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Windkraftanlage,
bei der die Energieausbeute (Wirkungsgrad) durch permanente Veränderung des
Gewichts der Rotorblätter
in Abhängigkeit
von der Windgeschwindigkeit gesteigert wird. Die Veränderung
des Gewichts der Rotorblätter
kann entweder mittels einer Wasserpumpe oder im Rotorblatt gleitender
Gewichte vorgenommen werden. Bei zunehmenden Windgeschwindigkeiten
wird Wasser im Rotorblatt in die Enden gepumpt oder es werden Gewichte
in die Enden verbracht, um so einen Schwungradeffekt auszunutzen
und mitzunehmen. Bei abnehmender Windgeschwindigkeit wird das Wasser
bzw. werden die Gewichte zur Mitte des Rotors zurückgeholt.
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a) Technischer Hintergrund der Erfindung
und Stand der Technik
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aa) Nutzung der Windenergie
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Die
Windenergie wird seit Jahrhunderten vom Menschen für seine
Zwecke genutzt. Es kam zunächst
zur Nutzung des Windes zur Fortbewegung mit Segelschiffen oder Ballons,
später
wurden die Windenergie zur Verrichtung mechanischer Arbeit mit Hilfe
von Windmühlen
und Wasserpumpen genutzt. Nach der Entdeckung der Elektrizität und Erfindung
des Generators lag auch der Gedanke der Nutzung der Windenergie
zur Stromerzeugung nahe. Anfänglich
wurden die Konzepte der Windmühlen
nur abgewandelt und statt der Umsetzung der kinetischen Energie
des Windes in mechanische Energie wurde über einen Generator elektrische
Energie erzeugt. Seit den Ölkrisen
in den 1970er Jahren wird weltweit verstärkt nach Alternativen zur Energieerzeugung
geforscht und damit wurde auch die Entwicklung moderner Windkraftanlagen
voran getrieben. Die heutigen Windkraftanlagen entwickelten sich
aus der Windmühlentechnik
und dem Wissen über
die Aerodynamik. Die ersten Anlagen zur Stromerzeugung sind Ende
des 19. Jahrhunderts entstanden. 1920 zeigte Albert Betz, dass physikalisch
bedingt höchstens
59,3% der Energie des Windes nutzbar sind. Seine Theorie zur Formgebung
der Rotorblätter
ist auch heute noch Grundlage für
die aerodynamische Auslegung der Anlagen. Anfang der 1980er Jahre
setzte sich das dänische
Konzept bei Windkraftanlagen durch. Im Gegensatz zu anderen Versuchsanlagen
wie beispielsweise Growian wurde dabei auf eine einfache Konstruktion
mit der heute allgemein üblichen
horizontalen Rotationsachse, drei luvseitigen Rotorblättern und
drehzahlstarrer Betriebsführung
gesetzt, um so robuste Anlagen zu erhalten, deren Größe erst
mit den Jahren weiter anstieg. In Dänemark wurden damals die Grundlagen für die moderne
Windenergienutzung gelegt. Bei großen Windkraftanlagen haben
sich inzwischen luvseitige (dem Wind zugewandte) Dreiblattrotoren
etabliert. Dreiblattrotoren sind schwingungstechnisch einfacher
beherrschbar als Ein-, Zwei oder Vierblattrotoren. Wenn ein Rotorblatt
vor dem Turm durchläuft, nimmt
es durch den Luftstau vor dem Turm (luvseitiger Windschatten) für einen
Moment deutlich weniger Energie auf, weshalb die Rotorachse ungleich belastet
wird. Ein linear gegenüber
liegendes Blatt würde
diese Kippkraft noch verstärken
und erhöhte Anforderungen
an Mechanik und Material stellen. Hinzu kommt, dass die Windgeschwindigkeit
mit zunehmender Höhe
steigt, so dass ein Ro torblatt in der oberen Position ohnehin mehr
Kraft aufnimmt. Bei den heute üblichen
Rotordurchmessern ist dieser Effekt mittlerweile sehr ausgeprägt und wird
bei der Auslegung berücksichtigt.
Ihre Nennleistung, manchmal auch als installierte Leistung bezeichnet,
gibt eine WKA bei Nenngeschwindigkeit ab. Sie ist immer größer als
die Auslegungsgeschwindigkeit und liegt meist zwischen 12 m/s und
16 m/s (Windstärke
6–7 Bft).
Oberhalb der Nenngeschwindigkeit wird die Leistung der Anlage konstant
gehalten, da sonst die Belastung auf alle Anlagenkomponenten weiter
steigen und zur Überlastung
führen
würde.
Bei sehr großen
Windgeschwindigkeiten (Sturm) wird die Anlage abgeschaltet, um Schäden zu vermeiden.
Für die Umwandlung
mechanischer in elektrische Leistung werden Drehstrom-Asynchron-
oder -synchron-Generatoren
eingesetzt. Dies deshalb, weil die mit der Drehzahl des Rotors schwankende
Frequenz der erzeugten Spannung zunächst in Gleichstrom umgeformt
(gleichgerichtet) und dann mit einem netzgeführten Wechselrichter wieder
in einen Wechselstrom umgeformt werden muss, um mit den gewünschten Werten
von Spannung, Frequenz und Phasenwinkel ins Netz zu gelangen.
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Eine
WKA ist nur dann optimal zu betreiben, wenn die Rotordrehzahl und
die Generatordrehzahl auf die augenblicklich herrschende Windgeschwindigkeit
abgestimmt sind. Dabei muss auf die Kombination der Regelkonzepte
für Rotor
und Generator Rücksicht
genommen werden. Die derzeit gängigen Rotoren
mit Pitchregelung (Neigungsregelung) werden hierzu durch Verstellen
des Anstellwinkels an die momentane Windgeschwindigkeit angepasst.
Durch die Drehung des Rotorblatts wird die Auftriebskraft verändert und
kann die Rotationsgeschwindigkeit geändert werden. Diese Windkraftanlagen
arbeiten zumeist drehzahlvariabel, d. h. die Rotordrehzahl schwankt
in einem gewissen Toleranzbereich. Drehzahlvariable pitchgeregelte
Anlagen stellen zur Zeit den aktuellen Stand der Technik im Windkraftanlagenbau
dar. Es wird zwischen zwei Betriebszuständen unterschieden: der Drehzahlregelung
im Teillastbetrieb (Momentenregelung) und der Drehzahlregelung im
Volllastbetrieb (Pitchregelung).
- • Momentenregelung
Um
eine optimale Leistungsausbeute zu erreichen, wird die Drehzahl
der Anlage im Teillastbereich auf das optimale Verhältnis zwischen
Umfangsgeschwindigkeit des Rotors und Windgeschwindigkeit eingestellt.
Die Blätter
sind dabei auf den Blattwinkel eingestellt, der das höchste Antriebsmoment
an der Rotorwelle erzeugt. Die Drehzahl wird über das Gegenmoment am Generator
beeinflusst.
- • Pitchregelung
Ist
bei der Nenngeschwindigkeit das maximale Gegenmoment am Generator
(Nennleistung) erreicht, kann die Drehzahl durch weiteres Erhöhen des
Generatormoments nicht mehr auf dem Arbeitspunkt gehalten werden.
Daher wird der aerodynamische Wirkungsgrad der Blätter verschlechtert,
in dem sie aus ihrem optimalen Anstellwinkel herausgefahren werden.
Diesen Vorgang nennt man Pitchen (von Englisch to pitch = neigen).
Die Drehzahl der Anlage wird daher bei Erreichen des maximalen Generatormoments über den
Anstellwinkel der Blätter
beeinflusst. Böen
werden durch kurzzeitige Erhöhung
der Rotordrehzahl und Verstellen des Anstellwinkels besser ausgesteuert als
bei anderen Anlagen.
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bb) Rotorblätter
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Die
Rotorblätter
sind elementarer und prägender
Bestandteil einer WKA. Mit ihnen wird die Windenergie aus der Luft
entnommen und dem Generator zugefügt. Sie sind für einen
Teil der Betriebsgeräusche
verantwortlich. Deshalb werden sie nicht nur stets auf einen höheren Wirkungsgrad,
sondern auch auf Geräuschminderung
hin optimiert. Die Rotordurchmesser bei den heute üblichen
Anlagengrößen liegen
etwa zwischen 40 und 90 m. Moderne Rotorblätter bestehen aus glasfaserverstärkten Kunststoff
und werden in Halbschalen-Sandwichbauweise mit Versteifungsholmen
oder -stegen im Inneren hergestellt. Auch Kohlenstofffasern haben
bereits bei einigen Herstellern Eingang in die Fertigung gefunden. Die
Rotorblätter
sind mit einem Blitzschutzsystem ausgerüstet, das die Entladung an
die Erdung des Maschinenbaus abgibt. Ein mögliches Phänomen an den Blättern ist
Eisbildung. Sie führt
zu einer Wirkungsgradminderung, da sie die Form und damit das aerodynamische
Profil der Blätter
verändert.
Auch Unwucht des Rotors ist eine Folge. Herab fallende Eisbrocken
stellen eine mögliche
Gefährdung
unterhalb der Rotorblätter
und in der näheren
Umgebung dar. Eisbruch wurde schon mehrfach dokumentiert, jedoch
keine Personen- oder Sachschäden,
da er wegen der verschlechterten Aerodynamik nur bei geringer Drehzahl
oder im Trudelbetrieb nach Eisabspaltung auftritt.
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Die
Anlagen schalten sich bei Eisansatz automatisch ab, der in der Regel
durch eine Änderung der
intern aufgezeichneten Leistungskurven (Leistung und Wind passen
wegen schlechterer Aerodynamik nicht mehr zusammen) und durch Beobachtung
der Temperatur und/oder der Unwucht am Rotor ermittelt wird. Die
Rotorblätter
einiger Firmen können auch
mit einer Rotorblattheizung ausgerüstet werden. Diese soll Eisansatz
an Blätter
vermindern bzw. das Abtauen beschleunigen. Die Heizung hat eine Leistung
im ein- bis zweistelligen Kilowattbereich pro Rotorblatt, was jedoch
wenig ist gegenüber
der eingespeisten Leistung (mehrere hundert bis einige tausend Kilowatt).
Bei einigen Anlagen wird zur Blattheizung die Abluft aus der Gondel
(dem Generatorhaus auf dem Turm) durch die Rotorblätter gepumpt,
so dass die Abwärme
von Generator und Stromwandler genutzt wird.
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Das
Gewicht der Rotorblätter
spielt bei modernen WKA nach dem Stand der Technik nur in einer
Richtung eine Rolle: Rotorblätter
sollen leicht und doch gleichzeitig stabil sein, um bei geringen
Windgeschwindigkeiten schon zu laufen und bei hohen Windgeschwindigkeiten
nicht zu bersten. Schwere Rotorblätter haben in beiden Bereichen
Nachteile. Bei geringen Windgeschwindigkeiten laufen sie nicht oder
nur schwer an – ein
schweres Schwungrad kann man nicht durch Anblasen zum Laufen bringen –, bei hohen
Windgeschwindigkeiten wirken große Kräfte auf die Mechanik der WKA
im Übrigen.
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Werden
die Nachteile des höheren
Gewichts ausgeblendet, sind aber auch bei schweren Rotorblättern Vorteile
zu verzeichnen. Ihr Wirkungsgrad ist durch ihre Massenträgheit besser
und die Laufruhe durch die geringere Anfälligkeit für Auswirkungen wechselnder
Winde (Böen)
höher.
Schwere Rotoren laufen bei Windlöchern
eher durch. Nach dem Schwungradprinzip verlängert sich die Laufphase, da der
Rotor durch seine größere Trägheit einen
Teil der Windenergie aufnimmt und sie beim Aussetzen oder Nachlassen
des Windes nur allmählich
an die WKA abgibt. Diese theoretischen Vorteile wurden im Bereich
der WKA bisher nicht genutzt, weil sie gegenüber den Nachteilen nicht entscheidend
ins Gewicht fielen und die Nachteile je nach geänderten Windverhältnissen
auch nicht ausgeschaltet werden konnten. Ob Leichtwind oder Starkwind:
einmal schwer – immer
schwer.
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b) Aufgabe der Erfindung
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Als
Hauptnachteil der WKA gilt die unregelmäßige, mit dem Wind schwankende
Leistungsabgabe einer Anlage. Ähnliche
Probleme treten bei vielen dynamischen Prozessen an Maschinen auf.
Bei vielen Maschinen kommt es zu Drehungleichförmigkeiten (Schwankungen der
Drehzahl). Diese entstehen durch periodisch auftretende Drehmomente
und können
zu Drehschwingungen (= Torsionsschwingungen) führen. Gerade bei WKA ist dieses
Problem wegen der ständig
wechselnden Windgeschwindigkeit – der Böigkeit – besonders bedeutsam. Für Wetterkarten
und Wetterstationsmeldungen wurde in diesem Zusammenhang von der
WMO festgelegt, dass für die
Windstärke
der zehnminütige
Mittelwert angegeben werden muss, weil Spitzenböen oft doppelt so stark sind
wie die mittlere Windgeschwindigkeit.
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Um
die schwankende Leistungsabgabe, die durch Schwankungen der Drehzahl
entsteht, zu minimieren, müssten
deshalb die Nachteile von schweren Rotorblättern mit größerer Masse – hohes
Gewicht, Startschwierigkeiten, mechanische Auswirkungen auf die
Anlage – ausgeschaltet
werden und ihre Vorteile – höherer Wirkungsgrad,
größere Laufruhe, (Stabilität), Durchlaufeffekt – müssen mit
den Vorteilen leichter Rotorblätter
kombiniert werden.
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c) Lösung
des Problems
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Die
Lösung
der Aufgabe scheitert nicht an der vermeintlichen Vorgabe „einmal
schwer, immer schwer”,
wenn man das Gewicht der Rotorblätter
den sich ändernden
Windverhältnissen
ständig
an passt, d. h. flexibel und permanent verändert. Möglich ist dies, wenn man in
die Spitzen der Rotorblätter
je nach Windstärke
Wasser leitet, um dadurch einen Schwungradeffekt zu erzielen. Da
der Radius der Rotoren bei modernen Windkraftanlagen groß ist (40
bis 90 m), genügen
schon geringe Mengen Flüssigkeit, um
große
Schwungradeffekte zu erzielen. Der Effekt ist abhängig vom
Gewicht am Ende der Kreisbahn und dem Radius des Rotors. Die Einleitung
der Flüssigkeit
erfolgt durch die Zentrifugalkraft automatisch, der Rückfluss
durch Abpumpen mit geringem Energieaufwand. Unterstützend kann
auch bei der Einleitung mit einer Pumpe gearbeitet werden. In der
Anlaufphase und bei geringen Windgeschwindigkeiten wird kein Wasser
eingeleitet, um die Vorteile eines leichten Rotors zu nutzen. Nach
dem Anlaufen und bei größeren Windgeschwindigkeiten
wird je nach Windstärke
Wasser in die Spitzen der Rotorblätter eingeleitet, um den Schwungradeffekt
zu erzielen. Da die Rotorblätter
wegen der Halbschalenbauweise ohnehin hohl sind, ist dies mit wenig
Aufwand möglich. Es
genügt
beispielsweise eine einfache Kunststoffabtrennung in der Spitze
des Rotorblattes, um eine oder mehrere Wasserkammern zu schaffen.
Nimmt die Windgeschwindigkeit ab, kann das eingeleitete Wasser in
die Mitte des Rotors abgepumpt werden, um die Windkraftanlage wieder
in den Stand zu versetzen, in dem die Vorteile leichter Rotorblätter (hohl ohne
Wasser) überwiegen.
Der gleiche Effekt kann dadurch erzielt werden, dass Gewichte in
den Rotorblättern
von der Mitte des Rotors nach außen gesteuert werden und umgekehrt.
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d) Vorteile der Erfindung
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- a) Der Schwungradeffekt führt dazu, dass die WKA bei
großen
Windgeschwindigkeiten später abgeschaltet
werden muss, da ein Teil der Windenergie von der Trägheit der
schwerer gemachten Rotoren aufgenommen wird und diese daher langsamer
laufen als ultraleichte Rotoren (Kinderwindmühle).
- b) Der Effekt tritt sowohl im Teillastbereich (Momentenregelung)
als auch im Volllastbereich (Pitchregelung) ein. Im Teillastbereich
ergibt sich eine gleichmäßigere Auslastung
durch höhere
Laufruhe und den Durchlaufeffekt. Die Pitchsteuerung kann in diesem
Bereich noch nicht greifen, da sie nur der Reduzierung der Rotorgeschwindigkeit dient.
Im Volllastbereich kann der Rotor wegen seiner Trägheit und
damit geringer Geschwindigkeit bei höheren Windgeschwindigkeiten
länger laufen.
Die Anfälligkeit
für starke
Böen ist
geringer.
- c) Setzt man zur Erhöhung
des Gewichts bei extrem kalter Witterung vorgeheiztes Wasser ein, kann
die Eisbildung am Rotorblatt entscheidend vermindert werden.
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Neuigkeit
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Die
Möglichkeit
der Veränderung
des Gewichts der Rotorblätter
im laufenden Betrieb wurde bisher nicht gesehen. Das hängt damit
zusammen, dass das Gewicht grundsätzlich als hinderlich angesehen
wird. Eine Parallele zum Automobilbau macht das deutlich. Wird eine
große
Masse in Bewegung gesetzt, um eine höhere Laufruhe der Maschine
zu erreichen, muss Zusatzgewicht, dessen Einsatz zusätzliche
Energie erfordert, eingesetzt werden. Die Maschinen werden insgesamt
schwerer und müssen robuster
gebaut werden. Im Fahrzeugbau hat man deshalb nach anderen Lösungen gesucht,
um die Drehungleichförmigkeit
(Drehzahlschwankung) gering zu halten (z. B. bei Verbrennungsmotoren
durch mehrere Zylinder).
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Bei
Windkraftanlagen spielt das Gewicht der Anlage nicht die entscheidende
Rolle, weil sie im Gegensatz zum Fahrzeug nicht bewegt werden muss. Die
Erhöhung
des Gewichts der Rotorblätter
wurde bisher deshalb nicht in Erwägung gezogen, weil das Vorurteil
besteht, dass das Gewicht der Rotoren für die Effizienz der Windkraftanlage
keine oder sogar nur eine negative Rolle spielt. Dabei wurde übersehen,
dass das Gewicht variabel gehalten werden kann und dann eingesetzt
werden kann, wenn es Vorteile bietet. Das Schwungrad wurde bisher
als zusätzliches
Maschinenelement eingesetzt. Es wurde u. a. zur Speicherung kinetischer
Energie (Rotationsenergie) genutzt, im dem seine Drehbewegung (Rotation)
bei Drehgleichunförmigkeit
der Maschine allmählich
an diese abgegeben wurde. Bei der Erfindung ist das Schwungrad kein
zusätzliches
Maschinenelement, sondern ist mit dem Antriebselement identisch.