Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs

1 .

Windkraftanlagen bzw. Windräder bestehen üblicherweise aus einem Turm an dessen oberen Ende ein Rotor sowie ein damit verbundener Generator angeordnet sind. Bei elektrischen Leistungen im Multi-Megawattbereich wird das Gewicht von Rotor und Generator sehr hoch und liegt im Bereich von bis 800 Tonnen. Dieses hohe Gewicht am oberen Ende des Turms erfordert natürlich eine entsprechend mechanische Stabilität des Turms, was die Baukosten der Windkraftanlage wesentlich erhöht. Um das hohe Gewicht und die damit verbundene massive Bauweise des Turms zu vermeiden, lehrt sowohl die DE 10 2008 024 829 B4 als auch die DE-OS 28 17 483 am oberen Ende des Turms nur den Rotor anzuordnen und den Generator im Bodenbereich des Turms. Die Rotorwelle am oberen Ende des Turms ist mit der Generatorwelle über einen Zugmitteltrieb verbunden. Da der Turm nur das Gewicht des Rotors und die Windlasten aufnehmen muss, ergibt sich für den Turm eine einfachere bzw. weniger massive Konstruktion und damit geringere Kosten. Nachteilig bei diesen bekannten Windkraftanlagen ist es, dass sich mit Zugmitteltrieben hohe Leistungen nicht ohne weiteres übertragen lassen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung das aus der DE 10 2008 024 829 B4 bekannte Windrad derart zu verbessern, dass hohe Leistungen im Megawattbereich damit zu erzielen sind.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 .

Die mit Zugmitteltrieben übertragbare Leistung ist proportional zur Umlaufgeschwindigkeit des Zugmitteltriebes und proportional zur der auf das Zugmittel einwirkenden Kraft. Bei geringer Umlaufgeschwindigkeit müssen die Zugmittel für extrem hohe Kräfte ausgelegt werden, die im Störungsfall zu einer Zerstörung des Zugmittels führen können. Wird die Umlaufgeschwindigkeit zu hoch, besteht die Gefahr, dass die Schwingungen des Zugmittels nicht mehr in den Griff zu bekommen sind. Dadurch, dass zwischen Rotor und oberem Wellenrad ein Getriebe vorgesehen ist, lässt sich die Umlaufgeschwindigkeit so einstellen und optimieren, dass hohe Leistungen im Megawatt durch den Zugmitteltrieb übertragen werden und sich Umlaufgeschwindigkeit des Zugmittels und die auf das Zugmittel wirkenden Kräfte sich in technisch beherrschbaren Intervallen bewegen. Nur wenn das Getriebe oben zwischen Rotor und oberem Wellenrad angeordnet ist, kann bei gewünschter Leistungsübertragung ein optimaler Kompro- miss zwischen Umlaufgeschwindigkeit des Zugmittels und auf das Zugmittel einwirkenden Zugkräften eingestellt werden.

Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 2 handelt es sich bei dem Zugmitteltrieb um einen Seiltrieb wie dies beispielsweise von Seilbahnen für Skilifte oder maritimen Kränen etc. bekannt ist. Derartige Seiltriebe sind technisch ausgereift und können auch bei Windkraftanlagen bzw. Windrädern gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.

Besonders bevorzug ist jedoch der Zugmitteltrieb als Kettentrieb oder Zahnriementrieb ausgebildet. Bei einem Ketten- und Zahnriementrieben ist Schlupf ausgeschlossen. Zusätzlich neigen Kettentriebe weniger zu unerwünschten Schwingungen - Anspruch 3.

Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 4 ist der Zugmitteltrieb als Kettentrieb mit wenigstens einer Flyerkette ausgestaltet. Flyerketten mit einer Mehrzahl von miteinander verbundenen Gliedern quer zur Bewegungsrichtung der Kette sind sicher und erlauben die Übertragung hoher Leistungen.

Für die Übertragung hoher Leistungen sind insbesondere Zahnketten geeignet - Anspruch 5.

Besonders vorteilhaft sind hierbei Kettentreiben mit Kettengliedern die wenigstens teilweise aus hochfestem faserverstärktem Kunststoff oder Titan bestehen. Hierdurch wir bei gleichbleibender Stabilität das Eigengewicht des Kettentriebs reduziert Geeignete Kunststoffe sind insbesondere Polyamid, mit Karbonfasern verstärkte Kunststoffe und Aramide (z. B, Kevlar). Es kann der Kettentrieb vollständig aus hochfestem Kunststoff bestehen oder nur die Kettenlaschen oder die Kettenbolzen - Ansprüche 6 und 7.

Ähnlich wie Zahnriementriebe sind auch Zugmitteltriebe mit Treibriemen mit Noppen und komplementären Ausnehmungen in den Wellenrädern oder Wellenräder mit Noppen oder Zähnen, die in komplementäre Ausnehmungen im Treibriemen eingreifen, geeignet - Anspruch 8.

Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 9 wird das Zugmittel mit verschiedenen Maßnahmen gespannt, so dass die Kraftübertragung ohne möglichst ohne Schlupf erfolgen kann.

Durch die Führungseinrichtungen gemäß Anspruch 10 wird das Zugmittel sicher entlang des Turmes geführt und die Schwingungsneigung wird verringert.

Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 12 mit einem Getriebe zwischen unterem Wellenrad und Generator kann die Drehgeschwindigkeit des unteren Wellenrades optimal an den Generator angepasst werden. Auf diese Weise können die vergleichsweise kleinen Drehgeschwindigkeiten des Rotors (im Bereich bis 20 U/min) erhöht werden und an schnell laufende Generatoren angepasst werden, die bei geringer Baugröße eine hohe elektrische Leistung erzeugen.

Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 13 wird bei Seiltrieben Schlupf ausgeschlossen.

Für das Getriebe zwischen Rotor und oberem Wellenrad und zwischen unterem Wellenrad und Generator eignen sich Riemengetriebe - Anspruch 14.

Als Zugmitteltriebe sind aufgrund der höheren Belastbarkeit insbesondere Stahltreibriemen geeignet - Anspruch 15.

Durch die Anordnung des wenigstens einen Zugmitteltriebes im Inneren des Turms ist dieser vor Umwelteinflüssen geschützt. Auch verringert sich dadurch die Ver- letzungsgefahr von Menschen und Tieren während des Betriebs der Windkraftanlage - Anspruch 16.

Um die auf einen einzelnen Zugmitteltrieb wirkenden Kräfte zu reduzieren, können mehrere Zugmitteltriebe parallel zueinander angeordnet werden - Anspruch 17.

Die übrigen Unteransprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Die vorliegende Erfindung kann vorteilhaft auch mit den Ausgestaltungen der Windkraftanlage gemäß den Figuren 1 bis 1 1 , 14 und 16 bis 18 der WO2014/122165A1 kombiniert werden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einem Zugmitteltrieb,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit jeweils einem Zugmitteltrieb auf einander gegenüberliegenden Seiten des Turmes, und

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung mit zwei Zugmitteltrieben auf einer Seite des Turms und zwei Generatoren.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform mit einem Turm 2, der ein oberes und ein unteres Ende 3, 4 aufweist. Am oberen Ende 3 des vertikal angeordneten Turms 2 ist ein Rotor 5 mit einer horizontal verlaufenden Rotorwelle 7 angeordnet. Am Boden am unteren Ende 4 des Turms 2 ist auf einer drehbaren ringförmigen Plattform 9 ein Generator 1 1 mit einer Generatorwelle 13 angeordnet. Die Kopplung zwischen Generator 1 1 und Rotor 5 erfolgt über einen Zugmitteltrieb 15, der ein an der Rotorwelle 7 montiertes Rotorwellenrad 17, ein an der Generatorwelle 13 montiertes Generatorwellenrad 19 und ein Zugmittel 21 umfasst, das die beiden Wellenräder 17 und 19 umschlingt. Der Roter 5 mit Rotorwelle 7 und Rotorwellenrad 17 ist über ein Drehlager 23 am oberen Ende 3 des Turms 2 um eine im Wesentlichen vertikale Achse drehbar gelagert. Die drehbare Plattform 9 mit Generator 1 1 , Generatorwelle 13 und Generatorwellenrad 19 sind auf einem Fundament 25 um die im Wesentlichen vertikale Achse um den Turm drehbar gelagert. Durch das Drehlager 23 und die drehbare Plattform 9 kann der Seiltrieb 15 und der Generator 1 1 auf einfache Weise nachgeführt werden, wenn der Rotor 5 im Wind ausgerichtet wird. Durch die Nachführung wird verhindert, dass das die beiden Wellenräder 17 und 19 umschlingende Zugmittel 21 verdreht wird und/oder in Kontakt mit dem Turm 2 gelangt.

Zwischen Rotor 5 und oberem Wellenrad 17 ist ein oberes Getriebe 27 vorgesehen. Durch das Getriebe 27 wird die Drehgeschwindigkeit des Rotorwellenrades 17 und damit die Umlaufgeschwindigkeit des Zugmittels 21 im Vergleich zu der Drehgeschwindigkeit des Rotors 5 so erhöht, dass bei beherrschbaren Zugkräften auf das Zugmittel und beherrschbaren Zugmittelumlaufgeschwindigkeiten hohe Leistungen im Megawattbereich übertragen werden können.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die sich von der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 dadurch unterscheidet, dass zusätzlich zu dem ersten Zugmitteltrieb 15 ein zweiter Zugmitteltrieb 30 vorgesehen ist, der parallel zum ersten Zugmitteltrieb 15 auf der gegenüberliegenden Seite des Turms 2 verläuft. Der zweite Zugmitteltrieb 30 umfasst ein zweites Rotorwellenrad 32, das zusammen mit dem ersten Rotorwellenrad 17 fest auf einer oberen Welle 33 montiert ist, ein zweites Zugmittel 34 und ein zweites Generatorwellenrad 36. Das zweite Generatorwellenrad 36 ist auf einer zweiten Generatorwelle 38 eines zweiten Generators 40 angeordnet, der ebenfalls auf der ringförmigen drehbaren Plattform 9 dem ersten Generator 1 1 gegenüberliegend angeordnet ist. Durch die parallelen Zugmitteltriebe 15 und 30 wird der Turm symmetrisch verspannt und kann dadurch bei gleichbleibender Stabilität weniger massiv gebaut werden. Die obere Welle 33 mit den beiden Rotorwellenrädern 17 und 32 ist durch das Drehlager 23 drehbar am Turm 2 gelagert. Der Rotor 5 ist über die Rotorwelle 7 und das Drehlager 23 drehbar am Turm gelagert. Das Getriebe 27 verbindet die Rotorwelle 7 mit der oberen Welle 33 und erhöht die niedrige Drehgeschwindigkeit des Rotors 5 passend.

In Analogie zu Fig. 1 können zusätzlich zwischen dem ersten Generator 1 1 und dem ersten Generatorwellenrad 19 und dem zwischen dem zweiten Generator 40 und dem zweiten Generatorwellenrad 36 Getriebe zur Erhöhung der Drehgeschwindigkeit der Generatorwellen 13 und 38 vorgesehen werden.

Fig. 3 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform der Erfindung, die ebenfalls einen ersten Zugmitteltrieb 50 und einen zweiten Zugmitteltrieb 52 aufweist. Der erste Zugmitteltrieb 50 umfasst ein erstes Zugmittel 54, das ein Rotorwellenrad 56 und ein erstes Wellenrad 58 umschlingt. Das erste Wellenrad 58 ist auf einer mittleren gemeinsamen Zugmittelwelle 60 angeordnet, die mittels einer rohrförmigen Hülse 62 um die vertikale Achse drehbar am Turm 2 angeordnet ist. Der zweite Zugmitteltrieb 52 umfasst ein zweites Wellenrad 64, das ebenfalls auf der mittleren gemeinsamen Zugmittelwelle 60 angeordnet ist, ein zweites Zugmittel 66, und das Generatorwellenrad 19 umschlingt. Das zweite Zugmittel 66 umschlingt das zweite Wellenrad 64 und das Generatorwellenrad 19. Wie bei Fig. 1 ist zwischen dem Rotor 5 und dem Rotorwellenrad 56 ein oberes Getriebe 68 angeordnet. Durch das Getriebe 68 wird ebenfalls die Drehgeschwindigkeit des Rotorwellenrades 17 und damit des Umlaufgeschwindigkeit des ersten Zugmittels 54 im Vergleich zu der Drehgeschwindigkeit des Rotors 5 so erhöht, dass bei beherrschbaren Zugkräften auf das Zugmittel und beherrschbaren Zugmittelumlaufgeschwindigkeiten hohe Leistungen im Megawattbereich übertragen werden können.

Als Zugmitteltrieb können Seiltriebe, Seiltriebe mit Mitnehmerelemente, oder Zahnriementriebe eingesetzt werden, wobei die Wellenräder als Zahnräder ausgebildet sind. Die Gliederketten der Kettentriebe sind insbesondere als Flyerketten ausgebildet, wobei die Arbeitsbreite der Flyerketten der zu übertragenden Leistung angepasst wird. Besonders geeignet sind sogenannte Zahnkettentriebe, wobei die Arbeitsbreite der Zahnketten ebenfalls an die zu übertragende Leistung angepasst werden kann. Zahn- ketten werden z, B. von der Firma Kettenfuchs in verschiedenen Ausführungsformen, Längen und Arbeitsbreiten hergestellt.

Auch die Verwendung von Treibriemen mit Noppen und komplementären Ausnehmungen in den Wellenrädern oder Wellenräder mit Noppen oder Zähnen, die in komplementäre Ausnehmungen in den Treibriemen ist möglich.

Die Kettentriebe können wenigstens teilweise aus hochfesten faserverstärkten Kunststoffen, wie CFK, Aramide etc., oder aus Titan hergestellt werden. Die Zugmittel in Form von Zahnriemen, oder Treibriemen können ebenfalls aus hochfesten faserverstärkten Kunststoffen, wie CFK, Aramide etc. hergestellt werden.

Bezugszeichenliste

Turm

oberes Ende von 2 unteres Ende von 2

Rotor

Rotorwelle

drehbare Plattform

(erster) Generator

(erste) Generatorwelle (erster) Zugmitteltrieb (erstes) Rotorwellenrad (erstes) Generatorwellenrad (erstes) Zugmittel

Drehlager

Fundament

oberes Getriebe zweiter Zugmitteltrieb zweites Rotorwellenrad obere Welle

zweites Zugmittel zweites Generatorwellenrad zweite Generatorwelle zweiter Generator erster Zugmitteltrieb zweiter Zugmitteltrieb erstes Zugmittel

Rotorwellenrad

erstes Wellenrad

gemeinsame Zugmittelwelle rohrförmige Hülse zweites Wellenrad zweites Zugmittel oberes Getriebe