Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem Turm, der an seinem oberen Ende eine Windturbine mit einem Propeller bzw. Rotorblättern trägt.

Windkraftanlagen mit einem Turm sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Insbesondere an Land weisen derartige Windkraftanlagen ein Flächenfundament auf, das zur Ableitung der über den Turm auf das Fundament einwirkenden Kräfte in das Erdreich dient. Derartige Fundamente bestehen in der Regel im Wesentlichen aus Beton, insbesondere aus Stahlbeton.

Ferner offenbart die EP 2 103 743 A1 ein Fundament, wobei dieses Fundament hohlkegelförmig ausgebildet ist, wobei dessen Abmessungen an die Tragfähigkeit des Bodens und Belastung der Anlage angepasst sind.

Aus dem Stand der Technik bekannte Fundamente sind symmetrisch zu einer Längsachse des Turms der Windkraftanlage ausgebildet, um in sämtliche Raumrichtungen eine ausreichende Abstützung des Turms mit der an den Turm angebrachten Windturbine zu gewährleisten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Windkraftanlage derart weiterzubilden, dass bei der Errichtung des Fundaments Material eingespart werden kann, was zu einer Kostenreduktion führt und zudem den CO2-Fußabdruck einer derartigen Windkraftanlage reduziert.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche.

Die Grundidee der vorliegenden Erfindung liegt darin begründet, das an dem Standort der Windkraftanlage vorliegende Windprofil bei der Auslegung des Fundamens zu berücksichtigen. Häufig herrscht an einem Standort der Windkraftanlage eine Vorzugsrichtung des Windes bzw. an dem Standort existiert eine Hauptwindrichtung, aus der der Wind vorzugsweise weht, wobei bei Ermittlung dieser Hauptwindrichtung zudem auch die Windgeschwindigkeiten berücksichtigt werden. Beispielsweise wird zur Bestimmung der Hauptwindrichtung die Windrichtung mit der Windgeschwindigkeit gewichtet. Die Gewichtung der Windgeschwindigkeit bei der Bestimmung der Hauptwindrichtung kann unterschiedlich ausfallen. So ist es denkbar, dass die Windgeschwindigkeit linear bei der Bestimmung der Hauptwindrichtung einfließt. Vorzugsweise wird allerdings die Windgeschwindigkeit quadratisch bei der Bestimmung der Hauptwindrichtung einfließen, da bekannterweise die Bewegungsenergie quadratisch mit der Geschwindigkeit zunimmt.

Erfindungsgemäß ist die Windkraftanlage wie folgt gestaltet:

Die Windkraftanlage weist einen sich entlang einer Längsachse erstreckenden Turm auf, der an seinem oberen Ende eine Windturbine trägt und an seinem unteren Ende mit einem Fundament verbunden ist, wobei das Fundament nicht rotationssymmetrisch zu der Längsachse ausgebildet ist. Unter rotationssymmetrisch wird vorliegend verstanden, dass lediglich eine 1-zählige Drehsymmetrie vorliegt, somit nur ein Drehwinkel von 360° das Fundament auf sich selbst abbildet. Durch diese asymmetrische Gestaltung bzw. Anordnung des Fundaments bezüglich des Turms können die Seiten des Fundaments, die aufgrund der vorherrschenden Hauptwindrichtung stärkeren Belastungen ausgesetzt sind, größer dimensioniert sein, wohingegen das Fundament in den übrigen Raumrichtungen dementsprechend kleiner dimensioniert sein kann, da dort geringere Lasten von dem Fundament getragen werden müssen bzw. in die entsprechenden Richtungen die Krafteinwirkung durch den Turm und die auf den Turm einwirkenden Windkräfte geringer sind. Bei einem symmetrisch zu der Längsachse des Turms ausgebildeten Fundament müsste das Fundament allgemein stärker gestaltet sein, da es derart dimensioniert sein müsste, dass es im höchsten Lastfall die einwirkenden Lasten trägt. Da allerdings bei einer Hauptwindrichtung der höchste Lastfall lediglich in eine bestimmte Raumrichtung wirkt, ist eine derart starke Dimensionierung des Fundaments in die übrigen Raumrichtungen nicht notwendig. Bei der erfindungsgemäßen asymmetrischen Gestaltung wird hingegen die Hauptwindrichtung berücksichtigt und in die übrigen Raumrichtungen kann dementsprechend gegenüber einem symmetrischen Fundament Material eingespart werden. Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn in einer Blickrichtung entlang der Längsachse das Fundament eine ovale Form aufweist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Fundament in einer Blickrichtung entlang der Längsachse kreissektorförmig ausgebildet. Dabei ist es durchaus denkbar, dass die Ecken des Kreissektors verrundet sind.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in einer Blickrichtung entlang der Längsachse das Fundament kreisförmig ist, wobei die Längsachse außermittig zu einem Mittelpunkt des Fundaments verläuft.

Vorzugsweise weist das Fundament eine nicht mit der Längsachse identische Symmetrieachse auf, wobei das Fundament zu dieser Symmetrieachse rotationssymmetrisch ist, beispielsweise kreisförmig ist.

Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn das Fundament in einer Blickrichtung entlang der Längsachse die Form eines regelmäßigen Vielecks aufweist.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass es sich bei dem Material des Fundaments um Stahl-Beton handelt.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Windkraftanlage an einem Standort mit einer Hauptwindrichtung errichtet ist, wobei die Windkraftanlage einen sich entlang einer Längsachse erstreckenden Turm aufweist, der an seinem oberen Ende eine Windturbine trägt und an seinem unteren Ende mit einem Fundament verbunden ist, wobei das Fundament nicht rotationssymmetrisch zu der Längsachse ausgebildet ist, wobei in einer Blickrichtung entlang der Längsachse das Fundament, bezogen auf die Hauptwindrichtung, eine größere Erstreckung auf der Leeseite aufweist als in Richtung der übrigen Raumrichtungen. Unter Leeseite wird vorliegend die dem Wind abgewandte Seite der Windkraftanlage verstanden, bezogen auf den Turm. Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Errichten einer Windkraftanlage an einem Standort. Das Verfahren weist die folgenden Verfahrensschritte auf:

Vermessen oder Bereitstellen eines an dem Standort vorherrschenden Windprofils umfassend die Windgeschwindigkeit und Windrichtung, Ermitteln einer an dem Standort vorherrschenden Hauptwindrichtung aus dem Windprofil,

Errichten der Windkraftanlage, wobei die Windkraftanlage einen sich entlang einer Längsachse erstreckenden Turm aufweist, der an seinem oberen Ende eine Windturbine trägt und an seinem unteren Ende mit einem Fundament verbunden ist, wobei das Fundament nicht rotationssymmetrisch zu der Längsachse ausgebildet ist, wobei in einer Blickrichtung entlang der Längsachse das Fundament, bezogen auf die Hauptwindrichtung, eine größere Erstreckung auf der Leeseite aufweist als in Richtung der übrigen Raumrichtungen.

Die Form und Ausrichtung des Fundaments kann beispielsweise dadurch ermittelt werden, dass Windprofil als Fläche in einem Windrosen-Diagramm dargestellt wird, wobei Aufstellungsort des Turms den Mittelpunkt des Windrosendiagramms bildet und dann die das Windprofil repräsentierende Fläche an dem Mittelpunkt punktgespiegelt wird. Die punktgespiegelte Fläche repräsentiert dann die Form und Ausrichtung des Fundaments. In der Regel wird dann noch die gespiegelte Fläche in eine vereinfachte Geometrie überführt. Beispielsweise kann an die punktgespiegelte Fläche eine Umhüllende angeformt werden, die aus einfachen geometrischen Formen, wie beispielsweise Kreisen, Ellipsen, Viellecke, Trapeze, zusammengesetzt ist. Insbesondere im Bereich des Mittelpunkts, somit des Turms, sollte das Fundament nicht allein durch das Windprofil bestimmt sein, sondern insbesondere ausreichend ausgedehnt sein, um auch die statischen Gewichtskräfte des Turms samt Turbine zu tragen.

In den nachfolgenden Figuren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne auf diese beschränkt zu sein. Es zeigen: Fig. 1 eine Ausführungsform einer Windkraftanlage in einer Blickrichtung gemäß dem Pfeil I in Fig. 2,

Fig. 2 die Windkraftanlage in einer Ansicht gemäß dem Pfeil II in Fig. 1 ,

Fig. 3 ein bei dem Aufstellungsort der Windkraftanlage gemäß Fig. 1 vorherrschendes Windprofil in einer Vektordarstellung,

Fig. 4 die Windkraftanlage gemäß Fig. 1 in einer Draufsicht in einer schematischen Darstellung,

Fig. 5 eine grafische Darstellung eines an einem Standort für eine Windkraftanlage gemessenen Windprofils in Form eines Windrosen- Diagramms,

Fig. 6 eine Ausführungsform eines Fundaments, abgeleitet aus dem Windprofil gemäß Fig. 5,

Fig. 7 eine weitere Ausführungsform des Fundaments, abgeleitet aus dem Windprofil gemäß Fig. 5,

Fig. 8 eine Illustration eines Verfahrens zur Ermittlung der Geometrie des Fundaments unter Verwendung einer Punktspiegelung,

Fig. 9 eine Illustration eines weiteren Verfahrens zur Ermittlung der Geometrie des Fundaments unter Verwendung einer Punktspiegelung,

Fig. 10 alternative Ausführungsformen des Fundaments zu dem Windprofil aus Fig. 9.

Die Fig. 1 zeigt eine Windkraftanlage 1 , wobei diese Windkraftanlage 1 einen sich entlang einer Längsachse 2 erstreckenden Turm 3 aufweist, wobei die Längsachse

2 vorliegend in vertikaler Richtung Z verläuft. An seinem oberen Ende trägt der Turm

3 eine Windturbine 4, wobei diese Windturbine 4 vorliegend drei Rotorblätter 5 aufweist. An seinem unteren Ende ist der Turm mit einem Fundament 6 verbunden, wobei das Fundament 6 vorliegend teilweise in einen Untergrund 7 eingebracht ist.

An dem Aufstellungsort der Windkraftanlage 1 herrscht eine Vorzugsrichtung des Windes, wobei diese Vorzugsrichtung des Windes, nämlich die Hauptwindrichtung, vorliegend entlang der X-Richtung verläuft, wie insbesondere der schematischen Darstellung der Fig. 3 zu entnehmen ist, bei der das Windprofil als Vektorfeld dargestellt ist. Längere Vektoren bzw. Pfeile entsprechen einer stärkeren Windgeschwindigkeit. Der Wind weht daher vorliegend im Wesentlichen in X- Richtung, somit in der Fig. 3 von links nach rechts.

Wie insbesondere den Fig. 2 und 4 zu entnehmen ist, ist das Fundament 6 nicht rotationssymmetrisch zu der Längsachse 2 des Turms 3 ausgebildet, sondern weist in einer Blickrichtung entlang der Längsachse 2, bezogen auf die Hauptwindrichtung eine größere Erstreckung auf der Leeseite, somit der Wind abgewandten Seite, auf. Vorliegend ist das Fundament 6 in einer Blickrichtung entlang der Längsachse 2 des Turms 3, wie sie in der Fig. 3 dargestellt ist, oval ausgebildet.

Die Fig. 5 zeigt ein gemessenes Windprofil, wobei dieses Windprofil als Windrosen- Diagramm dargestellt ist. Die mit dem Bezugszeichen 8 gekennzeichnete Fläche zeigt, dass an dem Aufstellungsort eine Windrichtung aus Westen vorherrscht, somit der Wind im Wesentlichen von Westen nach Osten weht. Aus dem gemessenen Windprofil kann dementsprechend abgeleitet werden, dass die Hauptwindrichtung von West nach Ost verläuft. Ferner lässt sich aus dem gemessenen Windprofil ein Schwankungsbereich ermitteln, aus dem der Wind hauptsächlich kommt. Vorliegend ist dies grafisch durch die beiden Pfeile 9a und 9b dargestellt, die die Fläche 8 einhüllen. Daraus ergibt sich, dass der Wind vorliegend aus nordwestlicher bis südwestlicher Richtung kommt. Dementsprechend kann für das zu errichtende Fundament 6 abgeleitet werden, dass dieses, bezogen auf den Turm 3 bzw. die Längsachse 2 des Turms 3, in südöstliche bis nordöstlicher Richtung ausgebuchtet sein sollte, um die aufgrund des vorherrschenden Windes einwirkenden Kräfte abzufangen, wohingegen in die übrigen Raumrichtungen das Fundament e entsprechend kleiner dimensioniert sein kann bzw. eine kleinere Erstreckung aufweisen kann, da in diese Raumrichtungen geringere Kräfte abgefangen werden müssen.

Die in den Fig. 6 und 7 eingezeichneten Flächen 10 zeigen schematisch eine mögliche Form eines Fundaments 6 bei einem Windprofil, wie es in der Fig. 5 dargestellt ist, in einer Blickrichtung entlang der Längsachse 2 des Turmes 3. Den Flächen 10 ist gemeinsam, dass diese jeweils eine Ausbuchtung auf der Leeseite aufweisen. Die Fläche 10 der Fig. 6 weist im Wesentlichen die Form eines Kreissektors auf. Die Fläche 10 der Fig. 7 weist im Wesentlichen die Form von zwei sich überlappenden Kreissektoren mit unterschiedlichen Radien auf.

Die Form und Ausrichtung des Fundaments 6 kann beispielsweise dadurch ermittelt werden, dass die das Windprofil am Aufstellungsort des Turms 3 repräsentierende Fläche 8 an dem Turm 3 punktgespiegelt wird, wie dies schematisch in der Fig. 8 gezeigt ist. Die punktgespiegelte Fläche 8‘ repräsentiert dann die Form und Ausrichtung des Fundaments 6, genauer gesagt die Fläche 10, die das Fundament 6 in einer Draufsicht hat.

In der Regel wird dann noch die gespiegelte Fläche 8‘ in eine vereinfachte Geometrie überführt, wie dies beispielhaft in dem schematischen Ablaufdiagram der Fig. 9 gezeigt ist. In der Fig. 9 wird zunächst das Windprofil in Form eines Windrosen-Diagramms bereitgestellt. Dieses bzw. die das Windprofil repräsentierende Fläche 8 wird dann in einem ersten Schritt, der durch den Pfeil 11 repräsentiert ist, einer Punktspiegelung um einen Mittelpunkt 12 des Diagramms, der dem Aufstellungsort des Turms 3 entspricht, unterzogen. Im Ergebnis erhält man die gespiegelte Fläche 8‘. In einem zweiten Schritt, der durch den Pfeil 12 repräsentiert ist, wird dann die Fläche 8‘ in eine vereinfachte Geometrie überführt, um die Fläche 10 zu bilden, die das Fundament 6 in der Draufsicht zeigt. Vorliegend ist die Fläche 10 durch einen Kreis mit überlappendem Trapez gebildet, die die Fläche 8‘ überdeckt.

Die Fig. 10 zeigt weitere mögliche Formen des Fundaments 6 zu dem Windprofil, das in der Fig. 9 gezeigt ist, in einer Draufsicht. Wie insbesondere der Fig. 9 b) zu entnehmen ist, ist es nicht zwingend notwendig, dass die Fläche 10 das gespiegelte Windprofil 8‘ vollständig abdeckt. Es ist auch durchaus denkbar, dass die Fläche 10 auf der Leeseite Ausleger aufweist. Es ist auch denkbar, dass die Fläche 10 das gespiegelte Windprofil bzw. die gespiegelte Fläche 8‘ teilweise umrahmt, wie dies beispielhaft in der Fig. 10 e) gezeigt ist. Dadurch kann auf der Leeseite, insofern der Lastseite, Material eingespart werden.

Es versteht sich von selbst, dass aus dem gespiegelten Windprofil nicht zwingend unmittelbar die konkreten Abmessungen des notwendigen Fundaments 6 abgeleitet werden können. Vielmehr dient die Punktspiegelung im Wesentlichen dazu, die Grundform des Fundaments 6 aus dem Windprofil zu ermitteln. Diese Grundform muss dann üblicherweise noch entsprechend skaliert und ggf. in vereinfachte Geometrien überführt werden.

Bezugszeichenliste

Windkraftanlage

Längsachse

Turm

Windturbine

Rotorblatt

Fundament

Untergrund

Fläche ‘ punktgespiegelte Fläche a Pfeil b Pfeil 0 Fläche 1 Pfeil 2 Mittelpunkt 3 Pfeil