DE4413688A1 - Wind-power generator station - Google Patents

Wind-power generator station

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DE4413688A1
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Friedrich Prof Dr Ing Klinger
Guenter Prof D Schmidt-Goenner
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Abstract

A wind generator with one or more horizontal axis rotors has the rotor(s) fixed on a tower that can rotate to follow the wind. The tower is located merely by its own-weight on to a baseplate which can turn on rollers(3). To reduce frictional drag, the rollers are assisted by a gaseous or liquid hydrostatic support medium.There are three equispaced rollers running on rails with a friction-reducing surface coating. The rollers are spherical or cylindrical, and the rails are shaped so as to give resistance to vertical and horizontal thrust.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem Rotor oder mehreren um horizontale Achsen drehenden Rotoren, die starr an einem Turm befestigt sind und zusammen mit dem Turm in die jeweilige Windrichtung gedreht werden können.The invention relates to a wind turbine with a rotor or several rotors rotating around horizontal axes, which are rigid are attached to a tower and together with the tower in the respective wind direction can be turned.

Insbesondere bei sogenannten Multiwindturbinen, d. h. Windenergiean­ lagen mit mehreren um horizontale Achsen am Turm drehbaren Rotoren, ist es vorteilhaft, eine Windrichtungsnachführung nicht zwischen jeder einzelnen Rotor-Turm-Verbindung, sondern eine einzige Wind­ richtungsnachführung am Turmfuß anzuordnen. Eine bekannte diesbezüg­ liche Windrichtungsnachführung am Turmfuß einer Windenergieanlage mit kleinen Rotoren sieht Drehkranzlager zwischen Turmfuß und Fundament vor. Die Drehkranzlager sind eine Wälzlagereinheit, die die Kippmomente der Anlage aufnimmt.In particular in so-called multi-wind turbines, i. H. Wind energy were with several rotors on the tower that could be rotated around horizontal axes it is advantageous not to track wind direction between every single rotor-tower connection, but a single wind to arrange direction tracking on the tower base. A well known in this regard wind direction tracking on the tower base of a wind turbine with small rotors sees slewing ring bearings between the tower base and Foundation in front. The slewing ring bearings are a roller bearing unit that absorbs the tilting moments of the system.

Drehkranzlager für Türme mit mehreren Tausend Tonnen Gewicht sind nicht wirtschaftlich herstellbar. Für größer dimensionierte Wind­ kraftanlagen mit großen Rotoren sind Drehkranzlager nicht geeignet.Slewing ring bearings for towers weighing several thousand tons cannot be produced economically. For larger wind Power plants with large rotors are not suitable for slewing rings.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Windenergieanlage der eingangs genannten Art, welche bei einfachem Aufbau und geringer Strukturbelastung eine einfache und sichere Windrichtungsnachfüh­ rung auch bei Großanlagen ermöglicht.The object of the invention is to create a wind turbine initially mentioned type, which with a simple structure and less Structural load a simple and safe wind direction tracking enables large systems.

Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.The object on which the invention is based is achieved by the Claim 1 specified features.

Vorteilhaft weitergebildet wird der Erfindungsgegenstand durch die Merkmale der Unteransprüche 2 bis 9. The subject of the invention is advantageously further developed by Features of subclaims 2 to 9.  

Wesen der Erfindung ist, den Turm ohne Einspannung an einem Funda­ ment nur durch sein Eigengewicht dreh- und kippsicher auf einem Gleitlagertragsystem aufzustellen, das nur zum Zweck der Windrich­ tungsnachführung ein Drehen des Turms bezüglich des Fundaments bei Überwindung der Gleitreibung durch einen Drehantrieb ermöglicht. Das Fundament kann ein Ringfundament sein. Auch kommen als Funda­ ment Fundamentpfähle in Betracht.The essence of the invention is the tower without clamping on a funda only turn and tip-proof on one thanks to its own weight Placing a bearing system that is only for the purpose of Windrich a turning of the tower with respect to the foundation Overcoming the sliding friction by means of a rotary drive. The foundation can be a ring foundation. Also come as funda foundation piles.

Das Gleitlagertragsystem umfaßt vorzugsweise drei Tragelemente mit sphärischen Gelenken oder elastischen Lagerelementen zwecks Aus­ bildung einer standsicheren Dreipunktlagerung, wobei die Gleitflä­ chen der Tragelemente entweder dem Turmfuß oder dem Fundament zugewandt sein können.The plain bearing support system preferably includes three support elements spherical joints or elastic bearing elements for the purpose of off formation of a stable three-point bearing, the sliding surface chen of the support elements either the tower base or the foundation can face.

Die Gleitfläche ist bevorzugt eine kegelförmige Ringfläche zur Aufnahme von Vertikal- und Horizontalkräften.The sliding surface is preferably a conical ring surface Absorption of vertical and horizontal forces.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, zwecks Verringerung der Reibungswiderstände beim Drehen des Turms das Gleitlagertragsystem durch gasförmige oder flüssige Trag­ medien "hydrostatisch" zu entlasten. Ausschließlich für den Ver­ drehvorgang des Turmes wird hierbei im Gleitlager im Bereich der Gleitfläche ein Druckpolster aus einem flüssigen oder gasförmigen Medium aufgebaut, wobei auch eine Teilentlastung einzelner oder sämtlicher Tragelemente in Frage kommt. Die Tragelemente können mit einem reibungsarmen Gleitbelag versehen sein.A particularly advantageous embodiment variant of the invention provides before, in order to reduce the frictional resistance when turning the Towers the plain bearing support system through gaseous or liquid support to relieve media "hydrostatic". Exclusively for Ver The turning process of the tower is in the plain bearing in the area of Sliding surface a pressure pad made of a liquid or gaseous Medium built up, with partial relief of individual or all support elements come into question. The support elements can with be provided with a low-friction sliding surface.

Jedes Tragelement kann mit drei Tragtaschen ausgebildet sein, die mit Tragfluid befüllt werden können. Die Tragtaschen besitzen hier­ zu entsprechende Druckleitungsanschlüsse für einen Druckanschluß für beispielsweise 15 bar. Durch Verwendung von drei Tragtaschen ist ein jedes Tragelement stabil auf der Gleitfläche gelagert und kann sich, wenn elastische oder sphärische Lagerelemente (z. B. ein Gummielement oder eine (Halb-)Kugel) zwischengeschaltet sind, auch automatisch leicht unebenen Gleitflächen anpassen.Each support element can be designed with three carrying pockets can be filled with carrying fluid. The carrier bags have here to corresponding pressure line connections for a pressure connection for example 15 bar. By using three carrier bags is each support element stably mounted on the sliding surface and can occur if elastic or spherical bearing elements (e.g. a Rubber element or a (half) ball) are interposed,  also automatically adjust slightly uneven sliding surfaces.

Der Turm kann dann also durch diese besondere Art einer hydrauli­ schen Lagerung auf einem ringförmigen Fundament in entlasteter Weise vergleichsweise leicht gedreht werden, um alle Turbinen bei jeder Windrichtung optimal und ungestört anzuströmen. Nach einem Drehen wird das Druckpolster in den Tragtaschen wieder abgebaut, so daß der Turm wieder satt auf seiner Unterlage bei satter Auflage auf seiner Gleitfläche ruht.The tower can then by this special type of hydraulic storage on an annular foundation in a relieved manner comparatively easily rotated to all turbines at each To flow in the wind direction optimally and undisturbed. After turning the pressure pad in the carrier bags is removed again, so that the Tower again full on its base with full support on its The sliding surface rests.

Werden also die Gleitlager durch hydrostatische Entlastung nahezu reibungslos gemacht, kann der Turm leicht gedreht und anschließend wieder abgesetzt werden. Im abgesetzten Zustand eines Turmes ohne Lagerentlastung bieten die Gleitlager aufgrund ihrer höheren Rei­ bung durch das Eigengewicht des Turms einen rüttelsicheren Stand. Zusätzliche Bremsen oder Arretierungshilfen wie etwa bei bekannten Drehkranzlagern sind entbehrlich.So are the plain bearings almost due to hydrostatic relief made smooth, the tower can be easily rotated and then be discontinued. In the separated state of a tower without The plain bearings offer bearing relief due to their higher friction exercise due to the weight of the tower a vibration-proof stand. Additional brakes or locking aids such as those known Slewing ring bearings are not necessary.

Eine Multiwindturbine kann aus sechs seriennahen 500 kW-Windturbi­ nen auf einem ca. 160 m hohen Spannbetonturm bestehen, bei dem in Höhen von 50, 95 und 140 m jeweils zwei Windturbinen rechts und links vom Turm an Auslegern angebracht sind. Damit sind auf dem Turm 3 MW elektrische Leistung installiert, und es wird eine elek­ trische Energie für 2000 bis 3000 Haushalte produziert. Der Turm ermöglicht eine optimale Anströmung aller Turbinen bei jeder Wind­ richtung. Abschattungsverluste, die bei bekannten Windparks trotz weiträumiger Aufstellung von Einzeltürmen unvermeidbar sind, treten bei der Erfindung nicht auf. Der Energieertrag wird durch Ausnut­ zung der besseren Windverhältnisse in größerer Höhe deutlich ver­ bessert.A multi-wind turbine can consist of six near-series 500 kW wind turbines on an approx. 160 m high pre-stressed concrete tower, with two wind turbines at 50, 95 and 140 m at the right and left of the tower on booms. This means that 3 MW of electrical power is installed on the tower, and electrical energy is produced for 2,000 to 3,000 households. The tower enables optimal flow to all turbines in any wind direction. Shading losses, which are unavoidable in known wind farms despite the extensive installation of individual towers, do not occur with the invention. The energy yield is significantly improved by taking advantage of the better wind conditions at higher altitudes.

Gegenüber Großanlagen mit ähnlicher elektrischer Leistung wie GROWIAN oder AEOLUS II sind die Strukturbelastungen wesentlich geringer. Da die Einzelturbinen Serienmaschinen sein können, ergeben sich erhebliche Kostenvorteile, und das Entwicklungsrisiko ist auf den Turm beschränkt. Außerdem bietet der Turm den Vorteil, auch optimale Standorte in Mittelgebirgslagen auszunutzen, bei de­ nen übliche Windparks nicht errichtet werden können.Compared to large systems with a similar electrical output as GROWIAN or AEOLUS II are the structural loads essential less. Since the single turbines can be series machines,  there are significant cost advantages, and the development risk is limited to the tower. The tower also has the advantage to also use optimal locations in low mountain ranges, at de normal wind farms cannot be built.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below using exemplary embodiments explained in more detail with reference to the accompanying drawing. It demonstrate:

Fig. 1 eine Windenergieanlage mit einem Rotor in schematischer Seitenansicht und Darstellung von Einzelheiten im Bereich des Bodenfundaments, Fig. 1 shows a wind energy plant with a rotor in a schematic side view showing details in the region of the base foundation,

Fig. 2 ein Gleitlagertragsystem der Windenergieanlage in anderer Ausführung, Fig. 2 is a plain bearing support system of the wind turbine in other embodiments,

Fig. 3 ein Tragelement des Gleitlagertragsystems der Fig. 2 in perspektivischer Darstellung, Fig. 3 shows a support member of the sleeve bearing support system of FIG. 2 in a perspective view;

Fig. 4 eine Multiwindturbine im unteren Turmbereich mit Darstel­ lung der unebenen Gleitfläche am Fundament, und Fig. 4 is a multi-wind turbine in the lower tower area with presen- tation of the uneven sliding surface on the foundation, and

Fig. 5 eine Multiwindturbine mit sechs Rotoren in perspektivi­ scher Darstellung. Fig. 5 is a multi-wind turbine with six rotors in perspectiv cal representation.

Windenergieanlagen mit horizontaler Rotorachse gemäß Fig. 1 haben normalerweise zwischen Turm 2 und Rotor 1 eine Windrichtungsnachfüh­ rung angeordnet.Wind turbines with a horizontal rotor axis according to FIG. 1 normally have a wind direction tracking between tower 2 and rotor 1 .

Insbesondere bei Multiwindturbinen 20 nach Fig. 5 ist es vorteil­ haft, eine Windrichtungsnachführung am Turmfuß vorzusehen, um alle Rotoren gleichzeitig in die Windrichtung drehen zu können. In particular in the case of multi-wind turbines 20 according to FIG. 5, it is advantageous to provide a wind direction tracking on the tower base in order to be able to rotate all the rotors in the wind direction at the same time.

Die Windrichtungsnachführung erfolgt durch ein Gleitlagertragsys­ tem 3, welches zwischen Turm 2 und Ringfundament 5 vorgesehen ist. Der Turm 2 ist ohne Einspannung am Fundament nur durch sein Eigen­ gewicht dreh- und kippsicher auf dem Gleitlagertragsystem aufge­ stellt, welches nur zum Zweck der Windnachführung ein Drehen des Turmes bezüglich des Fundaments ermöglicht.The wind direction tracking is carried out by a plain bearing support system 3 , which is provided between tower 2 and ring foundation 5 . The tower 2 is without rotation on the foundation only by its own weight against rotation and tilting up on the slide bearing support system, which only allows the tower to rotate with respect to the foundation for wind tracking purposes.

Zwecks Verringerung der Reibungswiderstände beim Drehen des Turmes wird vorgenanntes Gleitlagertragsystem 3 durch gasförmige oder flüs­ sige Tragmedien hydrostatisch zumindest teilweise entlastet.In order to reduce the frictional resistance when turning the tower, the above-mentioned plain bearing support system 3 is at least partially relieved by gaseous or liquid carrier media hydrostatically.

Das Gleitlagertragsystem 3 besitzt drei Tragelemente 4 zwecks Schaf­ fung einer standsicheren Dreipunktauflage des Turms 2 auf dem Fundament, wobei die einzelnen Tragelement auf dem Umfang des Turmfußes bzw. des Ringfundaments 5 gleich verteilt sind.The plain bearing support system 3 has three support elements 4 for the purpose of creating a stable three-point support of the tower 2 on the foundation, the individual support elements being equally distributed on the circumference of the tower base or the ring foundation 5 .

Jedes einzelne Tragelement 4 besitzt seinerseits drei Tragtaschen 9, wie dies insbesondere der Fig. 3 zu entnehmen ist.Each individual supporting element 4 in turn has three carrying pockets 9 , as can be seen in particular in FIG. 3.

Jedes einzelne Tragelement 4 besitzt ferner auf der den Tragtaschen 9 abgewandten Seite ein sphärisches und/oder elastisches Lagerelement, welches an der entsprechenden Turm- oder Fundament­ seite gelagert ist.Each individual support element 4 also has on the side facing away from the support pockets 9 a spherical and / or elastic bearing element which is mounted on the corresponding tower or foundation side.

Gemäß Fig. 1, rechts, ist das sphärische Lagerelement oder Gelenk 6 dem Turmfuß zugeordnet, und es befindet sich die Gleitfläche auf der Unterseite, welche dem Ringfundament 5 zugewandt ist.Referring to FIG. 1, the right, the spherical bearing member or hinge 6 is associated with the base of the tower, and it is the sliding surface on the bottom, which faces the ring foundation 5.

Gemäß Fig. 2 befindet sich die Gleitfläche 11 oben und in Richtung Turmfuß, und es ist das Halbkugelgelenk 6 dem Fundament zugeordnet, welches Fundamentpfähle 8 aufweist.Referring to FIG. 2, the sliding surface 11 facing upward and toward the tower foot, and it is associated with the half-ball joint to the foundation 6, which comprises foundation piles. 8

Das Tragelement 4 mit drei hydrostatischen Tragtaschen 9 gemäß Fig. 3 wird bei deinem Drehen des Turms 2 mittels Drehantrieb 7 mit Fluid beaufschlagt, wobei sich der Taschendruck nach dem Prinzip hydrostatischer Lager automatisch auf die Belastung einstellt. Durch Verwendung von drei Tragtaschen ist das Tragelement stabil auf der Gleitfläche gelagert und kann sich, wenn elastische oder sphärische Lagerelemente (z. B. Gummielement oder Kugel) zwischen­ geschaltet sind, auch automatisch leicht unebenen Gleitflächen anpassen, wie dies schematisch in Fig. 4 veranschaulicht ist.The supporting element 4 with three hydrostatic carrying pockets 9 according to FIG. 3 is acted upon by fluid when you turn the tower 2 by means of a rotary drive 7 , the pocket pressure automatically adjusting to the load according to the principle of hydrostatic bearings. By using three carrier bags, the support element is stably mounted on the sliding surface and, if elastic or spherical bearing elements (e.g. rubber element or ball) are interposed, can also automatically adapt slightly uneven sliding surfaces, as schematically illustrated in FIG. 4 is.

Das Konzept der Drehvorrichtung des Turmes 2 ist bei Wasser als Tragmedium mithin eine sogenannte "Wasserlagerung". Zwischen Funda­ mentoberkante und Turmunterkante werden in "Taschen" spezielle Druckkissen eingebaut. Soll der Turm gedreht werden, wird in die­ sen Druckkissen ein Wasserdruck bis ca. 25 bar aufgebaut, bis sich der Turm leicht abhebt und auf einem Wasserfilm gleitet. Nun kann der Turm mit relativ geringem Kraftaufwand durch Elektromotoren gedreht werden. Wird der Flüssigkeitsdruck gesenkt, steht der Turm wieder fest.The concept of the rotating device of the tower 2 is therefore a so-called "water storage" when water is the carrier medium. Special pressure pads are installed in "pockets" between the upper edge of the foundation and the lower edge of the tower. If the tower is to be rotated, a water pressure of up to approx. 25 bar is built up in this pressure cushion until the tower lifts off slightly and slides on a water film. Now the tower can be rotated by electric motors with relatively little effort. If the liquid pressure is reduced, the tower is fixed again.

Seitliche Führungen zur Aufnahme von Horizontalkräften verhindern ein Abrutschen des Turmes während eines Drehvorganges.Prevent lateral guides for absorbing horizontal forces slipping of the tower during a turning process.

Ist die ringförmige Gleitfläche 11 eine Kegelstumpffläche, ist der Turm bei einem Drehvorgang horizontal und vertikal stabilisiert.If the annular sliding surface 11 is a truncated cone surface, the tower is stabilized horizontally and vertically during a turning process.

Wenn nicht gedreht werden muß, steht der Turm allein aufgrund seines Gewichts und der Reibung fest auf dem Fundament, und zwar ohne zusätzliche Bremsvorrichtungen.If there is no need to turn, the tower stands alone its weight and friction firmly on the foundation, namely without additional braking devices.

Claims (9)

1. Windenergieanlage mit einem Rotor oder mehreren um horizontale Achsen drehenden Rotoren, die starr an einem Turm befestigt sind und zusammen mit dem Turm in die je­ weilige Windrichtung gedreht werden können, dadurch gekennzeichnet, daß der Turm (2) ohne Einspannung an einem Fundament nur durch sein Eigengewicht dreh- und kippsicher auf einem Gleit­ lagertragsystem (3) aufgestellt ist, das nur zum Zweck der Windrichtungsnachführung ein Drehen des Turms bezüglich des Fundaments ermöglicht.1. Wind energy plant with a rotor or several rotors rotating about horizontal axes, which are rigidly attached to a tower and can be rotated together with the tower in the respective wind direction, characterized in that the tower ( 2 ) without clamping on a foundation only due to its own weight, it is installed so that it can rotate and tip over on a plain bearing support system ( 3 ) that only allows the tower to rotate with respect to the foundation for the purpose of tracking the wind direction. 2. Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Verringerung der Reibungswiderstände beim Drehen des Turms (2) das Gleitlagertragsystem (3) durch gasförmige oder flüssige Tragmedien hydrostatisch entlastet wird.2. Wind power plant according to claim 1, characterized in that in order to reduce the frictional resistance when rotating the tower ( 2 ), the slide bearing support system ( 3 ) is relieved hydrostatically by gaseous or liquid carrier media. 3. Windenergieanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitlagertragsystem (3) drei Tragelemente (4) auf­ weist, die dem Turm (2) eine standsichere Dreipunktlagerung geben.3. Wind turbine according to claim 1 or 2, characterized in that the plain bearing support system ( 3 ) has three support elements ( 4 ) which give the tower ( 2 ) a stable three-point bearing. 4. Windenergieanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitlagertragsystem (3) Tragelemente (4) mit rei­ bungsarmen Gleitbelägen aufweist. 4. Wind turbine according to claim 2 or 3, characterized in that the plain bearing support system ( 3 ) supporting elements ( 4 ) with low-friction sliding pads. 5. Windenergieanlage nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitlagertragsystem (3) Tragelemente (4) aufweist, die nur teilweise hydrostatisch entlastet werden.5. Wind turbine according to claim 2 to 4, characterized in that the plain bearing support system ( 3 ) has support elements ( 4 ) which are only partially relieved of hydrostatic stress. 6. Windenergieanlage nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Tragelement (4) des Gleitlagertragsystems (3) drei Tragtaschen (9) besitzt, die nach dem Prinzip der hydrostati­ schen Lagerung eine automatische Anpassung auf unebenen Gleit­ flächen (11) erlauben, indem sie die Last über sphärische oder elastische Lagerelemente aufnehmen.6. Wind power plant according to claim 2 to 5, characterized in that each support element ( 4 ) of the slide bearing support system ( 3 ) has three support pockets ( 9 ) which allow automatic adaptation to uneven sliding surfaces ( 11 ) according to the principle of hydrostatic storage, by taking up the load via spherical or elastic bearing elements. 7. Windenergieanlage nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitlagertragsystem eine Gleitfläche (11) in Form einer kegelförmigen Ringfläche zwecks Aufnahme von Vertikal- und Horizontalkräften aufweist.7. Wind power plant according to claim 1 to 6, characterized in that the plain bearing support system has a sliding surface ( 11 ) in the form of a conical annular surface for the purpose of absorbing vertical and horizontal forces. 8. Windenergieanlage nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitfläche (11) dem Fundament zugewandt ist.8. Wind turbine according to claim 1 to 7, characterized in that the sliding surface ( 11 ) faces the foundation. 9. Windenergieanlage nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitfläche (11) dem Turmfuß zugewandt ist.9. Wind turbine according to claim 1 to 7, characterized in that the sliding surface ( 11 ) faces the tower base.
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