DE102009059668A1

DE102009059668A1 - Windenergieanlage und Verfahren zum Steuern einer solchen

Info

Publication number: DE102009059668A1
Application number: DE102009059668A
Authority: DE
Inventors: Andreas 63849 Vath; Bernd Dr. 97816 Schnurr; Heinrich 59348 Lackenberg; Markus Dr. 89551 Willert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-12-19
Filing date: 2009-12-19
Publication date: 2011-06-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit wenigstens einem zur Windrichtung verstellbaren, einen Rotorkopf (151) sowie daran befestigte Rotorblätter (152) umfassenden Rotor (150) sowie wenigstens einem auf der Luv-Seite des wenigstens einen Rotors (150) positionierten Winderfassungssystem (160), wobei das wenigstens eine Winderfassungssystem (160) drehfest an dem Rotorkopf (151) des Rotors (150) angeordnet ist und den Wind in einem vorbestimmten Mindestabstand (D) erfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windenergieanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Steuern einer Windenergieanlage.
Stand der Technik
In jüngster Zeit werden insbesondere im Zuge der Diskussion einer Klimaveränderung immer mehr Windenergieanlagen bzw. Windkraftanlagen zur Stromerzeugung eingesetzt. Ein großer Teil der Windenergieanlagen verfügt über eine horizontale Rotorachse und muss deshalb der Windrichtung nachgeführt werden. Die Gondel, die den Rotor trägt, ist mit einem sogenannten Azimutlager horizontal drehbar auf dem Turm angeordnet, wobei die Ausrichtung des Rotors in den Wind üblicherweise mittels entsprechender Stellmotoren erfolgt. Die Windenergieanlagen weisen dazu Windsensoren zur Bestimmung der Windrichtung. und/oder Windgeschwindigkeit auf.
Bei einer Windenergieanlage handelt es sich um ein hochkomplexes und massereiches System, in dem eine Vielzahl von Komponenten zu Eigenschwingungen angeregt werden können. Zur Optimierung der Energieausbeute, zur Schonung der Bauteile, zur Vermeidung von Resonanzschwingungen, zur Reaktion auf veränderte Windverhältnisse usw. sind Windenergieanlagen einer gewissen Größe daher mit entsprechenden Windmesssystemen bzw. Windsensoren ausgerüstet.
In der DE 10 2007 020 076 B4 wird beschrieben, dass in der Vergangenheit der Wind vor der Rotornabe gemessen wurde, wobei die Messposition vor dem Rotor über eine Drehdurchführung durch die Rotorwelle erreicht worden ist. Auf Grund des hohen technischen Installationsaufwandes, der bei den immer größer werdenden Windenergieanlagen zunimmt, hat sich dieses Verfahren nicht durchgesetzt.
Üblicherweise erfolgt daher die Windmessung mit Anemometern und Windfahnen, die auf dem Maschinenhaus der Windenergieanlage montiert sind. Da dieser Messort bei den genannten Anlagen auf der dem Wind abgewandten Seite des Rotors liegt, erfolgen die Windmessungen in einer turbulenten Strömung, die von der Abschattung des Rotors hervorgerufen wird. Die daraus folgende breite Streuung der Messergebnisse führt trotz mathematischer Bearbeitung zu Ungenauigkeiten beider Bestimmung der Windrichtung und Windgeschwindigkeit, die zu einem Leistungsverlust der Anlage führen können. Mit einer genaueren Messung der Windrichtung im nicht turbulenten Luftstrom könnte auch der Rotor einer Windenergieanlage genauer der vorherrschenden Windrichtung angepasst werden. Damit würden zum einen der Energieertrag erhöht und zum anderen die Betriebslasten reduziert, da ungünstige Rotorstellungen, die zu Schräganströmungen und Strömungsabrissen führen, vermieden werden könnten.
Als Verbesserung schlägt die DE 10 2007 020 076 A1 ein Windmesssystem für eine Windenergieanlage vor, bei dem der Windsensor auf einem von der Drehbewegung des Rotorkopfes durch ein Drehlager entkoppelten Instrumententräger angebracht ist.
Alle im Stand der Technik offenbarten Lösungen sind relativ aufwendig. Weiterhin ist die Anordnung des Sensors nicht optimal, um schnell auf veränderte Windverhältnisse zu reagieren.
Es ist daher wünschenswert, eine Windenergieanlage mit verbesserter Sensoranordnung anzugeben.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden eine Windenergieanlage sowie ein Verfahren zum Steuern einer Windenergieanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung macht sich zunutze, dass ein Winderfassungssystem auf der Luv-Seite des Rotors besonders einfach und insbesondere unter Einsparung von Drehdurchführungen u. ä. angeordnet werden kann, wenn es drehfest mit dem Rotorkopf verbunden wird. Weiterhin findet die Messung bzw. Erfassung in einem genügend großen Abstand vor dem Rotorkopf statt, sodass eine rechtzeitige Reaktion auf veränderte Windbedingungen möglich ist. Je nach Ausgestaltung des Winderfassungssystem kann dazu dieses in dem Abstand angeordnet sein (z. B. bei einem Anemometer) oder der Messpunkt des Winderfassungssystems kann in diesem Abstand liegen (z. B. bei Radar usw.).
Somit können Windrichtung und Windgeschwindigkeit in einem ausreichenden Abstand vor dem Rotor erfasst werden, sodass die darauf reagierende Ansteuerung zumindest begonnen wurde oder sogar bereits abgeschlossen ist, wenn der Wind den Rotor erreicht. So kann schnell beispielsweise auf Windböen durch Verstellung der Rotorblätter reagiert werden. Weiterhin kann das Auftreten von Schwingungen beispielsweise durch entsprechende Ansteuerung des Generatormoments bereits in der Entstehungsphase reduziert werden. Die mit der erfindungsgemäßen Windenergieanlage erreichbare Energieausbeute ist erhöht. Mögliche Reaktionen, welche auf Grundlage von mit einem Winderfassungssystem erfassten Messwerten möglich sind, sind die Einstellung von Pitch, Azimut, Dämpfung u. ä. Die Erfindung ist besonders für Windenergieanlagen mit Rotordurchmessern von mehr als 50 m, vorzugsweise mehr als 80 m geeignet, welche besonders leistungsfähig sind und bei denen eine schnelle Reaktion besonders vorteilhaft ist.
Im Stand der Technik ist bisher ausschließlich die Lösung verbreitet, nach der ein Windsensor gegenüber dem Rotorkopf und der Nabe drehbar gelagert wird. Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass eine drehfeste Anordnung auf dem Rotorkopf besondere konstruktive Vorteile bietet. Insbesondere bei Einsatz einer kabellosen Datenübertragung kann auf Drehdurchführungen, Schleifringe, Bürsten u. ä. verzichtet werden.
Das Winderfassungssystem kann ein Anemometer sein. Insbesondere bei größeren Anlagen kann es jedoch zweckmäßig sein, die Windgeschwindigkeit und Richtung nicht nur an einem Punkt, sondern mit Hilfe geeigneter Messsysteme wie z. B. Lidar, Radar, Sonar usw. räumlich und/oder flächig, bspw. über die komplette Rotorfläche und/oder in verschiedenen Schichten vor der Rotorfläche, zu erfassen und so eine Verteilung der Windgeschwindigkeit vor dem Rotor zu ermitteln. Aus den Windgeschwindigkeiten der verschiedenen Schichten vor der Rotorfläche und/oder der räumlichen Windverteilung kann das Strömungsprofil, das in der Rotorebene Vorliegen wird, rechtzeitig vorberechnet werden.
Sind mehrere Windenergieanlagen benachbart angeordnet, bspw. in einem sogenannten Windpark, kann unter Verwendung der Winderfassungssysteme ein Windprofil bestimmt werden, welches dann vorzugsweise als Grundlage einer übergeordneten Regelung der Windenergieanlagen dienen kann Somit können an einer Anlage erfasste Werte auch zur Steuerung anderer Anlagen dienen.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung
1 zeigt schematisch eine Seitenansicht einer Windenergieanlage gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Ausführungsbeispiele
In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage schematisch in einer Seitenansicht dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet. Die Windenergieanlage 100 umfasst einen Turm 110, auf dem mittels eines Azimutlagers 120 eine Gondel 130 um eine vertikale Achse drehbar gelagert ist. In der Gondel sind Stromerzeugungssysteme wie z. B. ein Generator 131, ein Antriebsstrang 132 umfassend Getriebe, Kupplungen und Wellen, sowie eine Steuereinrichtung 133 angeordnet. Aus der Gondel 130 ragt die mit dem Antriebsstrang 132 verbundene Nabe 140, die mit einem Rotorkopf 151 eines Rotors 150 verbunden ist. An dem Rotorkopf 151 sind Rotorblätter 152 befestigt.
Die Windenergieanlage 100 weist weiterhin ein Winderfassungssystem 160 auf, das u. a. zur Erfassung von Windrichtung und/oder Windgeschwindigkeit dient, um beispielsweise die Ausrichtung des Rotors und der Gondel zum Wind (Azimut), die Anstellung der Rotorblätter zum Wind (Pitch) und/oder das Generatormoment zur Schwingungsdämpfung auf Grundlage der erfassten Messwerte zu steuern.
Gemäß der hier dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist das Winderfassungssystem 160 an einem hier als Rohr bzw. Stange 170 ausgebildeten Träger angebracht, welcher zentral und drehfest an dem Rotorkopf 151 befestigt ist. Zur Stabilisierung können zwischen dem Winderfassungssystem 160 bzw. dessen Befestigung an dem Rohr 170 und dem Rotorkopf 151 Spannseile 171 gespannt sein. Das Winderfassungssystem 160 ist einem vorbestimmten Abstand D luvseitig vor dem Rotorkopf 151 befestigt, wobei der Abstand D so bemessen ist, dass eine ausreichende Reaktionszeit, beispielsweise für die Anstellung der Rotorblätter oder die Stellung des Rotors zum Wind, zur Verfügung steht. Der Abstand D beträgt vorzugsweise wenigstens 2 Meter, mehr vorzugsweise wenigstens 3, 4 oder 5 Meter. Bei der Verwendung von Messsystemen wie z. B. Lidar, Sonar, Radar usw., die das Windfeld vor dem Rotor in mehr als einem Punkt vermessen, kann dieser Abstand auch geringer sein. Wesentlich ist hierbei, dass der Messpunkt in einem ausreichenden Abstand liegt.
Zur Vereinfachung der Datenübertragung von dem Winderfassungssystem 160 an die Steuereinrichtung 133 der Windenergieanlage 100 verfügt das Winderfassungssystem 160 über eine Schnittstelle 161 zur kabellosen Datenübertragung. Die Schnittstelle 161 kann direkt am Winderfassungssystem oder – wie abgebildet – beabstandet vom Winderfassungssystem innerhalb der Gondel 130 angeordnet sein, wobei in diesem Fall die Zuleitung 162 zweckmäßigerweise innerhalb des Rohrs 170 durch den Rotorkopf 151 und innerhalb der Nabe 140 verläuft, wobei hierzu in besonders vorteilhafter Weise keine Drehentkopplung notwendig ist. Die Energieversorgung kann auf demselben Wege erfolgen. Insbesondere weist die Rotornabe 140 meist ohnehin mitdrehende elektrische Systeme für eine Energieversorgung auf, die zur Versorgung des Winderfassungssystems mit Energie dienen kann.
Durch die erfindungsgemäße Lösung kann somit eine besonders einfache, aber dennoch robuste und zuverlässige Befestigung eines Winderfassungssystems an der Luvseite des Rotors einer Windenergieanlage erfolgen, wobei die Zeit, die für eine Reaktion auf veränderte Windbedingungen zur Verfügung steht, erhöht wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007020076 B4 [0004]
DE 102007020076 A1 [0006]

Claims

Windenergieanlage mit wenigstens einem zur Windrichtung verstellbaren, einen Rotorkopf (151) sowie daran befestigte Rotorblätter (152) umfassenden Rotor (150) sowie wenigstens einem auf der Luv-Seite des wenigstens einen Rotors (150) positionierten Winderfassungssystem (160), dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Winderfassungssystem (160) drehfest an dem Rotorkopf (151) des Rotors (150) angeordnet und zur Erfassung des Wind in einem vorbestimmten Mindestabstand (D) eingerichtet ist.
Windenergieanlage nach Anspruch 1, wobei das wenigstens eine Winderfassungssystem (160) an einem Träger (170) an dem Rotorkopf (151) des Rotors angeordnet ist, wobei zur Lagestabilisierung Spannseile (171) zwischen dem Rotorkopf (151) und dem Träger (170) und/oder dem Windsensor (160) gespannt sind.
Windenergieanlage nach Anspruch 2, wobei der Träger (170) zentral an dem Rotorkopf (151) und die Spannseile (171) davon radial beabstandet an dem Rotorkopf befestigt sind.
Windenergieanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Mindestabstand (D) 2 m, mehr vorzugsweise 3, 4 oder 5 m beträgt.
Windenergieanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Winderfassungssystem (160) eine Schnittstelle (161) zur kabellosen Datenübertragung aufweist.
Windenergieanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Steuereinrichtung (133) zum Empfang der von dem wenigstens einen Winderfassungssystem (160) erfassten Messwerte vorgesehen ist, welche die Windenergieanlage (100) steuert.
Windenergieanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Winderfassungssystem (160) zur Erfassung der Windrichtung und/oder der Windgeschwindigkeit dient.
Windenergieanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Winderfassungssystem (160) ein Anemometer, ein Lidarsystem, ein Radarsystem und/oder ein Sonarsystem umfasst.
Windenergieanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Winderfassungssystem (160) in dem vorbestimmten Mindestabstand (D) angeordnet ist.
Verfahren zum Steuern einer Windenergieanlage (100) nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 oder einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine räumliche Verteilung der Windgeschwindigkeit vor dem Rotor (150) unter Verwendung des wenigstens einen Winderfassungssystems (160) bestimmt wird und eine sich daraus zukünftig am Rotor (150) ergebende räumliche Verteilung der Windgeschwindigkeit berechnet wird, wobei die Windenergieanlage (100) auf Grundlage der berechneten räumlichen Verteilung gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei eine räumliche Verteilung der Windgeschwindigkeit vor dem Rotor (150) wenigstens zweier Windenergieanlagen (100) bestimmt wird und in eine übergeordnete Regelung der wenigstens zwei Windenergieanlagen (100) eingeht.