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Die
Erfindung betrifft Windenergieanlagen mit einem an einer Gondel
drehbar gelagerten Rotor, der eine Nabe umfasst, wobei der Rotor
wenigstens eine elektrisch antreibbare Verstellvorrichtung zur Verstellung
des Anstellwinkels wenigstens eines an der Nabe befestigbaren oder
befestigten Rotorblattes aufweist und mit einem Läufer
verbunden ist, der mit einem Stator zusammen einen Generator zur
Stromversorgung der Verstellvorrichtung ausbildet. Außerdem
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer
Energie mit den erfindungsgemäßen Windenergieanlagen.
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Üblicherweise
ist für jedes Rotorblatt einer Windenergieanlage ein eigener
Verstell-Antrieb vorgesehen. Für Notfälle, wie
Ausfall von Komponenten oder der Spannungsversorgung, ist in der
Regel eine Notbetriebseinrichtung für das Verstellen der
Rotorblätter in eine betriebssichere Position (z. B. Fahnenstellung)
vorgesehen. Die Notenergie wird elektrisch, hydraulisch oder mechanisch
bereitgestellt.
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Die Übertragung
von Sensorsignalen und Steuersignalen von der Gondel in die Nabe
und umgekehrt wird kabelgebunden realisiert. Aufgrund der drehbaren
Nabe müssen alle Signale über Schleifringe geführt
werden. Für die elektrische Energieübertragung
in die Nabe werden ebenfalls Schleifringe verwendet. Hydraulische
Energie wird über eine Drehdurchführung in die
Rotorwelle übertragen oder die hydraulische Blattverstellung
befindet sich komplett in der Nabe, dann wird die benötigte
elektrische Energie ebenfalls über Schleifringe übertragen.
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Aufgrund
der Kabelverbindungen von Gondel und Nabe können eventuelle Überspannungen durch
Blitzeinschlag bzw. durch Fehlfunktionen von der Gondel in die Nabe übertragen
werden. Blitzeinschläge in die Rotorblätter werden über
die Nabe, die Gondel und den Turm ins Erdreich abgeleitet. Aufgrund
der galvanischen Verbindung von Komponenten in der Nabe und mit
der Nabe ist es nicht auszuschließen, dass Ableitungen über
diese Komponenten und Bauteile erfolgen. Insbesondere die sicherheitsrelevante
Baugruppe der Blattverstellung darf jedoch unter keinen Umständen
vollständig ausfallen, da sonst Überdrehzahl,
Beschädigung und sogar Zerstörung der Windenergieanlage
drohen.
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Ein
herkömmlicher elektrischer Pitchantrieb ist in
DE 103 35 575 B4 beschrieben.
Die Blattverstellung basiert auf Drehstrommotoren und Frequenzumrichtern
(Servoregler). Die Frequenzumrichter werden durch dreiphasigen Drehstrom
gespeist und stellen über Gleichrichter einen Gleichspannungszwischenkreis
bereit. Aus diesem werden dann Wechselrichter zur Steuerung der
Drehstrommotoren gespeist. Für eine Notversorgung ist in
der Regel ein elektrischer Energiespeicher vorgesehen, der den Zwischenkreis
speist. Der Energiespeicher kann über Akkumulatoren oder
Kondensatoren realisiert werden.
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Neben
elektrischen Systemen zur Blattverstellung sind auch hydraulische
Systeme z. B. aus
DE
101 46 968 A1 bekannt. Das System besteht aus einer Hydropumpe
mit elektrischem Pumpenantrieb, einem Druckspeicher, einer Steueranordnung
und einem Hydrozylinder. Durch geeignete Ansteuerung über
die Steueranordnung und die Druckmittelversorgung des Hydrozylinders
wird der Anstellwinkel der Rotorblätter verstellt.
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In
DE 200 17 994 U1 wird
eine Kombination aus elektrischer Einzelblattverstellung und einer
hydraulischen Notfallverstellung mit hydraulischer Notenergieversorgung
beschrieben.
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Aus
DE 10 2004 024 563
A1 ,
DE 100
09 472 C2 ,
DE
200 20 232 U1 und
DE
196 44 705 A1 ist die Verwendung von wellenseitigen Hilfsgeneratoren
für die Bereitstellung von Hilfsenergie in der Nabe bekannt.
In der Regel ist der Hilfsgenerator in der Rotorwelle so angebracht,
dass dessen Rotor über eine Drehfeldwicklung verfügt
und in die Welle integriert ist, und der Stator feststehend aus
Permanentmagneten oder Erregerwicklungen aufgebaut ist. Vorteilhaft
kann der außen liegende Stator auch drehbar angeordnet
sein, um die relative Drehgeschwindigkeit zwischen Rotor und Stator
(Permanentmagnet) zu variieren und so die elektrische Leistung verändern
zu können. Die elektrische Leistung kann ebenfalls über
eine geeignete Steuerung der Erregerspannung und -frequenz in Erregerwicklungen
eingestellt werden.
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Nachteil
dieser Lösung ist, dass die wellenseitigen Hilfsgeneratoren
ausschließlich für die Notstromversorgung und
Fahnenstellung der Rotorblätter genutzt werden.
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Aus
DE 297 05 011 U1 ist
ein Schleifring für die kabelgebundene Übertragung
von elektrischer Energie zwischen zwei gegenseitig drehbaren Systemen
im Anwendungsfall einer Windkraftanlage beschrieben.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Windenergieanlage und ein
Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie mit der Windenergieanlage
so zu verbessern, dass die Wahrscheinlichkeit einer Beeinträchtigung
des Blattverstellsystems in der Nabe durch Überspannungen
von der Gondel oder durch Blitzeinwirkung über die Blätter
stark reduziert wird.
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Diese
Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Windenergieanlage
gemäß Anspruch 1 sowie durch das erfindungsgemäße
Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus Windenergie gemäß Anspruch
10 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens schließen
sich in den jeweiligen Unteransprüchen 2 bis 9 und 11 bis
15 an.
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Erfindungsgemäß wird
eine Windenergieanlage mit einem an einer Gondel drehbar gelagerten Rotor
zur Verfügung gestellt, der eine Nabe umfasst, wobei der
Rotor wenigstens eine elektrisch antreibbare Verstellvorrichtung
zur Verstellung des Anstellwinkels wenigstens eines an der Nabe
befestigbaren oder befestigten Rotorblattes aufweist und mit einem Läufer
verbunden ist, der mit einem Stator zusammen einen Generator zur
Stromversorgung der Verstellvorrichtung ausbildet. Erfindungsgemäß ist
der Stator derart eingerichtet und ausgebildet, dass mit ihm in
Bezug auf den relativ zur Gondel stillstehenden Läufer
ein sich drehendes Magnetfeld erzeugbar ist. Das heißt,
dass der Rotor eine als Extra-Maschinenelement ausgebildete Nabe
umfasst, welche fest mit dem Rotor verbunden ist. Der Rotor ist
dabei mit einem Läufer verbunden, was die konstruktive
Ausführungsform einer festen Verbindung zwischen Rotor
und Läufer einschließt oder auch die Ausführungsform
umfasst, dass der Läufer ein integraler Bestandteil des
Rotors ist. Wesentliches Merkmal der Verbindung von Rotor und Läufer
ist, dass der Läufer im Wesentlichen drehfest am Rotor
angeordnet ist. Der Läufer und der Stator bilden zusammen
den Hilfsgenerator aus, das heißt, dass der hier genannte Stator
nicht als das Gegenstück zum Rotor der Windenergieanlage
zur Herstellung der in das Netz einzuspeisenden Energie dient, sondern
lediglich zur Energieerzeugung zum Betrieb der Verstellvorrichtungen
und gegebenenfalls weiterer Hilfseinrichtungen am Rotor. Der Läufer
des Hilfsgenerators ist mit der Verstellvorrichtung elektrisch verbunden.
Diese ist bevorzugt eine elektrisch antreibbare Verstellvorrichtung,
wobei sie z. B. einen Elektromotor umfassen kann oder auch eine
elektrisch betriebene Pumpe für z. B. einen Hydraulikmotor.
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In
der Ausgestaltungsvariante, in der der Rotor der Windenergieanlage
lediglich eine Verstellvorrichtung zur Verstellung mehrerer Rotorblätter
umfasst, weist der Rotor Getriebe zur Bewegung der Blätter
auf. Zur Stromerzeugung mit dem Hilfsgenerator, der durch Läufer
und Stator gebildet ist, wird der Stator mit einer Energiequelle
zur Erzeugung des drehenden Energiefeldes verbunden. Die Stromversorgung
der Verstellvorrichtung ist somit galvanisch von der Gondel getrennt,
so dass ein Überspannungsschutz z. B. bei Blitzeinschlag
gewährleistet ist.
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Durch
die erfindungsgemäße Einrichtung lässt
sich realisieren, dass insbesondere bei einem stillstehenden Läufer,
wie z. B. bei schwachen Windverhältnissen oder einer Fahnenstellung
der Rotorblätter, das drehende Magnetfeld des Stators einen Stromfluss
im Läufer induziert, welcher zur Betätigung der
Verstellvorrichtungen genutzt werden kann. Es lässt sich
somit bei Stillstand des Rotors der Anstellwinkel der Rotorblätter
verändern, um diese somit den Windkräften auszusetzen
und ein winderzeugtes Drehmoment in den Rotor einzuleiten. Durch die
erfindungsgemäße Ausgestaltung ist nicht ausgeschlossen,
dass mit dem Stator auch ein in Bezug zu einem sich relativ zur
Gondel drehenden Läufer ein sich drehendes Magnetfeld ausgebildet
werden kann, entweder durch Drehung des Magnetfeldes vom Stator
bewirkt, oder bei stillstehendem Stator-Magnetfeld durch Relativdrehung
vom Läufer in Bezug zum Stator bewirkt. Bei einem sich
drehenden Rotor ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Stator und
gegebenenfalls daran vorgesehene Permanentmagneten in Bezug zur
Gondel in Ruhe sind und durch die Relativbewegung zwischen Läufer
und Stator Strom im Hilfsgenerator induziert wird. Diese Variante
des Hilfsgeneratorbetriebes sollte insbesondere dann angewandt werden,
wenn z. B. bei zu starker Wind die Rotorblätteranstellung
zu verringern ist.
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Zur
Ausbildung des durch den Stator erzeugten drehbaren Magnetfeldes
sind zwei erfindungsgemäße Varianten entwickelt
worden. In einer ersten Ausführungsform lässt
sich das drehende Magnetfeld mit Strom durchfließbaren
Leitern in Form von Wicklungen am Stator realisieren, wobei die
Leiter derart angeordnet sind, dass sie bei Bestromung mit Wechsel-
oder Drehstrom ein sich drehendes Magnetfeld erzeugen.
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In
einer zweiten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das
drehende Magnetfeld durch wenigstens einen drehbar angeordneten,
motorisch angetriebenen Permanentmagneten realisierbar ist. Der Permanentmagnet
kann dabei am Stator drehbar angeordnet sein oder es kann vorgesehen
sein, dass der Stator, der den Permanentmagneten umfasst, selbst
drehbar gelagert ist.
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Vorteilhafterweise
sollte dabei der Stator derart ausgebildet sein, dass die Drehgeschwindigkeit des
drehenden Magnetfeldes einstellbar ist. Dies lässt sich
bei Wechsel- oder Drehstrombeaufschlagung durch einen Frequenzregler
realisieren. Bei der Ausführungsform mit drehenden Permanentmagneten
lässt sich die Drehgeschwindigkeit durch eine Steuerungseinheit
zur Beeinflussung der Drehzahl des Antriebsmotors zum Antrieb des
Permanentmagneten einstellen.
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Die
vorliegende Erfindung ist zur Lösung der Aufgabe dann besonders
geeignet, wenn die Windenergieanlage eine Einrichtung zum Schutz
der Leiter vor Überspannung aufweist und eine galvanische Trennung
der stromführenden Teile der Verstellvorrichtung in Bezug
zum Rotor ausgeführt ist.
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Vorteilhafterweise
umfasst die Windenergieanlage eine nicht am Rotor angeordnete zentrale Steuerung,
wobei die Verstellvorrichtung zum Empfang und Verarbeitung kabellos übertragener
Signale eingerichtet ist und die Windenergieanlage wenigstens eine
Signalübertragungseinheit zur kabellosen Übertragung
der Signale der zentralen Steuerung an die Verstellvorrichtung umfasst.
Zu diesem Zweck sollten Funkschnittstellen an der zentralen Steuerung und
der Verstellvorrichtung angeordnet sein.
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Um Überspannungsschäden
zu vermeiden, bietet es sich an, dass die Nabe als Faradayscher Käfig
ausgebildet ist.
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Um
eine Energie-Autarkie zu gewährleisten, kann die Windenergieanlage
in vorteilhafter Ausgestaltung in der Gondel und/oder der Nabe eine
Notfall-Energieversorgungseinrichtung umfassen.
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Erfindungsgemäß wird
des Weiteren ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus
Windenergie mittels einer Windenergieanlage mit Windkraft antreibbaren
Rotor mit Rotorblättern, deren Anstellwinkel mit wenigstens
einer elektrisch antreibbaren Verstellvorrichtung zur Beeinflussung
der Drehgeschwindigkeit des Rotors verstellbar sind, wobei mit dem
Rotor ein Läufer verbunden ist, und der Läufer
zusammen mit dem Stator einen Generator ausbildet, zur Verfügung
gestellt. Erfindungsgemäß wird durch den Stator
ein in Bezug zum Läufer sich drehendes Magnetfeld erzeugt,
welches in Zusammenwirkung mit dem in Bezug zur Gondel stillstehenden Läufer
einen Stromflussläufer zur Betätigung der Verstellvorrichtung
induziert. Das heißt, dass das Verfahren während
des Betriebes der Windenergieanlage zur Stromerzeugung durchgeführt
wird, wobei sich unter Zuhilfenahme der Verstellvorrichtungen die
Anstellwinkel der Rotorblätter verändern. Das
geschilderte erfindungsgemäße Verfahren kann mit
der hier dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgen.
Das Verfahren bezieht sich insbesondere auf die Energieversorgung
der Verstellvorrichtung bei in Bezug zur Gondel still stehendem
Rotor, wobei damit die Situation gemeint ist, dass keine Rotation
des Rotors erfolgt und nicht eine konstruktive Ausgestaltung, die
eine Rotation des Rotors in Bezug zur Gondel ausschließt.
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Dabei
kann das drehende Magnetfeld durch Bestromung von Leitern in Form
von Wicklungen am Stator mit Wechsel- oder Drehstrom realisiert
werden. Alternativ kann das drehende Magnetfeld durch wenigstens
einen drehbar angeordneten, motorisch angetriebenen Permanentmagneten
realisiert werden.
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Zur
Beeinflussung des mittels des drehenden Magnetfeldes erzeugten Stromes
bzw. der dadurch erzeugten elektrischen Energie wird die Drehgeschwindigkeit
des drehenden Magnetfeldes während der Drehung verändert.
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Vorteilhafterweise
werden Signale zur Betätigung der Verstellvorrichtung an
diese kabellos übertragen, um eine vollständige
galvanische Trennung zwischen Rotor und Gondel zu gewährleisten.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere
dadurch vorteilhaft ausgebildet, dass das drehende Magnetfeld bei
Stillstand des Rotors zur Strominduzierung zur Betätigung
der Verstellvorrichtung erzeugt wird. Es lässt sich somit
insbesondere bei 0° Anstellwinkel der Rotorblätter
(Fahnenstellung der Rotorblätter) zum Zweck des Stillstandes
des Rotors und damit des Stillstandes des Läufers die Blätter
bei gewünschter Wieder-Inbetriebnahme der Windenergieanlage
mittels der Verstellvorrichtung in einem Winkel angestellt werden.
Zu diesem Zweck muss die Verstellvorrichtung mit Energie versorgt
werden, wozu das vom Stator erzeugte drehende Magnetfeld einen Strom
im Läufer selbst bei Stillstand des Läufers induzieren
kann.
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Erfindungsgemäß sollen
die gesamte Kommunikation zwischen dem festen Bereich der Windenergieanlage
(Turm und Gondel) und dem drehbaren Bereich (Nabe) über
geeignete kabellose Übertragungskanäle erfolgen.
Hierfür sind Sende- und Empfangseinheiten in der Nabe und
in der Gondel und/oder Turm vorgesehen.
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Beispielsweise
können Funkverbindungen über bekannte Systeme
wie Bluetooth (IEEE 802.15.1), WLAN (IEEE 802.11), ZigBee (IEEE 802.15.4)
oder Wireless FireWire (IEEE 802.15.3) realisiert werden. Gleichermaßen
können Funkstandards eingesetzt werden, die erst in Zukunft
veröffentlicht werden. Es wäre ebenfalls möglich,
eine eigene Funkschnittstelle zu konzipieren, der Aufwand wird dabei
als hoch eingeschätzt. Digitale Funkschnittstellen sind
aufgrund der geringeren Störanfälligkeit und der
besseren Implementierbarkeit in die Steuer- und Sensortechnik vorzuziehen,
es ist jedoch auch eine analoge Funkverbindung denkbar. Alternativ
können auch andere Verfahren zur kabellosen Übertragung
von Daten wie z. B. eine Infrarotschnittstelle eingesetzt werden.
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Eine
geeignete Umsetzungsform sieht Mikrocontroller für die
einzelnen Blattverstellsysteme und die Steuerung der Windenergieanlage
vor. Statt Mikrocontrollern können auch adäquate
Steuerungen basierend auf SPS, Computertechnik oder andere eingesetzt
werden. Die Steuerzentrale und die verteilten Blattverstellsysteme
verfügen über Funkschnittstellen zur Kommunikation.
Dabei soll jede Blattverstellung zumindest mit der zentralen Steuerung
kommunizieren können. In weiteren Bauformen ist auch eine
zentrale Funkschnittstelle für alle Blattverstellsysteme
oder auch die Kommunikation der Blattverstellsysteme untereinander über
die Funkschnittstellen denkbar.
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Direkt
in der Nabe können Umgebungssensoren (Temperatur, Luftdruck,
Feuchtigkeit usw.), Sensoren zur Blattverstellung (Winkelposition,
Verstellgeschwindigkeit) und Sensoren zum allgemeinen Betrieb (Rotordrehzahl)
sowie weitere nicht aufgeführte Sensoren angebracht sein.
Diese Sensoren oder Sensorgruppen verfügen entweder über
eigene Funkschnittstellen, oder sind in bevorzugter Ausführung
mit der Steuerung eines jeweiligen Blattsystems verbunden und damit über
dessen Funkschnittstelle für die zentrale Steuerung und
die anderen Blattverstellsysteme zugänglich.
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Die
Steuervorgaben und die Statusmeldungen werden über die
bidirektionale Funkschnittstelle zwischen der zentralen Steuerung
und den Blattverstellsystemen übermittelt.
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Für
die Funkübertragung von Signalen werden im Allgemeinen
Antennen eingesetzt. Diese sind so zu wählen, dass die Übertragung
der Signale störungsfrei oder -arm erfolgen kann. Die Antennen
sind entweder innerhalb der Gondel und innerhalb der Nabe angebracht
oder in einer weiteren Bauform über Kabelverlängerungen
an der Außenseite von Gondel und Nabe angebracht. Auf diese
Weise können funkstörende Abschirmungen insbesondere
der Nabe umgangen werden.
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Als
eine alternative Ausführungsform erfolgt die kabellose
Datenübertragung zwischen zentraler Steuerung und Nabe
optisch. Dazu werden beispielsweise Infrarotschnittstellen angeordnet.
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Die
Notfallenergieversorgung für den Fall eines Spannungsausfalls
bzw. eines anderen gravierenden Fehlers ist in der Gondel oder in
der Nabe untergebracht.
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Die
Notenergieversorgung kann z. B. über die Erregerwicklungen
der Hilfsgeneratoren weiterhin ein rotierendes Magnetfeld aufrechterhalten
und so die Versorgung mit elektrischer Leistung in der Nabe gewährleisten.
Es ist ebenfalls möglich, eine elektrische Notenergieversorgung
in der Nabe anzuordnen. Vorteilhaft ist dann die separate Versorgung
der einzelnen Blattverstellsysteme für eine größtmögliche Betriebssicherheit.
In einer weiteren Bauform können für eine redundante
Ausführung auch Notenergieversorgungen in der Gondel und
in der Nabe vorgesehen sein.
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Die
Nabe wird als Faradayscher Käfig ausgeführt. Die
Metallnabe wird möglichst kugelförmig gestaltet.
Ansatzöffnungen für die Blattbefestigung und Wartungseinstiege
werden über geeignete Gitter- bzw. Blechkonstruktionen
zur Komplettierung des Käfigs verschlossen. Alle Komponenten
in der Nabe werden galvanisch isoliert zur Nabe und damit zum Faraday-Käfig
befestigt. Dadurch kann das Risiko einer Ableitung von blitz- oder
fehlerverursachten Überspannungen über sicherheitsrelevante
Bauteile der Blattverstellung vermieden werden. Für die notwendige
hohe Kriechstromfestigkeit wird die Schutzisolation durch geeignete
Befestigungsmaterialien in Verbindung mit Isolationsstrecken oder
Luftstrecken umgesetzt.
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Durch
die erfindungsgemäßen Merkmale steigt die Verfügbarkeit
der Blattverstellung und damit die Gesamtsicherheit der Anlage.
Zusätzlich wird durch die konsequente Potentialtrennung
von Gondel und Nabe eine mögliche Grundpotentialverschiebung
in der Nabe und dadurch eine potentielle Fehlerquelle vermieden.
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Weiter
Einzelheiten der Erfindung gehen aus den Zeichnungen anhand der
Beschreibung hervor.
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1 zeigt
Betriebsteile von Gondel und Rotor einer erfindungsgemäßen
Windenergieanlage. Sie ist als eine Realisierungsmöglichkeit
von verschiedenen Bauformen und Ausführungsformen zu verstehen.
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2 zeigt
die erfindungsgemäße Nabenkonstruktion als Faraday-Käfig
mit den dazu zusätzlich isolierten elektrischen Komponenten.
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Die
Darstellung gemäß 1 zeigt
einen Rotor 1 und wesentliche Bestandteile der Gondel 2 einer
Windenergieanlage. Es ist eine Nabe 3 mit verstellbaren
Rotorblättern 4 dargestellt. Die Rotorblätter 4 sind
drehbar in einem Lager 5 gelagert und können um
die Drehachse 6 in Drehrichtung 7 verstellt werden.
Innerhalb der Nabe 3 sind die Rotorblätter 4 beispielhaft über
je einen Elektromotor 8 und je ein Getriebe 9 drehbar.
Alternativ können für ein Rotorblatt 4 auch
ein Antrieb für mehrere Rotorblätter 4 bzw.
mehrere Antriebe für ein Rotorblatt 4 verwendet werden,
diese Alternativen wurden nicht dargestellt. Es ist ebenfalls möglich,
andere Antriebsarten als eine Kombination aus Motor 8 und
Getriebe 9 zu verwenden wie z. B. hydraulische Systeme,
diese Alternativen wurden ebenfalls nicht dargestellt. Gemäß 1 werden
die Elektromotoren 8 durch Umrichter 10 gespeist
und gesteuert. Im Notfall eines Spannungsabfalls werden die Zwischenkreise
der Umrichter 10 durch elektrische Energiespeicher 11 gestützt und
erlauben eine sichere Positionierung der Rotorblätter 4 in
die Fahnenstellung 12 (gestrichelt dargestellt). Als Energiespeicher 11 ist
der Einsatz von verschiedenen Akkumulatortypen und Kondensatoren bekannt.
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In 1 werden
weitere Komponenten der Nabe 3 aufgeführt. Hierzu
gehören Sensorsysteme 13, eine oder mehrere Funkschnittstellen 14 und
eine zentrale Kommunikationseinheit 15. Sensorsysteme 13 können
direkt an steuernde Umrichter 10 angeschlossen sein und
dabei einem oder mehreren Verstellsystemen zur Verfügung
stehen, in der Zeichnung ist diese alternative Ausführung
nicht dargestellt. Zusätzliche Sensorsysteme 13 können
an eine zentrale Kommunikationseinheit 15 für
den Zugriff durch die zentrale Steuerung ZS gekoppelt sein, oder über
eigene Kommunikationsschnittstellen verfügen (nicht dargestellt).
Die Kommunikationseinheit 15 bündelt und verwaltet
die Kommunikation der Nabenkomponenten mit der zentralen Steuerung
ZS. Die Datenübertragung erfolgt über die Funkschnittstelle 14.
In einer weiteren, nicht dargestellten Bauform können die
Komponenten auch über jeweils eigene Funkschnittstellen
verfügen. Die Verbindung 16 der einzelnen Nabenkomponenten
kann über Kabel, Funkschnittstellen oder andere geeignete Übertragungswege
erfolgen.
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Die
Nabe ist mit einer Rotorwelle 17 verbunden, die in 1 als
horizontale Hohlwelle ausgeführt ist. Die Welle wird durch
eine Lagerung 18 drehbar gelagert. Die Lager sind mit dem
Tragsystem 19 fest verbunden. Über ein Getriebe 20 ist
die Rotorwelle 17 mit dem Hauptgenerator G verbunden. Ein Hilfsgenerator
HG ist in der Hohlwelle angebracht und erzeugt elektrische Leistung
im Generator- bzw. Transformatorbetrieb. Die elektrische Verbindung
zu den Nabenkomponenten erfolgt durch elektrische Leitungen 21,
die sich genau wie Nabe 3 und der Läufer 25 des
Hilfsgenerators HG mit dem Rotorsystem 1 mitdrehen und
so die Verwendung von Schleifringen unnötig machen. Die
galvanische Trennung ist damit gewährleistet.
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Das
Erregungssystem 22 für die Erzeugung eines Magnetfeldes
für den Hilfsgenerator HG kann aus Permanentmagneten oder
Erregerwicklungen bestehen.
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Für
eine ausreichende Energieerzeugung für die Komponenten
der Nabe 3 kann das Erregungssystem 22 ein drehbar
gelagerter Permanentmagnet sein und über Eigenrotation
die Energieversorgung auch bei Stillstand des Rotors 1 und
des Läufers 25 gewährleisten. Werden
in einer alternativen Ausführungsform Erregerwicklungen
im Erregersystem 22 vorgesehen, so kann über eine
geeignete Beschaltung/Steuerung 23 z. B. durch das zentrale
Steuersystem ZS im Generatorbetrieb bzw. bei Stillstand im Transformatorbetrieb
elektrische Leistung über den Hilfsgenerator HG mittels
Drehung des mit den Wicklungen erzeugten Magnetfeldes in die Nabe 3 übertragen
werden. So lassen sich auch bei Stillstand der Windenergieanlage
beziehungsweise des Rotors die Rotorblätter mittels der
Verstellvorrichtung 9' anstellen, um ein Drehmoment in
den Rotor einzuleiten und den Rotor anzutreiben.
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Das
zentrale Steuersystem ZS übernimmt in einer favorisierten
Ausführungsform die Steuerung der Komponenten in der Gondel
und in der Nabe 3. Möglich wäre auch
eine nicht dargestellte dezentrale Steuerung. Die zentrale Steuerung
ZS ist über eine Funkschnittstelle 24 bzw. eine
andere nicht kabelgebundene Schnittstelle und die analoge Schnittstelle 14 in
der Nabe 3 mit den Sensorsystemen 13 und den Motorsteuerungen 10 für
die Blattverstellung bidirektional verbunden. In der dargestellten
Bauform wird eine zentrale Kommunikationseinheit 15 in
der Nabe 3 verwendet.
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In 2 wird
die elektrisch und elektromagnetisch abgeschirmte Nabe 3 durch
Umsetzung als Faraday-Käfig zusammen mit der galvanischen
Entkopplung der elektrischen Komponenten gezeigt. Der erfindungsgemäße
Schutz vor Überspannungen und deren Folgen wird durch eine
galvanische Schutz-Isolation IS aller elektrischer Komponenten und
der Ausführung der Nabe 3 als Faraday-Käfig durch
einen metallischen Außenschirm AS umgesetzt.
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Produktionsbetrieb
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Im
Produktionsbetrieb erzeugt die Windenergieanlage elektrische Energie
und speist diese in das Stromnetz ein. Die zentrale Steuerung ZS
erfasst die Kenndaten der erzeugten elektrischen Energie, die Anforderungen
des Netzbetreibers, die Umgebungsbedingungen wie die Windstärke
und -richtung und Betriebszustände und eventuelle Fehler
von den Subsystemen und Komponenten. Im Weiteren wird nur auf die
Steuerungs- und Regelungsmöglichkeit durch die Verstellung
der Rotorblätter 4 eingegangen. Die zentrale Steuerung
ZS erfasst die Windgeschwindigkeit, die Rotordrehzahl und die Stellung
der Blätter. Je nach Regelanforderung (Begrenzung der Drehzahl
oder optimale Ausnutzung der Windenergie) werden Sollwerte für
die Blattpositionen ermittelt. Über die bidirektionale
drahtlose Verbindung 14 und 24 von zentraler Steuerung
ZS und der Kommunikationseinheit 15 in der Nabe 3 werden
die Sensordaten (Istwert Blattstellung) permanent und die Sollwerte
bei Bedarf übermittelt. Die Blattverstellung wird dann
durch die Umrichter 10 vorgenommen. Die Energie für
Verstellung, Sensoren und Kommunikation in der Nabe wird durch den
Hilfsgenerator HG in beschriebener Weise bereitgestellt.
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Gleichzeitig überwacht
die zentrale Steuerung ZS eventuell auftretende Fehler oder kritische Betriebszustände.
Fehlermeldungen für Fehler von Bauteilen in der Nabe werden über
die drahtlose Verbindung 14 und 24 an die zentrale
Steuerung ZS übermittelt. Bei schweren Fehlern kann eine
Notbremsung, bei anderen Fehlern eine kontrollierte Bremsung bis
zum Stillstand der Anlage notwendig sein. Gebremst wird die Windenergieanlage
in der Regel durch Verstellen der Blätter 4 in
die Fahnenstellung 12. Anlagen mit zwei oder mehr Rotorblättern 4 verfügen
aus Sicherheitsgründen in der Regel über jeweils
eigene Verstelleinrichtungen, bei Ausfall eines Systems können
die übrigen Blätter 4 in die Fahnenstellung 12 gebracht
werden und können so die Anlage zum Stillstand bringen
oder zumindest vor einer Überdrehzahl schützen.
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Notbetrieb
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Sollte
der schwere Fehler des Ausfalls der Netzspannung auftreten, so muss
die Anlage sofort bis zum Stillstand abgebremst werden. Falls die
zentrale Steuerung ZS und die Erregung des Hilfsgenerators HG durch
Notfallenergiespeicher (nicht eingezeichnet) gestützt wird,
kann die zentrale Steuerung ZS den Ausfall der Netzspannung detektieren
und die Blattverstellung in der Nabe 3 durch eine Sollwertvorgabe
der Blattposition in Fahnenstellung 12 ausführen
lassen.
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Falls
das Erregungssystem 22 des Hilfsgenerators HG nicht von
einem Notenergiespeicher gestützt wird oder durch einen
Defekt im Erregungssystem 22 oder im Hilfsgenerator HG
selbst der Hilfsgenerator HG ausfällt, wird der Ausfall
der Energieversorgung in der Nabe 3 registriert. In diesem
Fall wird durch die Umrichter 10 unter Nutzung der lokalen
Notenergiespeicher 11 eine Notfahrt der Rotorblätter 4 in
die Fahnenstellung 12 durchgeführt. Falls die drahtlose
Kommunikation 14 und/oder 24 ausfällt, wird
dies ebenfalls in der Nabe 3 erkannt (z. B. durch Kommunikationseinrichtung 15)
und automatisch eine Notfahrt durch die Umrichter 10 in
Fahnenstellung 12 ausgeführt.
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Die
in den beschriebenen Ausführungsbeispielen offenbarten
Merkmalkombinationen sollen nicht limitierend auf die Erfindung
wirken, vielmehr sind auch die Merkmale der unterschiedlichen Ausführungen
miteinander kombinierbar.
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- 1
- Rotor
- 2
- Gondel
- 3
- Nabe
- 4
- Rotorblätter
- 5
- Lager
- 6
- Drehachse
- 7
- Drehrichtung
- 8
- Elektromotor
- 9
- Getriebe
- 9'
- Verstellvorrichtung
- 10
- Umrichter
- 11
- Energiespeicher
- 12
- Fahnenstellung
- 13
- Sensorsysteme
- 14
- Funkschnittstelle
- 15
- Kommunikationseinheit
- 16
- Verbindung
- 17
- Rotorwelle
- 18
- Lagerung
- 19
- Tragsystem
- 20
- Getriebe
- 21
- elektrische
Leitungen
- 22
- Erregungssystem
- 23
- Beschaltung/Steuerung
- 24
- Funkschnittstelle
- 25
- Läufer
- ZS
- zentrale
Steuerung
- G
- Hauptgenerator
- HG
- Hilfsgenerator
- IS
- galvanische
Schutz-Isolation
- AS
- Außenschirm
Lasthaken
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10335575
B4 [0005]
- - DE 102004005169 B3 [0006]
- - DE 10146968 A1 [0007]
- - DE 20017994 U1 [0008]
- - DE 102004024563 A1 [0009]
- - DE 10009472 C2 [0009]
- - DE 20020232 U1 [0009]
- - DE 19644705 A1 [0009]
- - DE 29705011 U1 [0011]
- - DE 4445899 A1 [0012]
- - DE 4436197 C2 [0012]
- - DE 19501267 A1 [0012]