DE9015945U1 - Windkraftmaschine - Google Patents

Description

Petra Christa Gretel Dunker, Bismarckstraße 50, 4030 Ratingen

Windkraftmaschine

Die Erfindung Detrifft eine Windkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und Anspruch 2.

Eine derartige Windkraftmaschine ist aus der DE 28 12 465 Al bekannt. Bei dieser bekannten Windkraftmaschine ist allerdings lediglich das Problem der Höhenveränderlichkeit des Windrotors an dem sich vertikal erstreckenden Tragmast sowie eine Verspannmöglichkeit des Tragmastes gelöst. Soweit bei dieser bekannten Windkraftmaschine die Höhenveranderbarkeit des Windrotors lediglich durch die Teleskopierbarkeit des Tragmastes erreicht wird, an dessen Spitze der Windrotor wie bei einem konventionellen Tragmast starr befestigt ist, treten gegenüber den konventionellen Windkraftmaschinen bei der Umwandlung der Windenergie in elektrische Energie mittels eines Generators keine besonderen mechanischen Probleme auf. Bei derartig &egr;&kgr;&igr; Anordungen reicht es aus, an der Spitze des Tragmastes ein Gehäuse zu befestigen, in welchem einerseits der Generator untergebracht ist und an welchem andererseits der Windrotor drehbar gelagert befestigt, wobei in dem Gehäuse eine Welle drehbar gelagert ist, an deren einem Ende der Rotor und an deren anderem Ende der Generator befestigt ist.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem entlang eines Mastes vertikal verfahrbaren Windrotor eine Möglichkeit zur Unterbrinung und zum Antrieb des Generators zu schaffen.

D-4OOO DÜSSELDORF 1 ■ MUlVANYSTRASSE 2 TELEFON 45/211/032727 TELEFAX 49/211 p3 ^T9 15

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 oder 2 gelöst.

Beiden Lösungsmöglichkeiten ist der Grundgedanke gemein, daß die für die Energieumsetzung von Windenergie in elektrische Energie erforderlichen drehbewegten Bauteile des Generators, wie elektromagnetische Spulen und Permanentmagnete oder dergleichen, unmittelbar in den Windrotor integriert oder an ihm angebaut sind, sich also rotorseits des den Windrotor tragenden Drehlagers befinden. Beiden Lösungen ist ferner gemein, daß die nicht drehbewegten, zur Umwandlung der Windenergie in elektrische Energie erforderlichen Generatorbauteile, wie elektromagnetische Spulen, Permanentmagnete oder dergleichen, sich mastseits des den Windrotor drehbar tragenden Drehlagers befinden. Soweit diese nicht drehbewegten Generatorbauteile unmittelbar in den höhenverstellbaren Halter integriert oder an ihm angebaut sind, hat dies den Vorteil größtmöglicher Kompaktheit des Generators. Außerdem braucht der Mast ausschließlich auf die Belange seiner Trag- und seiner Hohenverstellfunktion für den Windrotor konzipiert zu sein (Anspruch 1). Wenn hingegen die nicht drehbewegten Generatorbauteile (nach Anspruch 2) unmittelbar in den Tragmast integriert oder mit dem Tragmast verbunden sind, hat dies den Vorteil, daß das Gesamtgewicht der höhenverstellbaren Bauteile besonders gering gehalten werden kann. Bei heruntergefahrenen Generatoren ist die Wartungsfreundlichkeit ein kostengünstiger Faktor.

Beide Lösungen haben gemeinsam den Vorteil großer Einfachheit und Funktionssicherheit sowie Kompaktheit und linearer Energieabgabe/Entnahme-Möglichkeit.

Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in dem Ausführungsbeispiel beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Formgestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeptionen keinen beson-

deren Ausnahmebedingungen, so daß die in dem jeweiligen Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, der zugehörigen Zeichnung, in der - bespielhaft - zwei bevorzugte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Windkraftmaschine dargestellt ist. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Windkraftmaschine in perspektivischer Ansicht, wobei der Windrotor in zwei verschiedenen Höhenpositionen dargestellt ist;

Fig. 2 von derselben Windkraftmaschine einen Vertikalschnitt durch das untere Windrotorlager - ausschnittsweise (Schnitt entlang der Linie II-II gemäß Fig.l);

Fig. 3 durch dasselbe Windrotorlager einen Horizontalschnitt (Schnitt entlang der Linie III-III gemäß Fig. 1 und 2) sowie

Fig. 4 eine alternative Ausführungsform einer Windkraftmaschine im Vertikalschnitt - ausschnittsweise und in der Fig.2 entsprechenden Darstellung.

Bei der (ersten) Ausführungsform gemäß Fig. 1 bis 3 ist ein insgesamt mit 10 bezeichneter Tragmast auf dem Erdboden 12, auf einem Gebäude oder einem anderen erdfesten Bauteil senkrecht errichtet. Er kann im Bedarfsfalle in geeigneter Weise verspannt sein. Beispielhafte Möglichkeiten hierzu finden sich in der DE 28 12 465 Al.

Die insgesamt mit 1 bezeichnete Windkraftmaschine weist einen als Windturbine, Windrad oder dergleichen

dienenden Windrotor 3 auf. Dieser weist vom Wind antreibbare Antriebsflügel 2 oder dergleichen auf und besitzt eine vertikal sich erstreckende Drehachse 4.

Die Windkraftmaschine 1 weist ferner einen Generator 5 zur Umwandlung mechanischer in elektrische Energie auf. Dieser besteht bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bis 3 aus zwei axial voneinander beabstandeten Generatoren 5A und 5B. Die Generatoren 5A und 5B werden von dem Windrotor 3 in weiter unten noch näher erläuterter Weise angetrieben.

Die beiden Generatoren 5A und 5B sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich durch drei gleichmäßig über den Rotorumfang verteilte kreissegmentförmige Antriebsflügel 2 miteinander verbunden, die mit jedem ihrer beiden Enden jeweils in kreisringförmigen Lagerplatten 6 am Tragmast 10 enden. Die Tragplatten 6 sind mit dem radial äußeren Bauteil der Generatoren 5A und 5B drehfest verbunden bzw. drehfest verbindbar, so daß sie die drehbaren Generatorteile in eine Drehbewegung um die Drehachse 4 versetzen können, die gleichzeitig die Generatorachse sowie die Tragmastachse ist.

Um nun den Windrotor nebst des Generators 5, 5A, 5B bezüglich des Tragmastes 10 in einer bestimmten Höhe tragend zu halten und drehbar zu lagern, sind Halter 7 vorgesehen, die den Tragmast 10 mehr oder minder vollständig umfassen und mittels an ihnen angreifenden Wälzlagern 8A, RB und 9A, 9B (siehe Fig. 2) versehen sind. Gleichzeitig sind die Halter 7 derart ausgebildet, daß sie eine Höhenverstellung des gesamten Windrotors 3 am Tragmast 10 gestatten. Dies ist in Fig. 1 gestrichelt angedeutet. Durch diese Höhenverstellbarkeit kann der Windrotor 3 entsprechend der aktuellen Windstärke in größerer oder niedrigerer Höhe über der Erde ar-

beiten, d. h. in Bereichen relativ größerer und relativ geringerer Windgeschwindigkeit. Bekanntlich nimmt die Windgeschwindigkeit zur Erdoberfläche hin aufgrund zunehmender Reibungsverluste ab. Dieser bekannte Effekt wird bereits bei der aus der DE 28 12 465 Al bekannten Windkraftmaschine genutzt und soll bei der erfingungsgemäßen Windkraftmaschine eine einfach Anpassung an die am Aufstellungsort der Windkraftmaschine jeweils herschende Windstärke ermöglichen.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 sind die beiden Generatoren 5A und 5B lediglich durch die Antriebsflügel 2 in axialer Richtung miteinander verbunden. Es ist aber auch möglich, sie in der Nähe des Tragmastes 2 unmittelbar miteinander zu verbinden. Z. B. können die bezüglich des Tragmastes 10 drehfest gelagerten Halter 7 miteinander druck- und zugfest verbunden sein. Dies kann die Leichtgängigkeit der Höhenverstellung des Windrotors 3 verbessern.

Anstelle der in Fig. 1 beispielhaft dargestellten Antriebsflügelform, die vom sogenannten Darrieus-Rotor bekannt ist, können auch sämtliche andere Antriebsflügelformen verwendet werden, die zum Antrieb eines Windrotors mit vertikal sich erstreckender Achse geeignet sind, z. B. mit Antriebsflügeln, wie sie aus der DE 28 12 465 Al bekannt sind, oder über eine vergleichsweise große vertikale Länge sich erstreckende und dafür einen geringeren Durchmesser aufweisende Windrotoren in Zylinder- bzw. Walzenform oder dergleichen mehr.

Schließlich sind in Fig. 1 Hilfsantnebsflügel 13 dargestellt, die koaxial im Bereich der Generatoren 5A und 5B vorgesehen sind und als Anlaufhilfe für den Windrotor 3 und/oder den Generator 5 dienen können. Entsprechend kann zwischen dem Generator 5 und dem Rotor 3 und/oder dem Hilfsrotor 13 eine lösbare Kupplung vorgesehen sein.

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Wie sich aus Fiq. ? ergiht, kann der T_rapmast, in mit einander diametral gegenüber! leqenden achsparal T ei en Längsnuten 14 mit einer darin vorgesehenen Zahns tangenanordnunp 15 versehen sein. Die Zahnstanqenanordnunq 15 ist der Übersichtlichkeit halber nur in einzelnen Längsabschnitten dargestellt, sie erstreckt sich üblicherweise aber über größere oder gar die gesamte Hohe des möglichen vertikalen Ver^fahrweges des Windrotors 3. Einander diametral gegenüberliepende sich achsparallel in der äußeren Tragmastoberfläche erstreckende Führungsnuten IR ermöglichen eine passgenaue spielarme Führung des Rotors 3 entlang seines Höhenverstel1-weges und verhindern im Zusammenwirken mit Passfedern 17 oder dergleichen (Fig. 3) ein Werdrehen des Halters 7 bezügliche des Tragmastes 1.0. An dem Halter 7 sind Zahnräder 18 an horizontal sich erstreckenden Achsen drehbar gelagert und derart befestigt, daß sie mit den Zahnstangenanordnungen 15 am Tragmast ID kämmen und somit eine vertikale ^l'er^fahrbarkeit des Rotors 13 am Tfagmast 1° ermöglichen. Als Stellantriebe dienen Stellmotoren IP, die ebenfalls am Halter 7 angeordnet sind.

Der Halter 7 nimmt einen oder mehrere ringzylindrisch geformte Magnetkerne 20 auf, die als Stator des Generators 5 dienen. Darüberhmaus weist Halter 7 die drehfesten Teile PA und 9A der Wälzlager BA/B, 9A/B auf.

Das untere Wälzlager 9A/R nimmt die Gewichtskraft des Rotors 3 auf, während das Wälzlager RA/B ausschließlich Führungsaufgaben übernimmt.

Am radial inneren Teil des Rotors sind rinqzylinderförmig geformte elektromagnetische Spulen ?1 angeordnet, die mit nur geringem Luftspalt den Magnetkern ?0 umgeben. Rei dieser Anordnung von Magnetkern und Spulen müssen ansich he—

kannte und in der Zeichnung darum nicht einzeln dargestellte Schleifringe vorgesehen sein, die mit am oder im Tragmast 10 verlegten elektrischen Leitungen oder SchleifLeiterbahnen elektrisch leitend verbunden sind. Perartige Schleifringe sind entbehrlich, falls die Magnetkerne am Rotor und die Spulen am Halter vorgesehen sind.

Schließlich ist aus Fig. ^&Dgr; ersichtlich, daß (gemäß Anspruch 2) das nicht drehbewegte Generatorteil mit dem Mast verbunden sein oder von ihm gebildet sein kann. Bei dieser Ausführungsform sind in den T_ragmast integrierte, stichpunktiert dargestellte Magnete 2 &eegr; vorgesehen, deren Polschuhe nahe oder an der äußeren Tragmastoberfläche liegen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel, sind über den Tragmastumfang drei Magnete 20 gleichverteilf anaeordnet. Die in Achsrichtung des Tragmastes sich erstreckende Länge der Magnete 20 kann in Teilstücke aufgeteilt sein, wie dies sich aus der Figurenmitte ergibt.

Der Windrotor 3 weist an seinem tragmastseitigen Innenumfang eine umlaufende, gegebenenfalls in Segmente aufgeteilte kreisringförmige Aussparung 22 auf, die die elektromagnetischen Spulen 21 aufnimmt, welche mit dem Tragmast ID bzw. den Magneten 20 einen möglichst geringen Abstandsspalt aufweisen.

Der Halter 7 besteht lediglich aus kreisringförmigen Elementen 7A und 7B. Zur Erleichterung der Höhenverstellbarkeit des Halters 7 am Tragmast 10 sind die beiden Halterteile 7A und 7B mittels eines oder mehrerer Stege 7C miteinander verbunden. Diese Stege sind in Führungsnuten IP des Tragmastes 10 untergebracht und übernehmen gleichzeitig die Funktion der Passfeder 17 des ersten Ausführungsbeispiels, d. h., sie verhindern ein Mitdrehen des Halters 7 mit dem

-P-

Rotor 3. Es versteht sich, daß die Stege 7C die allgemeine Umfangskontur des Tragmastes 1ⁿ nicht nach radial außen hin überragen dürfen. Vorzugsweise sind sie auf ihrer radialen Außenseite im Querschnitt kreisrund wie der ^Trapmast 10 geformt und fluchten mit der übrigen Umfangskontur des Tragmastes.

Während der Tragmast 10 bei dem Ausführunqsbeispiel gemäß Fig. ^&Dgr; vorteilhafter Weise einen kreisrunden Außenumfang aufweist, kann er bei dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 3 ohne weiteres einen nicht kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Vorteilhafter Weise ist der Tragmast 10 innen hohl ausgebildet.

Bezugszeichenliste:

1	Windkraftmaschine
IV)	Antriebsflügel
3	Windrotor
4	Drehachse
5	Generator
5A	Generator
5B	Generator
6	Lagerplatten
7	Halter
7A	Halter
7B	Halter
7C	Stege
8A/B	Wälzlager
9A/B	Wä lzlager
10	Tragmast
11
12	Erdboden
13	Hilsrotor/HiIfsantriedsflügel
14	Längsnuten
15	Zahnstangenanordnung
16	Führungsnuten
17	Passfedern
18	Zahnräder
19	Stellmotoren
20	Magnete
21	Spulen
22	Aussparungen

Claims (5)

Ansprüche

1. Windkraftmaschine

mit einem als Windturbine oder dergleichen dienenden Antriebsflügel oder dergleichen aufweisenden Windrotor mit vertikal sich erstreckender Drehachse,

mit einem von dem Windrotor angetriebenen Generator zur Umwandlung mechanischer in elektrische Energie,

mit einem vertikal sich erstreckenden Tragmast für den Windrotor und

mit einem an dem Tragmast höhenverstellbar angeordneten, den Windrotor tragenden und drehbar lagernden Halter
dadurch gekennzeichnet,

daß der Windrotor (3) und der Halter (7) gemeinsam den Generator (5, 5A, 5B) bilden, wobei

die drehbewegten Generatorbauteile (21) mit dem Windrotor (3) verbunden sind oder von ihm gebildet werden und

die nicht drehbewegten Generatorbauteile (20) mit dem höhen verstellbaren Halter (7) verbunden sind oder von ihm gebildet werden.

2. Windkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1

dadurch gekennzeichnet,

daß der Windrotor (3) und der Tragmast (10) den Generator (5, 5A, 5B) bilden, wobei

die drehbewegten Generatorbauteile (21) mit dem Windrotor (3) verbunden sind oder von ihm gebildet werden und

die nicht drehbewegten Generatorbauteile (20) mit dem Tragmast (10) verbunden sind oder von ihm gebildet werden.

3. Windkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Hilfsrotor (13).

4. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis ?, gekennzeichnet durch eine Anfahrkupplung.

5. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche ¹ bis ^&Dgr;, dadurch gekennzeichnet, daß zur Höhenverstellung des Windrotors (3) am Tragmast CiV) mindestens eine parallel zur Längserstreckung des Tragmastes (10) angeordnete Zahnstangenanordnung (15) vorgesehen ist.