DE10150185A1

DE10150185A1 - Windenergieanlage

Info

Publication number: DE10150185A1
Application number: DE10150185A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Althaus; Herbert Welters
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-10-12
Filing date: 2001-10-12
Publication date: 2003-04-30

Abstract

Offenbart ist eine Windenergieanlage 1, deren Rotor 2 durch einen am Boden 6 verankerten Auftriebskörper 4 in einer für die Windnutzung sinnvollen Höhe 7 gehalten wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windenergieanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Es ist allgemein bekannt, Windenergieanlagen aus einer tragenden Turmkonstruktion mit einem Horizontalrotor aufzubauen. Unmittelbar auf der horizontalen Rotorachse ist ein Niederspannungs-Gleichstromgenerator zur Erzeugung elektrischer Energie angeordnet. Der Rotorkopf trägt darüber hinaus Einrichtungen zum kontinuierlichen Erfassen der Windrichtung und Stellmotoren und -getriebe zur Nachführung des Rotorkopfes bei wechselnder Windrichtung.
Die bekannten Windenergieanlagen sind meist mit drei Rotorblättern ausgestattet, die beispielsweise aus kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK) gefertigt werden. Trotz des Bestrebens, die Rotorblätter möglichst leicht auszuführen, ist deren Länge - und damit die Rotorfläche - durch die auf die Aufhängung im Rotorkopf wirkenden Fliehkräfte beschränkt.
Weitere, ebenfalls im Rotorkopf angeordnete Stellmotoren und -getriebe ermöglichen eine Drehung der Rotorblätter um ihre Längsachse. Durch die Verstellung der Rotorblätter "aus dem Wind" kann die Windenergieanlage bei steigendem Winddruck über weite Bereiche in einem optimalen Betriebspunkt eingesetzt werden. Gerade bei Windenergieanlagen mit großer Rotorfläche stellt die Verstellung der Rotorblätter darüber hinaus eine notwendige Sicherheitsfunktion dar, da der Rotor zum Beispiel bei Überschreitung eines maximalen Winddruckes momentenfrei stillgesetzt werden kann. Auch Wartungs- und Reparaturarbeiten an der Windenergieanlage sind so nahezu unabhängig von den Windverhältnissen möglich.
Die im Rotorkopf erzeugte elektrische Energie wird über Stromkabel durch den Turm bis zu einer Übergabestation am Boden geleitet, dort in der Regel auf die konstante Wechselspannung des Stromversorgers umgesetzt und in dessen Netz eingespeist.
Die Turmkonstruktion der bekannten Windenergieanlage wird in einem Betonfundament mit Stahlträgern verankert. Die Turmkonstruktion und die Fundamentierung müssen dabei in der Lage sein, den Winddruck auf die Rotorfläche und das senkrecht zur Rotorfläche in der Generatorachse entstehende Drehmoment, ein vertikal gerichtetes Drehmoment durch mangelnde Nahführung der Rotorfläche, Schwankungen in den genannten Kräften und Momenten durch nicht konstanten Winddruck sowie auch das erhebliche Gewicht des Rotorkopfes mit den darin angeordnete Installationen und das Gewicht der Turmkonstruktion in den Erdboden abzuleiten.
Die bekannte Technik von Horizontalrotoren auf Stahlrohrtürmen mit Betonfundament wird auch für Offshore-Anlagen eingesetzt. Neben der Beanspruchung der Oberflächen durch das aggressive Meerwasser ist die tragende Konstruktion hier zusätzlich Strömungkräften durch Gezeiten und Impulskräften durch Wellengang ausgesetzt.
Die Verwendung einer Turmkonstruktion als Tragwerk der bekannten Windenergieanlagen begrenzt sowohl aus Gründen der Statik als auch aus wirtschaftlichen Überlegungen die mit derartigen Anlagen erreichbaren Höhen. Darüber hinaus sind derartige Anlagen für den mobilen Einsatz offensichtlich ungeeignet.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Windenergieanlage vorzuschlagen, die den wirtschaftlichen Einsatz in - gegenüber dem Stand der Technik - deutlich größeren Höhen über Grund und in mobilen Anlagen erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch eine Windenergieanlage gemäß Hauptanspruch gelöst.
In der beanspruchten Ausbildung der gattungsgemäßen Windenergieanlage übernimmt anstelle der aufwändig fundamentierten Turmkonstruktion ein Auftriebskörper mit einer Ankervorrichtung die Halterung des Rotorkopfes in einer für die Windenergienutzung brauchbaren Höhe über der Erdoberfläche.
Der Wegfall der Turmkonstruktion ermöglicht die Installation der erfindungsgemäßen Windenergieanlage in Höhen, die mit den bekannten Anlagen nicht oder nicht wirtschaftlich erreichbar sind. Da in größeren Höhen die Windausbeute steigt, kann bei gleichen Abmessungen der Energieertrag gesteigert oder bei gleichem Energieertrag eine deutlich kompaktere und dadurch preiswertere Bauweise erreicht werden. Da mit steigender Höhe außerdem die Schwankungen der Windverhältnisse abnehmen, können Sicherheitszuschläge bei der erfindungsgemäßen Anlage geringer dimensioniert werden als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Anlagen.
Durch den Wegfall der aufwändigen Fundamentierung zugunsten einer reinen Zugverankerung beispielsweise durch Seile sinkt auch der Installations- und Deinstallationsaufwand der erfindungsgemäßen Windenergieanlagen gegenüber dem Stand der Technik drastisch.
Bei Offshore-Installationen bietet sich so beispielsweise die Möglichkeit, die Rotoreinheit einer Windenergieanlage zu Wartungszwecken auf einen Ponton oder auf ein Schiff abzulassen oder auch an Land zu schleppen, wodurch wiederum der Wartungsaufwand erheblich verringert wird. Auch die weniger aufwändige Verankerung erweist sich hier als Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, da durch das einmalige Ablassen eines Ankers - beispielsweise eines Betonblockes - auf den Meeresgrund das Ökosystem nur minimal beeinträchtigt wird.
Der geringere Installations- und Deinstallationsaufwand erlaubt darüber hinaus sogar den Einsatz einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage als mobiles Notstromaggregat.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche:
Durch die Verwendung von Vertikalrotoren wird die Windenergieanlage im Wesentlichen unempfindlich gegen Änderungen der Windrichtung. Die Notwendigkeit zur Nachführung der Rotoren mit Stellmotoren und -getrieben entfällt. Wegen des dadurch deutlich verringerten Gewichtes erweist sich der Einsatz von Vertikalrotoren für eine mobile Windenergieanlage als besonders vorteilhaft.
Werden die eingesetzten Rotoren dergestalt angebracht, dass sich die in den Generatoren entstehenden Drehmomente in Bezug auf das Gesamtsystem aufheben, so kann wiederum wegen der Verringerung der zu übertragenden Last der Aufwand der Verankerung reduziert werden.
Die Verwendung eines Luftschiffs als Auftriebskörper bietet sich insbesondere für ein System zur mobilen Notfallversorgung im Katastrophenfall an. Der eigenständige Antrieb eines Luftschiffes ermöglicht die flexible und schnelle Bereitstellung eines leistungsfähigen Notstromaggregates in Gebieten, die auf dem Landweg nicht oder nur schwer zu erreichen sind, zum Beispiel bei großflächigen Überschwemmungen. Moderne Starrluftschiffe bieten die Möglichkeit sehr variabler Aufbauten, so dass der Anbau von Windenergie nutzenden Rotoren keine wesentlichen Probleme bereitet.
Zur Verringerung des Luftwiderstandes einer derart mobilen Windenergieanlage können die Rotoren während der Fahrt zum Einsatzort aus dem Fahrtwind geklappt werden.
Die Verwendung eines Ballons als Auftriebskörper bietet eine sehr preisgünstige Alternative zum Aufbau einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage. Bei der paarweisen Verwendung von Vertikalrotoren können diese sinnvoll auf einer gemeinsamen Achse angeordnet werden. So entsteht ein sehr kompaktes System, das - insbesondere unter Verwendung eines zusammengelegten Gasballons - auch als transportables Notstromaggregat einsetzbar ist.
Durch Gewichte, insbesondere Betongewichte wird besonders einfach und preiswert eine Verankerung der erfindungsgemäßen Windenergieanlage realisiert.
Die erfindungsgemäße Windenergieanlage ist auch vorteilhaft im Rahmen von Offshore- Windparks einzusetzen, bei denen der Ankergrund der Meeresboden ist.
Bevorzugt wird die Verbindung zwischen dem Generator der Windenergieanlage und der dazugehörenden Übergabestation über eine elektrisch leitende Ankervorrichtung hergestellt, wobei die Übergabestation bei Offshore-Anlagen auf einem Schwimmponton, einem Schiff oder einer gegebenenfalls abgewrackten Bohrinsel angeordnet werden kann.
Vorteilhaft können an einer Übergabestation mehrere Windenergieanlagen angeschlossen werden. Hierdurch wird wiederum der Installationsaufwand für einen aus erfindungsgemäßen Anlagen aufgebauten Windpark reduziert.
Bevorzugt ist insbesondere die Verwendung einer flexiblen Verbindung der Windenergieanlage mit dem Ankergrund, die eine Verschiebung der Windenergieanlage unter dem Einfluss von Luft- und (bei Offshore-Anlagen) Wasserströmung zulässt. Diese Verbindung kann vorteilhaft durch ein Seil, insbesondere durch ein auf Zug belastbares Elektrokabel ausgeführt sein. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn dieses Seil im Wesentlichen aus Kunststoff besteht, wodurch das Eigengewicht der Verbindung gering gehalten wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, die eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage zeigt.
Dargestellt ist eine Windenergieanlage 1 mit zwei Vertikalrotoren 2, die mit einer gemeinsamen Tragkonstruktion 3 an einem ellipsoiden Ballon 4 befestigt sind. Die Windenergieanlage 1 ist über zwei Ankervorrichtungen 5 am Meeresgrund 6 verankert. Die Rotoren 2 werden so in einer für die Windenergienutzung sinnvollen Höhe 7 über dem Meeresspiegel 8 gehalten.
Die Windenergieanlage 1 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Offshore-Windparks. Innerhalb dieses Windparks ist eine Vielzahl der erfindungsgemäßen Windenergieanlagen entlang einer gedachten Linie quer zur Hauptwindrichtung 9 angeordnet. Jeweils mehrere erfindungsgemäße Windenergieanlagen 1 übertragen die in den Generatoren erzeugte elektrische Energie an gemeinsame auf Schwimmpontons installierte Übergabestationen 10 - von denen wiederum eine beispielhaft dargestellt ist, die jeweils über Unterseekabel 11 untereinander und mit dem nicht dargestellten Netz des Energieversorgungsunternehmens verbunden sind.
Die beiden ansonsten baugleichen Vertikalrotoren 2 rotieren gegenläufig, so dass die in den integrierten Generatoren erzeugten Drehmomente sich in Bezug auf die Windenergieanlage 1 gegenseitig aufheben. Die lose unter dem Ballon 4 angehängte Tragkonstruktion 3 aus Aluminiumprofilen stellt eine starre - und dadurch nach außen drehmomentfreie - Verbindung der Vertikalrotoren 2 dar.
An beiden Enden des ellipsoiden Ballons 4 sind Ankervorrichtungen 5 angebracht, die jeweils über ein meerwasserfestes Kunststoffseil 12 an einem Betongewicht 13 als Anker auf dem Meeresgrund 6 enden. Eines der Ankerseile 12 ist gleichzeitig als auf Zug belastbares Elektrokabel ausgeführt und stellt über ein weiteres Elektrokabel 14 die Verbindung mit der Übergabestation 10 her.
Die Halterung mit zwei Ankerseilen 12 erlaubt im Wesentlichen nur eine Bewegung der Windenergieanlage 1 in der Hauptwindrichtung 9. Aufgrund der Verwendung von Vertikalrotoren 2 stellen aber weder größere Schwankungen, noch sogar die Umkehr der Windrichtung größere Probleme im Betrieb der erfindungsgemäßen Windenergieanlage dar.
Das Ausführungsbeispiel soll in keiner Weise den durch die nachfolgenden Patentansprüche definierten Schutzbereich einschränken. BEZUGSZIFFERN 1 Windenergieanlage
2 Vertikalrotoren
3 Tragkonstruktion
4 Ballon
5 Ankervorrichtungen
6 Meeresgrund
7 Höhe der Rotoren
8 Meeresspiegel
9 Hauptwindrichtung
10 Übergabestation
11 Unterseekabel
12 Ankerseile
13 Anker (Gewichte)
14 Elektrokabel

Claims

1. Windenergieanlage (1) mit einem oder mehreren Rotoren (2) und einer gemeinsamen Tragkonstruktion (3), gekennzeichnet durch
mindestens einen die Windenergieanlage (1) in der Luft haltenden Auftriebskörper (4) und
mindestens eine Ankervorrichtung (5) mit der die Windenergieanlage (1) in einem Ankergrund (6) verankerbar ist.

2. Windenergieanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren (2) Vertikalrotoren sind.

3. Windenergieanlage (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die abstützenden Drehmomente der Rotoren (2) sich im Wesentlichen gegenseitig aufheben.

4. Windenergieanlage nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Auftriebskörper ein Luftschiff ist.

5. Windenergieanlage nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren um eine horizontale Achse klappbar sind.

6. Windenergieanlage (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Auftriebskörper (4) ein Ballon ist.

7. Windenergieanlage nach den Ansprüchen 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertikalrotoren einen gemeinsame Achse aufweisen.

8. Windenergieanlage (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankervorrichtungen (5) Gewichte aufweisen.

9. Windenergieanlage (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ankergrund (6) der Meeresboden ist.

10. Windenergieanlage (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankervorrichtung (5) eine elektrische Verbindung des Rotors (2) zu einer Übergabestation (10) umfasst.

11. Windenergieanlage (1) nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergabestation (10) auf einem Schwimmponton, einem Schiff oder einer gegebenenfalls abgewrackten Bohrinsel angeordnet ist.

12. Windenergieanlage (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankervorrichtungen (5) eine im Wesentlichen flexible Verbindung mit dem Ankergrund (6) darstellen.

13. Windenergieanlage (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankervorrichtung (5) ein Seil (12) aufweist.

14. Windenergieanlage (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Ankerseil (12) im Wesentlichen aus Kunststoff gefertigt ist.

15. Windenergieanlage (1) nach den Ansprüchen 11 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Ankerseil (12) ein auf Zug belastbares Elektrokabel beinhaltet.