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Die
Erfindung betrifft einen Schaltschrank zur Anordnung in einer um
eine Rotorachse rotierbaren Rotornabe einer Windturbine. Solche
Schaltschränke
nehmen in ihrem Innenraum, begrenzt durch eine Wandung, elektrische
Komponenten wie Relais, Inverter, Sensoren, u. v. m. auf, welche
zur Ansteuerung von Blattverstellsystemen, oder auch Pitchsysteme
genannt, benötigt
werden. Die elektrischen, hydraulischen oder mechanischen Pitchsysteme
drehen die Rotorblätter
um ihre Längsachse.
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Schaltschränke der
eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt und
werden in Windturbinen zur Steuerung von Pitch-Antrieben eingesetzt,
und werden im Folgenden als Pitch-Schaltschränke bezeichnet. In Windturbinen
ist die Klimatisierung von Pitch-Schaltschränken problematisch, wenn bei
(zeitweise) hohen Umgebungstemperaturen in der Rotornabe gleichzeitig
hohe Leistungen und somit auch hohe Verlustleistungen in den Schaltschränken auftreten,
da eine Wärmeabfuhr über die
Schaltschrankoberfläche
allein oft nicht ausreichend ist. Aufgrund der Wärmeverluste der Schaltschrankkomponenten
werden die Schaltschränke
passiv oder aktiv gekühlt.
Ein passiv gekühlter
Schaltschrank kann hermetisch getrennt zur Umgebung aufgebaut werden.
Eine aktive Kühlung erfordert
in der Regel durch Austausch eines Medium zwischen zu kühlenden
Schaltschrankinneren und eine kälteren
Umgebung. Sehr häufig
wird dies über das
gezielte und erzwungene Belüften
mit Außenluft durch
Ventilatoren realisiert. Zur Einhaltung der Schutzklasse werden
die Luftein- und -auslässe
dabei regelmäßig durch
Gitter und/oder Filter geschützt.
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Die
Schaltschränke
werden nach der Bestückung
und der Inbetriebnahme in der Regel nur noch zu turnusgemäßen Wartungen
geöffnet.
Im Falle einer Betriebsstörung
kann auch eine außerplanmäßige Wartung
notwendig sein.
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Im
Zuge der Wartung oder auch durch die Luftein- und -auslässe können Störpartikel
in den Schaltschrank gelangen. Besonders gefährliche Teile sind dabei elektrisch
leitende Störpartikel,
die einen Kurzschluss auslösen
können
(Adern, Kabelstücke, Unterlegscheiben,
Schrauben usw.) und mechanisch relevante Körper, die z. B. Lüfter blockieren
können. Durch
die permanente Rotation des Gesamtsystems ist die Gefahr der Beschädigung von
Komponenten durch frei bewegliche Störpartikel sehr hoch, da diese
durch die Rotation ständig
in Bewegung gehalten werden und so beständig zu einem Fehler führen können
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Aus
dem Stand der Technik sind weiterhin Windturbinen bekannt, wobei
in den Schaltschränken in
der Rotornabe Magnete vorgesehen sind, und dadurch (ferro)-magnetische Störpartikel
innerhalb des Schaltschranks festsetzbar sind. Dabei ergibt sich der
Nachteil, dass bei der Verwendung von Magneten ausschließlich magnetische
Störpartikel
eingefangen werden können,
und zudem ist die Sammelkapazität
sehrgering ist. D. h. dass die eingefangen Störpartikel die weitere Aufnahmefähigkeit
einer Fangeinrichtung nach dem Stand der Technik deutlich verringert.
Beispielsweise können
keine Störpartikel
aus Aluminium oder austenitischen Legierungen eingefangen werden.
Diese, auch elektrisch leitenden Störpartikel können innerhalb eines Schaltschrankes
zu Kurzschlüssen
oder zu mechanischen Zerstörungen
führen.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Schaltschrank für eine Windturbine
bereitzustellen, wobei die Nachteile des Stands der Technik vermieden
werden. Insbesondere soll die Ausfallsicherheit der Schaltschränke erhöht werden,
indem durch Störpartikel
verursachte elektrische oder mechanische Fehler verhindert werden.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen
des Hauptanspruchs 1 gelöst,
indem die Fangeinrichtung in dem Schaltschrank einen Hohlraum zur
Aufnahmen von Störpartikeln
und eine Öffnung
zum Eintritt der Störpartikel
in den Hohlraum aufweist. Dies bewirkt, dass Störpartikel nur mit Hilfe der
Schwerkraft und der Rotation der Rotornabe von der Fangeinrichtung
eingesammelt werden können. Zudem
wird durch den Hohlraum gewährleistet,
dass die eingefangenen Störpartikel
in der Fangeinrichtung gehalten werden.
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Eine
erste Ausführungsform
offenbart, dass die Öffnung
im Wesentlichen in eine Hauptdrehrichtung der Rotornabe zeigt. Verdeutlichend
soll ausgeführt
werden, dass hier als Öffnung
der Querschnitt bzw. Fläche
gilt, welcher den Übergang
zwischen dem Innenraum des Schaltschrankes und dem Hohlraums der
Fangeinrichtung beschreibt. Dieser Querschnitt bzw. die Fläche muss
zum einen nicht eben ausgebildet sein und entspricht nicht der kleinsten Querschnittsfläche zwischen
der Fangeinrichtung und dem Innenraum. Die Ausrichtung dieser Öffnung ist
auf ihre Wirksamkeit zum Einfangen von Störpartikeln hin zu definieren.
Wenn die Öffnung
nun in Hauptdrehrichtung zeigt, so vollführt ein Störpartikel, während des Übertritts
aus dem Innenraum in den Hohlraum der Fangeinrichtung, bezogen auf
die Rotorachse, eine im Wesentlichen tangentiale Bewegung entgegen
der Hauptdrehrichtung. Somit ist vornehmlich die Rotation in Verbindung
mit der Schwerkraft die für
den Einfangvorgang die treibende Bewegung. Als Hauptdrehrichtung
gilt die für
den Betrieb der Windturbine vorgesehene Drehrichtung.
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Eine
weitere Ausführungsform
offenbart, dass die Öffnung
im Wesentlichen radial nach Innen zur Rotorachse der Rotornabe zeigt.
Dadurch ist vornehmlich die Schwerkraft in Verbindung mit der Rotation
die für
den Einfangvorgang die treibende Kraft. Beim Übergang vom Innenraum in die
Fangeinrichtung vollführen
die Störpartikel
bezogen auf die Rotorachse nun eine im Wesentlichen radiale Bewegung.
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Die
Fangeinrichtung kann an einer radial äußeren, im Wesentlichen axial
verlaufenden Ecke der Wandung angeordnet sein. Damit ist diese Anordnung
besonders platzsparend und beeinflusst nicht die Platzierung der
elektrischen Komponenten innerhalb des Schaltschrankes in negativer
Weise. Vorteilhafter Weise kann dabei der Hohlraum der Fangeinrichtung
durch Seitenflächen
der Wandung des Schaltschrankes und einer separaten Schenkelwand der
Fangeinrichtung gebildet werden. Die Öffnung ist in der Schenkelwand
vorgesehen.
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Auch
ist denkbar, dass die Fangeinrichtung im Wesentlichen im Innenraum
des Schaltschranks angeordnet ist, wobei sich diese Anordnung als
besonders günstig
darstellt, wenn dabei die Fangeinrichtung in einer Ecke des Schaltschranks
angeordnet ist.
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In
alternativer Weise kann die Fangeinrichtung an einer Seitenfläche der
Wandung angeordnet sein. Dies ist besonders vorteilhaft, aber nicht
darauf beschränkt,
wenn die Fangeinrichtung im Wesentlichen außerhalb des Schaltschranks
angeordnet ist und die Öffnung
zumindest teilweise durch einen Durchbruch in der Wandung gebildet
wird.
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Eine
mögliche
Ausgestaltung der oben beschriebenen Ausführungen offenbart, dass die
Fangeinrichtung mindestens ein Leitblech zum Einfangen der Störpartikel
umfasst. Dieses dient dazu, Störpartikel
einfacher einzufangen, indem die Wirkfläche der wirksamen Öffnung vergrößert wird.
Günstiger
Weise ist das Leitblech an der Öffnung
angeordnet.
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Weiterhin
kann das o. g. oder auch ein zusätzliches
Leitblech teilweise innerhalb des Hohlraums der Fangeinrichtung
derart vorgesehen sein, dass eingefangene Störpartikel sicher innerhalb
des Hohlraums gehalten werden. Beispielsweise kann der Hohlraum
durch Teilung und Anordnung des Leitblechs zumindest teilweise als
Reuse oder als Labyrinth ausgebildet sein. Durch die Drehung der
Rotornabe gelangen Störpartikel
immer tiefer in die Fangeinrichtung hinein.
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Um
ein Verlieren der eingesammelten Störpartikel weiter abzusichern,
kann innerhalb des Hohlraums der Fangeinrichtung ein Magnet oder
ein Haftelement vorgesehen sein, welches dazu geeignet ist magnetische
und/oder auch nicht magnetische Störpartikel festzuhalten.
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Die
Fangeinrichtung umfasst auch eine Wartungsöffnung, welche dazu dient die
eingefangenen Störpartikel
aus dem Hohlraum der Fangeinrichtung regelmäßig zu entfernen.
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Die
Fangeinrichtung kann über
die gesamte Tiefe des Schaltschranks reichen oder die Fangeinrichtung
dehnt sich mittels einer ausgedehnten Anbringung von Leitblechen über die
gesamte Tiefe aus. So wird erreicht, dass keine Störpartikel
an der Fangeinrichtung vorbei rotieren können und es existieren keine „toten
Zonen”,
in denen Störpartikel
lagern könnten
und somit eine Unsicherheit darstellten.
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Die
Erfindung umfasst auch eine Windturbine mit einer auf einem Turm
angeordneten Gondel, mit einem an der Gondel drehbar angeordneten
Rotor, umfassend eine Rotornabe und mindestens einem daran angeordneten
Rotorblatt, wobei in der Rotornabe mindestens ein Schaltschrank
mit einer Fangeinrichtung wie zuvor beschrieben angeordnet ist.
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Weiter
Einzelheiten der Erfindung gehen aus den Zeichnungen anhand der
Beschreibung hervor. In den Zeichnungen zeigt
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1 einen
schematischen Schnitt durch eine Rotornabe einer Windturbine,
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2 einen schematischen Schaltschrank mit
einer Fangeinrichtung,
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3a)
einen schematischen Schaltschrank mit drei Ausführungsformen einer Fangeinrichtung (b–d),
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4a)–f) den
Einfangvorgang von Störpartikeln
in dem Schaltschrank gemäß 3a)
und b),
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5a–c Ausführungsformen
einer Fangeinrichtung in verschiedenen Ansichten,
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6a)
einen schematischen Schaltschrank mit drei Ausführungsformen einer Fangeinrichtung (b–d),
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7a)
einen schematischen Schaltschrank mit drei Ausführungsformen einer Fangeinrichtung (b–d), und
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8a)
einen schematischen Schaltschrank mit drei Ausführungsformen einer Fangeinrichtung (b–d).
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Die
Darstellung gemäß 1 zeigt
einen Rotor 11 und die Gondel 8 einer Windturbine 6.
Der Rotor 11 umfasst die Rotornabe 12, Rotorblätter 13 und
eine Rotorwelle 14, die drehbar um die Rotorachse der Gondel 8 gelagert
ist. Die Gondel 8 ist zur Windnachführung drehbar auf einem Turm 7 gelagert.
Es ist eine Rotornabe 12 mit verstellbaren Rotorblättern 13 dargestellt.
Die Rotorblätter 13 sind drehbar
in einem Blattlager 18 gelagert und können um die Rotorblattachse 21 verstellt
werden.
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Innerhalb
der Rotornabe 12 sind die Rotorblätter 13 beispielhaft über je einen
Elektromotor 16 und je ein Getriebe 17 drehbar
antreibbar. Alternativ können
für ein
Rotorblatt auch ein Antrieb für
mehrere Rotorblätter
bzw. mehrere Antriebe für
ein Rotorblatt verwendet werden, diese Alternativen sind nicht dargestellt.
Es ist ebenfalls möglich,
andere Antriebsarten als eine Kombination aus Motor und Getriebe zu
verwenden wie z. B. hydraulische Systeme.
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Gemäß 1 werden
die Elektromotoren 16 von einem zentralen Schaltschrank 1 angesteuert. Anstatt
eines zentralen Schaltschrankes 1 können alternativ auch mehrere
verteilte Schaltschränke
eingesetzt werden. Im Notfall eines Spannungsabfalls werden die
Motoren 16 über
elektrische Energiespeicher versorgt und erlauben eine sichere Positionierung
der Rotorblätter 13.
Als elektrische Energiespeicher ist der Einsatz von verschiedenen
Akkumulatortypen und Kondensatoren bekannt. Alle Schaltschränke 1 für Bauteile
wie Ansteuereinrichtungen und elektrische Energiespeicher für Backupsysteme sind
mit Fangeinrichtungen 30, 40, 50 oder 60 ausgerüstet. Diese
nehmen alle Störpartikel 19,
welche sich in den Schaltschränken 1 befinden
auf und halten diese. Die Gefahr einer Störung oder eines Fehlers, ausgelöst von leitenden
Störpartikeln 19 oder mechanisch
blockierenden Störpartikeln 19 wird
so minimiert.
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In 2 wird ein Schaltschrank 1 ausgerüstet mit
einer erfindungsgemäßen Fangeinrichtung 30, 40, 50 oder 60 schematisch
dargestellt. Die Fangeinrichtung 30, 40, 50 oder 60 besteht
aus einem einen Hohlraum 32, 42, 52 oder 62 bildenden
Kasten mit einer Öffnung 33, 43, 53 oder 63 und
erstreckt sich über
die gesamte Tiefe T des Schaltschranks 1. Die Fangeinrichtung 30, 40, 50 oder 60 gemäß der in 3, 5, 6, 7 oder 8 angeführten Ausführungsformen und deren Ausgestaltungen
ausgestaltet sein, wobei sich die Größe nach dem Schaltschrank richtet.
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In 3a ist
ein Schaltschrank 1 gemäß 2 gezeigt, wobei in 3b bis 3d drei
verwendbare Ausgestaltungen der Fangeinrichtung 30 offenbart
werden. Die Fangeinrichtungen 30 sind alle in einer axialen
Ecke 9 im Innenraum 3 des Schaltschranks 1 anordenbar.
Die Fangeinrichtung 30 nach 3b weist
eine einen Hohlraum 32 bildende Wandung 31 und
eine Öffnung 33 auf,
wobei die Öffnung 33 in
Hauptdrehrichtung 9 weist. An der Öffnung 33 ist ein
Leitblech 34 vorgesehen, das innerhalb der Fangeinrichtung 30 ein
Labyrinth 36 ausbildet.
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Mit
Hilfe 4 soll exemplarisch der Einfangvorgang
von Störpartikeln 19 durch
die Fangeinrichtung 30 nach 3a verdeutlicht
werden, wobei dieses Prinzip auch für die anderen Ausführungsformen
der Fangeinrichtungen 40, 50, 60 gilt.
In 4a sind Störpartikel 19 frei
im Innenraum 3 des Schaltschranks 1 vorhanden
und deswegen in der Lage, Zerstörungen
innerhalb des Schaltschranks 1 zu verursachen. Bedingt
durch die Schwerkraft 20 – repräsentiert anhand des Pfeils 20 – bewegen
Sich die Störpartikel 19 nach
unten und liegen an einer Seitenfläche 5 der Wandung 2 an
(4b). Dreht sich der Schaltschrank 1 weiter
(4c) so rutschen die Störpartikel 19, getrieben
durch die Schwerkraft 20 durch die Öffnung 33 der Fangeinrichtung 30.
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Das
schneckenförmige
Leitbleich 34 führt
die Störpartikel 19 tiefer
in das Labyrinth 36 hinein (4d, e).
In 4f befindet sich der Schaltschrank 1 wieder
an der Anfangsposition gemäß 4a.
Dabei sind, bedingt durch die Rotation, die Gestaltung der Fangeinrichtung 30 und
des Leitblechs 34 die Störpartikel 19 im Hohlraum 32 der Fangeinrichtung 30 vorhanden.
Zudem werden die Störpartikel 19 an
einer Rückkehr
in den Innenraum des Schaltschranks gehindert.
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Die
Fangeinrichtungen 30 gemäß 3c und 3d weisen
eine andere Gestaltung der Leitbleche 34, 35, 34', 35' auf, jedoch
bleibt das Prinzip des Einfangens der Störpartikel 19 gleich
erhalten. Die schrägen
Leitbleche 34, 34', 35 gestatten
einen verbesserten Einsammelvorgang, wobei das zweite Leitblech 35, 35' auch ein Festhalten
der eingefangenen Störpartikel 19 gewährleistet,
wenn sich die Rotornabe 12 entgegen der Hauptdrehrichtung 9 drehen
sollten.
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In 5a wird
eine verbesserte Ausführung der
Fangeinrichtung 30 gemäß 3b gezeigt.
Die Öffnung 33 ist
in Hauptdrehrichtung 9 des Schaltschranks 1 bzw.
der Rotornabe 12 angebracht und nimmt so frei bewegliche
Störpartikel 19 auf.
Die Störpartikel 19 werden
dabei von einem Leitblech 34 zur Öffnung 33 geleitet.
Das Leitblech 34 ist schneckenförmig nach innen gefaltet, so
dass der Wiederaustritt von Störpartikeln 19 verhindert
wird. Ein Haftelement 37, vorzugsweise ein Permanentmagnet oder
ein sonstiges temperatur- und alterungsbeständiges Haftelement, kann bei
Bedarf die Störpartikel 19 zusätzlich zur
Formgebung sichern und bis zur Wartung halten. Die Lippe 38 verhindert
zusätzlich, dass
eingefangene Störpartikel 19 aus
der Fangeinrichtung 30 entweichen können.
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In 5b und 5c werden
weitere Ausführungsformen
der Fangeinrichtung 30 gemäß 3c bzw. 3d gezeigt.
Hier sind Öffnungen 33 mittig
angeordnet. In 5c sind darüber hinaus nicht nur die oberen
und unteren Leitbleche 34, 34', 35', 34'', 35'' schneckenförmig nach innen gefaltet, sondern
es sind auch rechts und links der Öffnung 33 schneckenförmig nach
innen gefaltete Leitbleche 34, 34', 35', 34'', 35' angeordnet.
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Die
Ausführungsformen
der Fangeinrichtungen 40 aus 6 werden
an einer Ecke 4, außerhalb des
Schaltschranks 1 angeordnet. Damit kann der Schaltschrank 1 mehr
Bauteile aufnehmen. Die Öffnung
zwischen dem Innenraum 3 des Schaltschranks 1 in
den Hohlraum 42 der Fangeinrichtung 40 wird von
einem Durchbruch in einer Seitenfläche 5 der Wandung 2 des
Schaltschranks 1 gebildet. Die Fangeinrichtungen 30 nach 6a und 6b sind in
der Lage, Störpartikel 19 unabhängig von
der Hauptdrehrichtung 9 aus dem Innenraum 3 einzusammeln.
Die Fangeinrichtung 30 in 6c und 6d zeigen
eine labyrinthartige Ausprägung
des Leitblechs 45', 44', 44''.
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7 zeigt einen Schaltschrank 1,
in welchem eine Ausführung
der Fangeinrichtung 50, gemäß dreier Ausgestaltungen (7b–7d),
in der Ecke 4 angeordnet sind. Anders als zuvor wird der Hohlraum 53 der
Fangeinrichtung 50 durch zwei oder drei Seitenflächen 5 der
Wandung 2 des Schaltschranks 1 und durch eine
Schenkelwandung 57 gebildet. Dadurch ist die Fangeinrichtung 50 besonders günstig und
platzsparend realisierbar. Die Fangeinrichtung 50 nach 7b und
c zeigen ein an der Öffnung 53,
das zum einen in den Innenraum 3 des Schaltschranks 1 ragt,
und somit zum besseren Einfangen von Störpartikel dient. Zum anderen
bildet das Leitblech 54, 54' im Hohlraum 52 ein labyrinthartiges
Konstrukt aus. Dadurch werden Störpartikel 19 innerhalb
der Fangeinrichtung 1 gehalten.
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Ähnlich wie
in 6 sind die Fangeinrichtungen 60 nach 8b und
c außerhalb
des Schaltschranks 1, jedoch an einer Seitenfläche 5 der
Wandung 2 angeordnet. Die Fangeinrichtung 60 nach 8c ist
in der Lage Störpartikel 19 unabhängig von
der Drehrichtung 9 aus dem Innenraum 3 einzusammeln.
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Die
in den beschriebenen Ausführungsbeispielen
offenbarten Merkmalskombinationen sollen nicht limitierend auf die
Erfindung wirken, vielmehr sind auch die Merkmale der unterschiedlichen
Ausführungen
miteinander kombinierbar.
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- 1
- Schaltschrank
- 2
- Wandung
- 3
- Innenraum
- 4
- Ecke
- 5
- Seitenfläche
- 6
- Windturbine
- 7
- Turm
- 8
- Gondel
- 9
- Hauptdrehrichtung
- 10
- Rotorachse
- 11
- Rotor
- 12
- Rotornabe
- 13
- Rotorblatt
- 14
- Rotorwelle
- 15
- Drehrichtung
- 16
- Elektromotor
- 17
- Getriebe
- 18
- Blattlager
- 19
- Störpartikel
- 20
- Schwerkraft
- 21
- Rotorblattachse
- 30
- Fangeinrichtung
- 31
- Wandung
- 32
- Hohlraum
- 33
- Öffnung
- 34
- Leitblech
- 35
- Leitblech
- 36
- Labyrinth
- 37
- Haftelement
- 38
- Lippe
- 40
- Fangeinrichtung
- 41
- Wandung
- 42
- Hohlraum
- 43
- Öffnung
- 44
- Leitblech
- 45
- Leitblech
- 46
- Labyrinth
- 50
- Fangeinrichtung
- 51
- Wandung
- 52
- Hohlraum
- 53
- Öffnung
- 54
- Leitblech
- 55
- Leitblech
- 56
- Labyrinth
- 57
- Schenkelwandung
- 60
- Fangeinrichtung
- 61
- Wandung
- 62
- Hohlraum
- 63
- Öffnung
- 64
- Leitblech
- 65
- Leitblech
- 66
- Labyrinth
- T
- Tiefe