DE102007016023A1 - Actuating drive for rotor blade of wind power plant, has electro-chemical or electrostatic energy storage accommodating electric motor in case of failure of power supply and provided with electrically drivable heat dissipation device - Google Patents

Actuating drive for rotor blade of wind power plant, has electro-chemical or electrostatic energy storage accommodating electric motor in case of failure of power supply and provided with electrically drivable heat dissipation device Download PDF

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Abstract

The actuating drive has an electric motor (18), and an electro-chemical or electrostatic energy storage (20) for accommodating the electric motor in case of failure of a mains power supply. The energy storage is provided with an electrically drivable heat dissipation device. The heat dissipation device exhibits a fan (26), a Peltier element and a lithium ion accumulator. The dissipation device is supplyable with electrical energy by a main generator of a wind power plant. A control electronics is provided for controlling the dissipation device.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb für ein Rotorblatt einer Windkraftanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to an actuator for a rotor blade a wind turbine according to the preamble of Patent claim 1.

Windkraftanlagen hoher Leistung sind fast ausnahmslos mit verstellbaren Rotorblättern ausgestattet. Dadurch lässt sich die Leistung der Windkraftanlage der Windgeschwindigkeit anpassen und bei hohen Windgeschwindigkeiten gegebenenfalls begrenzen. Bei Gefahr einer Überlastung durch starken Wind bzw. um die Anlage außer Betrieb zu nehmen, werden die Rotorblätter in eine so genannte Fahnenstellung gedreht, bei der kein antreibender Auftrieb am Rotorblatt entsteht. Zum Teil genügt es, ein Rotorblatt in die Fahnenstellung zu bringen, um die Windkraftanlage abzubremsen. Vorzugsweise werden alle Rotorblätter aus dem Wind gedreht.Wind turbines high performance are almost invariably with adjustable rotor blades fitted. This allows the performance of the wind turbine adapt to the wind speed and at high wind speeds if necessary limit. At risk of overloading due to strong wind or around the plant out of service too take the rotor blades in a so-called flag position rotated, which produces no driving buoyancy on the rotor blade. In some cases, it is sufficient to have a rotor blade in the feathering position to bring down the wind turbine. Preferably all rotor blades turned out of the wind.

Üblicherweise ist jedes Rotorblatt mit einem eigenen Verstellantrieb, einem so genannten Pitch-Antrieb versehen, der in der Rotornabe angeordnet ist. Für den Pitch-Antrieb wird meist ein elektrischer Antrieb verwendet. Bei einem Ausfall des Stromnetzes muss jedoch sichergestellt sein, dass die Rotorblätter weiterhin verstellbar sind und nötigenfalls in die Fahnenstellung gedreht werden können. Daher werden Akkumulatoren bereitgestellt, die bei einem Ausfall des Stromnetzes die zur Verstellung benötigte elektrische Energie bereitstellen.Usually is each rotor blade with its own adjustment, so one provided pitch drive disposed in the rotor hub is. For the pitch drive is usually an electric Drive used. In case of a power failure, however, must Ensure that the rotor blades continue to be adjustable and, if necessary, be turned into the flag position can. Therefore, accumulators are provided at a failure of the power network needed for adjustment provide electrical energy.

Ein herkömmlicher Pitch-Antrieb ist in der DE 103 35 575 A1 beschrieben. Der Antrieb umfasst einen Drehstrommotor und einen Frequenzumrichter zur Ansteuerung des Motors. Der Frequenzumrichter besteht aus einem Gleichrichter, der an ein Stromnetz angeschlossen ist, aus einem Zwischenkreis und aus einem gesteuerten Wechselrichter, der einen Drehstrom für den Motor erzeugt.A conventional pitch drive is in the DE 103 35 575 A1 described. The drive comprises a three-phase motor and a frequency converter for controlling the motor. The frequency converter consists of a rectifier connected to a mains supply, an intermediate circuit and a controlled inverter which generates a three-phase current for the motor.

An den Zwischenkreis ist eine Notenergieversorgung angeschlossen, die bei Ausfall des Stromnetzes den Zwischenkreis mit Energie versorgt.At the intermediate circuit is connected to an emergency power supply, the in case of failure of the power grid supplies the DC bus with energy.

Einen Verstellantrieb für die Rotorblätter einer Windkraftanlage auf Basis eines Gleichstrommotors ist in der DE 297 22 109 U1 beschrieben. Der Gleichstrommotor wird aus einer Batterie gespeist. Die Batterie wird aus einem Gleichrichter nachgeladen. Der Antrieb einschließlich der Batterie befindet sich im Rotor – üblicherweise in der Rotornabe – der Windkraftanlage.An adjusting drive for the rotor blades of a wind turbine based on a DC motor is in the DE 297 22 109 U1 described. The DC motor is powered by a battery. The battery is recharged from a rectifier. The drive including the battery is located in the rotor - usually in the rotor hub - of the wind turbine.

Übliche Blei-Säure oder Blei-Gel Akkumulatoren sind für die Anordnung in der sich drehenden Rotornabe wenig geeignet, da sie einen hohen Bedarf an Bauraum und ein hohes Gewicht aufweisen. Andere Akkumulatorsysteme, z. B. Lithium-Ionen Akkumulatoren erscheinen aufgrund der widrigen Umweltbedingungen in der Rotornabe, insbesondere wegen der großen Temperaturschwankungen, ungeeignet.usual Lead acid or lead gel accumulators are for the arrangement in the rotating rotor hub little suitable since they have a high demand for space and a high weight. Other Accumulator systems, eg. B. lithium-ion batteries appear due to the adverse environmental conditions in the rotor hub, in particular because of the large temperature fluctuations, unsuitable.

Beim Betrieb von Akkumulatoren entsteht nämlich sowohl während des Ladens als auch während des Entladens eine erhebliche Verlustwärme in den Zellen, was zu einer Erhöhung der Zellentemperatur führt. Hinzu kommt, dass innerhalb der Nabe der Windkraftanlagen im Betrieb Temperaturen bis +50°C auftreten können, wodurch eine erhebliche Verkürzung der Lebensdauer der Akkumulatoren auftritt. Lithium-Ionen Akkumulatoren sind in dieser Hinsicht besonders empfindlich.At the Operation of accumulators arises namely both during of loading as well as during unloading a considerable Loss of heat in the cells, causing an increase the cell temperature leads. On top of that, inside the hub of wind turbines in operation temperatures up to + 50 ° C can occur, causing a significant shortening the life of the accumulators occurs. Lithium ion accumulators are particularly sensitive in this regard.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten, insbesondere zuverlässigen Stellantrieb für ein Rotorblatt anzugeben.It the object of the present invention is an improved, in particular reliable actuator for a rotor blade specify.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Stellantrieb mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.These The object is achieved by an actuator solved with the features of claim 1.

Durch die Bereitstellung einer elektrisch antreibbaren Wärmeabfuhreinrichtung am Energiespeicher lassen sich auch temperaturempfindliche Akkumulatoren oder Kondensatoren einsetzen. Ein unzulässiger Temperaturanstieg wird auf einfache Weise vermieden. Die Zuverlässigkeit des Energiespeichers und damit des Stellantriebs kann deutlich verbessert werden. Die Temperatur des Energiespeichers kann mit der elektrisch antreibbaren Wärmeabfuhreinrichtung feinfühlig reguliert werden. Dadurch lässt sich der Energiespeicher in einem für die Leistungsabgabe bzw. für die Haltbarkeit optimalen Temperaturbereich halten.By the provision of an electrically driven heat removal device The energy storage can also be temperature-sensitive accumulators or Insert capacitors. An inadmissible temperature rise is easily avoided. The reliability the energy storage and thus the actuator can be significantly improved become. The temperature of the energy store can be with the electric drivable heat dissipation device sensitive be regulated. This allows the energy storage in one for the power output or for the Durability keep optimal temperature range.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.Further advantageous embodiments are in the subclaims specified.

Sehr kostengünstige elektrische Wärmeabfuhreinrichtungen weisen einen Ventilator oder ein Peltier-Element auf.Very inexpensive electrical heat removal devices have a fan or a Peltier element.

Vorzugsweise umfasst der Energiespeicher einen Lithium-Ionen Akkumulator. Dieser vereint eine hohe Leistungsdichte mit einem geringen Wartungsbedarf, kleinen Abmessungen, hoher Zuverlässigkeit und einer präzisen Überwachbarkeit des Zustands. Die langsame chemische Zersetzung des Akkumulators wird durch die Wärmeabfuhreinrichtungen wirkungsvoll verzögert, so dass eine ausreichende Lebensdauer erzielt wird.Preferably the energy store comprises a lithium-ion accumulator. This combines high power density with low maintenance requirements, small dimensions, high reliability and precise monitoring of the state. Slow chemical decomposition of the accumulator is effectively delayed by the heat removal devices, so that a sufficient life is achieved.

Die Ausfallsicherheit der Wärmeabfuhreinrichtung lässt sich erhöhen, wenn diese aus dem Hauptgenerator der Windkraftanlage, aus einer Photovoltaikzelle, oder aus einem Hilfswindgenerator mit elektrischer Energie versorgt wird.The Resilience of the heat dissipation device leaves increase if they come from the main generator of the wind turbine, from a photovoltaic cell, or from an auxiliary wind generator with electrical Energy is supplied.

Wenn alle drei der vorgenannten Energiequellen zur Verfügung stehen, kann die Wärmeabfuhreinrichtung in fast jeder denkbaren Situation, in der Wärme entsteht, mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Photovoltaikzelle steht tagsüber, insbesondere bei Wärmebelastung des Energiespeichers durch Sonneneinstrahlung zur Verfügung. Bei zu geringer Lichteinstrahlung verringert der Hilfswindgenerator, welcher vorzugsweise für schwachen Wind ausgelegt ist, die Ausfallwahrscheinlichkeit der Wärmeabfuhreinrichtung.If all three of the aforementioned energy sources available stand, the heat dissipation device in almost every conceivable Situation in which heat is generated, with electrical energy be supplied. The photovoltaic cell stands during the day, in particular at heat load of the energy storage by solar radiation to disposal. Reduced with too little light the auxiliary wind generator, which preferably for low wind is designed, the probability of failure of the heat dissipation device.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine Prinzipdarstellung der Gondel einer Windkraftanlage mit einem in der Nabe angeordneten Verstellmotor, einem Akkumulator und einem Ventilator zur Kühlung des Akkumulators, und 1 a schematic diagram of the nacelle of a wind turbine with an adjusting motor arranged in the hub, an accumulator and a fan for cooling the accumulator, and

2 ein vereinfachtes Schaltbild bezüglich der Energieversorgung des Ventilators. 2 a simplified circuit diagram relating to the power supply of the fan.

Gemäß 1 ist die Gondel 2 einer Windkraftanlage 1 auf einem Mast 3 drehbar befestigt. In der Gondel 2 sind ein Übersetzungsgetriebe 5 sowie ein Hauptgenerator 7 angeordnet. Die vom Hauptgenerator 7 erzeugte elektrische Energie wird über die Stromleitungen 9 in ein öffentliches Stromnetz eingespeist. Der Hauptgenerator 7 ist mechanisch über das Übersetzungsgetriebe 5 mit einer Rotornabe 10 gekoppelt. An der Rotornabe 10 sind mehrere Rotorblätter 12 (nur eines dargestellt) angeordnet. Die Rotorblätter 12 sind um ihre Achse drehbar an der Rotornabe 10 gehalten. An der Basis der Rotorblätter 12 ist ein Zahnkranz 14 befestigt. In den Zahnkranz 14 greift ein Zahnrad 16 ein, das auf der Welle eines Elektromotors 18 sitzt. Der Elektromotor 18 ist Bestandteil eines elektrischen Antriebssystems zur Verstellung des Anstellwinkels des Rotorblatts 12. Üblicherweise wird der Elektromotor 18 aus dem Stromnetz versorgt. Aus Gründen der Ausfallsicherheit ist ein Akkumulator 20 in der Nabe 10 vorhanden. Dieser lässt sich über einen Schalter 22 mit dem Elektromotor 18 verbinden, um bei Ausfall des Stromnetzes das Rotorblatt 12 z.B. in eine Fahnenstellung zu fahren. Der Akkumulator 20 ist in einem Schaltschrank 24 angeordnet. Ein elektrisch angetriebener Ventilator 26 sorgt für eine Zwangsbelüftung des Schaltschranks 24. An der Rotornabe 10 sind weiterhin ein Hilfswindgenerator 28 und eine Photovoltaikzelle 30 angeordnet.According to 1 is the gondola 2 a wind turbine 1 on a mast 3 rotatably mounted. In the gondola 2 are a transmission gear 5 as well as a main generator 7 arranged. The from the main generator 7 generated electrical energy is transmitted through the power lines 9 fed into a public power grid. The main generator 7 is mechanically via the transmission gear 5 with a rotor hub 10 coupled. At the rotor hub 10 are several rotor blades 12 (only one shown) arranged. The rotor blades 12 are rotatable about their axis on the rotor hub 10 held. At the base of the rotor blades 12 is a sprocket 14 attached. In the sprocket 14 engages a gear 16 one that is on the shaft of an electric motor 18 sitting. The electric motor 18 is part of an electric drive system for adjusting the angle of attack of the rotor blade 12 , Usually, the electric motor 18 supplied from the mains. For reasons of reliability is an accumulator 20 in the hub 10 available. This can be done via a switch 22 with the electric motor 18 connect to the rotor blade in case of power failure 12 eg to drive in a flag position. The accumulator 20 is in a control cabinet 24 arranged. An electrically driven fan 26 ensures forced ventilation of the control cabinet 24 , At the rotor hub 10 continue to be an auxiliary wind generator 28 and a photovoltaic cell 30 arranged.

In 2 ist anhand einer Schaltplanskizze die Energieversorgung des Ventilators 26 näher dargestellt. Der Ventilator 26 wird über die Ansteuerelektronik 35 mit Energie versorgt. Obwohl die Darstellung in diesem Punkt abweicht, ist die Ansteuerelektronik 35 vorzugsweise im Schaltschrank 24 angeordnet. Ein im Schaltschrank 24 vorhandener Temperatursensor ermöglicht es, den Ventilator erst ab einer vorgegebenen Temperaturschwelle, z. B. 35°C anzutreiben. Die Ansteuerelektronik 35 bezieht ihrerseits elektrische Energie aus dem öffentlichen Stromnetz 32, von dem Hauptgenerator 7 der Windkraftanlage, von der Photovoltaikzelle 30 oder von dem Hilfswindgenerator 28.In 2 is the power supply of the fan based on a circuit diagram 26 shown in more detail. The ventilator 26 is via the control electronics 35 energized. Although the presentation deviates in this point, the control electronics 35 preferably in the control cabinet 24 arranged. One in the control cabinet 24 existing temperature sensor allows the fan only from a predetermined temperature threshold, z. B. 35 ° C drive. The control electronics 35 in turn draws electrical energy from the public grid 32 , from the main generator 7 the wind turbine, from the photovoltaic cell 30 or from the auxiliary wind generator 28 ,

Auch wenn von dem Stromnetz 32 und dem Hauptgenerator 7 keine elektrische Energie verfügbar sein sollte, z. B. bei einem Netzausfall bei stehender Windkraftanlage, ist von der Photovoltaikzelle 30 oder von dem Hilfswindgenerator 28, der auf die Ausnutzung von schwachem Wind ausgelegt ist, mit hoher Wahrscheinlichkeit elektrische Energie verfügbar. Die Kühlung des Akkumulators 20 ist also mit hoher Ausfallsicherheit gewährleistet.Even if from the mains 32 and the main generator 7 no electrical energy should be available, eg. B. in a power failure with standing wind turbine, is from the photovoltaic cell 30 or from the auxiliary wind generator 28 , which is designed for the use of low wind, with high probability electrical energy available. The cooling of the accumulator 20 is thus guaranteed with high reliability.

Durch den Ventilator 26 wird eine starke Aufwärmung des Akkumulators 20 vermieden. Der Ventilator stellt eine aktive Kühlung dar, durch welche die Temperatur des Akkumulators 20 in einem unkritischen Arbeitsbereich gehalten wird, wodurch sich die Lebensdauer und der zulässige Lade- und Entladestrom erhöhen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht auf diese Weise den Einsatz von temperaturempfindlichen Akkumulatoren oder sonstigen Energiespeichern mit hoher Leistungs- bzw. Energiedichte.By the fan 26 will be a strong warming up of the accumulator 20 avoided. The fan is an active cooling, by which the temperature of the accumulator 20 is kept in a non-critical working range, which increases the service life and the permissible charge and discharge current. The present invention thus enables the use of temperature-sensitive accumulators or other energy storage devices with a high power or energy density.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 10335575 A1 [0004] - DE 10335575 A1 [0004]
  • - DE 29722109 U1 [0006] - DE 29722109 U1 [0006]

Claims (9)

Stellantrieb für ein Rotorblatt einer Windkraftanlage mit einem elektrischen Motor (18) und mit einem elektrochemischen oder elektrostatischen Energiespeicher (20) zur Versorgung des elektrischen Motors (18) insbesondere bei einem Ausfall eines öffentlichen Versorgungsnetzes, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (20) mit einer elektrisch antreibbaren Wärmeabfuhreinrichtung versehen ist.Actuator for a rotor blade of a wind turbine with an electric motor ( 18 ) and with an electrochemical or electrostatic energy store ( 20 ) for supplying the electric motor ( 18 ) in particular in the event of a failure of a public supply network, characterized in that the energy store ( 20 ) is provided with an electrically driven heat dissipation device. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabfuhreinrichtung einen Ventilator (26) aufweist.Actuator according to claim 1, characterized in that the heat removal means a fan ( 26 ) having. Stellantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabfuhreinrichtung ein Peltier-Element aufweist.Actuator according to claim 1 or 2, characterized the heat removal device has a Peltier element. Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (20) einen Lithium-Ionen Akkumulator aufweist.Actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the energy store ( 20 ) has a lithium-ion battery. Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabfuhreinrichtung von einem Hauptgenerator (7) der Windenergieanlage mit elektrischer Energie versorgbar ist.Actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the heat removal device from a main generator ( 7 ) of the wind turbine can be supplied with electrical energy. Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabfuhreinrichtung von einer Photovoltaikzelle (30) mit elektrischer Energie versorgbar ist.Actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the heat removal device of a photovoltaic cell ( 30 ) can be supplied with electrical energy. Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabfuhreinrichtung von einem Hilfswindgenerator (28) mit elektrischer Energie versorgbar ist.Actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the heat removal device from an auxiliary wind generator ( 28 ) can be supplied with electrical energy. Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ansteuerelektronik (35) zum Ansteuern der Wärmeabfuhreinrichtung vorhanden ist, welche mit wenigstens zwei Energiequellen elektrisch verbunden ist, und welche die jeweils momentan verfügbare Energiequelle zur Versorgung der Wärmeabfuhreinrichtung auswählt.Actuator according to one of the preceding claims, characterized in that a control electronics ( 35 ) is provided for driving the heat removal device, which is electrically connected to at least two energy sources, and which selects the currently available energy source for supplying the heat removal device. Stellantrieb nach Anspruch 8 in Verbindung mit den Ansprüchen 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerelektronik (35) mit dem Hauptgenerator (7), der Photovoltaikzelle (30) und dem Hilfswindgenerator (28) elektrisch verbunden ist.Actuator according to claim 8 in conjunction with claims 5, 6 and 7, characterized in that the control electronics ( 35 ) with the main generator ( 7 ), the photovoltaic cell ( 30 ) and the auxiliary wind generator ( 28 ) is electrically connected.
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