DE102009033272B4

DE102009033272B4 - Hydrostatischer Antrieb einer Windenergieanlage

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Publication number: DE102009033272B4
Application number: DE102009033272A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. Meuser; Manfred Dipl.-Ing. Türk; Torsten Pleikis
Original assignee: MPP GbR IN GES HERMA CHRISTIANE MEUSER und RENATE PLEIKIS; MPP GbR in Gesellschaft Herma-Christiane Meuser und Renate Pleikis (vertretungsberechtigter Gesellschafter Peter Meuser 17036 Neubrandenburg)
Current assignee: Inw Beteiligungs De GmbH
Priority date: 2009-07-09
Filing date: 2009-07-09
Publication date: 2011-04-28
Anticipated expiration: 2029-07-10
Also published as: DE102009033272A1

Abstract

Hydrostatischer Antrieb eines Windkraftwerkes, bestehend mindestens aus einem Rotor (19), der durch die Windenergie antreibbar ist, zum Erzeugen einer Rotation einer mit dem Rotor (19) verbundenen Rotorwelle, einer über die Rotorwelle antreibbaren Hydropumpe (1) zum Umwandeln der Rotationsenergie der Rotorwelle in hydraulische Energie, regelbaren Hydromotoren (3, 4), die über eine Hydraulikleitung mit der Hydropumpe (1) verbindbar und von dieser dadurch antreibbar sind, dass in den regelbaren Hydromotoren (3, 4) ein Umwandeln der hydrostatischen Energie in eine Rotationsbewegung erfolgt und einen durch die regelbaren Hydromotoren (3, 4) antreibbaren Generator (5) zum Erzeugen von elektrischer Energie, wobei der von der Hydropumpe (1) geförderte Gesamtvolumenstrom auf einen oder mehrere geschlossene hydraulische Teilkreisläufe (T_1-n) aufgeteilt ist, wobei jeder Teilkreislauf (T_1-n) über eine Hydromotorenkombination mit je einem Verstellhydromotor (4) und einem Festhydromotor (3) verfügt, wobei der Verstellhydromotor (4) und der Festhydromotor (3) jedes Teilkreislaufes (T_1-n) jeweils über einen hochdruckseitigen Vorlauf (VP) und einen niederdruckseitigen...

Description

Es ist bekannt, dass sich für konventionelle Windenergieanlagen als Antriebskonzepte der Antrieb mit mechanischem Getriebe und der getriebelose Direktantrieb überwiegend durchgesetzt haben.
Abgesehen von weiteren gravierenden Problemen, die bei diesen Antriebkonzepten bestehen, ist es damit nicht oder nur bedingt möglich, konventionelle Windenergieanlagen mit echten Kraftwerkseigenschaften, also Windkraftwerke, zu realisieren. Für den weiteren Ausbau der Windenergienutzung zur Stromerzeugung im Netzparallel- oder Inselbetrieb sind aber gerade diese echten Kraftwerkseigenschaften unverzichtbar.
Diese Kraftwerkseigenschaften werden in mehr als 99% der weltweit betriebenen konventionellen Kraftwerke dadurch realisiert, dass zur Stromerzeugung Synchrongeneratoren verwandt werden, die direkt auf das Netz oder an die Verbraucher geschaltet werden. Diese direkt gekoppelten Synchrongeneratoren benötigen zu ihrem Antrieb eine konstante Drehzahl.
Aus der WO 2008/113699 A2 ist eine Energieumwandlungsvorrichtung bekannt, bei der die Rotordrehzahl und die Antriebsdrehzahl eines Hydraulikmotors unabhängig voneinander regelbar sein sollen, um eine konstante Drehzahl der Antriebswelle eines Generators zu erreichen und dadurch den Einsatz von Synchrongeneratoren zu ermöglichen. Diese Energieumwandlungsvorrichtung ist mit Nachteilen behaftet.
Aus der US 7 418 820 B2 und der US 2009/0140 522 A1 sind weitere hydrostatische Windenergieanlagen bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen hydrostatischen Antrieb für Windenergieanlagen vorzuschlagen, der diesen Kraftwerkseigenschaften verleiht.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Vorrichtungsanspruches 1 und des Verfahrensanspruches 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß wird auf eine formschlüssige Verbindung zwischen Rotor und Generatoren im Triebstrang des Windkraftwerkes verzichtet. Diese Verbindung wird durch einen von einer Hydropumpe, die vom Rotor angetrieben wird, geförderten Gesamtvolumenstrom ersetzt, wobei der Gesamtvolumenstrom auf einen oder mehrere geschlossene hydraulische Teilkreisläufe (T_1-n) aufteilbar ist, wobei jeder Teilkreislauf (T_1-n) über eine Hydromotorenkombination mit einem Verstellhydromotor und einem Festhydromotor verfügt, wobei die Hydromotoren auf einer gemeinsamen Welle angeordnet oder miteinander starr gekoppelt sind und die Antriebswelle eines Synchrongenerators antreiben.
Das Schluckvolumen der Verstellhydromotoren wird durch eine Steuerung so eingestellt, dass im Inselbetrieb die Drehzahl der Antriebswelle des zugehörigen Synchrongenerators einen konstanten oder nahezu konstanten Wert annimmt, so dass die Synchrongeneratoren der Teilkreisläufe (T_1-n) ausgangsseitig direkt auf einen Verbraucher aufschaltbar sind.
Im Netzparallelbetrieb wird die Drehzahl der Synchrongeneratoren vom Netz bestimmt, so dass die Steuerung dann das Antriebsmoment der Generatorwellen so einstellt, dass ein Momentengleichgewicht zwischen dem Rotor und den Generatoren besteht.
Die Synchrongeneratoren sind somit in beiden Betriebsarten von der Rotordrehung unabhängig und können mit derjenigen Drehzahl drehen, die das Netz erzwingt bzw. die zu versorgenden Verbraucher erfordern.
Die dazu erforderliche Steuerung des Volumenstroms und des Betriebsdruckes im geschlossenen Hydrauliksystem wird durch die Verstellhydromotoren realisiert, deren Schluckvolumen durch eine elektro-hydraulische Verstellung des Hubvolumens ihrer vorzugsweise Axialkolben sehr schnell und genau geregelt werden kann.
Das maximale Gesamtschluckvolumen in jedem Teilkreislauf (T_1-n) der Hydromotorenkombination ergibt sich aus der Summe der Schluckvolumina von Fest- und Verstellhydromotor bei 100% Verstellung, wobei das Schluckvolumen des Festhydromotors kleiner, höchstens jedoch gleich dem maximalen Schluckvolumen des Verstellhydromotors ist.
Von den Verstellhydromotoren der Hydromotorenkombination jedes Teilkreislaufes (T_1-n) ist der größere Teil, mindestens jedoch die Hälfte, des Volumenstromes im jeweiligen Teilkreislauf (T_1-n) aufzunehmen.
Über die Volumenstromregelung werden bei gegebenem Gesamtvolumenstrom der Systemdruck, damit das dem Rotor entgegengesetzte Drehmoment und letztlich die Drehzahl des Rotors unmittelbar beeinflusst. Dadurch werden die Leistungsregelung und ihre Begrenzung auf die Nennleistung des Windkraftwerkes vermittels gezielter Drehzahlsteuerung des Rotors möglich. Die gewünschte Drehzahl des Rotors kann jederzeit exakt eingehalten werden.
Ferner kann der hydrostatische Antrieb den Rotor direkt und praktisch verschleißfrei abbremsen, wenn es das Betriebsregime erfordert. Die dabei umgewandelte kinetische Energie des Rotors fällt kurzzeitig als Wärmeenergie im Hydrauliköl an und kann wegen der hohen, volumenbedingten Wärmekapazität des gesamten Hydrauliksystems problemlos abgeführt werden.
Hierbei handelt es sich um ein außerordentlich zuverlässiges, anlagenschonendes und von äußeren Einflüssen nahezu unabhängiges Verfahren, dessen Einsatz in der konventionellen Anlagentechnologie so nicht möglich ist. Diese Art der Leistungsregelung ermöglicht auch den Verzicht auf die mechanische Verstellung der Rotorblätter um ihre Längsachse (Pitch).
Entsprechend angeordnete Überdruckventile im Hydrauliksystem des Hauptantriebes gestatten die Begrenzung des Öldruckes auf den auslegungsabhängigen Maximalwert. Ein den Öffnungsdruck übersteigender Systemdruck und damit ein überhöhtes Drehmoment als Gegenmoment für den Rotor sind damit sicher ausgeschlossen. Stattdessen wird der Rotor in der Regel abgebremst werden. Das ist mit einer Verringerung seines aerodynamischen Wirkungsgrades verbunden. Er nimmt also infolge des Bremsvorganges bei verringerter Drehzahl weniger Energie aus dem Wind, so dass durch gezielte Bremsvorgänge die Anlagenleistung geregelt und begrenzt werden kann.
Für den Fall, dass das durch die Hydropumpe bei maximalem Druck dem Rotor entgegengebrachte Bremsmoment bei extremen Windböen nicht zu einer Reduzierung der Rotordrehzahl führt, weicht der Rotor zunächst in Richtung höherer Drehzahlen aus, die die Anlage jedoch nicht überlasten können und beim Überschreiten zulässiger Grenzwerte letztlich vom Sicherheitssystem pariert werden.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass
es durch den Einsatz des erfindungsgemäßen hydrostatischen Antriebes möglich wird, Windkraftwerke mit echten Kraftwerkseigenschaften herzustellen und zu betreiben und
diese Windkraftwerke selbst dann, wenn kein Wind weht und sie demzufolge keinen Strom erzeugen können, eine wertvolle Systemdienstleistung für das Netz, an das sie angeschlossen sind, erbringen, indem ihre Synchrongeneratoren motorisch als Phasenschiebermaschinen zugeschaltet werden und kapazitive oder induktive Blindleistung bis zur Größe ihrer Nennleistung liefern.
Der erfindungsgemäße hydrostatische Antrieb soll anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen:
1: Hydrostatischer Antrieb mit zwei geschlossenen Teilkreisläufen,
2: Ventilblock und
3: Hydrostatischer Antrieb mit einem geschlossenen Teilkreislauf.
1 zeigt einen hydrostatischen Antrieb mit zwei geschlossenen Teilkreisläufen T1 und T2.
Der hydrostatische Antrieb ist seinem Wesen nach ein Fluidgetriebe, eingefügt in den Kraftfluss zwischen dem Rotor 19 und einem oder mehreren Synchrongeneratoren 5. Er besteht aus der Hydropumpe 1, den Ventilblöcken 2, den Hydromotoren 3 und 4, den Synchrongeneratoren 5, sowie dem Hydrauliksystem, bestehend aus dem Hochdruckspeicher 6, dem Niederdruckspeicher 7, der Speisepumpe 8, dem Rücklauffilter 9, dem Ölwärmetauscher 10, dem Druckbegrenzungsventil 11 und der Hochdruckpumpe 12 mit einem Umschaltventil zur Hochdruckeinspeisung 13 sowie dem Ausspülventilschaltventil 14.
Ein Hydromotor jedes Teilkreislaufes T1 und T2 ist ein Festhydromotor 3 und der andere ein Verstellhydromotor 4.
Die mechanisch mit dem Rotor 19 direkt verbundene Hydropumpe 1 wandelt die mechanische Energie des Rotors 19 verhältnismäßig verlustarm in hydraulische Strömungsenergie um und gibt sie über insgesamt 8 Ports, davon je 4 Ports für den Vorlauf VP und 4 Ports für den Rücklauf RP, an zwei separate geschlossene hydraulische Teilkreisläufe T1 und T2 ab. In beiden Teilkreisläufen wird die Strömungsenergie je einer Hydromotorkombination aus dem Festhydromotor 3 und dem Verstellhydromotor 4 zugeführt, die sie wieder in mechanische Energie zum Antrieb der mit den Hydromotorenkombinationen verbundenen Synchrongeneratoren 5 umwandeln.
Die Synchrongeneratoren 5 führen die letzte Energiewandlung in Elektroenergie durch. Diese wird direkt ins Netz eingespeist oder aber an die angeschlossenen Verbraucher abgegeben.
Als Hydropumpe 1 wird eine langsam laufende hydraulische Verdrängerpumpe, vorzugsweise eine Radialkolbenpumpe, verwendet. Sie ist bevorzugt so dimensioniert, dass ihre Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie möglichst genau der des Rotors 19 bei optimalem Gesamtwirkungsgrad der Hydropumpe 1 entspricht.
Die Hydromotorkombinationen bestehen aus je einem Festhydromotor 3 in Schrägscheiben- oder Schrägkolbenausführung und einem Verstellhydromotor 4, vorzugsweise in Schrägscheibenausführung.
Die Verstelleinheiten zur elektro-hydraulischen Steuerung des Schluckvolumens der Verstellhydromotoren 4 bilden mit diesen eine konstruktive Einheit.
Jeweils eine Hydromotorkombination 3, 4 ist mit je einem Synchrongenerator 5 mechanisch verbunden. Dazu ist das Gehäuse der Hydromotorkombination 3, 4 über einen Motorträger fest mit dem Gehäuse des Synchrongenerators 5 verbunden, vorzugsweise verschraubt. Die Wellen der Hydromotoren sind untereinander starr verbunden und die Abtriebswelle der Hydromotorkombination 3, 4 und die Antriebswelle des Synchrongenerators 5 verbindet bevorzugt eine elastische Kupplung.
Der Verstellhydromotor 4 und der Festhydromotor 3 jedes Teilkreislaufes T1 und T2 verfügen jeweils über einen hochdruckseitigen Vorlauf (VM) und einen niederdruckseitigen Rücklauf (RM), die indirekt über den Ventilblock 2 mit der Hydropumpe 1 verbunden sind.
Zwischen der Hydropumpe 1 und jeder Hydromotorkombination 3, 4 ist je ein Ventilblock 2 zwischengeschaltet. Dieser ist in 2 gezeigt.
Hochdruckseitig ist in den Weg Vorlauf VP → VM ein Proportionalstromregelventil 15 geschaltet, mit dem der Vorlauf ganz oder teilweise gesperrt werden kann. Pumpenseitig vor dem Proportionalstromregelventil 15 verbinden ein Überdruckventil 16 und ein Sicherheitsüberdruckventil 17 durch jeweils eine parallele Schaltung den hochdruckseitigen Vorlauf mit dem niederdruckseitigen Rücklauf. Diese beiden Ventile sind dafür zuständig, dass in den angeschlossenen Teilkreisläufen T1 und T2 ein höchstzulässiger Systemdruck nicht überschritten wird und damit eine Überlastung des Windkraftwerkes durch äußere Einwirkung praktisch ausgeschlossen ist.
Motorseitig verbindet ein Nachsaugventil 18 den Vorlauf und den Rücklauf. Dieses Nachsaugventil 18 sorgt dafür, dass beim Übergang des angeschlossenen Synchrongenerators 5 vom generatorischen in den motorischen Betrieb die Versorgung mit Speiseöl aufrecht erhalten bleibt. Gleichermaßen sichert es den gewollten motorischen Betrieb des Synchrongenerators 5, wenn dieser bei stehendem Rotor 19 motorisch als Phasenschiebermaschine arbeiten soll.
Ein oder auch mehrere Hochdruckspeicher 6, angeschlossen auf der Hochdruckseite mindestens eines der geschlossenen Teilkreisläufe T1 bzw. T2, dienen als Schockspeicher und sichern bei sehr schnellen Lastspitzen, die vom Rotor 19 ausgehen können, ein adäquates Reagieren der Betriebsführung des Windkraftwerkes. Darüber hinaus sind sie verantwortlich für eine bestimmungsgemäße Einstellung der Eigenfrequenz des gesamten hydrostatischen Antriebs, die so erfolgen muss, dass Eigenresonanzen während des Betriebes sicher vermieden werden.
Ein oder mehrere auf der Niederdruckseite mindestens eines der geschlossenen Teilkreisläufe T1 und T2 angeschlossene Niederdruckspeicher 7 gewährleisten, dass für das bestimmungsgemäße Füllen des Hochdruckspeichers 6 bzw. der Hochdruckspeicher 6 genügend Öl im geschlossenen System zur Verfügung steht.
Die Speisepumpe 8 sichert während des Betriebes die Versorgung der geschlossenen Teilkreisläufe T1 und T2 mit Speiseöl. Ihre Fördermenge ist so bemessen, dass einerseits die Leckölverluste der Hydropumpe 1 und der Hydromotoren 3, 4 nachgeführt werden. Andererseits wird der Hydropumpe 1 ein Überschuss an gekühltem Speiseöl aus dem Tank zugeführt, das hinter den Hydromotoren 3, 4 bei nicht geschaltetem Ausspülschaltventil 14 in gleicher Menge wieder ausgespült wird.
Das ausgespülte Öl durchläuft den Rücklauffilter 9, der es von mitgeführten Partikeln reinigt, durchläuft den Ölwärmetauscher 10, wo es gekühlt wird, und gelangt über das Druckbegrenzungsventil 11 wieder in den Tank zurück.
Oberhalb des Druckbegrenzungsventils 11 wird ein Teil des gereinigten und gekühlten Ölvolumenstroms abgezweigt und über das Gehäuse der Hydropumpe 1 in den Tank geleitet, wodurch eine Gehäusespülung der Hydropumpe 1 zur zusätzlichen Kühlung erreicht wird.
Ein umschaltbarer Abgang der Hochdruckpumpe 12, die für die Versorgung anderer Aggregate des Windkraftwerkes ohnehin vorhanden ist, ist je nach Stellung des Umschaltventils der Hochdruckeinspeisung 13 in Ruhestellung gesperrt oder aber entweder mit der Niederdruckseite oder der Hochdruckseite der geschlossenen Teilkreisläufe T1 und T2 verbunden.
Diese Anordnung erfüllt zwei Funktionen:
Bei vollständig geschlossenen Proportionalstromregelventilen 15 in allen Ventilblöcken 2, gelüfteter mechanischer Rotorbremse, Verbindung der Hochdruckpumpe 12 mit der Niederdruckseite und Verbindung der Hochdruckseite durch das Ausspülschaltventil 14 mit dem Rücklauffilter 9 wird die Hydropumpe 1 unter dem Einfluss des Volumenstromes der Hochdruckpumpe 12 zu einem langsam laufenden Hydromotor im offenen Hydraulikkreis, der den Rotor 19 auf eine für dessen schnellen Hochlauf günstige Anfangsdrehzahl bringt.
Das ist insbesondere dann unverzichtbar, wenn ein Windkraftwerk mit Zweiblattrotor über kein Pitchsystem verfügt, weil dann der selbständige Hochlauf des Rotors 19, wenn überhaupt, dann erst bei sehr hohen Windgeschwindigkeiten möglich wäre.
Bei vollständig geöffneten Proportionalstromregelventilen 15 in einem oder mehreren Ventilblöcken 2, angezogener mechanischer Rotorbremse, Verbindung der Hochdruckpumpe 12 mit der Hochdruckseite und Verbindung der Niederdruckseite durch das Ausspülschaltventil 14 mit dem Rücklauffilter 9 werden die zugehörigen Hydromotorkombinationen 3, 4 bei stehendem Rotor 19 unter dem Einfluss des Volumenstromes der Hochdruckpumpe 12 im offenen Hydraulikkreis angetrieben und sorgen für den leistungslosen Hochlauf der zugehörigen Synchrongeneratoren 5 bis auf Nenndrehzahl im generatorischen Betrieb. Sie können dann an das Netz ansynchronisiert werden, gehen anschließend in den motorischen Betrieb über und arbeiten als Phasenschiebermaschinen. Gleichzeitig damit gehen die Hydromotoren 3, 4 in den Pumpenbetrieb über, der durch die Nachsaugventile 18 in den Ventilblöcken 2 hinsichtlich der Speiseölversorgung gesichert ist, und laufen im Leerlauf mit. Ein Anlauf der Synchrongeneratoren als Motoren aus dem Stillstand wäre ansonsten nicht möglich.
Die Synchrongeneratoren 5 wandeln die mechanische Antriebsenergie der Hydromotoren 3, 4 in elektrische Energie um. Zum Einsatz kommen bürstenlose Drehstromsynchrongeneratoren mit rotierendem Erregersystem.
Die Erregung der Synchrongeneratoren 5 wird vom Betriebsführungssystem sowohl während des Produktionsbetriebes als auch im Phasenschieberbetrieb zweckentsprechend gesteuert. Gleiches gilt für die Ansynchronisation der Synchrongeneratoren 5 untereinander, an ein bestehendes Netz bzw. andere Windkraftwerke oder Elektrogeneratoren.
Die Synchrongeneratoren 5 arbeiten im Produktionsbetrieb mit fester Drehzahl. Das erfolgt völlig unabhängig von der jeweiligen Drehzahl des Rotors 19 des Windkraftwerkes. Die dazu erforderliche Steuerung der Verstellhydromotoren 4 in Abhängigkeit vom Volumenstrom erfolgt durch das Betriebsführungssystem. Die Synchrongeneratoren 5 können auch mit variabler Drehzahl arbeiten, wenn die angeschlossenen Verbraucher das erfordern.
Bei Netzparallelbetrieb wird der Leistungsfaktor cosφ als Maß des Verhältnisses von Wirk- zu Blindleistung sowohl im Produktionsbetrieb als auch im Phasenschieberbetrieb durch die entsprechende Einstellung der Erregerspannung der Synchrongeneratoren 5 vom Betriebsführungssystem bedarfsgerecht vorgenommen.
Im Inselbetrieb oder bei Betrieb in lokalen Netzen ist es möglich, dass nicht die gesamte Elektroenergie, die das Windkraftwerk bei gegebener Windgeschwindigkeit liefern könnte, auch tatsächlich abgenommen werden kann. Liegt dieser Leistungsbedarf unterhalb der Leistungskennlinie für den Ein-Generator-Betrieb, ist es möglich, mit nur einem Synchrongenerator 5 bis hin zu dessen maximaler Leistung zu arbeiten. Der Rotor 19 arbeitet mit entsprechend geringerer Drehzahl und die Hydropumpe 1 wegen des geringeren Volumenstromes nur mit einem geschlossenen Teilkreislauf T1 oder T2.
Die in den Teilkreisläufen T1 und T2 anfallende Verlustwärme wird über den Ölwärmetauscher 10 abgeführt. Besteht am Standort kein Wärmebedarf, kommen Öl-Luft-Wärmetauscher zum Einsatz. Ansonsten wird die Verlustwärme über Öl-Wasser-Wärmetauscher einem Heizkreislauf am Standort zugeführt. Umgekehrt kann über diesen Weg auch bei extrem tiefen Temperaturen die minimale Betriebstemperatur des Windkraftwerkes durch Zuführung von Wärme aus diesem Heizkreis sehr viel schneller hergestellt werden, als das Windkraftwerk aus eigener Kraft dazu in der Lage wäre.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der 3 dargestellt.
Es unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass nur ein geschlossener hydraulischer Kreislauf T1 und damit auch nur ein Synchrongenerator 5 vorhanden sind. Die Funktion unterscheidet sich nicht vom ersten Ausführungsbeispiel, lediglich die auf dem Vorhandensein von zwei Synchrongeneratoren 5 beruhenden Besonderheiten sind hier nicht gegeben.
Diese Art der Ausführung ist vorzugsweise für Windkraftwerke mit Nennleistungen bis zu etwa 100 kW zu bevorzugen. Die Ausführung mit zwei Synchrongeneratoren 5 ist bis zu etwa 1.000 kW Nennleistung realisierbar. Bei Windkraftwerken mit noch größeren Nennleistungen ist der Einsatz von mehr als zwei Synchrongeneratoren 5 vorteilhaft.
Im Allgemeinen aber ist die Anzahl der Synchrongeneratoren 5 beliebig und wird letztlich durch wirtschaftliche und technische Anforderungen an das Windkraftwerk bestimmt.
Bezugszeichenliste

1: Hydropumpe
2: Ventilblock
3: Hydromotor als Festmotor
4: Hydromotor als Verstellmotor
5: Synchrongenerator
6: Hochdruckspeicher
7: Niederdruckspeicher
8: Speisepumpe
9: Rücklauffilter
10: Ölwärmetauscher
11: Druckbegrenzungsventil
12: Hochdruckpumpe
13: Umschaltventil der Hochdruckeinspeisung
14: Ausspülschaltventil
15: Proportionalstromregelventil
16: Überdruckventil
17: Sicherheitsüberdruckventil
18: Nachsaugventil
19: Rotor

Claims

Hydrostatischer Antrieb eines Windkraftwerkes, bestehend mindestens aus einem Rotor (19), der durch die Windenergie antreibbar ist, zum Erzeugen einer Rotation einer mit dem Rotor (19) verbundenen Rotorwelle, einer über die Rotorwelle antreibbaren Hydropumpe (1) zum Umwandeln der Rotationsenergie der Rotorwelle in hydraulische Energie, regelbaren Hydromotoren (3, 4), die über eine Hydraulikleitung mit der Hydropumpe (1) verbindbar und von dieser dadurch antreibbar sind, dass in den regelbaren Hydromotoren (3, 4) ein Umwandeln der hydrostatischen Energie in eine Rotationsbewegung erfolgt und einen durch die regelbaren Hydromotoren (3, 4) antreibbaren Generator (5) zum Erzeugen von elektrischer Energie, wobei der von der Hydropumpe (1) geförderte Gesamtvolumenstrom auf einen oder mehrere geschlossene hydraulische Teilkreisläufe (T_1-n) aufgeteilt ist, wobei jeder Teilkreislauf (T_1-n) über eine Hydromotorenkombination mit je einem Verstellhydromotor (4) und einem Festhydromotor (3) verfügt, wobei der Verstellhydromotor (4) und der Festhydromotor (3) jedes Teilkreislaufes (T_1-n) jeweils über einen hochdruckseitigen Vorlauf (VP) und einen niederdruckseitigen Rücklauf (RP) verfügen, die indirekt über einen speziellen Ventilblock (2) mit der Hydropumpe (1) gekoppelt sind, jeweils ein Verstellhydromotor (4) und ein Festhydromotor (3) auf einer gemeinsamen Welle angeordnet oder miteinander starr gekoppelt sind und die Antriebswelle eines Synchrongenerators (5) antreiben, wobei das Schluckvolumen der Verstellhydromotoren (4) durch eine Steuerung so einstellbar ist, dass die Drehzahl der Antriebswelle des zugehörigen Synchrongenerators (5) einen im Inselbetrieb einen konstanten oder nahezu konstanten Wert annimmt, so dass die Synchrongeneratoren (5) der Teilkreisläufe (T_1-n) ausgangsseitig direkt auf die Verbraucher aufschaltbar sind und sich im Netzparallelbetrieb bei konstanter, vom Netz bestimmter Drehzahl ein Momentengleichgewicht zwischen Rotordrehmoment und summarem Generatordrehmoment einstellt.
Hydrostatischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellhydromotor (4) und der Festhydromotor (3) jedes Teilkreislaufes (T_1-n) jeweils über einen hochdruckseitigen Vorlauf (VM) und einen niederdruckseitigen Rücklauf (RM) verfügen, die bevorzugt indirekt über einen speziellen Ventilblock (2) mit der Hydropumpe (1) gekoppelt sind.
Hydrostatischer Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem der Teilkreisläufe (T_1-n) im jeweiligen hochdruckseitigen Vorlauf (VP) des Volumenstromes zu der jeweiligen Hydromotorenkombination aus Fest- und Verstellhydromotor (3, 4) ein Proportionalstromregelventil (15) in Reihe mit dem Volumenstrom angeordnet ist.
Hydrostatischer Antrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem der Teilkreisläufe (T_1-n) jeweils pumpenseitig vor dem Proportionalstromregelventil (15) eine parallel geschaltete, den hochdruckseitigen Vorlauf (VP) und den niederdruckseitigen Rücklauf (RP) verbindende Überdrucksicherung, vorzugsweise ein Überdruckventil (16) und ein Sicherheitsüberdruckventil (17) angeordnet sind.
Hydrostatischer Antrieb nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem der Teilkreisläufe (T_1-n) jeweils hydromotorenseitig nach dem Proportionalstromregelventil (15) ein parallel geschaltetes, den hochdruckseitigen Vorlauf (VM) und den niederdruckseitigen Rücklauf (RM) verbindendes Nachsaugventil (18) angeordnet ist.
Hydrostatischer Antrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Teilkreisläufen (T_1-n) zwischen der Hydropumpe (1) und dem Verstellhydromotor (4) und dem Festhydromotor (3) zwischengeschalteten Ventilblöcke (2) mindestens das Proportionalstromregelventil (15), das Überdruckventil (16), das Sicherheitsüberdruckventil (17) und das Nachsaugventil (18) enthalten.
Hydrostatischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Teilkreisläufe (T_1-n) hochdruckseitig im Vorlauf (VM) mit mindestens einem Hochdruckspeicher (6) versehen ist, der zur Einstellung der Eigenfrequenz des hydrostatischen Antriebs und zum Ausregeln von Lastspitzen dient.
Hydrostatischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydropumpe (1) eine langsam laufende Radialkolbenpumpe zum Speisen der Teilkreisläufe (T_1-n) ist, die so dimensioniert ist, dass ihre Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie der des Rotors (19) bei optimalem oder angenähert optimalem Wirkungsgrad der Radialkolbenpumpe entspricht.
Hydrostatischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Festhydromotor (3) als Schrägscheiben- oder Schrägkolbenmaschine und der Verstellhydromotor (4) bevorzugt als Schrägscheibenmaschine ausgeführt ist.
Hydrostatischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydromotorenkombination (3, 4) mit dem Synchrongenerator (5) neben der Antriebsverbindung weiter mechanisch verbunden ist durch eine Verbindung des Gehäuses der Hydromotorenkombination (3, 4) und des Gehäuses des jeweiligen Synchrongenerators (5) über einen Motorträger.
Hydrostatischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich in jedem Teilkreislauf (T_1-n) das maximale Gesamtschluckvolumen der Hydromotorenkombination (3, 4) aus der Summe der Schluckvolumina von Fest- und Verstellhydromotor (3, 4) bei 100%iger Verstellung ergibt, wobei das Schluckvolumen des Festhydromotors (3) kleiner, höchstens gleich dem maximalen Schluckvolumen des Verstellhydromotors (4) ist.
Hydrostatischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass von den Verstellhydromotoren (4) der Hydromotorenkombination (3, 4) eines jeden Teilkreislaufes (T_1-n) der größere, mindestens jedoch der halbe Teil des Volumenstromes im jeweiligen Teilkreislauf (T_1-n) aufnehmbar ist.
Hydrostatischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass niederdruckseitig im Rücklauf (RP) in mindestens einem Teilkreislauf (T_1-n) ein geringfügig vorgespannter Niederdruckspeicher (7) angeordnet ist.
Verfahren zum Betrieb eines hydrostatischen Antriebs einer Windenergieanlage, bei der ein Rotor (18) durch die Windenergie angetrieben wird und eine mit dem Rotor (18) gekoppelte Rotorwelle antreibt, die wiederum eine Hydropumpe (1) zum Umwandeln der Rotation der Rotorwelle in eine hydraulische Energie bewegt, der von der Hydropumpe (1) geförderte Gesamtvolumenstrom auf einen oder mehrere geschlossene hydraulische Teilkreisläufe (T_1-n) aufgeteilt wird, wobei jeder Teilkreislauf (T_1-n) über eine Hydromotorenkombination (3, 4) mit einem Verstellhydromotor (4) und einem Festhydromotor (3) verfügt, wobei der Verstellhydromotor (4) und der Festhydromotor (3) jedes Teilkreislaufes (T_1-n) jeweils über einen hochdruckseitigen Vorlauf (VP) und einen niederdruckseitigen Rücklauf (RP) verfügen, die indirekt über einen speziellen Ventilblock (2) mit der Hydropumpe (1) gekoppelt sind, jeweils ein Verstellhydromotor (4) und ein Festhydromotor (3) auf einer gemeinsamen Welle angeordnet oder miteinander starr gekoppelt sind und die die Antriebswelle eines Synchrongenerators (5) antreiben, wobei das Schluckvolumen der Verstellhydromotore (4) durch eine Steuerung so eingestellt wird, dass die Drehzahl der Antriebswelle des zugehörigen Synchrongenerators (5) einen konstanten oder nahezu konstanten Wert annimmt, und dass die Synchrongeneratoren (5) der Teilkreisläufe (T_1-n) ausgangsseitig direkt auf ein Netz oder auf einen Verbraucher aufgeschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuerung der Verstellung der Verstellhydromotoren (4) der Druck im jeweiligen Teilkreislauf (T_1-n) so eingestellt wird, dass die vom Rotor (19) über die Hydropumpe (1) in den jeweiligen Teilkreislauf (T_1-n) eingetragene mechanische Leistung, gemindert um Übertragungs- und Umwandlungs- und Strömungsverluste, vollständig auf die jeweilige Antriebswelle des zugehörigen Synchrongenerators (5) übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweils in den Teilkreisläufen (T_1-n) angeordnetes Überdruckventil (16) selbsttätig bei Erreichen seines Ansprechdrucks öffnet, dadurch den maximalen Druck auf der Hochdruckseite (VP) und damit das maximal von der Hydropumpe (1) dem Rotor (19) entgegengesetzte Drehmoment begrenzt, wobei im Falle des Versagens des Überdruckventils (16) ein Sicherheitsüberdruckventil (17) dessen Funktion selbsttätig übernimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein direkt an die Hochdruckseite (VM) eines Teilkreislaufes (T_1-n) angeschlossener Hochdruckspeicher (6) so bemessen wird, dass er einen plötzlich auftretenden Druckanstieg im Sinne eines Schockspeichers aufnimmt und kompensiert, die Eigenfrequenz des hydrostatischen Antriebs aus dem Bereich der Anregungsfrequenz durch den drehenden Rotor (19) infolge dessen Durchlaufes durch die Staudruckzone vor dem Turm ausreichend verschiebt sowie Pendelungen der Synchrongeneratoren (5) infolge des Ausregelns von Lastschwankungen im Netz oder bei den Verbrauchern weitestgehend verhindert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der an die Niederdruckseite (RP) eines hydraulischen Teilkreislaufes (T_1-n) angeschlossene geringfügig vorgespannte Niederdruckspeicher (7) so bemessen wird, dass er das zur Füllung des Hochdruckspeichers (6) erforderliche Ölvolumen unabhängig vom Speisesystem kurzfristig bereitstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass auslegungsabhängig bei geringen Windgeschwindigkeiten nur ein Teilkreislauf (T1) und damit eine Hydromotorenkombination aus Fest- und Verstellhydromotor (3, 4) und ein Synchrongenerator (5) arbeiten, wobei weitere Teilkreise (T_2-n) durch die zugehörigen Proportionalstromregelventile (15) vollständig gesperrt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass bei geringer Lastabnahme unabhängig von der aktuellen Windgeschwindigkeit nur eine Kombination von Fest- und Verstellhydromotoren (3, 4) und ein zugehöriger Synchrongenerator (5) arbeiten und zwar bis maximal zur Hälfte der Nennleistung des Windkraftwerkes, wobei die Hydropumpe (1) nur mit halbem Fördervolumen arbeitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die in die geschlossenen hydrostatischen Teilkreise (T_1-n) integrierten Proportionalstromregelventile (15) dazu benutzt werden, die Rotordrehzahl direkt und unmittelbar zu beeinflussen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass bei völligem Stillstand des Rotors (19) im angebremsten Zustand, beispielweise bei Sturmsicherung oder bei Flaute, mindestens ein Synchrongenerator (5) als Phasenschiebermaschine parallel zum Netz im motorischen, übererregten oder untererregten Betrieb läuft und Blindarbeit leistet, wobei der generatorische Hochlauf des Synchrongenerators (5), seine Ansynchronisation ans Netz und sein selbstätiger Übergang in den motorischen Betrieb durch die erfindungsgemäße Ausführung des hydrostatischen Antriebs sichergestellt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydropumpe (1) in den Motorbetrieb überführt werden kann, wodurch dem Rotor (19) eine für den Hochlauf sinnvolle Mindestdrehzahl aufgeprägt wird, die insbesondere dann erforderlich sein kann, wenn die Rotorblätter nicht mittels Pitch verstellbar sind oder werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die in den hydraulischen Teilkreisläufen (T_1-n) anfallende Verlustwärme vermittels Öl-Wasser-Wärmetauschern (10) einem Wärmekreislauf zugeführt wird und/oder umgekehrt bei extrem tiefen Temperaturen die minimale Betriebstemperatur des Windkraftwerkes über diesen Weg beschleunigt eingestellt wird.