DE102009044603A1

DE102009044603A1 - Verfahren und Einrichtung zum Schutz gegen Wind und zum Abbremsen einer Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102009044603A1
Application number: DE102009044603A
Authority: DE
Inventors: Tzu-Yao Huang; Shie-Li Jan
Original assignee: Hiwin Mikrosystem Corp
Current assignee: Hiwin Mikrosystem Corp
Priority date: 2009-09-18
Filing date: 2009-11-20
Publication date: 2011-05-26
Also published as: US20110068577A1

Abstract

Eine erfindungsgemäße Windschutzeinrichtung einer Windkraftanlage weist ein Anemotropometer (20), einen Prozessor (30) und einen Lenkregler (40) auf.
Das an der Windkraftanlage angebrachte Anemotropometer (20) liefert die Signale der Windrichtung und der Windgeschwindigkeit. Der Prozessor (30) ist in der Windkraftanlage untergebracht und zum Empfang der Signale der Windrichtung und der Windgeschwindigkeit mit dem Anemotropometer (20) gekoppelt. Anhand der Signale der Windrichtung und der Windgeschwindigkeit wird ein Sollschwenkwinkel der Gondel (11) der Windkraftanlage von dem Prozessor (30) berechnet, aus dem ein Schwenkwinkelsignal von dem Prozessor (30) erzeugt wird. Der in der Windkraftanlage eingebaute Lenkregler (40) sorgt für die Regelung des Schwenkvorgangs der Gondel (11). Dabei ist der Schwenkregler zum Empfang des Schwenkwinkelsignals und zur Regelung der Schwenkung der Gondel (11) zu dem Sollschwenkwinkel an den Prozessor (30) angeschlossen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzeinrichtung einer Windkraftanlage, insbesondere eine Einrichtung zum automatischen Schwenken des Rotors und der Gondel, wenn die Windgeschwindigkeit in der Ausrichtrichtung der Rotorblätterebene der Windkraftanlage einen Sicherheitswert übersteigt.
Durch den vom Wind angetriebenen Rotor wird die Windenergie von einer Windkraftanlage in mechanische Energie umgewandelt, die wiederum von einem Generator in elektrische Energie umgewandelt und mit einem Akkumulator gespeichert wird. Die Windkraftanlage soll ausschließlich in einem Sicherheitsbereich der Windgeschwindigkeit betrieben werden. Im Betrieb in einem Sicherheitsbereich der Windgeschwindigkeit wird die Rotorebene für einen optimalen Windtriebeffekt senkrecht zu der Windrichtung ausgerichtet.
Wenn der Wind zu schnell weht und die Windgeschwindigkeit über einem festgelegten Sicherheitsbereich liegt, wird ein in der Gondel der Windkraftanlage untergebrachtes Bremssystem automatisch aktiviert. Die Rotorblätter werden von dem Bremssystem zum Stillstand gebracht, um Schäden wie Bruch der Rotorblätter, Beschädigung des Getriebes usw. vorzubeugen, die auf unkontrollierte hohe Drehzahlen des von dem Starkwind angetriebenen Rotors zurückzuführen sind.
Die herkömmlichen Bremssysteme sind entweder elektromagnetisch oder mechanisch ausgeführt. Neben den hohen Beschaffungskosten werden die elektromagnetischen Bremssysteme ohne Stromversorgung automatisch außer Betrieb genommen, während die mechanischen Bremssysteme aufgrund der komplizierten Mechanismen eine reguläre Instandhaltung und Wartung benötigen. Generell erhöhen sich die Belastungen der Bremssysteme mit ansteigender Windgeschwindigkeit und ein defektes Bremssystem könnte zum Bruch der Rotorblätter, Zerstörung der Bauelemente der Mechanismen, sogar zum Verkippen bzw. Einstürzen des Turms usw. führen.
Im Hinblick darauf, dass das Bremssystem nicht in der Lage ist, der Windkraftanlage genügende Funktionssicherheit bei der Konfrontation mit heftigem Wind zu verleihen, wird ein Verfahren zum Schutz der Windkraftanlage gegen heftigen Wind offenbart, das auf der Reduzierung der Belastung des Bremssystems der Windkraftanlage basiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windschutzeinrichtung einer Windkraftanlage zu schaffen, die zum Drehen der Windkraftanlage aktiviert wird, wenn die Windgeschwindigkeit eine Sicherheitswindgeschwindigkeit übersteigt. Durch das Schwenken der Rotorebene des Rotors in die Windrichtung wird die Drehzahl des Rotors aufgrund der verringerten Windseitenfläche reduziert, um die Bremsbelastung des Bremssystems zu reduzieren somit die evtl. die Zerstörung der Windkraftanlage durch einen zu starken Wind zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Einrichtung, die die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Eine erfindungsgemäße Windschutzeinrichtung einer Windkraftanlage weist ein Anemotropometer, einen Prozessor und einen Lenkregler auf.
Das an der Windkraftanlage angebrachte Anemotropometer liefert die Signale der Windrichtung und der Windgeschwindigkeit. Der Prozessor ist in der Windkraftanlage untergebracht und zum Empfang der Signale der Windrichtung und der Windgeschwindigkeit mit dem Anemotropometer gekoppelt. Anhand der Signale der Windrichtung und der Windgeschwindigkeit wird ein Sollschwenkwinkel der Gondel der Windkraftanlage von dem Prozessor berechnet, aus dem ein Schwenkwinkelsignal von dem Prozessor erzeugt wird. Der in der Windkraftanlage eingebaute Lenkregler sorgt für die Reglung des Schwenkvorgangs der Gondel. Dabei ist der Schwenkregler zum Empfang des Schwenkwinkelsignals und zur Regelung der Schwenkung der Gondel zu dem Sollschwenkwinkel an den Prozessor angeschlossen.
Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausgestaltungen anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1 eine perspektivische Darstellung I eines Windgenerators in Verbindung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schutz gegen Wind;
2 eine perspektivische Darstellung II eines Windgenerators in Verbindung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schutz gegen Wind;
3 einen vergrößerten Ausschnitt aus 1;
4 eine perspektivische Darstellung eines Windgenerators in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei der Windgenerator einer sicheren Windkraft ausgesetzt ist und die Rotorebene senkrecht zur Windrichtung steht; und
5 eine perspektivische Darstellung eines Windgenerators in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei der Windgenerator einer Windkraft größer als zulässige Kraft ausgesetzt ist und die Rotorebene parallel zur Windrichtung verläuft.
Eine mit einer erfindungsgemäßen Windschutzeinrichtung ausgestattete Windkraftanlage ist in 1 bis 3 dargestellt, die einen Turm 10, eine auf dem Turm 10 angeordnete Gondel 11 und einen an dem vorderen Ende der Gondel 11 montierten Rotor 12 aufweist. Der Stromerzeugungsmechanismus, das Bremssystem und die Verbindung dieser beiden mit dem Rotor 12, wobei diese drei sich im Inneren des Maschinenraums befinden, sind an sich bekannt und brauchen hier nicht näher erläutert zu werden.
Der Stromerzeugungsmechanismus, das Bremssystem und die Verbindung dieser beiden mit dem Rotor 12, die sich im Inneren des Maschinenraums befinden, sind an sich bekannt und brauchen hier nicht näher erläutert zu werden.
Die oben erwähnte Windschutzeinrichtung umfasst ein Anemotropometer 20, einen Prozessor 30 und einen Lenkregler 40. Das Anemotropometer 20 ist auf der Windaufnahmeseite 111 der Gondel 11 angeordnet, während der Prozessor 30 an dem Turm 10 befestigt und mit dem Anemotropometer 20 gekoppelt ist. Der Lenkregler 40 ist als Direktantriebsmotor 42 ausgeführt, der im Kopfbereich des Turms 10 eingebaut ist. Zum Schwenken der Gondel 11 ist die Antriebswelle 41 des Direktantriebsmotors 42 mit der Gondel 11 verbunden.
Das oben erwähnte Anemotropometer 20 gehört zu einem herkömmlichen Gerät und ist mit einem stromlinienförmigen Aufbau 21 ausgestattet. Zur Erfassung der Windgeschwindigkeit ist ein Flügelrad 22 mit vier Blättern auf der vorderen Seite des Aufbaus 21 angeschraubt, während eine Windfahne 24 zur Erfassung der Windrichtung in einem hinteren Bereich des Aufbaus 21 angeordnet ist. Die erfassten Signale der Windrichtung und der Windgeschwindigkeit werden dem Prozessor 30 zugeführt. Mittels der hinterlegten Algorithmen wird ein Sollschwenkwinkel der Gondel 11 von dem Prozessor 30 anhand der Eingangssignale der Windrichtung und der Windgeschwindigkeit berechnet. Zum Aktivieren des Direktantriebsmotors 42 wird das Signal des Schwenkwinkels an das Steuergerät des Direktantriebsmotors 42 übertragen, so dass die Gondel 11 von der Antriebswelle 41 des Direktantriebsmotors 42 auf den vorgegebenen Schwenkwinkel geschwenkt wird.
Steht die Rotorebene 121 des Rotors 12 senkrecht zu der mit dem Pfeil A gekennzeichneten Windrichtung, wird ein optimaler Windantriebswinkel des Rotors 12 erreicht, wie in 4 gezeigt ist. Wenn die Rotorebene 121 des Rotors 12 parallel zu der Windrichtung geschwenkt wird, kann der Rotor 12 nicht von dem Wind angetrieben werden. Bezug nehmend auf 5, übersteigt die von dem Anemotropometer 20 gemessene Windgeschwindigkeit die Sicherheitswindgeschwindigkeit, wird die Gondel 11 von dem Lenkregler 40 geregelt auf einen vorgegebenen Schwenkwinkel geschwenkt, so dass die Rotorebene 121 des Rotors 12 auf die mit dem Pfeil A gekennzeichnete Windrichtung ausgerichtet wird und der Rotor 12 nicht von dem Wind angetrieben werden kann. Gleichzeitig wird der Rotor 12 zur Vermeidung einer durch einen zu starken Wind hervorgerufenen, unkontrollierten Drehung mit hoher Drehzahl sogar eines daraus resultierten Bruchs der Rotorblätter abgebremst. Somit werden sowohl die Bremsbelastung des Bremssystems als auch die Windbelastung des Turms 10 reduziert, was die Gefahr des Verkippens bzw. des Einstürzens des Turms 10 aufgrund der übermäßigen Windstärke ausschließt.

Claims

Einrichtung zum Schutz gegen Wind und zum Abbremsen einer Windkraftanlage, aufweisend: ein an der Windkraftanlage angebrachtes Anemotropometer (20), welches Signale der Windrichtung und der Windgeschwindigkeit erzeugt; einen in der Windkraftanlage eingebauten Prozessor (30), der zum Empfang der Signale der Windrichtung und der Windgeschwindigkeit mit dem Anemotropometer (20) gekoppelt ist, wobei ein Sollschwenkwinkel der Gondel (11) der Windkraftanlage anhand der Signale der Windrichtung und der Windgeschwindigkeit berechnet und in ein Schwenkwinkelsignal umgewandelt wird; und einen in der Windkraftanlage eingebauten Lenkregler (40), der für die Regelung des Schwenkens der Gondel (11) sorgt und mit dem Prozessor (30) verbunden ist, um das Schwenkwinkelsignal zu empfangen und die Gondel (11) zu einem vorgegebenen Schwenkwinkel zu schwenken.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anemotropometer (20) auf der Windaufnahmeseite (111) der Gondel (11) angeordnet ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor (30) an dem Turm (10) der Windkraftanlage befestigt ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lenkregler (40) als Direktantriebsmotor (42) ausgeführt ist.
Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Direktantriebsmotor (42) im Kopfbereich des Turms (10) der Windkraftanlage eingebaut und dessen Antriebswelle (41) mit der Gondel (11) verbunden ist.
Verfahren zum Schutz gegen Wind, welches mit der Einrichtung nach Anspruch 1 zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass der oben erläuterte Lenkregler (40) anhand des von dem Prozessor (30) gelieferten Schwenkwinkelsignals den Schwenkvorgang der Gondel (11) derart regelt, dass die Rotorebene (121) des Rotors (12) nach dem Schwenken parallel zu der Windrichtung ausgerichtet ist.