DE10162942A1

DE10162942A1 - Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage und Windkraftanlage

Info

Publication number: DE10162942A1
Application number: DE10162942A
Authority: DE
Inventors: Martin Von Mutius
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2001-12-20
Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2003-07-03
Also published as: DE60218737D1; WO2003054388A1; US20060099075A1; US7393180B2; ES2283632T3; CN100353054C; CN1692226A; DK1456535T3; AU2002358781A1; DE60218737T2; EP1456535A1; EP1456535B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage mit einem Rotor mit mindestens zwei in einer Rotorblattebene um eine gemeinsame Rotorachse drehbaren Rotorblättern, von denen jedes bezüglich einer etwa parallel zu seiner vorzugsweise etwa senkrecht zur Rotorachse verlaufenden Längsachse verlaufenden Schwenkachse verschwenkbar ist, bei dem die Anstellwinkel (Pitch-Winkel) der Rotorblätter bezüglich der Rotorblattebene in Abhängigkeit von den Betriebs- insbesondere Windbedingungen eingestellt werden, wobei die Anstellwinkel von mindestens zwei Rotorblättern in einer Parkposition des Rotors, in der die Rotordrehung um die Rotorachse abgebremst ist, auf unterschiedliche Werte eingestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage mit einem Rotor mit mindestens zwei in einer Rotorblattebene um eine gemeinsame Rotorachse drehbaren Rotorblättern, von denen jedes bezüglich einer etwa parallel zu seiner quer, vorzugsweise etwa senkrecht zur Rotorachse verlaufenden Längsachse verlaufenden Schwenkachse verschwenkbar ist, bei denen die Anstellwinkel (Pitch-Winkel) der Rotorblätter bezüglich der Rotorblattebene durch Verschwenken um die Schwenkachsen in Abhängigkeit von Betriebs-, insbesondere Windbedingungen eingestellt werden, sowie eine mit einem derartigen Verfahren betreibbare Windkraftanlage.
Windkraftanlagen bestehen im allgemeinen aus einem Turm, eine um eine im wesentlichen in Schwererichtung verlaufende Drehachse drehbare Gondel an der Spitze des Turms und einen um eine im wesentlichen senkrecht zur Schwererichtung verlaufende Rotorachse drehbaren Rotor. Beim Betrieb derartiger Windkraftanlagen kann die Gondel und damit auch die Rotorblattebene um die im wesentlichen in Schwererichtung verlaufende Drehachse gedreht werden, um so optimale Betriebsbedingungen bei unterschiedlichen Windrichtungen zu erhalten. Bei herkömmlichen Windkraftanlagen mit fest eingestellten Anstellwinkeln (Pitch-Winkel) der Rotorblätter bezüglich der Rotorblattebene wird die Drehgeschwindigkeit des Rotors über den Stall-Effekt begrenzt.
Zur Verbesserung der Regelungsmöglichkeiten von Windkraftanlagen wurde bereits vorgeschlagen, eine Anpassung an die jeweiligen Windbedingungen nicht nur durch Drehung der Rotorblattebene um eine in Schwererichtung verlaufende Drehachse zu verwirklichen, sondern auch die einzelnen Rotorblätter bezüglich etwa parallel zu ihren quer, vorzugsweise etwa senkrecht zur Rotorachse verlaufenden Längsachsen verlaufenden Schwenkachsen zu verschwenken. Bei hohen Windgeschwindigkeiten kann eine Beschädigung derartiger Windkraftanlagen dadurch verhindert werden, daß die Rotordrehung um die Rotorachse abgebremst, ggf. vollständig angehalten wird und die einzelnen Rotorblätter in eine vorgegebene Parkposition geschwenkt werden, in der sie möglichst wenig Windwiderstand aufweisen. Dazu werden die Rotorblätter üblicherweise in die sog. Fahnenposition mit einem Anstellwinkel von etwa 90° bezüglich der Rotorblattebene verstellt. Allerdings hat es sich gezeigt, daß auch nach Verstellen des Rotors in die Parkposition noch Beschädigungen des Rotors selbst, der Gondel und/oder des Turm bei hohen Windlasten auftreten können.

Angesichts dieser Probleme im Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Verfahren der eingangs beschriebenen Art bereitzustellen, mit denen Beschädigungen von Windkraftanlagen bei hohen Windlasten weiter vermindert werden können und zur Ausführung derartiger Verfahren geeignete Windkraftanlagen bereitzustellen.

In verfahrensmäßiger Hinsicht wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Anstellwinkel von mindestens zwei Rotorblättern in der Parkposition des Rotors auf unterschiedliche Werte eingestellt werden.

Diese Erfindung geht auf die Erkenntnis zurück, daß die bei Ausführen der bekannten Verfahren bei hohen Windlasten beobachteten Beschädigungen nicht auf eine statische Belastung der Windkraftanlagen bei hohen Windlasten zurückzuführen ist, sondern darauf, daß die Rotorblätter in der Parkposition durch die Windanströmung zu Schwingungen angeregt werden. Aufgrund der im allgemeinen gleichförmigen Auslegung der Rotorblätter kommt es durch diese Schwingungsanregung zu gekoppelten Schwingungen mit entsprechenden Resonanzphänomenen, welche zu den beobachteten Beschädigungen führen.
Durch Einstellung unterschiedlicher Anstellwinkel für die Rotorblätter in der Parkposition gelingt eine Entkopplung der Schwingungen in der Rotorblattebene und damit auch eine Vermeidung der ansonsten auftretenden Resonanzphänomene, was schließlich zu der gewünschten Verminderung von Beschädigungen bei starken Windlasten führt. In diesem Zusammenhang wird ergänzend darauf hingewiesen, daß das Phänomen gekoppelter Schwingungen beim Betrieb der eingangs erläuterten Windkraftanlagen mit fest eingestellten Anstellwinkeln der Rotorblätter bei hohen Drehgeschwindigkeiten beispielsweise in der EP 0 955 461 A2 angesprochen ist. In dieser Schrift wird eine Lösung dieser Probleme durch konstruktiv unterschiedliche Gestaltung der einzelnen Rotorblätter der Windkraftanlage vorgeschlagen. Im Vergleich zu dieser für den Betrieb von sog. Stall-Anlagen mit fest eingestelltem Anstellwinkel der Rotorblätter gedachten Lösung ist die erfindungsgemäße Lösung der vorstehend beschriebenen Probleme beim Einsatz sog. Pitch-Anlagen mit verstellbaren Rotorblättern konstruktiv besonders einfach, weil sie keine Änderung der Rotorblätter selbst erfordert, sondern nur eine entsprechende Ansteuerung der Rotorblattverschwenkung in der Parkposition. Aus diesem Grund kann das erfindungsgemäße Verfahren auch durch Nachrüstung bereits vorhandener Windkraftanlagen mit vergleichsweise wenig Aufwand umgesetzt werden, weil ein Austausch der Rotorblätter dazu nicht erforderlich ist.
Ferner hat es gezeigt, daß beim Einsatz erfindungsgemäßer Verfahren in der Parkposition trotz des erhöhten Windwiderstandes der Rotorblätter bei Abweichungen von der Fahnenstellung keine nennenswerten Mehrbelastungen des Turms, der Gondel und/oder des Triebstrangs auftreten.
In diesem Zusammenhang hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn der Anstellwinkel in der Parkposition für ein Rotorblatt auf einen Wert von mehr als 90° und für ein anderes Rotorblatt auf einen Wert von weniger als 90° eingestellt wird, weil dann gegenläufige Drehmomente erzeugt werden, welche eine Überbeanspruchung des im allgemeinen zum Sichern des Rotors in der Parkposition eingesetzten Bremssystems vermieden werden.
Im Hinblick auf die Reduzierung statischer Belastungen bei gleichzeitiger Sicherstellung der gewünschten Entkopplung hat es sich bei Simulationsrechnungen mit allgemein anerkannten Simulationsprogrammen für Windkraftanlagen mit einem drei Rotorblätter aufweisenden Rotor als besonders günstig erwiesen, wenn in der Parkposition der Anstellwinkel eines ersten Rotorblattes auf einen Wert im Bereich von 80° bis 89°, vorzugsweise etwa 85° derjenige eines zweiten Rotorblattes auf einen Wert von 88° bis 92°, vorzugsweise etwa 90° und derjenige eines dritten Rotorblattes auf einen Wert im Bereich von 91° bis 100°, vorzugsweise etwa 95° eingestellt wird.
Im Hinblick auf die Erhöhung der Betriebssicherheit beim Einsatz erfindungsgemäßer Verfahren ist es besonders bevorzugt, wenn die vorgegebenen Anstellwinkel der Rotorblätter für die Parkposition automatisch bei Überschreiten einer vorgegebenen Windgeschwindigkeit eingestellt werden.
Wie der vorstehenden Erläuterung erfindungsgemäßer Verfahren zu entnehmen ist, zeichnet sich eine zur Ausführung derartiger Verfahren geeignete Windkraftanlage mit einem Rotor mit mindestens zwei in einer Rotorblattebene um eine gemeinsame Rotorachse drehbaren Rotorblätter, einer Antriebseinrichtung zum Einstellen der Anstellwinkel der Rotorblätter bezüglich der Rotorblattebene und einer zum Ansteuern der Antriebseinrichtung betreibbaren Steuereinrichtung im wesentlichen dadurch aus, daß die Antriebseinrichtung zum Einstellen unterschiedlicher Anstellwinkel für mindestens zwei Rotorblätter ansteuerbar ist.
Wenngleich die Einstellung unterschiedlicher Anstellwinkel durch geeignete Getriebeübersetzungen auch mit nur einem Antriebselement möglich ist, hat es sich im Rahmen dieser Erfindung als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn die Antriebseinrichtung mindestens zwei Antriebselemente aufweist, mit denen die Anstellwinkel von zwei Rotorblättern unabhängig voneinander einstellbar sind.
Zur Erhöhung der Betriebssicherheit erfindungsgemäßer Windkraftanlagen kann jedem Rotorblatt ein beim Erreichen eines vorgegebenen Anstellwinkels bezüglich der Rotorblattebene betätigbarer Endlagenschalter zugeordnet sein, bei dessen Betätigung das diesem Rotorblatt zugeordnete Antriebselement abgeschaltet wird, um so bei einer Notabschaltung der Windkraftanlage zuverlässig die gewünschte Parkposition zu erreichen. Dazu kann jedem Rotorblatt ein Steuernocken zum Betätigen des Endlagenschalters zugeordnet sein, dessen Lage bezüglich dem Rotorblatt entsprechend dem gewünschten Anstellwinkel des betreffenden Rotorblattes für einzelne Rotorblätter unterschiedlich gewählt werden kann.
Wie der vorstehenden Erläuterung zu entnehmen ist, lassen sich erfindungsgemäße Windkraftanlagen mit geringem technischen Aufwand durch einfache Nachrüstung vorhandener Windkraftanlagen herstellen, indem die für die Einstellung der Anstellwinkel der Rotorblattwinkel verantwortliche Steuereinrichtung ausgetauscht wird und/oder die üblicherweise ohnehin vorhandenen Steuernocken für die einzelnen Rotorblätter unterschiedlich angebracht werden.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage mit einem Rotor mit mindestens zwei in einer Rotorblattebene um eine gemeinsame Rotorachse drehbaren Rotorblättern, von denen jedes bezüglich einer etwa parallel zu seiner vorzugsweise etwa senkrecht zur Rotorachse verlaufenden Längsachse verlaufenden Schwenkachse verschwenkbar ist, bei dem die Anstellwinkel (Pitch-Winkel) der Rotorblätter bezüglich der Rotorblattebene in Abhängigkeit von den Betriebs- insbesondere Windbedingungen eingestellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Anstellwinkel von mindestens zwei Rotorblättern in einer Parkposition des Rotors, in der die Rotordrehung um die Rotorachse abgebremst ist, auf unterschiedliche Werte eingestellt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstellwinkel in der Parkposition für ein Rotorblatt auf einen Wert von mehr als 90° und für ein anderes Rotorblatt auf einen Wert von weniger als 90° eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zum Betreiben einer Windkraftanlage mit einem mindestens drei Rotorblätter aufweisenden Rotor, dadurch gekennzeichnet, daß in der Parkposition der Anstellwinkel eines ersten Rotorblattes auf einen Wert im Bereich von 80° bis 89°, vorzugsweise etwa 85°, derjenige eines zweiten Rotorblattes auf einen Wert von 88° bis 92°, vorzugsweise etwa 90°, und derjenige eines dritten Rotorblattes auf einen Wert im Bereich von 91° bis 100°, vorzugsweise etwa 95°, eingestellt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten einer vorgegebenen Windgeschwindigkeit automatisch vorgegebene Einstellwinkel der Rotorblätter für die Parkposition eingestellt werden.

5. Windkraftanlage zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mindestens zwei in einer Rotorblattebene um eine gemeinsame Rotorachse drehbaren Rotorblättern, einer Antriebseinrichtung zum Einstellen der Anstellwinkel der Rotorblätter bezüglich der Rotorblattebene und einer zum Ansteuern der Antriebseinrichtung betreibbaren Steuereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung zum Einstellen unterschiedlicher Anstellwinkel für mindestens zwei Rotorblätter ansteuerbar ist.

6. Windkraftanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung mindestens zwei Antriebselemente aufweist, mit denen die Anstellwinkel von zwei Rotorblättern unabhängig voneinander einstellbar sind.

7. Windkraftanlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Rotorblatt ein bei Erreichen eines vorgegebenen Anstellwinkels betätigbarer und an den diesem Rotorblatt zugeordneten Antriebselement gekoppelter Endlagenschalter zugeordnet ist.

8. Windkraftanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Rotorblatt ein Steuernocken zum Betätigen des Endlagenschalters zugeordnet ist.