser verteilen zu können.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung sind die Generator- Spulen in dem. stationären Ring angeordnet. Dadurch ist die Abnahme des erzeugten elektrischen Stroms besonders einfach und es kann auf Schleifabnehmer verzichtet werden.

Im Umkehrschluss ist es von Vorteil, wenn die Generator-Magneten in dem Rotor angeordnet sind. Insbesondere, wenn die Magneten Permanentmagneten sind, benötigt der Rotor keine Leitungsverbindung zum statischen Teil der WEA, wodurch der Aufbau vereinfacht wird.

Von Vorteil ist es, wenn die von dem Generator erzeugte elektrische Energie an dem stationären Ring abnehmbar ist. An unbewegten Teilen gestaltet sich die Stromabnahme als einfacher als an bewegten Teilen, insbesondere wenn die bewegten Teile, wie der Rotorring sehr gross sind.

Dadurch, dass die Tragstruktur vorteilhaft einen T-förmigen Steher mit einem Mast und einem Querträger umfasst, wobei der stationäre Ring an den Enden des Querträgers befestigt ist, lässt sich der stationäre Ring zuverlässig an der Tragstruktur halten und der Windwiderstand der Tragstruktur ist trotzdem gering.

Zweckmässigerweise ist der Querträger um die Längsachse des Mastes rotierbar, damit die WEA nach dem Wind verdrehbar ist.

Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Rotorring ausserhalb des stationären Rings an diesem angeordnet ist. Der Rotorring lässt sich auf den stationären Ring aufstecken und lässt sich, beispielsweise bei Wartungsarbeiten an der Lagerung, von diesem abziehen. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die schematischen Darstellungen. Es zeigen in nicht massstabs getreuer Darstellung:

Figur 1: eine axoncmetrische Gesamtansicht einer Windenergieanlage;

Figur 2: eine axonometrische Ansicht einer Tragestruktur samt stationärem

Ring;

Figur 3: eine axonometrische Ansicht eines sich an dem stationären Ring drehenden. Rotors mitsamt einer Vielzahl von Rotorblättern und

Figur 4: die Windenergieanlage teilweise freigeschnitten zur Veranschaulichung der Rotorlagerung.

In den Figuren 1 und 4 ist eine Ausgestaltungsform der erfindungsgemässen Windenergieanlage gezeigt welche gesamthaft mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet ist. Die Windenergieanlage (WEA) 11 umfasst einen Rotor 13, welcher um einen stationären Ring 15 drehbar gelagert ist. Der stationäre Ring 15 ist von einem T-förmigen Steher 17 getragen bzw. gehalten.

Der Rotor 13 umfasst einen Rotorring 19 und eine Vielzahl von Rotorblättern 21. Der Rotorring 19 besitzt bevorzugt einen Durchmesser, welcher im Wesentlichen der Länge der Rotorblätter entspricht. Beispielseise betragen der Durchmesser des Rotorrings 19 und die Länge der Rotorblätfer 50 Meter. Trotz des beachtlichen Durchmessers des Rotorrings relativ zur Länge der Rotorblätter 21 beträgt der Flächeninhalt des Rotorrings 19 lediglich 10% der Kreisfläche, welche vo den freien Enden der Rotorblätter 21 bestimmt wird. Die nutzbare Windfläche ist durch den Rotor ring 19 also nur geringfügig reduziert. Die Länge der Rotorblätter 21 kann daher im Vergleich zur Rotorblätterlänge bei WEA des Stands der Technik um ca. 1/3 reduziert werden, ohne dass die nutzbare Windfläche signifikant reduziert werden würde. Dadurch können die Materialkosten der erfindungsgemässen WEA 11 signifikant reduziert werden, da die Materialkosten der Rotorblätter geringer sind. Der Rotorring 19 ist an der Aussenseite des stationären Rings 15 drehbar geführt Die Lagerung kann durch eine Vielzahl von Wälzkörpern 23 übernommen sein, wie dies in der Figur 4 gezeigt ist. Die Wälzkörper 23 können in Vertiefungen an der Aussenseite des stationären Rings 15 drehbar aufgenommen sein, und in zwei oder mehr konzentrischen Bahnen an dem stationären Ring 15 angeordnet sein. Die Wälzkörper 23 können direkt an einer Lauffläche an der Innenseite des Rotorrings 19 gleiten oder indirekt an Führungsschienen 25. Die Wälzkörper 23 können Räder, Rollen, Tonnen _» Kugeln, Nadeln und andere rotanonssymmetrische Körper sein. Die Führungsschienen. 25 sind fest mit dem Rotorring 19 verbunden und wälzen die Drehbewegung des Rotorrings 19 auf die Wälzkörper 23 ab. Die hohe mechanische Belastung, welche durch das Gewicht der Rotorblätter entsteht, muss nicht, wie bei herkömmlichen WEA durch eine zentrale Lagerung aufgenommen werden, sondern lässt sich auf die Vielzahl von Wälzkörpern 23 verteilen. Dadurch können die Instandhaltungskosten der WEA 11 reduziert werden. Denkbar ist es auch, die Rotorblattlänge der WEA 11 zu verlängern, da die Belastbarkeit der Wälzkörper 23 bei den angeführten Dimensionen nicht ausgereizt ist.

Denkbar ist es auch, dass die Lagerung des Rotorrings 19 an dem stationären Ring 15 durch magnetische Kräfte erfolgt, welche den Rotorring 19 an dem stationären Ring 15 in Schwebe hält

Der Generator der WEA 11, welcher die Windenergie in elektrische Energie umwandelt, ist bevorzugt zwischen dem Rotorring 19 und dem stationären Ring 15 angeordnet. Da es bei einem Generator nur auf eine relative Bewegung von einem Magnetfeld zu einer Induktionsspule ankommt, ist es bevorzugt, wenn der Stator des Generators in dem ohnedies feststehenden stationären Ring 15 angeordnet ist. Zweckmässigerweise ist der Rotor bzw, Läufer des Generators in dem Rotorring 19 angeordnet Um die Abnahme des erzeugten elektrischen Stroms zu vereinfachen, ist es bevorzugt, wenn die Stromabnahme an dem stationären Ring 15 erfolgt, wenngleich die Abnahme mit Schleifelementen auch am. Rotorring 19 erfolgen kann. Daraus ergibt sich für eine vereinfachte Stromabnahme, dass die Genera tormagneten in dem Rotorring 19 und die Induktionsspulen in. dem stationären Ring 15 angeordnet sind.

Denkbar ist es auch, dass in die Wälzkörper 23 einzelne Generatoren integriert sind oder einzelne Generatoren mit den Wälzkörpern 23 in mechanischer Verbindung ste- hert. Je nach Windleistung können einzelne Generatoren zugeschaltet werden oder werden von der Rotationsübertragung der Wälzkörper 23 gelöst.

WEA des Stands der Technik besitzen üblicherweise drei Rotorblätter. Diese Anzahl kann bei der erfinduiigsgemässen WEA erhöht werden, da diese durch ihre Ringstruk- tur höheren mechanischen Belastungen standhalten kann.

Der T-förmige Steher umfasst einen Mast 27 und einen Querträger 29. Der stationäre Ring 15 ist an den Enden des Querträgers 29 angeordnet. Dadurch kann eine ausreichend stabile Halterung bei gleichzeitig möglichst geringem Windvv iders tand erreicht werden, Durch das Vorsehen eines stationären Ringes 15 und eines Rotorrings 19 können die mechanischen Kräfte dezentralisiert werden und wirken nicht, wie bei WEA des Stands der Technik, in einem, zenti'aien Punkt der Drehachse. Die mechanischen Kräfte können auf eine Vielzahl von Wälzkörpern verteilt werden.

Legende:

11 Windenergieanlage

13 Rotor

15 Stationärer Ring

17 Steher, Tragstruktur

19 Rotorring

21 Rotorblätter

23 Wälzkörper, Wälzlager

25 Führungsschienen

27 Mast

29 Querträger