DE102009020503B4

DE102009020503B4 - Maschine zur Umwandlung von Strömungsenergie

Info

Publication number: DE102009020503B4
Application number: DE102009020503A
Authority: DE
Inventors: Udo Laubenstein; Leobald Podbielski; Josef Schmidt; Dr. Simon Olaf; Dr. Hua Zhidong; Volker Klinger
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2008-06-17
Filing date: 2009-05-08
Publication date: 2013-03-14
Anticipated expiration: 2029-05-09
Also published as: DE102009020503A1

Abstract

Maschine zur Umwandlung von Strömungsenergie eines bewegten Fluids, insbesondere Luft oder Wasser, In rotatorische Bewegungen und umgekehrt, wobei die Maschine ein erstes Maschinenteil (6) umfasst, wobei das erste Maschinenteil (6) einen drehbar gelagerten Rotor, insbesondere einen vom Fluid umgebenen Rotor, aufweist, wobei der Rotor eine Rotorwelle (4) und mindestens ein Rotorblatt (9) umfasst, wobei das Rotorblatt (9) gegenüber der Rotorwelle (4) mittels zumindest eines Aktors (7) bewegbar ist, insbesondere relativ zum Rotor drehbar angeordnet ist, wobei der Aktor (7) kontaktlos mit Energie und Daten versorgbar ist, wobei die kontaktlose Energieübertragung ein Primärleitersystem (5) und eine Sekundärwicklung (13) umfasst, wobei das Primärleitersystem einen linienförmig in Umfangsrichtung verlegtes Kabel umfasst, an den eine auf einem U-förmigen Kern aufgebrachte Sekundärwicklung induktiv gekoppelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Maschine zur Umwandlung von Strömungsenergie.
Die Regelung der Rotorblatteinstellung ist insbesondere bei Wind- oder Wasserkraftanlagen sehr wichtig, da die vom Rotor aufgenommene Leistung proportional zur Wind- bzw. Wassergeschwindigkeit ist. Da die Geschwindigkeit stark variieren kann müssen die Rotorblätter im laufenden Betrieb der Kraftanlage fortwährend geregelt werden.
Bei zeitgemäßen Windkraftanlagen hat sich hier das Pitch-Verfahren als das zweckmäßigste herausgestellt, bei dem die Rotorblätter je nach Windgeschwindigkeit beispielsweise in den Wind gedreht werden, bei niedriger Windgeschwindigkeit, oder bei hoher Windgeschwindigkeit aus dem Wind. Bei sehr hoher Windgeschwindigkeit wird das Rotorblatt in eine 90° Stellung zur Windrichtung gebracht, der sogenannten Fahnenstellung, wodurch das Rotorblatt die geringste Angriffsfläche für den Wind bietet.
Zusätzlich ist auch die Lage der Rotorachse des Rotors wesentlich für die Leistungsfähigkeit der Kraftanlage. Dieser ist beweglich und muss zur optimalen Nutzung der Anlage geregelt werden.
Dieselben Vorgehensweisen lassen sich beispielsweise auch auf Wasserkraftanlagen übertragen.
Aus der DE 10 2004 017 323 A1 sind Möglichkeiten zur Verstellung der Rotorblätter bekannt, wobei die elektrische Versorgung mittels wartungsintensiven Schleifkontakten realisiert wurde.
Aus der US 6 265 785 B1 ist eine nichtflüchtige Übergeschwindigkeits-Regelanlage für eine Windkraftanlage bekannt.
Aus der DE 202 21 764 U1 ist eine Antriebsvorrichtung für eine Windkraftanlage mit elektrisch verstellbaren Flügeln bekannt.
Aus der DE 101 53 644 C2 ist eine Windenergieanlage mit berührungsloser Energieübertragung auf den Rotor bekannt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Maschine mit hoher Standzeit auszubilden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Maschine nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale der Erfindung sind, dass die Maschine zur Umwandlung von Strömungsenergie eines bewegten Fluids, insbesondere Luft oder Wasser, in rotatorische Bewegungen und umgekehrt vorgesehen ist, wobei die Maschine ein erstes Maschinenteil umfasst, wobei das erste Maschinenteil einen drehbar gelagerten Rotor, insbesondere einen vom Fluid umgebenen Rotor, aufweist, wobei der Rotor eine Rotorwelle und mindestens ein Rotorblatt umfasst, wobei das Rotorblatt gegenüber der Rotorwelle mittels zumindest eines Aktors bewegbar ist, insbesondere relativ zum Rotor drehbar angeordnet ist, wobei der Aktor kontaktlos mit Energie und Daten versorgbar ist.
Von Vorteil ist dabei, dass die Versorgung der elektrischen Vorrichtungen im Rotorblatt keine Wartung benötigt, da keine mechanische Belastung vorliegt. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Rotorblatt vom Rotor und vom Generator elektrisch entkoppelt ist, also auch galvanisch entkoppelt ist. Hierdurch ist insbesondere ein Blitzschutz des Generators, sowie der im Rotorblatt vorhandenen Komponenten ermöglicht.
Erfindungsgemäß umfasst das Primärleitersystem einen linienförmig in Umfangsrichtung verlegtes Kabel, an den eine auf einem U-förmigen Kern aufgebrachte Sekundärwicklung Induktiv gekoppelt ist. Von Vorteil ist dabei, dass bei der Drehbewegung des Rotors eine Versorgung der auf dem drehenden Maschinenteil vorgesehenen Vorrichtungen ermöglicht ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das mindestens eine Rotorblatt mit Sensoren und Aktoren versehen, wobei die Versorgung der Aktoren und die Datenübertragung der Sensoren mittels kontaktloser Energieübertragung erfolgt. Von Vorteil ist dabei, dass das Rotorblatt in seinem Anstellwinkel gegen den Wind verstellbar ist. Die Energieversorgung der Aktoren die für die Einstellung des Anstellwinkels notwendig sind erfolgt kontaktlos. Ebenso können Sensoren, beispielsweise Winkelsensoren, Körperschallsensoren, Temperatursensoren, oder ähnliche durch die kontaktlose Energieversorgung versorgt werden. Zusätzlich findet der Datenaustausch zwischen den Sensoren und der Steuerung der Anlagen ebenfalls kontaktlos statt, sodass auch hier keine Wartung der Datenübertragungsleitung notwendig ist. Im Vergleich zu einem Datenaustausch per Funk ist zusätzlich die Störanfälligkeit reduziert.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Winkel zwischen der Strömungsrichtung des antreibenden Fluids und dem mindestens einen Rotorblatt durch die Aktoren veränderbar. Von Vorteil ist dabei, dass die Leistung der Windkraftanlage in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit regelbar ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Versorgung der Aktoren und Sensoren im Rotorblatt durch eine Notstromversorgung gesichert. Von Vorteil ist dabei, dass bei einem möglichen Stromausfall in der Gondel die Rotorblätter in eine sichere Stellung drehbar sind. Die Kapazität der Notstromversorgung ist so bemessen, dass die Rotorblätter vollständig aus dem Wind drehbar sind und somit eine Bewegung des Rotors verhinderbar ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das erste Maschinenteil, das den Rotor trägt, drehbar mit einem erdverbundenen Trägerteil verbunden. Von Vorteil ist dabei, dass die Anströmrichtung des Rotors an die Strömungsrichtung des Fluids anpassbar ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die Übertragung von Energie und Daten zwischen dem ersten Maschinenteil und dem Trägerteil kontaktlos. Von Vorteil ist dabei, dass wartungsaufwändige Schleifkontakte vermeidbar sind. Ein weiterer Vorteil besteht in der galvanischen Trennung des ersten Maschinenteils von dem Trägerteil. Dies bietet insbesondere einen Blitzschutz, der beispielsweise bei Windkraftanlagen wesentlich ist, da diese durch ihre Lage häufig durch Blitzeinschläge belastet werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die kontaktlose Energieübertragung ein Primärleitersystem, insbesondere Primärwicklung eines Transformators, und eine Sekundärwicklung, wobei ein mittelfrequenter Strom in das Primärleitersystem eingespeist wird, insbesondere mit einer Frequenz zwischen 10 und 500 kHz, und wobei der Sekundärwicklung eine Kapazität in Reihe und/oder parallel so zugeschaltet ist, dass die zugehörige Resonanzfrequenz im Wesentlichen der Mittelfrequenz entspricht. Von Vorteil ist dabei, dass ein hoher Wirkungsgrad auch bei schwankendem Luftspalt zwischen Primärsystem und Sekundärwicklung erreichbar ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist zumindest ein Aktor und/oder ein Sensor aus der Sekundärinduktivität elektrisch versorgt. Von Vorteil ist dabei, dass eine berührungslose Versorgung mit Energie und/oder Daten ermöglicht ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind zur kontaktlosen Datenübertragung höher frequente Stromanteile im Primärleitersystem vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass keine zusätzlichen Leitungen beim induktiven Übertragen erforderlich sind.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vom Rotor ein Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie angetrieben. Von Vorteil ist dabei, dass die Erfindung bei einem Windkraftwerk einsetzbar ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Aktor ein Getriebemotor. Von Vorteil ist dabei, dass ein robuster erprobter Verstellantrieb mit hoher Standzeit auswählbar ist.
Die Erfindung wird nun anhand einer Abbildung näher erläutert:
In der 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Schnittansicht gezeichnet.
Die Figur zeigt die Gondel 1 einer Windkraftanlage, die typischerweise über ein Azimutlager auf einem Turm montiert ist. Die Gondel kann hierdurch in verschiedene Richtungen gedreht werden, sodass je nach Windstärke die Leistung der Windkraftanlage eingestellt werden kann.
In der Gondel befindet sich der Generator 2, der über ein Getriebe 3 mit der Rotorwelle 4 verbunden ist. Die Rotorwelle 4 ist drehbar im Getriebe 3 gelagert. Des Weiteren befindet sich in der Gondel der als erdverbundenes Trägerteil ausgeführte, ortsfeste Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur kontaktlosen Energieversorgung. Die Energieeinspeisung 17 wird dem Einspeisesteller 16 zugeführt, der eine mittelfrequente Spannung zur Verfügung stellt, die für die kontaktlose Energieversorgung notwendig ist. Der Gyrator 15 wandelt diese in eine Quelle konstanten mittelfrequenten Stroms um und der Anpasstransformator 14 entkoppelt den anschließenden Linienleiter 5, der ortsfest in der Gondel 1 angebracht ist und ein Primärleitersystem darstellt.
Am Ende der Rotorwelle 4 befindet sich die Nabe 6 der Windkraftmaschine. Diese ist mit der Rotorwelle 4 verbunden und somit mittels dieser drehbar gelagert gegenüber der Gondel 1. An der Nabe 6 sind die einzelnen Rotorblätter 9 befestigt. Um die Übersicht zu verbessern ist in der 1 nur ein Rotorblatt dargestellt. Vorzugsweise sind mehrere Rotorblätter 9 vorgesehen.
In der Nabe 6 befindet sich der Anpasssteller 12. Dieser wandelt die von einem Primärleitersystem induktiv übertragene mittelfrequente Wechselspannung aus dem eine an das Primärleitersystem induktiv angekoppelte Sekundärspule umfassenden Übertragerkopf in eine Gleichspannung um, die dem Frequenzumrichter 11 zur Verfügung gestellt wird. Der Frequenzumrichter 11 ist zur geregelten Versorgung des Pitch-Getriebemotors 7 vorgesehen, also eines Aktors zur Verstellung der Winkellage des Rotorblatts 9.
Eine Batterie 10 ist zwischen den Anpasssteller 12 und den Frequenzumrichter 11 geschaltet. Die Batterie 10 dient einerseits als Energiepuffer. Andererseits ist hierdurch eine Notstromversorgung vorgesehen, die auch verhindert, dass bei einem eventuellen Stromausfall eine Steuerung der Rotorblätter nicht mehr möglich ist.
Die Übertragung der Energie und der Daten vom als Primärleitersystem fungierenden kreisförmig verlegten Linienleiter 5 auf die relativ hierzu drehbar gelagerte Gondel erfolgt durch den Übertragerkopf 13, der fest mit der Rotorwelle 4 verbunden ist, sich also relativ zum Linienleiter 5 bewegt und einen U-förmigen Kern aufweist, der den Linienleiter 5 zwischen den Schenkeln des U umfasst. Der U-förmige Kern ist auch mit einer Sekundärwicklung umwickelt, so dass eine Schwache induktive Kopplung vorliegt. Mittels resonanter sekundärseitiger Ausgestaltung ist ein hoher Wirkungsgrad erreichbar.
Sind mehrere Rotorblätter vorgesehen, so werden die Komponenten Übertragerkopf 13, Anpasssteller 12, Batterie 10 und Frequenzumrichter 11 nur einfach benötigt, da die Rotorblätter 9 synchron verstellt werden. Alternativ sind auch mehrere Übertragerköpfe am Umfang des Linienleiters vorsehbar.
Vorzugsweise sind zumindest an einem Rotorblatt Sensoren zur Erfassung der Windgeschwindigkeit, der Temperatur, der Vereisung, einer Beschleunigung und/oder der Feuchtigkeit oder anderer physikalischer Größen angeordnet. Somit sind die entsprechenden Werte beim Betrieb berücksichtigbar. Insbesondere bei Überschreitung von kritischen Werken ist ein Anfahren eines sicheren Zustandes ausführbar. Außerdem ist beispielsweise der Pitch-Winkel in Abhängigkeit von den erfassten Werten einstellbar. Die Werte der Sensoren sind berührungslos übertragbar, beispielsweise mittels Funkwellenübertragung, wie WLAN oder dergleichen, von der in der Nabe angeordneten Elektronik, wie Umrichter 11 oder einer mit diesem elektrisch verbundenen Steuerelektronik, zu einer in der Gondel 1 angeordneten Hauptsteuerung. Somit sind Daten berührungslos übertragbar mittels Funkwellen zwischen Nabe und Gondel.
Alternativ sind die Daten auch übertragbar, indem höher frequente Stromanteile durch die im Übertragerkopf vorgesehene Sekundärwicklung eingespeist werden, also auf den Sekundärstrom aufmoduliert werden, und in der Gondel, also primärseitig, aus dem Primärleiter ausgekoppelt werden. Auch in umgekehrter Weise sind Daten übertragbar, indem primärseitig solche Stromanteile eingekoppelt, also aufmoduliert, und sekundärseitig ausgekoppelt, also demoduliert, werden. Somit ist also dann der eingestellte Pitch-Winkel von der in der Nabe vorgesehenen Elektronik an die in der Gondel vorgesehene Elektronik mitteilbar.
Bezugszeichenliste

1: Gondel
2: Generator
3: Getriebe
4: Rotorwelle
5: Linienleiter
6: Nabe
7: Pitch Getriebemotor
8: Stellritzel
9: Rotorblatt
10: Batterie
11: Frequenzumrichter
12: Anpasssteller
13: Übertragerkopf
14: Anpasstransformator
15: Gyrator
16: Einspeisesteller
17: Energieeinspeisung

Claims

Maschine zur Umwandlung von Strömungsenergie eines bewegten Fluids, insbesondere Luft oder Wasser, In rotatorische Bewegungen und umgekehrt, wobei die Maschine ein erstes Maschinenteil (6) umfasst, wobei das erste Maschinenteil (6) einen drehbar gelagerten Rotor, insbesondere einen vom Fluid umgebenen Rotor, aufweist, wobei der Rotor eine Rotorwelle (4) und mindestens ein Rotorblatt (9) umfasst, wobei das Rotorblatt (9) gegenüber der Rotorwelle (4) mittels zumindest eines Aktors (7) bewegbar ist, insbesondere relativ zum Rotor drehbar angeordnet ist, wobei der Aktor (7) kontaktlos mit Energie und Daten versorgbar ist, wobei die kontaktlose Energieübertragung ein Primärleitersystem (5) und eine Sekundärwicklung (13) umfasst, wobei das Primärleitersystem einen linienförmig in Umfangsrichtung verlegtes Kabel umfasst, an den eine auf einem U-förmigen Kern aufgebrachte Sekundärwicklung induktiv gekoppelt ist.
Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Rotorblatt (9) mit Sensoren und Aktoren (7) versehen ist.
Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Versorgung und die Datenübertragung der Sensoren kontaktlos erfolgt.
Maschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen der Strömungsrichtung des antreibenden Fluids und dem mindestens einen Rotorblatt (9) mittels der Aktoren (7) veränderbar ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgung der Aktoren (7) und Sensoren im Rotorblatt (9) durch eine Notstromversorgung (10) gesichert ist.
Maschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine ein Trägerteil (1), insbesondere ein erdverbundenes Trägerteil (1), aufweist, zu dem das erste Maschinenteil (6) drehbar gelagert vorgesehen ist.
Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung von Energie und Daten zwischen dem ersten Maschinenteil (6) und dem Trägerteil (1) kontaktlos erfolgt.
Maschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mittelfrequenter Strom in das Primärleitersystem (5) eingespeist wird, insbesondere mit einer Frequenz zwischen 10 und 500 kHz, und dass der Sekundärwicklung (13) eine Kapazität in Reihe und/oder parallel so zugeschaltet ist, dass die zugehörige Resonanzfrequenz im Wesentlichen der Mittelfrequenz entspricht.
Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Aktor (7) und/oder ein Sensor aus der Sekundärwicklung (13) elektrisch versorgt ist.
Maschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur kontaktlosen Datenübertragung höher frequente Stromanteile im Primärleitersystem (5) vorgesehen sind.
Maschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vom Rotor ein Generator (2) zur Erzeugung von elektrischer Energie angetrieben wird.
Maschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (7) ein Getriebemotor ist.