DE29913625U1 - Windkraftanlage - Google Patents

Description

05.08.1999 02110-99 LafiVbs

Dr. Richard Metzler D-82343 Pocking

Windkraftanlage

Die vorliegende Erfindung betrifft Windkraftanlagen mit einem Auftriebskörper, einer Verseilung zur Verankerung des Auftriebskörpers an der Erdoberfläche, einer Rotoranordnung und einem daran angekoppelten Generator, die mittels einer Aufhängung an dem Auftriebskörper befestigt und relativ zu diesem schwenkbar sind.

Windkraftanlagen zur umweltfreundlichen Erzeugung von Strom haben sich als technisch ernstzunehmende Variante der Stromerzeugung etabliert. Obwohl die Anzahl der Anlagen in hohem Maße zugenommen hat, ist ihr Anteil an der Gesamtstromversorgung noch vernachlässigbar gering.

Eine wesentliche Ursache liegt darin, daß an vielen Orten die Windenergie für den wirtschaftlichen Betrieb einer Anlage nicht ausreicht. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß die Windgeschwindigkeit unmittelbar am Boden auf null abgebremst wird. In zunehmender Entfernung vom Boden nimmt die Windgeschwindigkeit zu, da der Einfluß der Boden- oder Oberflächenreibung und der dadurch entstehenden Verwirbelung des Windes immer kleiner wird.

&iacgr;&eegr; Deutschland durchgeführte Messungen haben ergeben, daß in windschwachen Gebieten ab 100 Metern Höhe bereits Windgeschwindigkeiten von 7 m/sec und in windstarken Gebieten ca. 8 m/sec herrschen. Insbesondere die Böigkeit des Windes nimmt oberhalb 100 Metern Höhe über dem Grund erheblich ab.

Bei den bekannten Windkraftwerken werden der Rotor, der Generator und das entsprechende Getriebe auf einem Turm montiert. Aufgrund technischer und wirtschaftlicher Grenzen ist die Höhe der Türme begrenzt. In der Regel werden höchstens Nabenhöhen bis zu ca. 65 Metern gebaut. Eine Ausnahme bildete die Großwindanlage „Growian", die eine Nabenhöhe von 130 Metern aufwies. Hierbei handelte es sich allerdings um ein einmaliges Projekt, da die technischen Probleme und die Kosten bei weitem nicht mehr im wirtschaftlichen Bereich lagen.

Verwirklicht man aber die wirtschaftlich sinnvollen, geringen Bauhöhen, so weisen nur wenige Gebiete hinreichend beständige hohe Windgeschwindigkeiten auf. Hier sind vor allem die Küsten für die Windkraftanlagen geeignet. Ein weiteres Problem von konventionellen Windkraftanlagen besteht darin, daß die Türme mit den entsprechend montierten Rotoren als störend für das Landschaftsbild empfunden werden. Daher wird derzeit bereits geplant, große Windkraftanlagen offshore, d.h. weitab der Küste auf dem offenen Meer zu installieren.

Um den genannten Problemen zu begegnen und Windkraftanlagen auch in Gebieten einsetzbar zu machen, in denen in bodennahen Regionen eine vergleichsweise niedrige und stark schwankende Windgeschwindigkeit herrscht, wurde bereits vorgeschlagen, den Rotor und den Generator über mindestens einen mittels Seile am Boden abgespannten Auftriebskörper wie beispielsweise einem Gasballon zu positionieren. Der Rotor und gegebenenfalls das Getriebe und der Generator, wird hierbei also anstelle an der Spitze eines Turmes unterhalb eines schwebenden Auftriebskörpers angebracht. Dadurch wird es ermöglicht, die Nabenhöhe der Rotoranordnung auf mehrere hundert Meter zu erhöhen. Dementsprechend kann die Windkraftanlage unabhängig von den Bodenverhältnissen eines konkreten Standortes fast überall eingesetzt werden. Aufgrund der in den entsprechenden Höhen

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vorherrschenden hohen Windgeschwindigkeiten ist eine hohe Energieausbeute garantiert.

Auch wenn eine Anlage dieser Art noch nicht realisiert wurde, ist das beschriebene Prinzip bereits seit den 20er Jahren bekannt (vgl. AT-PS 10 55 36). In Veröffentlichungen sind bereits vielfältig variierende Konstruktionsvorschläge zu diesem Grundprinzip dokumentiert (DE 25 24 360 A1, DE 31 00 085 A1, DE 41 17 952 A1, DE 195 26 129 A1), teilweise wurden hierbei auch Möglichkeiten der Kraftübertragungen von mehreren an einem Auftriebskörper aufgehängten Rotoren zu einem zentralen Generator vorgeschlagen (vgl. AT-PS 372 764, US 44 50 364, DE 37 29 087 A1).

Um eine effektive Umwandlung der Windenergie in elektrische Energie zu erreichen, wurden bereits unterschiedliche Rotorgestaltungen in Betracht gezogen, hierzu fand auch die Frage der optimalen Anstellung der Rotoranordnung zur Windrichtung Berücksichtigung. So zeigt beispielsweise die DE 25 24 360 eine Windkraftanlage der eingangs genannten Art, bei der die Rotoranordnung relativ zu dem Auftriebskörper schwenkbar gelagert und mit einem Leitwerk nach Art einer Windfahne verbunden ist, das für eine günstige Anstellung der Rotoranordnung zur Windrichtung sorgen soll.

Neben der Tatsache, daß erst in den letzten Jahren Überlegungen zur Stromerzeugung aus regenerativen Quellen eine höhere Bedeutung bekommen haben, war auch aus wirtschaftlichen und technischen Gründen eine Realisierung der bisher vorliegenden Konzepte für Windkraftanlagen nicht möglich.

Zum einen ergeben sich Problem aufgrund der stark schwankenden Windenergie. Während in den meisten Gegenden überwiegend relativ schwache Winde herrschen, ist an einigen Tagen des Jahres mit heftigen Stürmen zu rechnen. Die dafür notwendige Festigkeit erfordert bei den bislang verwendeten Rotoren ein relativ hohes Gewicht, so daß große Auftriebskörper notwendig sind. Auch ist die Gestaltung des Auftriebskörpers schwierig. Da runde Ballons konstruktionsbedingt nur bis

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zu ca. 15-17 m/sec Windgeschwindigkeit, stromlinienförmige Ballons ohne Innenkonstruktion bis ca. 20-22 m/sec Windgeschwindigkeit sturmfest sind, wäre bei den bisher vorgeschlagenen Konstruktionen eine stabile innere Gerüstkonstruktion nach Art eines echten Zeppelins nötig, die jedoch die Kosten des Auftriebskörpers vervielfacht. Selbst dieser Zeppelin ist jedoch nicht geeignet, einem schweren Sturm mit Geschwindigkeiten über 40 m/s zu widerstehen.

Zum anderen ergeben sich Schwierigkeiten aufgrund der Haltbarkeit der Ballonhüllen. Diese ist nach derzeitigem technischen Stand auf 5-7 Jahre begrenzt. Ursache hierfür ist die Zersetzung der die Hülle des Gasballons bildenden Polymere durch die starke UV-Strahlung. Bei Sportballonen und dergleichen ist diese Lebensdauer unproblematisch, bei einer Windkraftanlage würde jedoch der relativ häufige Austausch einer der teuersten Komponenten zu einer unvertretbar hohen Kostenbelastung führen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Windkraftanlage der eingangs genannten Art zu schaffen, die die Nachteile bekannter Anlagen aus dem Stand der Technik vermeidet. Insbesondere soll eine technisch sichere und wirtschaftliche Realisierung dieses Anlagenkonzepts geschaffen werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Wind kraftanlage der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß ein Schwenkantrieb, mit dem die Rotoranordnung von ihrer Arbeitsstellung aus dem Wind in eine Sturm-Sicherungsstellung schwenkbar ist, eine Wind-Erfassungseinrichtung zur Erfassung der Windstärke und eine Schwenk-Steuervorrichtung zur Ansteuerung des Schwenkantriebs in Abhängigkeit der erfaßten Windstärke vorgesehen sind.

Es ist also eine Sturmsicherung vorgesehen, die einer Beschädigung oder gar Zerstörung der Anlage durch zu hohe Windgeschwindigkeiten vorbeugt. Bei Überschreiten einer vorgegebenen Windgeschwindigkeit wird der Rotor automatisch aus dem Wind geschwenkt und in eine Sicherungsstellung gebracht, in der die Angriffs-

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fläche der Rotoranordnung verringert und eine Rotation der Rotoranordnung weitgehend verhindert ist. Die Vorsehung eines gesonderten Schwenkantriebs und die automatische Steuerung erlaubt es, sofort auf zu große Windgeschwindigkeiten ohne Zeitversatz zu reagieren und die Windkraftanlage schnell zu sichern.

In Weiterbildung der Erfindung ist ein Leitwerk, das nach Art einer Windfahne zur Anstellung der Rotoranordnung dient und mit dieser über einen sich stromab der Rotoranordnung erstreckenden Ausleger verbunden ist, mittels eines Kippmechanismus relativ zur Rotoranordnung wegkippbar ausgebildet. Vorzugsweise ist hierbei das Leitwerk zusammen mit dem dieses tragenden Ausleger in etwa um einen rechten Winkel wegschwenkbar. In der Arbeitsstellung ist das Leitwerk mit der Rotoranordnung starr verbunden und zusammen mit dieser relativ zum Auftriebskörper schwenkbar gelagert, so daß die Rotoranordnung sich zum Wind ausrichten kann, bei Überschreiten einer vorgegebenen Windgeschwindigkeit wird das Leitwerk dann in eine Sicherungsstellung weggeschwenkt. Vorzugsweise weist hierfür der Kippmechanismus einen elektrischen Stellmotor auf, der von der Schwenk-Steuervorrichtung in Abhängigkeit der Windstärke angesteuert wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung bilden die Rotoranordnurigen, der Generator und das Leitwerk eine einheitliche Baugruppe, die als Ganzes relativ zur Aufhängung schwenkbar ist. Die Rotoranordnung und der Generator können fest an einer Gondel installiert sein, an der das Leitwerk schwenkbar befestigt ist, wobei die Gondel wiederum schwenkbar relativ zu dem Auftriebskörper gelagert ist. Vorzugsweise sind die Schwenkachse der Gondel und die Schwenkachse des Leitwerks relativ zur Gondel zueinander parallel, insbesondere horizontal angeordnet. Um die Schwenkbarkeit der Rotoranordnung relativ zu dem Auftriebskörper rasch bewerkstelligen zu können, kann ein insbesondere elektrischer Stellmotor vorgesehen sein, der zwischen die Rotoranordnung und deren Aufhängung geschaltet ist. Insbesondere kann der Stellmotor zur Verschwenkung der Gondel vorgesehen sein.

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Gemäß einer weiteren vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung wird die Länge der Verseilung und damit die Höhe der Anlage durch Seilwinden automatisch eingestellt. Mehrere, in unterschiedlichen Höhen am Ballon, an der Gondel und am Seil angebrachte Windsensoren messen die Windstärke in diesem Bereich und übermitteln die Daten an einen am Boden befindlichen Computer. Dieser errechnet die optimale Betriebshöhe und steuert die Seilwinden. Ändert sich der Wind, so registriert die Höhen-Steuervorrichtung die Veränderung und ermittelt aus den vorliegenden Werten die neue optimale Rotorhöhe. Sie löst ein entsprechendes Signal an die Seilwinden der Höhen-Einstellmittel aus, die so lange Seil gibt oder zieht, bis die neue Sollposition gefunden ist.

Um die Windkraftanlage bei Sturm zu sichern, ist die Höhen-Steuervorrichtung in Weiterbildung der Erfindung derart ausgebildet, daß der Auftriebskörper mit der daran befestigten Rotoranordnung bei Erreichen einer vorbestimmten Windgeschwindigkeit auf die Erdoberfläche gezogen wird. Die Höhensteuerung ist also als Sturmsicherung ausgebildet. Zusammen mit der oben beschriebenen Schwenksteuerung für die Rotoranordnung kann mit der solchermaßen ausgebildeten Höhen-Steuervorrichtung ein effektiver Schutz vor Beschädigungen oder Zerstörung der Rotoranordnung durch Sturm erreicht werden.

Um den empfindlichen Auftriebskörper vor Sturm schützen zu können, kann im Bereich der Verankerung der Verseilung an der Erdoberfläche in dieser eine Senke zur Aufnahme des Auftriebskörpers vorgesehen sein. Die Senke ist vorzugsweise als trichterförmiges Erdloch ausgebildet, dessen Oberfläche geglättet ist. Es können entsprechende Fixiermittel, insbesondere ein Netz aus starken Seilen bereitgehalten sein, mit Hilfe dessen der Auftriebskörper in der Senke fixiert werden kann. Zusätzlich kann durch die ausgehobene Erde ein ringförmiger Wall errichtet werden. Auf diese Weise können selbst starke Stürme den Auftriebskörper kaum beschädigen.

Bei den bisher eingesetzten stationären Windkraftanlagen sind die massiven, meist aus glasfaserverstärktem Kunststoff gefertigten Rotorblätter ein wesentlicher Ko-

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stenfaktor. Setzt man diese zusammen mit einem Ballon ein, so erfordern sie aufgrund ihres Gewichts große Auftriebskörper, die wiederum empfindlicher in Bezug auf Stürme und wesentlich teurer sind. In Weiterbildung der Erfindung werden daher keine massiven Rotorblätter, sondern Rotoren mit Rotorblättern in Leichtbauweise verwendet. Hierdurch wird nicht nur der Rotor verbilligt, sondern vor allem dessen Gewicht reduziert. Diese bedingt eine Reduzierung der Kräfte, die die Stabilität der Anlage gefährden können, zum anderen ermöglicht die Verwendung eines Rotors in Leichtbauweise ein geringeres Gewicht der Windkraftanlage, so daß relativ kleinere und damit kostengünstigere Auftriebskörper verwendet werden können.

Die Leichtbaukonstruktion der Rotorblätter kann verschiedenartig ausgestaltet sein. Insbesondere können die Rotorblätter als Hohlkonstruktion ausgeführt sein. In Weiterbildung der Erfindung bestehen die Rotorblätter aus einem innen liegenden Gerippe und einer darauf aufgebrachten Bespannung. Als Bespannung kann eine solche im eigentlichen Sinne aus einem Tuch bzw. einer Folie, insbesondere einem Kunstfasergewebe vorgesehen sein. Um eine größere Festigkeit der Bespannung zu erreichen, kann das Gerippe mit dünnen Blechen oder Kunststoffplatten belegt sein. Die Gerippekonstruktion selbst, die einen tragenden Stützkern bildet, ist aus einem ausreichend festen Werkstoff, insbesondere Metall, Holz oder Kunststoff, gefertigt. Eine solche Konstruktion der Rotorblätter führt zu einem minimalen Eigengewicht bei ausreichender Festigkeit und femer zu einer relativ leichten Reparierbarkeit, falls einige Streben brechen oder die Oberfläche beschädigt werden sollte.

Gemäß einer anderen, vorteilhaften Ausführung der Erfindung bestehen die Rotorblätter jeweils aus einem Metall- oder Kunststoffgestänge und einem von diesem aufgespannten Segel. Das nach Art eines Mastes eines Segelschiffes wirkende Gestänge ist mit einem Segeltuch bestückt. Hierdurch läßt sich eine besonders einfache und leichte Gestaltung der Rotorblätter erreichen.

Um eine bestmögliche Ausnutzung der jeweiligen Windgeschwindigkeiten zu ermöglichen, ist in Weiterbildung der Erfindung eine Rotoranordnung mit variabler Rotorblätterfläche vorgesehen. Vorzugsweise kann die Rotorfläche automatisch an die jeweils vorherrschende Windstärke angepaßt werden. Hierzu sind entsprechende Mittel vorgesehen, die von einer Rotorflächen-Steuervorrichtung in Abhängigkeit der erfaßten Windstärke angesteuert werden. Hierfür können die Meßsignale der bereits genannten Windsensoren verwendet werden.

Die Variabilität der Rotorfläche kann verschiedenartig realisiert sein. Bei der zuvor genannten Segelkonstruktion der Rotorblätter kann eine Reffvorrichtung zur Verkleinerung und Vergrößerung der Segelfläche mit einem von der Steuerung automatisch steuerbaren Antrieb vorgesehen sein. Vorzugsweise werden als Antrieb ein Elektromotor und ein daran gekoppelter Seilzug vorgesehen. Beispielsweise können die entsprechenden Segel auf Teile der Gestänge aufgewickelt oder in das Innere entsprechender Gestängeteile gezogen werden.

Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung kann die Rotoranordnung einen Rotor aufweisen, dessen Rotorblätter aus verschiedenen Rotorblattstücken modulartig zusammensetzbar sind, so daß durch Einsetzen zusätzlicher Rotorblattstücke oder anders bemessener Rotorblattstücke eine Flächenveränderung erzielt werden kann. Die Rotorblätter sind längenveränderlich, der Rotordurchmesser ist einstellbar. Durch die Veränderung der Rotorblätterfläche erhält die Windkraftanlage gewissermaßen eine „Gangschaltung", durch die ein gleichmäßigeres Leistungsbild erreicht werden kann. Die Leistung der Windkraftanlage wird verstetigt.

Um die Stabilität der Rotorblätter in Leichtbauweise zu steigern, kann in vorteilhafter Weise eine Abspannung für die Rotorblätter vorgesehen sein. Insbesondere ist ein zentraler, sich entlang der Rotationsachse des entsprechenden Rotors erstrekkender Haltedorn vorgesehen, an dem Abspannseile für die Rotorblätter befestigt sind. Die Abspannung kann einseitig ausgebildet, insbesondere auf der Anströmseite der Rotorblätter angeordnet sein, um eine Überbeanspruchung der Rotor-

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blätter durch starke Böen zu verhindern. Gegebenenfalls kann die Abspannung auch beidseitig ausgeführt sein.

Um die Anforderungen an Ballonhüllen zu erfüllen, werden als Ballonstoffe vorzugsweise hochwertige Kunstfasermaterialien verwendet. Diese besitzen die erforderliche Gasdichtigkeit, Reißfestigkeit und gleichzeitig die notwendige Korrosionsbeständigkeit in Bezug auf Temperaturschwankungen, UV-Strahlung und Feuchte. Allerdings zersetzt die UV-Strahlung mit der Zeit die Polymere der Hülle, so daß die Gasdichtigkeit nicht mehr gegeben ist.

Zur Verlängerung der Lebensdauer der Ballonhülle wird vorgeschlagen, diese mit einer Schutzhülle aus einem einfachen, billigeren Material zu bespannen, das ausschließlich auf UV-Resistenz optimiert ist, insbesondere kann die Schutzhülle eine reflektierende Außenseite und eine schwarze absorbierende Innenseite aufweisen. Diese Schutzhülle verhindert ein direktes Aussetzen der eigentlichen Hülle gegenüber der UV-Strahlung. Ist die Schutzhülle verschlissen, so wird diese ersetzt, ohne daß eine neue teuere Ballonhülle benötigt wird. Auf diese Weise kann mit begrenzten Investitionen die Lebensdauer der Ballonhülle wesentlich verlängert werden.

Der Ballon kann dabei in Mehrkammer- oder Einkammerausführung ausgebildet sein. Der Auftriebskörper erhält die notwendige Auftriebskraft durch eine Füllung, die aus einem Gas besteht, das leichter als Luft ist, vorzugsweise Wasserstoff und/oder Helium. Der Ballon kann vorzugsweise kugelförmig oder „zeppelinförmig", d.h. oval mit Heckflossen sein.

Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der folgenden weiteren Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen hervor, anhand derer ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel näher erläutert wird. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Windkraftanlage im Überblick

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Fig. 2 eine schematische Darstellung der Windkraftanlage ähnlich Fig. 1, die ausschnittsweise den Auftriebskörper, den Rotor, den Generator und das Leitwerk sowie die zugehörige Aufhängung an dem Auftriebskörper näher zeigt, .

Fig. 3 eine schematische ausschnittsweise Darstellung der Rotoranordnung und deren Aufhängung in ihrer Arbeitsposition,

Fig. 4 eine schematische ausschnittsweise Darstellung der Rotoranordnung und deren Aufhängung in einer Sicherungsstellung,

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Windkraftanlage (a) in ihrer Arbeitsposition vor dem zu Boden Holen der Anlage vor einem Sturm und (b) in ihrer Sicherungsstellung nach dem zu Boden Holen bei einem Sturm, und

Fig. 6 eine Teilansicht eines Rotors, dessen Rotorblätter modulartig aus mehreren Rotorblattstücken zusammensetzbar sind.

Die in Fig. 2 gezeigte Windkraftanlage besitzt eine Rotoranordnung 1 mit einem einzigen Rotor 2, der im dort dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem dreiblättrigen horizontal laufenden Propeller besteht. Der Rotor 2 ist über eine Welle mit einem Generator 3 gekoppelt, der in einer Gondel 4 angeordnet ist. Gegebenenfalls kann vor den Generator 3 ein Untersetzungsgetriebe geschaltet sein, das ebenfalls in der Gondel angeordnet sein kann. Auf der stromabwärtigen Seite der Gondel 4 ist ein Leitwerk 5 mit Höhen- und Seitenleitflächen vorgesehen, das über einen Ausleger 6 nach Art einer Windfahne an der Gondel 4 befestigt ist.

Die Gondel 4 bildet mit den darin aufgenommenen bzw. daran befestigten Bauteilen, d.h. dem Rotor 2, dem Generator 3 sowie dem Leitwerk 5 eine einheitliche Baugruppe. Die Gondel 4 ist an einer als Gerüst ausgebildeten Aufhängung 7 befe-

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stigt, wie später noch erläutert wird, welche wiederum an dem Auftriebskörper 8 befestigt ist, der im dargestellten Ausführungsbeispiel als Ballon ausgebildet ist. Dieser kann als Mehrkammer-Heliumballon ausgeführt sein und trägt die daran aufgehängten Bauteile.

Die Aufhängung 7 ist, wie Fig. 1 zeigt, über drei Halteseile 18 zum Erdboden hin abgespannt. Die Halteseile wiederum sind von hier nicht näher dargestellten Seilwinden, die am Boden angeordnet sind, aufgewickelt. Über die Seilwinden, die motorisch angetrieben sind, kann die Länge der Halteseile gezielt verändert werden.

Vom Generator 3 aus führt eine Stromleitung zu einem Umspannwerk, das am Erdboden angeordnet ist. Die Stromleitung kann entlang des Halteseiles zu Boden geführt sein. In Weiterbildung der Erfindung kann das Halteseil auch zugleich das Stromkabel bilden.

Wie Fig. 2 zeigt, ist für die Rotorblätter des Rotors 2 eine Abspannung 9 vorgesehen. Diese umfaßt mehrere Abspannseile 10, die alle jeweils mit einem Ende an einem zentralen Haltedorn 11 befestigt sind, der sich koaxial zur Rotationsachse des Rotors 2 nach vorne, d.h. zur Anströmseite des Rotors 2 hin erstreckt. Mit ihrem anderen Ende sind die Abspannseile 10 jeweils an einem der Rotorblätter des Rotors 2 befestigt.

Der als Auftriebskörper 8 vorgesehene Gasballon ist frei von inneren Gerüstkonstruktionen ausgebildet. Er besitzt eine gasdichte Hülle 12, die aus einem gasdicht beschichteten Gewebe, insbesondere einem geeigneten Kunstfasergewebe besteht. Über die gasdichte Hülle 12 ist eine UV-strahlungsabweisende Schutzhülle 13 gezogen, die die darunter liegende gasdichte Hülle 12 vor vorzeitiger Alterung und Zerstörung schützt.

Nachfolgend wird die Aufhängung der Rotoranordnung und des Generators näher erläutert.

Die Gondel 4 mit den darin angeordneten bzw. daran befestigten Bauteilen ist um eine horizontale Gondelachse 14 schwenkbar an der Aufhängung 7 gelagert (vgl. Fig. 3, 4). Die Gondelachse 14 steht dabei in etwa senkrecht auf die Rotationsachse des Rotors 2. Der Gondelachse 14 ist ein Gondel-Drehmechanismus 15 zugeordnet, der als Schwenkantrieb einen nicht näher dargestellten elektrischen Stellmotor aufweist, mit Hilfe dessen die Gondel 4 um die Gondelachse 14 kippbar bzw. drehbar ist.

Das Leitwerk 5 ist relativ zur Gondel 4 schwenkbar befestigt. Der das Leitwerk 5 tragende Ausleger 6 ist mit einem Kippgelenk 16 an der stromabwärtigen Seite der Gondel 4 befestigt. Die hierdurch definierte Leitwerk-Schwenkachse 17 erstreckt sich parallel zur Gondelachse 14 und ebenso wie diese horizontal.

Um die Gondelachse 14 kann zunächst im Ausgleich für eine etwaige schräge Stellung des Halteseils 18 die Gondel 4 und damit die Rotoranordnung 1 in eine günstige Ausrichtung zur anströmenden Windrichtung gebracht werden. Dies kann durch den Drehmechanismus 15 erfolgen. Gegebenenfalls kann der Drehmechanismus 15 abgeschaltet und die Ausrichtung der Rotoranordnung um die Gondelachse 14 durch das Leitwerk 5 bewirkt werden. In der Arbeitsposition, die in Fig. 3 gezeigt ist, ist das Leitwerk 5 ausgeklappt, d.h. sein Ausleger 6 erstreckt sich im wesentlichen koaxial mit der Rotationsachse des Rotors 2. Um die Rotoranordnung 1 aus dem Wind in eine Sicherungsstellung zu bewegen, wird zunächst das Leitwerk 5 um einen etwa rechten Winkel weggeklappt. Hierzu wird der Ausleger 6 mit dem daran befestigten Leitwerk 5 um das Kippgelenk 16 geschwenkt. Der hierzu vorgesehene Kippmechanismus besitzt vorzugsweise einen nicht näher dargestellten elektrischen Stellmotor, der von der ebenfalls nicht dargestellten, am Boden angeordneten Steuervorrichtung in Abhängigkeit der Windstärke angesteuert wird.

Ferner wird zur Sturmsicherung der Gondel-Drehmechanismus 15 betätigt, was gleichzeitig mit oder im Anschluß an das Wegschwenken des Leitwerks 5 erfolgen kann. Der Gondel-Drehmechanismus 15 schwenkt die Gondel 4 in die in Fig. 4 ge-

zeigte in etwa vertikale Stellung, in der die Rotorblätter des Rotors 2 in etwa in einer horizontalen Ebene liegen. Der Gondel-Drehmechanismus 15 wird ebenfalls von der nicht gezeigten Steuervorrichtung angesteuert. Diese wertet die mittels ebenfalls nicht dargestellter Windsensoren erfaßten Windstärken aus und gibt die entsprechenden Steuersignale an die entsprechenden Stellmotoren.

Um die Windkraftanlage gänzlich vor einem Sturm zu sichern, wird der Auftriebskörper 8 mit der daran befestigten Rotoranordnung 1, dem Generator 3 und dem Leitwerk 5 mittels der Seilwinden 19 auf den Boden gezogen, auf die das Halteseil 18 aufgewickelt ist. Die Seilwinden 19 werden dabei von der Steuervorrichtung angesteuert, die die in unterschiedlichen Höhen erfaßten Windstärken auswertet. Neben der Sturmsicherung kann die Höhen-Steuervorrichtung dazu genutzt werden, die Rotoranordnung in der optimalen Höhe zu positionieren. Die Steueranordnung wertet hierzu die Meßsignale der in unterschiedlicher Höhe positionierten Windsensoren aus.

Fig. 6 zeigt die nähere Ausgestaltung des Rotors 2 bzw. dessen Rotorblätter. Das dort dargestellte Rotorblatt besteht aus mehreren Rotorblattstücken, die modulartig aneinander steckbar sind, so daß durch Austauschen bzw. Ergänzen der Rotorblattstücke 22 die Länge der Rotorblätter verändert werden kann. Zwischen den Rotorblattstücken 22 ist eine geeignete Verbindung, insbesondere eine Steckverbindung 23 vorgesehen, die die auftretenden Belastungen aufnehmen kann. Wie Fig. 6 zeigt, sind zweckmäßigerweise bei Verlängerung der Rotorblätter zusätzliche Abspannseile 10 vorgesehen, so daß jedes Rotorblatt an mehreren Stellen gegenüber dem zentralen Haltedorn 11 abgespannt ist. Die gezeigten Rotorblattstücke besitzen die eingangs beschriebene Leichtbaukonstruktion, um ein niedriges Gewicht des Rotors 2 zu erreichen.

Die vorstehend beschriebene Windkraftanlage zeichnet sich dadurch aus, daß sie mit einem vertretbaren Aufwand herstellbar ist. Zusätzlich fallen die wichtigsten Beschränkungen für einen weiteren Ausbau der Windenergie weg.

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Die beschriebene Windkraftanlage kann grundsätzlich überall aufgestellt werden. Durch die Arbeitshöhe der Rotoranordnung von bis zu 300 Metern sind für einen wirtschaftlichen Betrieb keine besonderen Windvorrangflächen mehr nötig.

Durch die Höhenregulierung und die variablen Rotoren ist auch in Zeiten schwachen Windes eine nennenswerte Stromproduktion zu erreichen. Damit wird - abgesehen von Sturmtagen - die Energieerzeugung verstetigt. Damit kann für einen größeren Anteil der Stromproduktion auf Windkraft gesetzt werden.

Die ökologischen Argumente gegen Windkraftanlagen wie beispielsweise die Störung des Landschaftsbildes, die Geräuschemissionen, die Vibrationen oder die sogenannten Disco-Lichteffekte fallen weitgehend weg.

Insbesondere in Gegenden, die bisher noch nicht mit einem flächendeckenden Leitungsnetz erschlossen sind, kann durch die Möglichkeit, nahezu beliebig dezentral Windkraftanlagen zu installieren, auf die klassische Stromverteilung durch Überlandleitungen teilweise verzichtet werden. Damit könnte die notwendige weitere Steigerung der Energieproduktion aus regenerativen Quellen mit wirtschaftlichen Kosten realisiert werden.

Claims (15)

1. Windkraftanlage mit einem Auftriebskörper (8), einer Verseilung (18) zur Verankerung des Auftriebskörpers an der Erdoberfläche, einer Rotoranordnung (1) und einem daran angekoppelten Generator (3), die mittels einer Aufhängung (7) an dem Auftriebskörper befestigt und relativ zu diesem schwenkbar sind, gekennzeichnet durch einen Schwenkantrieb (15, 17), mit dem die Rotoranordnung (1) von einer Arbeitsstellung aus dem Wind in eine Sturm- Sicherungsstellung schwenkbar ist, eine Winderfassungseinrichtung zur Erfassung der Windstärke, und eine Schwenk-Steuervorrichtung zur Ansteuerung des Schwenkantriebs in Abhängigkeit der erfaßten Windstärke.

2. Windkraftanlage nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei ein Leitwerk (5) nach Art einer Windfahne zur Anstellung der Rotoranordnung (1) vorgesehen und mittels eines Kippmechanismus (17) relativ zur Rotoranordnung (1) wegkippbar ist, wobei der Kippmechanismus einen Stellmotor aufweist, der von der Schwenk-Steuervorrichtung in Abhängigkeit der Windstärke ansteuerbar ist.

3. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schwenkantrieb (15) einen Stellmotor aufweist, der zwischen die Rotoranordnung (1) und deren Aufhängung (7) geschaltet ist und zum Schwenken der Rotoranordnung relativ zur Aufhängung um eine insbesondere horizontale Achse (14) vorgesehen ist.

4. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rotoranordnung (1), der Generator (3) und das Leitwerk (5) eine einheitliche Baugruppe bilden, die als Ganzes relativ zu der Aufhängung (7) schwenkbar ist.

5. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Seilwinden (19) zur individuellen Einstellung der Länge der Seile der Verseilung (18) vorgesehen sind, durch die die Windkraftanlage exakt an einer Stelle positioniert und in der Höhe variabel eingestellt werden kann.

6. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Höhenverstellung automatisch dadurch erfolgt, daß auf der Grundlage von Daten, die in unterschiedlichen Höhen angebrachte Windsensoren liefern, ein Computer die ideale Betriebshöhe errechnet, und ein entsprechender Steuerimpuls an die Seilwinden gegeben wird.

7. Windkraftanlage nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Höhen- Steuervorrichtung derart ausgebildet ist, daß der Auftriebskörper (8) mit der daran befestigten Rotoranordnung (1) bei Überschreiten einer vorbestimmten Windgeschwindigkeit auf die Erdoberfläche gezogen wird.

8. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an der Verankerung der Verseilung (18) in der Erdoberfläche eine insbesondere durch einen Erdwall (21) umgebene Senke (20) zur Aufnahme des Auftriebskörpers (8) vorgesehen ist.

9. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rotoranordnung (1) einen Rotor (2) aufweist, dessen Rotorblätter ein innen liegendes Gerippe und eine darauf ruhende Bespannung aufweisen.

10. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rotoranordnung (1) einen Rotor aufweist, dessen Rotorblätter ein Gestänge und ein von diesem aufgespanntes Segel aufweisen, wobei vorzugsweise eine Reff-Vorrichtung zur Verkleinerung und Vergrößerung der Segelfläche, insbesondere mit einem von einer Steuerung automatisch ansteuerbaren Antrieb, vorgesehen ist.

11. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rotoranordnung (1) eine Abspannung (9) für die Rotorblätter, insbesondere einen zentralen, sich entlang der Rotationsachse erstreckenden Haltedorn (11) und daran befestigte Abspannseile (10) für die Rotorblätter aufweist.

12. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rotoranordnung (1) einen Rotor mit variabler Rotorblattfläche, insbesondere mit längenveränderlichen Rotorblättern aufweist.

13. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rotoranordnung (1) einen Rotor (2) aufweist, dessen Rotorblätter aus verschiedenen Rotorblattstücken (22) modulartig zusammensetzbar sind.

14. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Auftriebskörper (8) eine gasdichte Hülle (12) und eine über dieser liegende UV- Schutzhülle (13) aufweist.

15. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eines der Halteseile (18) zugleich als stromführendes Kabel ausgebildet ist.