DE102008015814A1

DE102008015814A1 - Wind turbine for energy production

Info

Publication number: DE102008015814A1
Application number: DE102008015814A
Authority: DE
Inventors: Herbert Radermacher
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-03-27
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2009-10-01
Anticipated expiration: 2028-03-28
Also published as: WO2009118138A2; WO2009118138A3; DE102008015814B4

Abstract

Bei einer Windradanlage zur Energieerzeugung mit einer an der Spitze eines Turms (1) um eine senkrechte Achse drehbar gelagerten und den Stromgenerator aufnehmenden Gondel (2) und wenigstens drei an der Nabe des Rotors angeordneten Rotorflügeln (4) sind am Ende der Rotorflügel (4) in radialem Abstand voneinander kreisförmige Ringe (6, 7) angeordnet. Zwischen diesen Ringen (6, 7) sind zur Erhöhung des Drehmomentes eine Vielzahl von Leitschaufeln angeordnet. Die Gondel (2) trägt in Verlängerung der Rotorachse ein Stabilisierungsrohr (12). Am Ende des Stabilisierungsrohres (12) sind Stangen oder Seile (15) angebracht, die mit den am Ende der Rotorflügel (4) angeordneten Ringen (6, 7) verbunden sind. Die Spitze des Stabilisierungsrohres (12) ruht auf einem von Stützen (13, 14) getragenen Lager. Die Stützen (13, 14) stützen sich auf einem unterhalb des äußeren Ringes (7) drehbar gelagerten Ausleger (3) ab, der sich synchron mit der Gondel (2) dreht.In a wind turbine for power generation with a at the top of a tower (1) rotatably mounted about a vertical axis and the power generator receiving nacelle (2) and at least three arranged on the hub of the rotor blades (4) are at the end of the rotor blades (4) arranged at a radial distance from each other circular rings (6, 7). Between these rings (6, 7), a plurality of vanes are arranged to increase the torque. The nacelle (2) carries in the extension of the rotor axis, a stabilizing tube (12). At the end of the stabilizing tube (12) rods or ropes (15) are mounted, which are connected to the at the end of the rotor blades (4) arranged rings (6, 7). The tip of the stabilizing tube (12) rests on a bearing supported by supports (13, 14). The supports (13, 14) are based on a below the outer ring (7) rotatably mounted boom (3), which rotates synchronously with the nacelle (2).

Description

Die Erfindung betrifft eine Windradanlage zur Energieerzeugung, mit einem Turm, einer an der Spitze des Turms um eine senkrechte Achse drehbar gelagerten und den Stromgenerator aufnehmenden Gondel, wenigsten drei an der Nabe des Rotors angeordneten Rotorblättern sowie am Ende der Rotorblätter in radialem Abstand voneinander angeordneten kreisförmigen Ringen, zwischen denen zur Erhöhung des auf den Rotor einwirkenden Drehmoments eine Vielzahl von Leitschaufeln angeordnet sind.The The invention relates to a wind turbine plant for power generation, with a tower, one at the top of the tower around a vertical axis rotatably mounted and the power generator receiving nacelle, at least three arranged on the hub of the rotor rotor blades and at the end of the rotor blades at a radial distance from each other arranged circular rings, between which increase of the torque acting on the rotor, a plurality of vanes are arranged.

Eine Windkraftanlage dieser Art ist aus der DE 10130310 A1 bekannt. Bei diesem bekannten Windrad sind die kreisförmigen Ringe jeweils als Ringpaare ausgebildet. Ein Ring jedes Ringpaares ist jeweils mit den Vorderkanten der Rotorblätter, und der andere Ring jeweils mit den Hinterkanten der Rotorblätter beweglich verbunden. Wird der Anstellwinkel der Rotorblätter verändert, dann verschieben sich die vorderen Ringe gegen die hinteren Ringe. Der Anstellwinkel der Leitschaufeln, die zwischen diesen Ringen angeordnet sind, ändert sich dadurch ebenfalls.A wind turbine of this kind is from the DE 10130310 A1 known. In this known wind turbine, the circular rings are each formed as pairs of rings. One ring of each ring pair is movably connected respectively to the leading edges of the rotor blades, and the other ring is movably connected to each of the trailing edges of the rotor blades. If the angle of attack of the rotor blades is changed, then the front rings move against the rear rings. The angle of attack of the vanes, which are arranged between these rings, thereby also changes.

Durch die Anordnung zusätzlicher Leitschaufeln an der Peripherie der Rotorblätter kann die Leistung eines Windrades erheblich gesteigert werden. Bei Windrädern mit relativ kurzen Rotorblättern lässt sich eine stabile Konstruktion verwirklichen. Wenn jedoch die Rotorblätter sehr lang sind, wie das bei den heute üblichen Windrädern der Fall ist, ist die Ringkonstruktion mit den zusätzlichen Leitschaufeln wegen ihrer großen Angriffsfläche sehr hohen Windkräften ausgesetzt, so dass das Windrad instabil wird und leicht Schaden nehmen kann.By the arrangement of additional vanes on the periphery The rotor blades can significantly increase the performance of a wind turbine be increased. For wind turbines with relatively short rotor blades can a stable construction be realized. If However, the rotor blades are very long, as in the usual today Wind turbines is the case, the ring construction is with the additional vanes because of their large Attack surface exposed to very high wind forces, so that the wind turbine becomes unstable and can easily be damaged.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windradanlage mit dem eingangs genannten Aufbau so auszugestalten, dass sie auch bei den heute üblichen großen Windrädern mit verhältnismäßig langen Rotorflügeln realisiert werden kann.Of the Invention is the object of a wind turbine with the The structure mentioned above in such a way that they also in today's usual big wind turbines with relative long rotor blades can be realized.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an der Gondel in Verlängerung der Rotorachse ein Stabilisierungsrohr angeordnet ist, an dessen Ende Stangen oder Seile angebracht sind, die mit den am Ende der Rotorblätter angeordneten Ringen verbunden sind.These The object is achieved according to the invention that at the nacelle in extension of the rotor axis a stabilizing tube is arranged, at the end of rods or ropes are attached, the connected to the rings arranged at the end of the rotor blades are.

Je nach Ausführung dieser Stabilisierungskonstruktion lassen sich auf diese Weise auch Windräder mit sehr großem Durchmesser realisieren, indem beispielsweise die Länge des Stabilisierungsrohres und die Anzahl der Stabilisierungsstangen und/oder Seile entsprechend den jeweiligen Anforderungen variiert werden.ever after execution of this stabilization construction leave In this way, wind turbines with very large Realize diameter by, for example, the length of the stabilizing tube and the number of stabilizing rods and / or Ropes can be varied according to the respective requirements.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann eine zusätzliche Stabilisierung des Systems dadurch erreicht werden, dass die Spitze des Stabilisierungsrohres auf einem von Stützstangen getragenen Lager ruht, wobei die Stützstangen sich auf einem unterhalb des äußeren Ringes an dem Turm synchron mit der Gondel drehbar gelagerten Ausleger abstützen. Diese zusätzliche Lagerung der Spitze des Stabilisierungsrohres ermöglicht es, die auf das Stabilisierungsrohr einwirkenden Biegekräfte wesentlich zu reduzieren.In expedient embodiment of the invention can thereby achieving additional stabilization of the system be that the tip of the stabilization tube on one of Support rods supported bearing rests, with the support rods on one below the outer ring supporting the tower rotatably mounted boom synchronously with the nacelle. This additional storage of the tip of the stabilization tube allows it to act on the stabilizing tube Significantly reduce bending forces.

Der sich synchron mit der Gondel drehende Ausleger dient nicht nur zur Abstützung und zur Stabilisierung des Systems, sondern kann darüber hinaus auch zu anderen Zwecken dienen. Beispielsweise kann auf dem Ausleger eine Bremsvorrichtung angeordnet sein, die mit einem Teil der Ringkonstruktion in mechanischen Eingriff kommen kann. Dadurch wird es möglich, im Bedarfsfall das Windrad mechanisch abzubremsen und/oder das Windrad im Stillstand mechanisch zu blockieren.Of the Synchronous with the nacelle rotating boom is not just for Support and stabilization of the system, but may also be used for other purposes. For example can be arranged on the boom, a braking device, the come into mechanical engagement with a part of the ring construction can. This makes it possible, if necessary, the wind turbine mechanically decelerate and / or the wind turbine at a standstill mechanically to block.

Ebenso eröffnet der Ausleger die Möglichkeit, auf dem Ausleger den Statorteil eines oder mehrerer Lineargeneratoren anzuordnen, wobei der rotierende äußere Ring des Windrades den Rotorteil der Lineargeneratoren bildet. Diese Lineargeneratoren können für die zusätzliche Energiegewinnung genutzt werden, oder aber im Bedarfsfall auch als elektrische Bremse für das Windrad dienen.As well the boom opens up the possibility of being on the Cantilever to arrange the stator part of one or more linear generators, the rotating outer ring of the windmill forms the rotor part of the linear generators. These linear generators can be used for additional energy, or in case of need also as electric brake for to serve the windmill.

Die Ringkonstruktion kann auch so ausgeführt sein, dass ein beispielsweise aus einem Rohr bestehender Ring zwischen zwei in Reibkontakt mit diesem Ring einander gegenüber stehenden, um vertikale Achsen drehbaren Antriebsrädern steht, durch die weitere Rotationsgeneratoren angetrieben werden.The Ring construction can also be designed so that a for example, consisting of a pipe ring between two in Frictional contact with this ring facing each other, about vertical axes rotatable drive wheels, through the other rotation generators are driven.

Anhand der Zeichnungen werden nachfolgend mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.Based The drawings below possible embodiments the invention described in more detail.

Von den Zeichnungen zeigtFrom the drawings shows

1 eine erfindungsgemäße Windradanlage in der Vorderansicht; 1 a wind turbine according to the invention in front view;

2 die in 1 dargestellte Windradanlage in einer teilweise im Schnitt dargestellten Seitenansicht; 2 in the 1 shown wind turbine in a partially sectioned side view;

3 eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Windradanlage in einer teilweise im Schnitt dargestellten Seitenansicht; 3 another embodiment of a wind turbine according to the invention in a partially sectioned side view;

4 einen drehbaren Ausleger mit einem mit dem äußeren Ring des Windrades zusammenwirkenden Linearmotor; 4 a rotatable arm having a linear motor cooperating with the outer ring of the windmill;

5 einen drehbaren Ausleger mit einer zusätzlichen mechanischen Bremse für das Windrad, 5 a rotatable boom with an additional mechanical brake for the windmill,

6 eine Einzelheit aus 5 in vergrößerter Darstellung, und 6 a detail 5 in an enlarged view, and

7 eine Konstruktion des Windrades mit einem zusätzlichen Antriebsring für zwei zusätzliche rotierende Generatoren. 7 a construction of the wind turbine with an additional drive ring for two additional rotating generators.

Wie aus den 1 und 2 im einzelnen zu erkennen ist, trägt der Turm 1 der Windradanlage an seiner Spitze die Gondel 2. Die Gondel 2 ist um die senkrechte Mittelachse des Turms 1 drehbar gelagert und wird durch eine geeignete Regeleinrichtung in ihrer horizontalen Ausrichtung in Abhängigkeit von der Windrichtung gesteuert. In gleicher Weise wird der drehbar gelagerte Ausleger 3 in seiner horizontalen Ausrichtung gesteuert, so dass sich die Gondel 2 und der Ausleger 3 synchron miteinander drehen.Like from the 1 and 2 In detail, the tower carries 1 the wind turbine at its head the gondola 2 , The gondola 2 is around the vertical center axis of the tower 1 rotatably supported and is controlled by a suitable control device in its horizontal orientation as a function of the wind direction. In the same way, the rotatably mounted boom 3 controlled in its horizontal orientation, so that the gondola 2 and the boom 3 rotate synchronously with each other.

An den Enden der Rotorflügel 4 sind ein innerer kreisförmiger Ring 6 und ein äußerer kreisförmiger Ring 7 angeordnet. Zur weiteren Stabilisierung der Ringe 6, 7 dienen die mit der Nabe 11 verbundenen Distanzstangen 5. Die Ringe 6 und 7 haben im dargestellten Fall einen kreisförmigen Querschnitt. Sie bestehen beispielsweise aus Rohren aus einem faserverstärkten Kunststoff, insbesondere aus einem mit Carbonfasern verstärkten Polymer. Sie können aber auch aus hoch reißfesten gasdichten Gewebeschläuchen bestehen. Wenn solche Gewebeschläuche mit Druckluft oder einem anderen geeigneten Gas unter Druck gefüllt werden, nehmen sie automatisch eine kreisförmige Gestalt an.At the ends of the rotor blades 4 are an inner circular ring 6 and an outer circular ring 7 arranged. To further stabilize the rings 6 . 7 serve those with the hub 11 connected distance bars 5 , The Rings 6 and 7 have in the illustrated case a circular cross-section. They consist for example of tubes made of a fiber-reinforced plastic, in particular of a polymer reinforced with carbon fibers. But they can also consist of highly tear-resistant gastight fabric tubes. When such fabric tubes are filled with compressed air or other suitable gas under pressure, they automatically assume a circular shape.

Zwischen den Ringen 6 und 7 ist eine Vielzahl von Leitschaufeln 8 angeordnet. Damit das Windrad durch eine Konstruktion, die ein Verdrehen der Leitschaufeln ermöglichen würde, nicht zu schwer wird, sind die Leitschaufeln 8 unter einem mittleren Anstellwinkel mit den beiden Ringen 6 und 7 fest verbunden. Um dem Wind bei fest stehendem Anstellwinkel der Leitschaufeln immer eine optimale Angriffsfläche zu bieten, kann das Windrad mit einer Steuereinrichtung versehen sein, durch die die Gondel in Abhängigkeit von der Windrichtung in eine für die Leitschaufeln günstige Winkelstellung gedreht wird.Between the rings 6 and 7 is a variety of vanes 8th arranged. In order for the windmill not to become too heavy by a design that would allow the vanes to rotate, the vanes are 8th at a medium angle of attack with the two rings 6 and 7 firmly connected. In order to always provide the wind with an established angle of attack of the guide blades an optimal attack surface, the wind turbine may be provided with a control device by which the nacelle is rotated in dependence on the wind direction in a favorable angle for the vanes.

Aus Gewichtsersparnisgründen können die Leitschaufeln 8 ebenfalls aus faserverstärktem Kunststoff oder aus einem hoch reißfesten Gewebe bestehen, das jeweils zwischen zwei radial verlaufenden Rohren 9, 10 gespannt ist, die als Abstandshalter zwischen den Ringen dienen und mit den Ringen 6, 7 auf geeignete Weise verbunden sind, beispielsweise durch eine Klebeverbindung.For weight saving reasons, the vanes can 8th also consist of fiber-reinforced plastic or a highly tear-resistant fabric, each between two radially extending tubes 9 . 10 curious, which serve as spacers between the rings and with the rings 6 . 7 are connected in a suitable manner, for example by an adhesive connection.

Mit der Nabe 11 des Rotors ist in Verlängerung der Rotorachse ein Stabilisierungsrohr 12 angeordnet, dessen Länge sich nach dem Durchmesser des Windrades richtet. Die Spitze dieses Stabilisierungsrohres 12 ist in einem Drehlager gelagert, das am Ende der beiden Stützen 13, 14 angeordnet ist. Die Stützen 13, 14 sind mit dem sich synchron mit der Gondel drehenden Ausleger 3 starr verbunden und bilden so eine stabile Lagerung für das Stabilisierungsrohr.With the hub 11 the rotor is a stabilization tube in extension of the rotor axis 12 arranged, whose length depends on the diameter of the wind turbine. The tip of this stabilization tube 12 is mounted in a pivot bearing at the end of the two supports 13 . 14 is arranged. The pillars 13 . 14 are with the boom rotating in sync with the nacelle 3 rigidly connected, thus forming a stable storage for the stabilization tube.

Mit dem Stabilisierungsrohr 12 sind die beiden Ringe 6, 7 über Zugstangen oder Seile 15 verbunden, so dass die auf die Ringe 6, 7 einwirkenden Windkräfte auf das Stabilisierungsrohr abgeleitet werden und die Anlage die erforderliche Stabilität erhält.With the stabilization tube 12 are the two rings 6 . 7 over tie rods or ropes 15 connected, so that on the rings 6 . 7 acting wind forces are discharged to the stabilizing tube and the system receives the required stability.

Bei der in der 3 ebenfalls teils im Schnitt dargestellten Ausführungsform sind die Leitschaufeln 21 zwischen zwei kreisförmigen starren Ringen 19, 20 angeordnet, die aus Hohlprofilen beispielsweise aus Leichtmetall oder aus einem leichten Verbundwerkstoff bestehen. Die Hohlprofile haben vorzugsweise einen Querschnitt wie die Tragflügel von Flugzeugen, wobei jeweils die gewölbte Seite zu den Leitschaufeln 21 gerichtet ist. Auf diese Weise entsteht durch den zwischen den Ringen 19, 20 durchströmenden Luftstrom eine zusätzliche Sogwirkung, die zu einer Verstärkung des auf die Leitschaufeln 21 einwirkenden Luftstromes führt. Die Leitschaufeln 21 sind wiederum unter einem geeigneten mittleren Anstellwinkel zwischen den Hohlprofilen angeordnet und mit diesen fest verbunden, beispielsweise verschweißt oder verklebt.When in the 3 also partly in section shown embodiment, the vanes 21 between two circular rigid rings 19 . 20 arranged, which consist of hollow sections, for example made of light metal or a lightweight composite material. The hollow sections preferably have a cross-section like the wings of aircraft, wherein in each case the curved side to the guide vanes 21 is directed. In this way arises through the between the rings 19 . 20 flowing airflow an additional suction, resulting in a reinforcement of the vanes 21 acting air flow leads. The vanes 21 are in turn arranged under a suitable average angle between the hollow sections and firmly connected to these, for example, welded or glued.

Es ist auch möglich, den rotierenden äußeren Ring 20 als Rotorteil eines elektrischen Lineargenerators auszubilden, wie er in seinem prinzipiellen Aufbau in den 4 und 5 dargestellt ist. Der Statorteil 23 des Lineargenerators ist auf dem Ausleger 3 angeordnet. Der so gebildete Lineargenerator kann ebenfalls für die Stromerzeugung genutzt werden, indem der hierdurch gewonnene elektrische Strom in das Stromnetz eingespeist wird. Er kann aber auch im Bedarfsfall als elektrische Bremse genutzt werden.It is also possible to use the rotating outer ring 20 form as a rotor part of an electric linear generator, as in its basic structure in the 4 and 5 is shown. The stator part 23 of the linear generator is on the boom 3 arranged. The linear generator thus formed can also be used for power generation by the resulting electrical power is fed into the grid. But it can also be used as an electric brake in case of need.

Um das Windrad im Bedarfsfall abzubremsen und gegebenenfalls festzusetzen, kann, wie es aus den 5 und 6 ersichtlich ist, an dem äußeren Ring 20 konzentrisch hierzu ein kreisförmiges Rohr 25 angeordnet sein, das zwischen den beiden Bremsbacken 26, 27 einer Backenbremse läuft. Die Backenbremse ist ebenfalls auf dem Ausleger 3 angeordnet.If necessary, to decelerate the wind turbine and fix it if necessary, as can be seen from the 5 and 6 it can be seen on the outer ring 20 Concentric thereto, a circular tube 25 be arranged between the two brake shoes 26 . 27 a baking brake is running. The jaw brake is also on the boom 3 arranged.

In 7 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der das an den Ringen 19, 20 befestigte kreisringförmige Rohr 25 zwischen zwei einander gegenüber angeordneten, jeweils um eine vertikale Achse drehbaren Reibrädern 29, 30 hindurch läuft und diese beiden Räder 29, 30 durch Reibkontakt in Drehung versetzt. Die Reibräder 29, 30 sitzen jeweils auf der Welle eines Drehstromgenerators 31, 32, die ihrerseits wiederum auf dem Ausleger 3 angeordnet sind. Diese Generatoren 31, 32 können ebenfalls zur Energiegewinnung genutzt werden, indem der hierdurch erzeugte elektrische Strom in das Stromnetz eingespeist wird. Sie können aber auch im Bedarfsfall als Bremseinrichtung für das Windrad dienen.In 7 an embodiment is shown in which the on the rings 19 . 20 attached circular tube 25 between two ge each arranged opposite each other, each about a vertical axis rotatable friction wheels 29 . 30 runs through and these two wheels 29 . 30 rotated by frictional contact. The friction wheels 29 . 30 each sit on the shaft of an alternator 31 . 32 , in turn, on the boom 3 are arranged. These generators 31 . 32 can also be used to generate energy by feeding the electrical power generated in this way into the grid. But you can also serve as a braking device for the wind turbine in case of need.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10130310 A1 [0002]

Claims

Wind turbine for power generation, with a tower ( 1 ), one at the top of the tower ( 1 ) about a vertical axis rotatably mounted and the power generator receiving nacelle ( 2 ), at least three rotor blades arranged on the hub of the rotor ( 4 ) and at the end of the rotor blades ( 4 ) radially spaced rings ( 6 . 7 ; 19 . 20 ), between which for increasing the torque, a plurality of vanes ( 8th ; 21 ), characterized in that on the nacelle ( 2 ) in the extension of the rotor axis a stabilizing tube ( 12 ) is arranged at the end rods or ropes ( 15 ) attached to the end of the rotor blades ( 4 ) arranged rings ( 6 . 7 ; 19 . 20 ) are connected.

Wind turbine according to claim 1, characterized in that the tip of the stabilizing tube ( 12 ) on one of supports ( 13 . 14 ) supported bearing rests, wherein the supports ( 13 . 14 ) on one below the outer ring ( 7 ; 20 ) on the tower ( 1 ) synchronously with the nacelle ( 2 ) rotatably mounted boom ( 3 ).

Wind turbine according to claim 1 and 2, characterized in that on the boom ( 3 ) the stator part ( 23 ) of a linear generator, and the rotating outer ring ( 20 ) forms the rotor part of the linear generator.

Wind turbine according to claim 1 to 3, characterized that the linear generator is used to generate electricity.

Wind turbine according to one of claims 1 to 4, characterized in that on the outer ring ( 20 ) an annular tube ( 25 ) arranged between the boom ( 3 ) arranged brake shoes ( 26 . 27 ) running.

Wind turbine according to one of claims 1 to 4, characterized in that on the outer ring ( 20 ) an annular tube ( 25 ) arranged between two friction wheels ( 29 . 30 ) running as drive wheels for two on the boom ( 3 ) arranged three-phase generators ( 31 . 32 ) serve.

Wind turbine according to one of claims 1 to 6, characterized in that the two rings ( 19 . 20 ), between which the guide vanes ( 21 ) are arranged, have a cross-section of a wing corresponding cross-section, so that the suction effect caused thereby on the guide vanes ( 21 ) acting air flow amplified.

Wind turbine according to claim 1 or 2, characterized in that the two rings, between which the guide vanes ( 8th ) are arranged, consist of highly tear-resistant gas-tight, under pressure tissue tubes.