DE10141733A1

DE10141733A1 - Windenergieanlage

Info

Publication number: DE10141733A1
Application number: DE10141733A
Authority: DE
Inventors: Alfred Schlemenat
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-07-17
Filing date: 2001-08-25
Publication date: 2003-02-06

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das neuartige Verbessern des dynamischen Tragverhaltens von Windenergieanlagen, so dass Schäden an Lagern, Getrieben und Rotorblättern minimiert werden. Die aus dynamischen Lasten auftretenden Fundamentbelastungen werden reduziert, die besonders ermüdungsbruchgefährdeten Schraubverbindungen werden entlastet. DOLLAR A An der Gondel (4) ist eine in den Turm (1) hineinragende Tragkonstruktion (10) dreh- und verwindungssteif angeordnet. An dieser werden relativ schwere Hauptkomponenten, die bei den bekannten Windenergieanlagen ausnahmslos in der Gondel und hinsichtlich dem Eigenschwingverhalten ungünstig mit dem größten Abstand zum Turmfuß angeordnet sind, aus dieser herausgenommen und an der Tragkonstruktion näher zum Turmfuß hin angeordnet. Mehrere Generatoren (9') der bewährten kleineren Leistungsklassen werden zur optimalen Ausnutzung des Energieangebotes genutzt. DOLLAR A Die Rotorwelle (7) erstreckt sich über die gesamte Länge der Gondel. Die Lagerabstände sind relativ groß, die Lagerkräfte unter Verwendung konventioneller Wälzlager leicht zu beherrschen. Die Anordnung der Rotornabe (6) erfolgt sowohl luv- oder leeseitig als auch luv- und leeseitig.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Gattung. Das Zusammenwirken der Hauptkomponenten einer derartigen Anlage zur Umwandlung der Strömungsenergie des Windes in elektrische Energie ist dem Fachmann geläufig.
Die bekannten Windenergieanlagen weisen an den Flanschstössen der Turmsegmente untereinander oder an den Verbindungen zum Fundament vorgespannte Schraubverbindungen auf, die infolge der unstetigen Windeinwirkung besonders ermüdungsbruchgefährdet sind. Sie sind daher mit besonderer Sorgfalt auszulegen. Trotzdem werden lockere Schrauben an diesen Verbindungen häufig festgestellt. Sie beeinflussen die Eigenfrequenzen der Windenergieanlagen derart negativ, dass sie als Auslöser nicht erklärbarer Lager- und Getriebeschäden in Betracht zu ziehen sind.
Dieses wird durch zahlreiche in der jüngsten Vergangenheit aufgetretene Schäden mehr als bestätigt. In der aktuellen Literaturstelle Jansen, Marcus: "Dynamische Lasten am Triebstrang untersuchen", Erneuerbare Energien Juli 2001, Seite 36 ff, (SunMedia Verlag, Hannover) werden die gegenwärtigen Schäden an Lagern und Getrieben auf nicht hinreichend berücksichtigte dynamische Beanspruchungen bei der Dimensionierung von Windenergieanlagen zurückgeführt, so dass nicht auszuschließen ist, dass es zu weiteren Serienschäden an diesen Komponenten kommen wird. Nicht beantwortete Fragen hinsichtlich einer ausreichenden Berücksichtigung und Erfassung von möglichen dynamischen Lasten und Einflüssen weisen auf weiteren Forschungsbedarf hin. Maßnahmen aufgrund logischer Folgerungen und Erkenntnisse, dass eine Gewichtsreduzierung am Kopf einer Anlage zu einer Verringerung der auf den Turm einwirkenden dynamischen Belastungen und somit vor allem zu einer Entlastung der besonders ermüdungsbruchgefährdeten Schraubverbindungen an den Turmfußverbindungen führt, sind an den bekannten Windenergieanlagen nur in einem begrenzten Rahmen einzuleiten oder zu nutzen.
Unabhängig von diesem Sachverhalt erschweren Bürgereinsprüche in Genehmigungsverfahren den Ausbau von Großanlagen. Dieses wird in einem verstärkten Maß zu einer effizienten Nutzung der ausgewiesenen Standorte führen und im Hinblick auf ältere oder ausgedienter Anlagen bewirken, dass alte Fundamente erneuert werden, um auf diesen dann leistungsstärkere neue Anlagen errichten zu können.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, das Eigenschwingverhalten und somit das dynamische Tragverhalten einer Windenergieanlage so zu verbessern, dass die zuvor beschriebenen Schäden minimiert bzw. ausgeschlossen werden, dass die aus dynamischen Lasten auftretenden Fundamentbelastungen besonders an neuen Anlagen der größeren Leistungsklassen reduziert werden und kleinere Fundamente erfordern und dass auf vorhandenen älteren Fundamenten oder Fußkonstruktionen leistungsstärkere neue Anlagen errichtet oder vorhandene Anlagen von der Leistung her aufgerüstet werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in dem Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmaie gelöst. Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Erfindung.

An der Gondel wird eine in den Turm hineinragende Tragkonstruktion befestigt. An dieser werden relativ schwere Hauptkomponenten, die bei den bekannten Windenergieanlagen ausnahmslos in der Gondel und hinsichtlich dem Eigenschwingverhalten ungünstig mit dem größten Abstand zum Turmfuß angeordnet sind, aus dieser herausgenommen und näher zum Turmfuß hin angeordnet. Dieses sind in erster Linie Generatoren, Getriebe und Kupplungen sowie weitere System- und Hilfskomponenten, die zur Umwandlung der Strömungsenergie des Windes in elektrische Energie benötigt werden, zum Beispiel Transformatoren, Kühlaggregate, Komponenten oder Teilkomponenten der mechanischen Bremssysteme und Aggregate zum Nachführen der Gondel entsprechend der Windrichtung. Die Tragkonstruktion ist dreh- und verwindungssteif mit der Gondel verbunden. Dieses sichert das einwandfreie Funktionieren und Zusammenwirken der Hauptkomponenten. Zur drehbaren Lagerung um die Turmlängsachse ist entweder die Gondel oder gemäß dem Anspruch 6 die Tragkonstruktion mit dem Großwälzlager verspannt. Die Übertragung der Rotationsenergie von der Rotorwelle auf den in einem vertikalen Abstand näher zum Turmfuß hin angeordneten Generator erfolgt gemäß dem Anspruch 10 über eine Wirkverbindung. Diese setzt sich aus Standardkomponenten zusammen, wie zum Beispiel Getriebe, Antriebs-/Gelenkwellen oder weiteren Kraftübertragungselementen in Form umlaufender Zahnketten oder Zahnriemen, die einzeln, mehrfach oder in Kombination zueinander entsprechend den Erforderlichkeiten und der konstruktiven Möglichkeiten zur Ausführung gelangen. Unabhängig von einer luv- oder leeseitigen Anordnung der Rotornabe bewirkt die Verlagerung schwerer Komponenten in den Turm, besonders jedoch durch den kleineren Abstand zum Fundament eine Verbesserung des Eigenschwingverhaltens der gesamten Windenergieanlage.

Besonders an Anlagen der größeren Leistungsklassen mit großen Turmdurchmessern führt eine nicht mittige Anordnung der Aggregate an der Tragkonstruktion sowie eine zusätzliche Anordnung von Ballastgewichten zu weiteren enormen Vorteilen. Nach den Ansprüchen 4 und 5 erzeugen die Gewichte der Aggregate, die entgegen zur Wirkrichtung des Windes mit dem größten konstruktiv zu erreichenden Abstand von der Turmmitte angeordnet werden, mit dem Hebelarm zur Turmmittenachse ein Moment. Dieses wirkt bedingt durch die Gondelnachführung ständig dem Betriebsmoment aus der Windbelastung entgegen und führt zu einer Reduzierung aller auf den Turm einwirkenden Belastungen. Die Ballastgewichte, die zugleich zur positiven Beeinflussung der an der Tragkonstruktion auftretenden Torsionsschwingungen genutzt werden, bewirken zwar eine Erhöhung der Vertikallasten, das Großwälzlager wird dadurch jedoch nur unwesentlich höher beansprucht. Die vom Lager aufzunehmenden Biege- oder Kippmomente, die grundsätzlich die extremeren Belastungen an einem Großwälzlager darstellen, werden durch die nicht mittige Anordnung der Ballastgewichte und der übrigen Aggregate jedoch maßgeblich reduziert.

Entsprechend dem Anspruch 7 stellt sich durch ein im unteren Bereich der Tragkonstruktion angeordnetes Stützelement, zum Beispiel ein Stützlager, eine Stabilisierung des gesamten Turmkopfes ein. Auftretende Horizontalkräfte werden von der Tragkonstruktion direkt auf die Turmwand übertragen, so dass die am Großwälzlager anstehenden Kippmomente wesentlich reduziert werden. Ebenso wirkt sich eine Anordnung der Komponenten zum Nachführen und Feststellen der Gondel im unteren Bereich der Tragkonstruktion positiv auf das Tragverhalten der gesamten Anlage aus. Sämtliche der zuvor dargestellten Maßnahmen entlasten vor allem die ermüdungsbruchgefährdeten Schraubverbindungen an den Flanschstössen der einzelnen Turmsegmente und an den Verbindungen zum Fundament.

Bei den bekannten Anlagen übersteigt das Energieangebot aus der Luftströmung bei großen Windstärken oft das von einem Generator abnehmbare Maß. Um Überlastungen zu vermeiden, verstellt man die Rotorblätter so, dass nur die vom Generator umsetzbare Energie aus dem Wind entnommen wird. Das führt aber auch dazu, dass ein Leistungsüberschuss oft ungenutzt bleibt. Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Anordnung von mehreren Generatoren der bewährten kleineren Leistungsklassen an der Tragkonstruktion gemäß dem Anspruch 3. Neben einer optimalen Ausnutzung des Energieangebotes wird somit eine Vergrößerung des Arbeitsbereiches der Anlagen erzielt. Während bei geringen Windgeschwindigkeiten nur ein Generator zum Umsetzten der Energie genutzt wird, werden hohe Windkräfte durch das Aktivieren einer entsprechend großen Anzahl von Generatoren genutzt. Neben einer Vereinfachung der Montage aus dem Inneren des Turmes heraus vollzieht sich ein evtl. Austausch eines einzelnen, kleineren Generators grundsätzlich einfacher als bei einem, von den Abmessungen und dem Gewicht her größeren Generator, der die Leistung einer gesamten Anlage umsetzt. Ein Außenkran ist demnach nicht mehr erforderlich. Dieses wird sich besonders an den Anlagen für den Offshore-Einsatz positiv auswirken.

Durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 werden die bei den bekannten Anlagen fast ausnahmslos in der Gondel angeordneten Haupt- und Hilfskomponenten aus dieser herausgenommen. Der dadurch erzeugte freie Raum in der Gondel stellt die Grundlage der kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 2 dar. Die sich über die gesamte Länge der Gondel erstreckende Rotorwelle führt zu einer konventionellen Lagerung und zu einer weiteren Verbesserung des dynamischen Tragverhaltens gegenüber den bekannten Anlagen. Diese weisen ausnahmslos eine aufwendige Lagerung und aufgrund relativ kleiner Lagerabstände ein ungünstiges Eigenschwingverhalten auf. Die Lagerabstände gemäß dem Anspruch 2 sind relativ groß, die Lagerkräfte unter Verwendung konventioneller Wälzlager leicht zu beherrschen.

Zusätzlich zu der luv- oder leeseitig angeordneten Rotornabe erfolgt an dem gegenüberliegenden freien Ende der Rotorwelle die Anordnung einer zweiten Rotornabe. Zur effektiven Nutzung der sich ergebenen Vorteile ist mittels einer aerodynamischen Optimierung die Anordnung, Ausführung und Stellung der Rotorblätter gemäß dem Unteranspruch 8 zueinander festzulegen. Falls erforderlich, werden sie von der Formgebung oder der Länge entsprechend verändert. Berechnungen und Messungen zeigen, dass die aerodynamische Leistung nur in einem sehr begrenzten Rahmen von der Wahl des Blattprofils oder der Blattgeometrie abhängt, während Windkräfte diese stark beeinflussen. Auf der Leeseite bewirken Einflüsse aus dem Turmschatteneffekt zwar einen Leistungsverlust von ca. 3%, mittels Optimierungen der zuvor beschrieben Anordnung, Ausführung und Stellung der Rotorblätter zueinander läßt sich jedoch eine nahezu gleichmäßige Übertragung der Windkräfte von den luv- und leeseitigen Rotorblättern auf die Rotorwelle erzielen. Anzustrebende gleich große Trägheitskräfte der beiden Rotornaben wirken sich auf die Drehschwingungen günstig aus.

Anspruch 9 beschreibt eine zweiteilige Rotorwellenausführung. Diese gelangt in dem Fall zur Ausführung, wenn bereits fertiggestellte Rotorwellen der bekannten Windenergieanlagen oder Komponenten aus älteren Anlagen durch paarweisen Einbau in eine Gondel gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.

Die kennzeichnenden Merkmale der Erfindung führen zu einem positiven Eigenschwingverhalten, zu einer Reduzierung der gesamten dynamischen Belastungen und zu einer Entlastung der ermüdungsbruchgefährdeten Schraubverbindungen an Flanschstössen der Turmsegmente und an den Verbindungen zum Fundament. An neuen Anlagen der größeren Leistungsklassen sind aufgrund der reduzierten Kippmomente kleinere Fundamente erforderlich. Durch Schwingungen hervorgerufene Schäden an Lagern, Getrieben und Rotorblättern werden entsprechend Aufgabenstellung der Erfindung minimiert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die anliegende Zeichnung beschrieben.
Die Zeichnung zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung die erfindungsgemäße Windenergieanlage. Die einzige Figur zeigt den Kopf einer Windenergieanlage. Im oberen Bereich des im Ausführungsbeispiel zylindrisch dargestellten Turmes 1 ist ein Großwälzlager 2 angeordnet, an dem um die Turmlängsachse 3 drehbar eine Gondel 4 verspannt ist. An dieser ist eine in den Turm 1 hineinragende Tragkonstruktion 10 dreh- und verwindungssteif angeordnet. Diese ist ebenfalls zylindrisch ausgeführt und stellt aufgrund der aufzunehmenden Torsionsbelastungen den günstigsten Querschnitt dar. An der Tragkonstruktion, die am unteren Ende ein Lager 14 als Abstützelement zur Abtragung von Horizontalkräften auf die Turmwand aufweist, sind mehrere Generatoren 9 und 9' schematisch dargestellt. Diese weisen eine nicht zentrische Lage zur Turmlängsachse 3 auf. Ein an der Tragkonstruktion symbolisch dargestelltes Ballastgewicht weist ebenfalls eine nicht zentrische Lage zur Turmlängsachse 3 auf. An den Stirnseiten der Gondel 4 ist je ein Lager dargestellt. In diesen ist drehbar um die Rotationsachse 8 die Rotorwelle 7 gelagert, an der zu beiden Seiten, luv- und leeseitig (die Windrichtung geht aus der Zeichnung nicht hervor) je eine Rotornabe 6 und 6' angeordnet ist. Beide Rotornaben weisen mehrere Rotorblätter 5 und 5' auf. Sie sind nur als Blattanschluss dargestellt. Die Kraftübertragung von der Rotorwelle 7 zu den in einem vertikalen Abstand in Richtung des Turmfußes hin angeordneten Generatoren 9 und 9' erfolgt über symbolisch dargestellte Wirkverbindungen 11. Bezugsziffernliste 1 Turm
2 Großwälzlager
3 Turmlängsachse
4 Gondel
5 Rotorblätter (5 und 5')
6 Rotornabe (6 und 6')
7 Rotorwelle
8 Rotationsachse der Rotorwelle
9 Generator (9 und 9')
10 Tragkonstruktion
11 Wirkverbindung
12 Ballastgewicht an der Tragkonstruktion
13 Einspannstelle des Turmes
14 Abstützelement

Claims

1. Windenergieanlage, mit einem an einer Einspannstelle (13) verspannten Turm (1), mit einem an diesem angeordneten Großwälzlager (2), mit einer um die Turmlängsachse (3) drehbaren Gondel (4) und mit einer luv- oder leeseitigen, mehrere Rotorblätter (5) tragenden Rotornabe (6), an der zur Umwandlung der Strömungsenergie des Windes in mechanische Energie über die Rotorblätter (5) Windkräfte auf eine in der Gondel (4) drehbar um eine Rotationsachse (8) gelagerte Rotorwelle (7) wirken, dadurch gekennzeichnet, dass an der Gondel (4) eine in den Turm (1) hineinragende, sich zur Einspannstelle (13) hin erstreckende Tragkonstruktion (10) angeordnet ist, dass diese nahezu dreh- und verwindungssteif mit der Gondel (4) verbunden ist, dass an der Tragkonstruktion (10) einzelne oder mehrere zur Umwandlung der mechanischen in elektrische Energie benötigte Haupt- und Hilfskomponenten befestigt sind und dass der gemeinsame, aus den Gewichten der Tragkonstruktion (10) und der daran befestigten Haupt- und Hilfskomponenten ermittelte Schwerpunkt wesentlich unterhalb der Rotationsachse (8) liegt.

2. Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (7) sich nahezu über die gesamte parallel zur Rotationsachse (8) verlaufende Länge der Gondel (4) erstreckt, dass an dieser zusätzlich zur luv- oder leeseitig angeordneten Rotornabe (6) an dem gegenüberliegenden freien Ende der Rotorwelle (7) in der Verlängerung der Rotationsachse (8) eine weitere, mehrere Rotorblätter (5') tragende Rotornabe (6') angeordnet ist und dass die auf die Rotorblätter (5, 5') wirkenden Windkräfte gleichzeitig über die luv- und leeseitige Rotornabe (6, 6') auf die Rotorwelle (7) übertragen werden.

3. Windenergieanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Tragkonstruktion (10) angeordneten Hauptkomponenten einen Generator (9) oder mehrere Generatoren (9') aufweisen und dass die mechanische Energie der Rotorwelle (7) auf den oder die Generator(en) (9, 9') durch eine den vertikalen Abstand überbrückende Wirkverbindung (11) übertragen wird.

4. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Tragkonstruktion (10) angeordneten Haupt- und Hilfskomponenten eine nicht zentrische Lage zur Turmlängsachse (3) aufweisen.

5. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der Tragkonstruktion (10) Ballastgewichte (12) angeordnet sind, die eine nicht zentrische Lage zur Turmlängsachse (3) aufweisen.

6. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragkonstruktion (10) an dem Großwälzlager (2) verspannt und drehbar um die Turmlängsachse (3) an dem Turm (1) gelagert ist.

7. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Tragkonstruktion (10) und dem Turm (1) Abstützelemente (14) zur Übertragung horizontaler Kräfte von der Tragkonstruktion (10) auf den Turm (1) angeordnet sind.

8. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die an der leeseitigen Rotornabe (6') angeordneten Rotorblätter (5') eine andere auf die Rotationsachse (8) bezogene Winkelstellung und/oder eine andere Rotorblattform gegenüber den an der luvseitigen Rotornabe (6) angeordneten Rotorblättern (5) aufweisen.

9. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (7) zweiteilig zur Ausführung gelangt.

10. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkverbindung (11) zum Überbrücken des vertikalen Abstandes von der ein- oder zweiteiligen Rotorwelle (7) auf den oder die Generator(en) (9, 9') sich aus Standardkomponenten wie Getriebe, Antriebs- und Gelenkwellen oder weiteren Kraftübertragungselementen zusammensetzt.