DE102009060895A1

DE102009060895A1 - Windkraftanlage mit einem ersten Rotor

Info

Publication number: DE102009060895A1
Application number: DE102009060895A
Authority: DE
Inventors: Georg Smylla
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-01-03
Filing date: 2009-12-30
Publication date: 2010-07-08
Also published as: DE202009000125U1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem ersten Rotor, der wenigstens zwei um eine annähernd horizontale Rotationsachse drehbar gelagerte Rotorflügel aufweist, und zumindest einen Generator zur Erzeugung von Strom aus der Rotationsbewegung des Rotors. Um eine Windkraftanlage dahingehend zu verbessern, dass ein höherer Wirkungsgrad erzielt wird, soll zumindest ein weiterer Rotor mit wenigstens zwei, um eine annähernd horizontale Rotationsachse drehbar gelagerten Rotorflügeln vorgesehen sein, wobei sämtliche Rotorflügel des ersten Rotors jeweils eine einheitliche erste Länge (L) aufweisen und sämtliche Rotorflügel wenigstens eines weiteren Rotors jeweils eine einheitliche zweite Länge (L) aufweisen, wobei der erste und zumindest ein weiterer Rotor koaxial mit einem allenfalls geringen Achsabstand angeordnet sind und eine einheitliche Rotationsachse haben, wobei die Rotorflügel der verschiedenen Rotoren bei axialer Betrachtung keine radiale Überlappung haben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem ersten Rotor, der wenigstens zwei um eine annährend horizontale Rotationsachse drehbar gelagerte Rotorflügel aufweist, und zumindest einem Generator zur Erzeugung von Strom aus der Rotationsbewegung des Rotors.
Aus der Praxis sind beispielsweise Windkraftanlagen mit einem Rotor bekannt, der drei um 120° zueinander versetzt angeordnete Rotorflügel aufweist. Der Rotor selbst ist üblicherweise um eine vertikale Achse drehbar gegenüber einem Unterbau gelagert, so dass sich der Rotor der Windrichtung anpassen kann. Üblicherweise ist die Breite der Rotorflügel im Bereich des der Rotationsachse zugewandten Enden größer; allerdings kann dieser Bereich aufgrund des kürzeren Hebelarms nur bedingt ein Drehmoment ausüben.
Die Rotorflügel erzeugen eine Schubkraft, solange die aktuelle Windgeschwindigkeit über der Umlaufgeschwindigkeit der Rotorflügel liegt. Diese Schubkraft entsteht durch den auf die Vorderseite der Rotorflügel wirkenden Druckes des Windes sowie durch den Unterdruck, der aufgrund der Sogkraft auf der Rückseite der Rotorflügel herrscht.
Ist die Umlaufgeschwindigkeit größer als die Windgeschwindigkeit, wandeln sich die Schubkräfte in Bremskräfte um. Dies lässt sich damit begründen, dass auf der Vorderseite der Rotorflügel anstelle des Druckes nunmehr eine Sogwirkung herrscht, weil der Wind den Rotorflügel nicht mehr ”erreichen” kann. Der Rotorflügel wird daher gebremst. Vereinfacht ausgedrückt kann der mit einer geringeren Geschwindigkeit strömende Wind nicht mehr an dem rotierenden Rotorflügel durchströmen, so dass der Wind von der Rückseite der Rotorflügel ”zusammengedrückt” und insoweit eine bremsende Wirkung auf den Rotorflügel, wie in 10 dargestellt, ausgeübt wird.
Nachteilig bei bestehenden Windkraftanlagen ist der verhältnismäßig geringe Wirkungsgrad. Denn so kommt es mit zunehmender Länge der Rotorflügel zu gegenseitigen Behinderungen, da die Umlaufgeschwindigkeit des Rotorflügels an dem inneren Ende, wie in 10 dargestellt, um ein Vielfaches geringer als am äußeren Ende ist. Hinzu kommt, dass Rotoren mit Rotorflügeln großer Länge aufgrund der sehr hohen auftretenden Umlaufgeschwindigkeiten im Bereich der äußeren Enden der Rotorenflügel nur mit einer sehr geringen Umdrehungsanzahl betrieben werden können. Daher werden beispielsweise die Rotorflügel um 80° bis teilweise sogar 90° um ihre Längsachse verdreht, um die dem Wind entgegengebrachte Fläche der Rotorflügel zu reduzieren.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Windkraftanlage dahingehend zu verbessern, dass ein höherer Wirkungsgrad erzielt wird.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zumindest ein weiterer Rotor mit wenigstens zwei, um eine annährend horizontale Rotationsachse drehbar gelagerten Rotorflügeln vorgesehen ist, wobei sämtliche Rotorflügel des ersten Rotors jeweils eine einheitliche erste Länge (L) aufweisen und sämtliche Rotorflügel wenigstens eines weiteren Rotors jeweils eine einheitliche zweite Länge (L_n=1,2,...) aufweisen, wobei der erste Rotor und zumindest ein weiterer Rotor, vorzugsweise alle Rotoren, koaxial mit einem allenfalls geringen Achsabstand angeordnet sind und eine einheitliche (virtuelle) Rotationsachse haben, wobei die Rotorflügel der verschiedenen Rotoren bei axialer Betrachtung, d. h. in Richtung der Rotationsachse gesehen, keine radiale Überlappung haben. Vorzugsweise ist die Drehzahl der Rotoren umgekehrt proportional zu dem Durchmesser des betreffenden Rotors.
Unter dem Rotorflügel wird dabei die Fläche verstanden, auf die der Wind wirkt und die bewirkt, dass der Rotor in eine Rotationsbewegung versetzt wird. Ist der Rotorflügel von der Rotationsachse beabstandet angeordnet, ist der Rotorflügel über ein geeignetes Halteelement mit der Rotationsachse verbunden. Dieses Halteelement kann beispielsweise als Stange oder als Zwischenelement ausgebildet sein, das mit seinem einen Ende an der Rotationsachse und mit seinem anderen mit dem Rotorflügel verbunden ist.
Die erfindungsgemäße Lösung ist auch bei bestehenden Windkraftanlagen nachrüstbar. So müssen zwei neue Rotoren und ein Generator mit zwei Wellenenden nachgerüstet werden, wobei die Rotorflügel des weiteren Rotors so anzuordnen ist, dass die Rotorflügel der verschiedenen Rotoren bei axialer Betrachtung, d. h. in Richtung der Rotationsachse gesehen keine radiale, zumindest keine große radiale, Überlappung haben.
Der maximale Abstand zwischen benachbarten Rotoren ist durch die Konstruktion und die Größe des betreffenden Rotorkopfes, an dem die einzelnen Rotoren befestigt sind, vorgegeben bzw. beschränkt.
Die Anordnung der Rotoren kann auf der Lee- oder auf der Luvseite der Windkraftanlage sein, so dass die entsprechende Windkraftanlage als Leeläufer oder als Luvläufer ausgebildet ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass sowohl auf der Lee- als auch auf der Luvseite, beispielsweise auf beiden Seiten eines Turms oder eines Mastes, ein Rotor montiert ist.
Der innere Anfang des weiteren Rotors, d. h. die der Rotationsachse zugewandten Enden der Rotorflügel des weiteren Rotors, können radial gesehen außerhalb des äußeren Endes des ersten Rotors, d. h. außerhalb der der Rotationsachse abgewandten Enden der Rotorflügel des ersten Rotors, vorgesehen sein, insbesondere außen an das äußere Ende des ersten Rotors anschließen. Diese Anordnung gilt selbstverständlich auch für jeden weiteren Rotor, beispielsweise zwischen dem zweiten und einem eventuellen dritten Rotor, einem dritten und einem eventuellen vierten Rotor usw..
Weist die Windkraftanlage beispielsweise nur zwei Rotoren auf, wobei die Rotorflügel des ersten Rotors direkt im Bereich der Rotationsachse befestigt sind und eine Länge L von 10 m aufweisen, sind die der Rotationsachse zugewandten Enden der Rotorflügel des zweiten Rotors zumindest im Abstand von 10 m von der Rotationsachse entfernt angeordnet. Weisen auch die Rotorflügel des zweiten Rotors eine Länge L₁ von 10 m auf, hat der zweite Rotor einen Außendurchmesser von 40 m. Die Rotorflügel des zweiten Rotors sind über geeignete Halteelemente, die bei dem beschriebe nen Beispiel den ”Freiraum” von 10 m zwischen der Rotationsachse und den Rotorflügel ”überbrücken”, verbunden.
Selbstverständlich ist es möglich, dass auch noch ein dritter, ein vierter Rotor oder noch weitere Rotoren vorgesehen sind. Sofern nur drei Rotoren vorgesehen sind, würden bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel die der Rotationsachse zugewandten Enden der Rotorflügel des dritten Rotors in einem Abstand von 20 m zur Rotationsachse entfernt angeordnet sein, so dass bei einer Länge L₂ von 10 m der Rotorflügel der dritte Rotor einen Außendurchmesser von 60 m hätte.
Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt einen höheren Wirkungsgrad, da alle Rotorflügel, wie in 11 dargestellt, in etwa die gleiche Umlaufgeschwindigkeit aufweisen, jedoch die Drehzahl der Rotoren unterschiedlich ist.
Die Rotorflügel der Rotoren können in etwa die gleiche Länge aufweisen. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel würde die Länge L der Rotorflügel des ersten Rotors in etwa der Länge L₁ der Rotorflügel des zweiten Rotors bedeuten.
Es bietet sich an, wenn die Rotorflügel, vorzugsweise in einem Winkel von etwa 10° bis 15°, angestellt zur Rotationsachse ausgerichtet sind. Damit sind die Rotorflügel nicht ”streng radial” sondern in einem Winkel angeordnet.
Damit sich die Rotoren der jeweiligen herrschenden Windrichtung anpassen können, bietet sich an, wenn die Rotoren um eine vertikale Achse drehbar gelagert sind.
Um die Umdrehungsgeschwindigkeit eines Rotors beeinflussen zu können, bietet sich an, wenn die Rotorflügel zumindest dieses Rotors um ihre Längsachse drehbar gelagert und verstellbar sind.
Die Rotorflügel zumindest eines Rotors können in etwa im Winkel von 60° zueinander angeordnet sein. Bei einer solchen Ausgestaltung weist der betreffende Rotor insgesamt sechs Rotorflügel auf. Selbstverständlich sind auch Rotoren mit zwei oder auch mehr Rotorflügeln denkbar. In 6 sind zwei Rotoren mit je drei Rotorflügeln dargestellt.
Jedem Rotor kann ein separater Generator zugeordnet sein.
Es ist aber durchaus möglich, dass alle Rotoren, vorzugsweise über zumindest ein geeignetes Getriebe, einem gemeinsamen Generator zugeordnet sind. Bei einer solchen Ausgestaltung ist beispielsweise der Generator am Ende eines Rotors angeordnet. Bei zwei Rotoren kann der Generator beispielsweise eine durchgehende Welle aufweisen, deren beiden Ende aus dem Generatorgehäuse hervorstehenden und auf denen jeweils ein Rotor angeordnet ist.
Vorzugsweise kann die Windkraftanlage auch zum Einsatz im Off-Shore-Betrieb, wie auf Fundamenten, auf schwimmenden Plattformen, auf Schiffen oder dergleichen geeignet sein. Die Windkraftanlage kann dann nicht nur an Land, sondern auch Off-Shore, beispielsweise auf einer geeigneten auch schwimmenden Plattform installiert werden. Auch eine Montage auf ausgemusterten Ölplattformen oder ausgemusterten Schiffen, wie Öltankern, ist möglich. Auch kann die erfindungsgemäße Windkraftanlage auf Fundamenten montiert sein.
Zumindest ein Generator kann als Außenläufer ausgebildet sein. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel ist der Anker drehfest angeordnet. Der Stator ist dabei mit dem ihm zugeordneten Rotor R₁ bzw. R₂ verbunden.
An den äußeren Enden der Rotorflügel F bzw. F₁ bzw. F₂ können bei zumindest einem Rotor R bzw. R₁ bzw. R₂ Stabilisatoren vorgesehen sein. Die Stabilisatoren verhindern die Bildung von Turbulenzen.
Die äußeren Enden der Rotorflügel F bzw. F₁ bzw. F₂ zumindest eines Rotors R bzw. R₁ bzw. R₂, insbesondere des äußersten Rotors R₂, können mit einem Seil, insbesondere Stahlseil, untereinander verbunden sein. Das Stahlseil dient zur Stabilisierung der Rotorflügel F bzw. F₁ bzw. F₂. So wird die zweimal pro Umdrehung wechselnde Belastung der Rotorflügel F bzw. F₁ bzw. F₂ durch das ”Zusammenspiel” von der durch Wind erzeugten Schubkraft einerseits und der durch wechselnde Gewichtskraft der Rotorflügel F bzw. F₁ bzw. F₂ andererseits, um die Gewichtskraft der Rotorflügel F bzw. F₁ bzw. F₂ reduziert. Die Rotorflügel werden nur noch konstant durch Windkraft belastet. Die Gewichtskraft der Rotorflügel F bzw. F₁ bzw. F₂ wird neutralisiert.
Im Folgenden werden in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es zeigen:
1 eine Vorderansicht auf eine erfindungsgemäße Windkraftanlage mit drei Rotoren,
2 eine Seitenansicht auf den Gegenstand nach 1,
3 eine vergrößerte Darstellung auf die Rotoren nach 1,
4 den Gegenstand nach 3 in der Seitenansicht einschließlich Detailansichten,
5 die Welle in vergrößerter Ansicht und
6 eine Draufsicht, eine Seitenansicht sowie eine Detailansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage mit zwei Rotoren,
7 drei Ansichten von auf einer schwimmenden Plattform montierten Windkraftanlagen
8 eine Draufsicht auf einen Rotorflügel einer bekannten Windkraftanlage mit einem Rotor (Rotordurchmesser 60 m),
9 eine Draufsicht auf drei Rotorflügel einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage mit drei Rotoren (Rotordurchmesser 60 m),
10 vier Schnittdarstellungen eines bekannten Rotorflügels (Rotordurchmesser 38 m),
11 Diagramm (Rotordurchmesser über die Umlaufgeschwindigkeit),
12 die Welle in vergrößerter Ansicht einer alternativen Ausgestaltung und
13a–c eine vergrößerte Teilansicht auf einen Rotor (13a), den Endbereich eines Rotorflügels in vergrößerter Darstellung (13b) sowie den Schnitt A-A (13c) in der vergrößerten Teilansicht nach 13a.
In allen Figuren werden für gleiche bzw. gleichartige Bauteile übereinstimmende Bezugszeichen verwendet.
In den Figuren ist eine Windkraftanlage mit drei Rotoren R, R₁, R₂ dargestellt. Die Rotoren R, R₁, R₂ sind Teil eines Rotorkopfes 1, der um eine vertikale ausgerichtete Achse 2 drehbar auf einem Turm 3 gelagert ist. Zur Verdrehung des Rotorkopfes 1 ist der Rotorkopf 1 auf einer drehbaren Plattform 4 angeordnet.
Hierzu sind unterseitig an dem Rotorkopf 1 Rollen 5 vorgesehen, die auf einer umlaufenden, kreisförmig ausgebildeten und auf der Oberseite des Turmes 3 vorgesehenen Schiene 6 laufen. Durch die Anordnung des Rotorkopfes 1 auf der drehbaren Plattform 4 kann die Windkraftanlage den jeweiligen Windrichtungen angepasst werden. Für die Einleitung der Drehbewegung kann beispielsweise ein nicht näher dargestelltes Schneckengetriebe vorgesehen sein.
Jeder Rotor R, R₁, R₂ weist Rotorflügel F, F₁, F₂ auf. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der erste Rotor R mit dem kleinsten Außendurchmesser von 20 m insgesamt vier Rotorflügel F mit der Länge L von etwa 10 m auf, die an einer um eine Rotationsachse 7 drehenden Welle 8 befestigt sind.
Der zweite Rotor R₁ weist einen Außendurchmesser von etwa 40 m auf, wobei der Rotor R₁ insgesamt 12 Rotorflügel F₁ mit der Länge L_n=1 von 10 m umfasst. Die Rotorflügel F₁ des Rotors R₁ sind, wie beispielsweise aus 3 ersichtlich, in ihrer Größe und Anordnung so ausgerichtet, dass sie sich in Richtung der Rotationsachse 7 gesehen nicht mit den Rotorflügeln F des Rotors R überlappen. So befinden sich die äußeren Enden der Rotorflügel F des Rotors R in etwa auf der Kreisumfangslinie der inneren Enden der Rotorflügel F₁ des Rotors R₁.
Der Rotor R₁ weist ein Kranz 9 aus 12 Segmenten mit einem Durchmesser von etwa 20 m auf, der nach Art eines Speichenrades mittels Halteelementen 10 an der um die Rotationsachse 7 drehenden Welle 8 befestigt ist. Bei den Haltelementen 10 kann es sich beispielsweise um Drahtseile handeln. Selbstverständlich sind auch andere Ausführungsformen denkbar. Auf der äußeren Umfangsfläche des Kranzes 9 sind die Rotorflügel F₁ befestigt.
Der dritte Rotor R₂ weist ebenfalls einen mittels speichenartig ausgebildeter Halteelemente 10 an der um die Rotationsachse 7 drehenden Welle 11 befestigten Kranz 9 aus 24 Segmenten auf, allerdings mit einem Durchmesser von etwa 40 m. An diesem Kranz 9 sind umfangsseitig 24 Rotorflügel F₂ vorgesehen, die eine Länge L_n=2 von etwa 10 m aufweisen. Damit hat der Rotor R₂ einen Außendurchmesser von etwa 60 m. Die Rotorflügel F₂ können im Bereich ihres der Rotationsachse abgewandten freien Endes untereinander durch geeignete Mittel (wie z. B. Streben) verbunden sein.
Jedes Segment der Kränze 9 kann beispielsweise aus drei Teilen bestehen, die miteinander verschweißt werden. Die Kränze 9 dienen als Montage für die zu befestigten Rotorflügel F₁, F₂. In den Kränzen 9 können auch Kabelführungen vorgesehen sein. Diese dienen zur Aufnahme von Kabeln, beispielsweise für nicht dargestellte Einrichtungen zur Veränderung der Ausrichtung der Rotorflügel F, F₁, F₂.
Wie in dem Ausschnitt in 4 ersichtlich, weist jeder Rotorflügel F, F₁, F₂ der Rotoren R, R₁, R₂ an seinem der Rotationsachse 7 zugewandten Ende ein zylindrisch ausgebildetes Zwischenelement 12 (Halteelement) auf, das in einer entsprechenden Ausnehmungen 13 beispielsweise in dem Kranz 9 gelagert ist. Damit sind die Rotorflügel F, F₁, F₂ um ihre Längsachse 14 verdrehbar.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Rotorflügel F, F₁, F₂ nicht genau radial in Bezug auf die Rotationsachse 7 sondern in einem Winkel von 10 bis 15° entgegen der Drehrichtung 15 angestellt. Wie in 3 angegeben, beträgt der Winkel bei diesem Ausführungsbeispiel 12° entgegen der Drehrichtung 15.
Die Rotorflügel F, F₁, F₂ können eine Breite von bis zu 2,5 m aufweisen, wobei die Rotorflügel F, F₁, F₂ über ihre gesamte Länge eine gleiche Breite aufweisen.
Jeder Rotor R, R₁, R₂ ist frei drehbar, so dass alle Rotoren R, R₁, R₂ eine unterschiedliche Drehzahl aufweisen können. Die Rotoren R, R₁, R₂ treiben in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen seitlich angeordneten Generator 16 an, der aus der Rotationsbewegung Strom erzeugt. Wie 5 zu entnehmen ist, sind insgesamt zwei Wellen 8, 11 vorgesehen. Die Wellen 8, 11 liegen insgesamt in drei Lagern 17.
Wie in 5 dargestellt, ist der Rotor R über ein Planentengetriebe 18 auf der Welle 8 gelagert. Die Wellen 8, 11 sind über ein herkömmliches Planetengetriebe 19 verbun den, so dass die unterschiedlichen Drehzahlen der Rotoren R, R₁, R₂ entsprechend übersetzt werden. An dem freien Ende der Welle 11 ist der Generator 16 vorgesehen. Alternativ kann statt der Planetengetriebe 18, 19 jedem Rotor R, R₁, R₂ ein eigener Generator 16 zugeordnet sein.
In 6 ist ein anderes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage dargestellt. Diese weist zwei Rotoren R und R₁ mit je drei Rotorflügeln F bzw. F₁ auf. Die Rotoren R und R₁ sind in einem horizontalen Abstand zueinander angeordnet und Teil des Rotorkopfes 1, der um eine vertikale ausgerichtete Achse 2 drehbar auf dem Turm 3 gelagert ist. Beide Rotoren R und R₁ sind relativ zueinander nicht verdrehbar, so dass daher die Rotorflügel F des Rotors R in Bezug auf die Rotorflügel F₁ des Rotors R- immer die gleiche Position haben. Jeder Rotorflügel F bzw. F₁ ist über ein Zwischenelement 12 gelagert, so dass damit die Rotorflügel F und F₁ um ihre Längsachse 14 verdrehbar sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Rotoren R und R₁ beidseits des Generators 16 auf einer nicht näher dargestellten gemeinsamen Welle vorgesehen.
Diese Ausführung eignet sich insbesondere zur Nachrüstung von herkömmlichen Windkraftanlagen mit lediglich einem Rotor R. So müssen neue Rotoren R, R₁ und ein neuer Generator 16 mit zwei Wellenenden nachgerüstet werden. Die Montage des Rotor R₁ gegenüber dem Rotor R erfolgt so, dass sich die Rotorflügel F und F₁ der Rotoren R und R₁ in axialer Betrachtung radial nicht überlappen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wechseln sich die Rotorflügel F und F₁ in einem 60° Winkel zueinander ab.
Die erfindungsgemäße Windkraftanlage kann auf Unterbauten wie Betonpfeilern, Masten, Türmen oder dergleichen mon tiert sein. Sie eignet sich auch zu einem Off-Shore-Betrieb beispielsweise auf einer Plattform 20, wie in 7 dargestellt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind auf der Plattform 20 vier Windkraftanlagen montiert, wobei die einzelnen Rotorflügel F, F₁, F₂ der drei Rotoren R, R₁, R₂ nur bei der rechten Windkraftanlage skizziert sind.
Die Plattform 20 kann mittels Anker 21 am Untergrund verankert sein. In 7 greifen die Anker 21 mittig an der Plattform 20 an, so dass sich daher die Plattform 20 um die Verankerung frei drehen kann. Mittels kleiner Schiffsschrauben 22 kann eine Verdrehbewegung unterstützt werden.
Wie in 7 erkennbar, weist jede Windkraftanlage für eine Feinjustierung der Windkraftanlage in Bezug auf die Windrichtung eine Drehvorrichtung auf. Damit kann die Windkraftanlage in Bezug auf die Plattform 20 um etwa 60° um eine vertikal ausgerichtete Drehachse gedreht werden. Die Drehvorrichtung besteht aus einer in der Plattform 20 vorgesehenen zylindrisch ausgebildeten Ausnehmung 23 und einem in der Ausnehmung 23 befindlichen Schwimmkörper 24, auf dem oberseitig die Windkraftanlage montiert ist.
In 8 ist ein Ausschnitt einer herkömmlichen Windkraftanlage mit einem Rotor mit 3 Rotorflügeln bei einem Durchmesser von 60 m dargestellt. Die Gesamtarbeitsfläche der drei Rotorflügel beträgt nur etwa 5% der verfügbaren Kreisfläche des umlaufenden Rotors.
Bei den in 8 angegebenen Abmessungen ergibt sich eine Arbeitsfläche für jeden Rotorflügel von etwa 35 m², so dass damit die Gesamtarbeitsfläche aller drei Rotorflächen etwa 105 m² beträgt. Unter Zugrundelegung eines Hebelarmes von 12 m (Radius des Schwerpunktes) ergibt sich ein Drehmoment von 1.260 m³. Damit beträgt bei dem Ausführungsbeispiel nach 8 die Arbeitsleistung pro Umdrehung 95.001 m⁴ (Multiplikation des Drehmoments (m³) mit der Wegstrecke (π·D_Schwerpunkt), d. h. Multiplikation von 1.260 m³ (π·24 m)·1 Umdrehung).
9 zeigt den Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage gemäß 3. Die Windkraftanlage weist drei Rotoren R, R₁, R₂ auf. Der Rotor R mit dem kleinsten Außendurchmesser von 20 m weist insgesamt vier Rotorflügel F mit der Länge L von etwa 8 m auf. Der zweite Rotor R₁ hat einen Außendurchmesser von etwa 40 m, wobei der Rotor R₁ insgesamt 12 Rotorflügel F₁ mit der Länge L_n=1 von 10 m umfasst. Der dritte Rotor R₂ weist einen Außendurchmesser von etwa 60 m auf und hat 24 Rotorflügel F₂ mit einer Länge L_n=2 von von etwa 10 m.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 3 ergibt sich unter Zugrundelegung der in 9 angegebenen Abmessungen bei den Rotorflügeln F eine Arbeitsfläche von je etwa 20 m², so dass dem Rotor R eine Gesamtarbeitsfläche von etwa 80 m² zukommt.
Die Arbeitsfläche eines jeden Rotorflügels F₁ des Rotors R₁ beträgt etwa 25 m², so dass sich damit eine Gesamtarbeitsfläche des Rotors R₁ von etwa 300 m² ergibt.
Da die Rotorflächen F₁ und F₂ gleich dimensioniert sind, ergibt sich bei einer Gesamtzahl von 24 Rotorflächen F₂ eine Gesamtarbeitsfläche des Rotors R₂ von 600 m², so dass die erfindungsgemäße Windkraftanlage mit den Abmessungen nach 9 eine Gesamtarbeitsfläche von 980 m² aufweist.
Unter Zugrundelegung der Hebelarme von 6 m in Bezug auf den Rotor R, von 15 m in Bezug auf den Rotor R₁ und 25 m in Bezug auf den Rotor R₂ ergibt sich ein Gesamtdrehmoment von 19.980 m³ (480 m³ + 4.500 m³ + 15.000 m³).

Die Arbeitsleistungen bezogen auf eine Umdrehung errechnen sich bei den Abmessungen nach 9 wie folgt:

Rotor R
	480 m³ (π·12 m)·3 Umdrehungen =	54.286 m⁴
Rotor R₁
	4.500 m³ (π·30 m)·1,5 Umdrehungen =	636.172 m4
Rotor R₂
	15.000 m³ (π·50 m)·1 Umdrehung =	2.356.194 m4
	Summe	3.046.652 m⁴

Damit ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Windkraftanlage mit den Abmessungen nach 9 im Vergleich zu einer bekannten Windkraftanlage mit den Abmessungen nach 8 ein um den Faktor 32,06 höhere Arbeitsleistung bei einem gleichen Durchmesser.
Eine Windkraftanlage mit zwei Rotoren gemäß 6 und je drei Rotorflügeln würde eine etwa 4,3 mal höhere Arbeitsleistung beim gleichen Durchmesser mit sich führen.
Beispielsweise durch die Anstellung der Rotorflügel, vorzugsweise in einem Winkel von etwa 12° zur Rotationsachse, kann die Arbeitsleistung der Windkraftanlage weiter gesteigert werden.
Beträgt der Außendurchmesser einer herkömmlichen Windkraftanlage mit einem Rotor und 3 Rotorflügeln 30 m ergibt sich eine Gesamtarbeitsfläche von etwa 43,5 m² bei einem Hebelarm von etwa 6,5 m (Radius des Schwerpunktes). Daraus resultiert ein Drehmoment von etwa 283 m³ (Multiplikation von 43,5 m² und 6,5 m). Hieraus ergibt sich eine Arbeitsleistung bei 2 Umdrehungen von etwa 23.075 m⁴ (283 m³ (π·13 m)·2 Umdrehungen). Damit ist festzuhalten, dass die erfindungsgemäße Windkraftanlage gemäß 3 mit den Abmessungen nach 9 und einer Umdrehungszahl von 5 bis 8 Umdrehungen pro Minute etwa 132 (3.046.652 m^4/ 23.075 m⁴/) herkömmliche Windkraftanlagen mit einem Rotor und drei Rotorflügeln bei einem Außendurchmesser von 30 m ersetzt, wobei die Umdrehungszahl einer solchen herkömmlichen Windkraftanlage bei etwa bei 8 bis 15 Umdrehungen pro Minute liegt.
In 10 sind nochmals im Detail die stark unterschiedlichen Umlaufgeschwindigkeiten eines Rotorflügels einer bekannten Windkraftanlage bei einem Rotordurchmesser von 38 m, einer Rotorumdrehungszahl von 30 Umdrehungen pro Minute und einer Windgeschwindigkeit von 15 m/Sekunde dargestellt. Während die Umlaufgeschwindigkeit bei einem Radius von etwa 3,2 m etwa 10 m/Sekunde beträgt, liegt sie bei einem Radius von 19 m bei 60 m/Sekunde.
In 11 ist der Rotordurchmesser über die Umlaufgeschwindigkeit aufgetragen. Die dick eingezeichnete Linie zeigt den Verlauf einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage mit 3 Rotoren, wie beispielsweise in 3 dargestellt. Deutlich erkennbar ist, dass die Umlaufgeschwindigkeit der Rotoren R, R₁ und R₂ in etwa gleich groß ist, während die Umdrehungszahl Rotoren R, R₁, R₂ abweicht.
In 12 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt. Hier ist den Rotoren R₁, R₂ je ein als Außenläufer ausgebildeter Generator 16 zugeordnet. Die beiden Anker 16a dieser beiden Generatoren 16 sind drehfest gegenüber den Lagern 17 angeordnet. Die Statoren 16b dieser beiden Generatoren 16 sind mit dem entsprechenden Rotor R₁, R₂ verbunden. Damit sind bei diesen beiden Rotoren R₁, R₂ die Generatoren 16 aufgrund ihrer Ausbildung als Außenläufer in die Nabe integriert. Bei dem in 12 dargestellten rechten Generator 16, der mit dem Rotor R verbunden ist, handelt es sich um einen Innenläufer.
Bei dem in den 13a bis c dargestellten Ausführungsbeispiel ist an jedem äußeren freien Ende der Rotorflügel F₁ bzw. F₂ der Rotoren R₁ bzw. R₂ je eine Klemmeinrichtung 25 vorgesehen, deren konstruktiver Aufbau in 13b dargestellt ist. Jede Klemmeinrichtung 25 weist zwei Aufnahmebereiche zur Aufnahme eines Drahtseils 26 auf. Die äußeren Enden der Rotorflügel F₁ bzw. F₂ sind mit dem Stahlseil 26 verbunden. Das Drahtseil 26 kann auf einen Rotor R₁ bzw. R₂ gesehen umlaufend ausgebildet sein. Es ist aber auch durchaus möglich, dass das Drahtseil 26 aus Teilsegmenten besteht, deren Länge für eine Befestigung des betreffenden Teilsegmentes zwischen zwei benachbarten Klemmeinrichtungen 25 etwas größer als der Abstand der benachbarten Rotorflügel F₁ bzw. F₂ in diesem Bereich ist.
Die Drahtseile 26 dienen zur Stabilisierung der Rotorflügel F₁ bzw. F₂. So ändert sich die auf den bertreffenden Rotorflügel F₁ bzw. F₂ wirkende Belastung aufgrund des ”Zusammenspiels” von der durch den Wind erzeugten Schubkraft einerseits und von der Gewichtskraft der Rotorflügel F₁ bzw. F₂ andererseits nicht mehr. Die Rotorflügel F₁ bzw. F₂ werden nur noch konstant durch Windkraft belastet. Die Gewichtskraft der Rotorflügel F₁ bzw. F₂ wird durch das jeweilige Drahtseil 26 aufgehoben. Das Drahtseil 26 wirkt damit einer Ermüdung sowie einer Abnutzung und auch einer Lockerung der verschiedenen Bauteile entgegen.
Wie aus 13c ersichtlich, ist an den äußeren Enden zumindest der Rotorflügel F₁ bzw. F₂ je ein Stabilisator 27 vorgesehen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist jeder Stabilisator 27 als Abwinklung des äußeren Endes des Rotorflügels F₁ bzw. F₂ ausgebildet. Der Winkel jeder Abwinklung beträgt etwa 90° in Bezug auf die generelle Längserstreckung des betreffenden Rotorflügels F₁ bzw. F₂, wobei die Abwinklung parallel zur Drehachse des betreffenden Rotors R₁ bzw. R₂ ausgerichtet ist. Die Stabilisatoren 27 verhindern die Bildung von Turbulenzen.

Claims

Windkraftanlage mit einem ersten Rotor (R) der wenigstens zwei um eine annährend horizontale Rotationsachse (7) drehbar gelagerte Rotorflügel (F) aufweist, und zumindest einem Generator (16) zur Erzeugung von Strom aus der Rotationsbewegung des Rotors (R), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein weiterer Rotor (R₁, R₂) mit wenigstens zwei, um eine annährend horizontale Rotationsachse (7) drehbar gelagerten Rotorflügeln (F₁, F₂) vorgesehen ist, wobei sämtliche Rotorflügel (F) des ersten Rotors (R) jeweils eine einheitliche erste Länge (L) aufweisen und sämtliche Rotorflügel (F₁, F₂) wenigstens eines weiteren Rotors (R₁, R₂) jeweils eine einheitliche zweite Länge (L_n=1,2,...) aufweisen, wobei der erste und zumindest ein weiterer Rotor (R und R₁, R₂) koaxial mit einem allenfalls geringen Achsabstand angeordnet sind und eine einheitliche Rotationsachse (7) haben, wobei die Rotorflügel (F, F₁, F₂) der verschiedenen Rotoren (R, R₁, R₂) in axialer Betrachtung keine radiale Überlappung haben.
Windkraftanlage nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Anfang des weiteren Rotors (R₁, R₂) radial gesehen außerhalb des äußeren Endes des ersten Rotors (R) vorgesehen ist, insbesondere außen an das äußere Ende des ersten Rotors (R) anschließt.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorflügel (F, F₁, F₂) der Rotoren (R, R₁, R₂) in etwa die gleiche Länge (L und L_n=1,2,...) aufweisen.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorflügel (F, F₁, F₂) angestellt, vorzugsweise in einem Winkel von etwa 10° bis 15°, zur Rotationsachse (7) ausgerichtet sind.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren (R, R₁, R₂) um eine vertikale Achse (2) drehbar gelagert sind.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Rotorflügel (F, F₁, F₂) eines Rotors (R, R₁, R₂) um ihre Längsachse (14) drehbar gelagert sind.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorflügel (F, F₁, F₂) zumindest eines Rotors (R, R₁, R₂) in etwa im Winkel von 60° zueinander angeordnet sind.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Rotor (R, R₁, R₂) ein Generator (16) zugeordnet ist.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Rotoren (R, R₁, R₂), vorzugsweise über zumindest ein geeignetes Getriebe, einem gemeinsamen Generator (16) zugeordnet sind.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windkraftanlage zum Einsatz im Off-Shore-Betrieb, wie Fundamenten, schwimmenden Plattformen, Schiffen oder dergleichen geeignet ist.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Generator (16) als Außenläufer ausgebildet ist.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den äußeren Enden der Rotorflügel (F bzw. F₁ bzw. F₂) bei zumindest einem Rotor (R bzw. R₁ bzw. R₂) Stabilisatoren (2) vorgesehen sind.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Enden der Rotorflügel (F bzw. F₁ bzw. F₂) zumindest eines Rotors (R bzw. R₁ bzw. R₂), insbesondere des äußersten Rotors (R₂), mit einem Seil, insbesondere Stahlseil (26), verbunden sind.