DE102010007214B4

DE102010007214B4 - Ringgenerator bei Windkraftanlagen mit Doppelpropeller

Info

Publication number: DE102010007214B4
Application number: DE102010007214A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-02-09
Filing date: 2010-02-09
Publication date: 2013-06-13
Anticipated expiration: 2030-02-10
Also published as: DE102010007214A1

Abstract

Windenergieanlage mit gegenläufigem Doppelpropeller und einem die elektrische Leistung erzeugenden, aus zwei Bauteilen bestehenden Generator, wobei eines seiner Bauteile durch die Antriebskraft eines Propellers und das zweite Bauteil durch die entgegengesetzte Antriebskraft des zweiten Propellers angetrieben wird, und die elektrische Leistung induktiv kontaktfrei auf den stationären Teil der Anlage übertragen wird, wobei die induktive Energieübertragung in der Form eines Transformators in ringförmiger Anordnung konzentrisch zur Welle ausgeführt ist, die Generatorwicklung mit einer Spannung von weniger als 1 kV ausgelegt ist, und die Sekundärspannung im Bereich von mehreren kV liegt, und der auf der Sekundärseite angeschlossene Frequenzumrichter die Stabilisierung des Generatorbetriebs gemeinsam mit einer Positionsregelung der Flügelräder vornimmt.

Description

Stand der Technik
Die Ausführung großer Leistungen für Windkraftanlagen ist mit dem Ziel der Senkung der leistungsbezogenen Anlagenkosten verbunden. Der Einsatz solcher Anlagen soll möglichst wartungsarm möglich sein; verschleißarme und wartungsfreie Anlagenteile sind bevorzugt einzusetzen. Die Ausführung der elektrotechnischen Komponenten soll möglichst so erfolgen, dass eine hohe Lebensdauer erwartet werden kann, und ein eventuell nötiger Austausch leicht durchführbar ist. Dem Ziel der Senkung der Anlagekosten dient dabei in erster Linie die Reduktion der Generatormasse und der mit der Weiterverarbeitung und Weiterleitung der Energie verbundenen Komponenten. In der vorausgehenden Patentanmeldung DE 10 2007 016 8791.0 wurde das Konzept des Ringgenerators, als ein Generator mit großem Durchmesser und damit entsprechend großer Umfangsgeschwindigkeit eingeführt. Es ermöglicht die der Geschwindigkeitserhöhung entsprechende Senkung der Umfangskraft und führt so zu einer möglichen Massereduktion, die eine Senkung auch der Generatorverluste zulässt. Um die mit der Durchmesservergrößerung zusammenhängenden konstruktiven Aufwendungen zu begrenzen, wird eine Integration des Generators in den Flügelbereich und damit dessen Aufteilung empfohlen. In weiteren, noch unveröffentlichten Anmeldungen werden Entwicklungsschritte beschrieben, die zusätzliche Vorteile für die Anwendung von Ringgeneratoren insofern bieten, als sie entweder Maschinen mit großem Durchmesser und großem Luftspalt bei begrenztem Bauvolumen und kleiner Masse ermöglichen oder durch eine Luftspaltnachführung diese Zielsetzung begünstigen. In letzterem Falle wird in DE 10 2009 041 530.0 ein eigenstabiles Magnetlager zur Spaltstabilisierung beim Generator herangezogen. Das Ziel der System- und Komponentenvereinfachung mit Blick auf Wartungsbeschränkung führt beim Generator zwangsläufig auf den Einsatz von Permanentmagneten zur Erzeugung des Magnetfeldes. Dies ermöglicht den Verzicht auf eine separate elektrisch erregte verlustbehaftete und betriebsempfindliche Wicklung. Entsprechend durchgeführte Entwürfe zeigen darüber hinaus Möglichkeiten zur Steigerung der Leistungsdichte im Vergleich zu elektrisch erregten Maschinen. Allerdings kann auch hier nicht auf Anwendung zusätzlicher Maßnahmen zur Massereduktion, etwa durch Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit, verzichtet werden.
Es hat sich gezeigt, dass im Zusammenhang mit der Generatorintegration Beiträge zur verbesserten Energienutzung im Windkraftteil erschlossen werden können. Die Kombination beider Schritte erleichtert die Ausführung einer Anlagenkonzept-Optimierung.
Bei den bislang beschriebenen Entwicklungsschritten hin zu einer stark reduzierten Generatormasse hat sich gezeigt, dass die wünschenswerte große Durchmesseränderung mit ihren Anbindungsfragen und der erforderlichen Rücksichtnahme auf Spaltvergrößerung erhebliche Eingriffe in das bekannte Baukonzept bedeuten. So wird als nachteilig empfunden, dass große Einsparungsschritte mit großen Durchmesseränderungen verbunden sind, die ihrerseits wieder zusätzliche mechanisch bedingte Komplexität nach sich ziehen.
Es muss demnach als erfindungsgemäße Aufgabe angesehen werden, die zur Massebeschränkung beim Generator erforderliche Geschwindigkeitserhöhung auch ohne die bislang notwendige große Durchmessersteigerung möglich zu machen. Dabei soll durchaus hingenommen werden, dass die erste Stufe der Windkraftumsetzung Modifikationen erfährt und diese im Sinne einer verbesserten Energienutzung gestaltet werden. Es soll für den Generator das Ziel verfolgt werden, ihn möglichst nur mit einer stromführenden Wicklung auszustatten und diese im Sinne hoher Robustheit und hoher Leistungsdichte mit Spannungen zu betreiben, die unter 1 kV liegen. Mit Blick auf günstige Weiterleitung der elektrischen Energie ist jedoch anzustreben, dass bei großen Anlagenleistungen noch innerhalb der Windkraftanlage die Betriebsspannung in den Bereich von etwa 6 kV angehoben wird. Zur Stabilisierung des Generatorbetriebes dient ein Frequenzumrichter, der auf diesem Spannungsniveau arbeitet. Die Aufgabe wird durch einen ausführlichen Text und mehrere in den Text einbezogene Bilder beschrieben.
In der Entgegenhaltung DE 196 43 362 A1 wird eine Doppelpropeller-Anlage beschrieben, bei der die elektrische Energie der Propeller in einem Haupt- und einem Hilfsgenerator erzeugt wird, wobei letzterer auch zur Bereitstellung der Erregerleistung des Hauptgenerators dient. Zur Stromübertragung und Anpassung muss dabei ein rotierender Gleichrichter eingesetzt werden. Die erforderliche aufwändige Leistungsübertragung des Hauptgenerators von dessen rotierender Wicklung zum feststehenden Teil ist in der Beschreibung nicht erwähnt.
Beschreibung
Als Maßnahme zur Steigerung der Geschwindigkeit bei gegebenem Durchmesser wird mit 1 davon ausgegangen, dass zwei entgegengesetzt rotierende Propeller oder Flügelräder entsprechend F1 und F2 eingesetzt werden, so dass zwischen beiden eine erhöhte Relativgeschwindigkeit entsteht, die zur Verbesserung der Wechselwirkung an einem elektrischen Generator herangezogen werden kann. Hierbei wird angenommen, dass das Erregerteil ET mit der Drehgeschwindigkeit des Flügelrades F1 rotiert, während das Primärteil PT, das die Wicklung Sp trägt, fest mit dem Flügelrad F2 verbunden ist. Bei gleichgroßer Rotationsgeschwindigkeit von F1 und F2 entsteht so die doppelte Relativgeschwindigkeit gegenüber einem Generator, dessen Primärteil PT feststeht. Es ist weiter davon auszugehen, dass die hiermit auf den doppelten Betrag gesteigerte Geschwindigkeit, z. B. zur Beherrschung der durch Fliehkräfte ausgelösten Spannungen, keine besonders großen Probleme bedeutet. Dies ist schon deshalb einsehbar, weil die beiden Teilgeschwindigkeiten nicht größer zu sein brauchen als der für ET bislang vorgesehene Wert.
In 1 ist das Flügelrad F2, in dem die elektrische Generatorleistung erzeugt wird, über die Wälzlageranordnung Lf direkt auf der Welle We reibungsarm gelagert. Das Lagergehäuse stellt mit einer entsprechenden Erweiterung auch die Nabe des Flügelrades F2 dar. Das Generatorteil ET ist über den Armstern Sw und der zugehörigen Nabe fest mit We verbunden, während der Armstern Sf eine Verbindung mit dem Lagergehäuse Lf herstellt.
1a weist auf die unterschiedliche Profilstellung der beiden Flügelräder F1 und F2 zur Erzeugung gegensinniger Umfangskräfte hin. Es wird angedeutet, dass bei den gezeichneten Stellungen und einer waagerecht verlaufenden Anströmung von F1 die Auftriebskräfte F_A1 und F_A2 bereits in unterschiedliche Richtungen weisen und ihre Umfangskomponenten F_u gegensinnig und etwa gleichgroß sind. Dies ist die Voraussetzung für die Erzeugung etwa gleichgroßer Umfangsgeschwindigkeiten in gegensinniger Richtung.
Im rechten Bildteil von 1 ist die Lagerung der Welle We mit Hilfe der Wälzlager Lw dargestellt. Das zugehörige Lagergehäuse G1 stellt die Außenumgrenzung des feststehenden Anlagenteils dar und ist drehbar mit dem Turm Tu verbunden. Axial anschließend an G1 entsteht ein Raum, der als Geräte- und Überwachungsraum nutzbar ist. Seine äußere Form wird durch die Aufgabe, eine widerstandsarme Strömungsbegrenzung zu bilden, mitbestimmt.
Zwischen dem rotierenden Lagerhäuse Lf und dem stillstehenden Gehäuse G1 des Wellenlagers Lw ist eine induktive Übertragung der elektrischen Energie durch die transformatorisch wirkende Komponente TR vorgesehen.
Der Generator RG ist in 1b mit vergrößertem Querschnitt dargestellt. Es handelt sich hier um den magnetsichen Kreis einer Transversalflussmaschine. Das Erregerteil ET ist durch Permanentmagneten M erregt, deren Polarisierungsrichtung wie der Feldumlauf in der Zeichenebene verläuft und durch die magnetisch leitfähigen Rahmenelemente Le und Ls bestimmt wird. Der Luftspalt δ_M ergibt sich mit Rücksicht auf mechanische Dehnung und unvermeidliche Ungenauigkeiten der Herstellung und Montage, auch abhängig vom Durchmesser. Durch die Anwendung der erhöhten Relativgeschwindigkeit wird tendenziell auch zur Begrenzung des Luftspaltes beigetragen. Dies ist für die Auslegung des Magnetkreises vorteilhaft; es führt zur Verringerung der Magnetmasse und der Masse der Eisenteile. Eine um den Faktor 2 erhöhte Geschwindigkeit lässt sich für den Magnetkreis nahezu in eine Halbierung der Masse umsetzen. Nur der Anteil der Masse der Spulen verringert sich weniger stark. Hierbei ist angenommen, dass die Kraftdichte konstant gehalten wird, die Stromdichte unverändert bleibt und die Halbierung der Umfangskraft direkt zur Masseverringerung eingesetzt wird. Der Wirkungsgrad steigt hierbei geringfügig. Es ist ersichtlich, dass bei geänderter Zielvorgabe auch eine größere Wirkungsgradverbesserung kombiniert mit einer geringeren Massebeschränkung erreicht werden kann.
Es kann weiter auch erreicht werden, dass durch die Geschwindigkeitserhöhung beim Generator gleicher Leistung und gleicher Masse ein kleinerer Durchmesser mit kleinerem Luftspalt eingesetzt wird, wodurch Vorteile bei der Integration des Ringgenerators nachweisbar sind.
Es soll weiter erwähnt werden, dass der Einsatz von zwei gegenläufigen Propellern dazu genutzt werden kann, die Flügelräder mit geringerem Spitzendurchmesser auszuführen. Dies ergibt sich daraus, dass bei Hintereinanderschaltung der Propeller eine höhere Windenergieausbeute als bei einer Einpropelleranlage möglich ist. In der Doppelanordnung lassen sich die einzelnen Flügel mit schlankeren Profilen und kleinerer Flügelfläche und damit mit erhöhter Schnellläufigkeit konzipieren. Bei gleicher Leistung wird somit der Einsatz kleinerer Spitzendurchmesser möglich. Dies wiederum begünstigt die Anwendung höherer Anlagendrehzahlen und bedeutet den inhärenten Vorteil, dass bei gegebenem Generatordurchmesser höhere Umfangsgeschwindigkeiten entstehen. Es kann somit zusätzlich zu den bereits erwähnten Merkmalen ein weiterer Anlagenvorteil eingebracht werden.
Erwähnt sei auch, dass hier allgemein an Generatoren gedacht ist, die aus zwei Bauteilen bestehen. Dies schließt auch jene Variante mit ein, deren Funktion auf der Wechselwirkung eines Bauteils mit Magnetfelderregung und Ankerwicklung besteht und einem zweiten Bauteil, das elektrisch und magnetisch passive Elemente enthält.
Mit dem in 1b skizzierten Querschnitt ist – wie erwähnt – die transversale Variante eines Generators dargestellt. In der mit 1 beschriebenen Anlage ist es naheliegend, die vom Magnetkreis des Generators in axialer Richtung ausgeübten Kräfte zur Stabilisierung der axialen Position der Flügelräder einzusetzen. Durch die jeweils zur Mitte der Magnetkreisanordnung hin wirkenden Rückstellkräfte entsteht für das rotierende Teil die stabilisierende Wirkung. Der Betrag der magnetischen Kräfte ist beim gezeichneten Generator verhältnismäßig groß und zur Stabilisierung aufgrund der Steilheit der Kennlinie geeignet. Auf mechanische Axiallager kann somit verzichtet werden. Auch die gezeichnete Anordnung des Transformators nach 1c dient der Verstärkung der Rückstellkräfte.
Der für die induktive Energieübertragung genutzte Transformator ist ringförmig ausgeführt und bewirkt keine retardierenden Kräfte. Es wird angestrebt, die Wicklung des Generator-Primärteils PT für Spannungen unter 1 kV mit geringem Isolationsaufwand und günstiger Wärmeableitung geeignet für hohe Kraftdichte und begrenzten Kühlaufwand sowie im Sinne einer robusten Ausführung preisgünstig auszuführen. Die kontaktfreie induktive Energieübertragung wird benachbart zu Gf mit kleinem Spalt δ_T wirksam. Dabei hat für die Funktion die rotierende Bewegung des Bauteils T1 gegenüber dem feststehenden Bauteil T2 keinen Einfluss. Die Wicklungen S1 und S2 lassen sich entsprechend 1c ringförmig anordnen. Es ist davon auszugehen, dass der im lamellierten Eisen Lt1 und Lt2 transversal verlaufende Fluss nur einen begrenzten Querschnittsbedarf hat, da die Betriebsfrequenz des Generators im Normalbetriebs bei etwa 100 Hz oder darüber liegt. Die Darstellung in 1c mit einem Spulenpaar für den Transformator TR entspricht einer einsträngigen Wicklung beim Generator. Bei erhöhter Strangzahl teilt sich die Transformatorleistung auf mehrere Strangeinheiten entsprechend auf.
Für die nun auf der Sekundärseite von TR erhöhte Spannung ergeben sich zur Weiterleitung die angestrebten geringeren Leitungsquerschnitte. Für die Stabilisierung des Generatorbetriebes ist der Frequenzwandler UR vorgesehen. Der Generator kann dadurch mit höchster Kraftdichte betrieben werden. Hierzu trägt beispielsweise auch eine annähernd rechteckförmige Stromführung bei. Rotorposition und Stromform stehen über ein Regelungssystem in direkter Beziehung. Für den Betrieb des Umrichters wird der sogenannte fremdgeführte Betrieb gefordert. Es sei erwähnt, dass der Aufbau des Umrichters, bzw. seine Bemessung hinsichtlich der zu installierenden Schaltleistung der Bauteile von der Wahl der Höhe der Sekundärspannung praktisch unabhängig ist.
Ob der Ausgang der elektrischen Leistung in Form von Gleichspannung/Gleichstrom oder in Form von Wechselspannung/Wechselstrom zweckmäßig ist, hängt von der Art des Einsatzes der Anlage ab. Es erscheint ohne Nachteil möglich, innerhalb der Anlage den Umrichter UR so auszubilden, dass die Funktion der Wechselstromerzeugung durch eine Kombination aus Gleichrichter und nachgeschaltetem Wechselrichter vorgenommen wird. Ebenso ist denkbar, dass in der Anlage nur ein Gleichrichter installiert ist, und die Weiterleitung der Energie in Form von Gleichstrom etwa in einem Kabel erfolgt.
Es ist somit festzustellen, dass das Konzept der gegenläufigen Propeller große Vorteile für die Optimierung des Anlagenkonzeptes bietet. Es trägt zur weiteren Optimierung der Generatorauslegung bei und eröffnet über den sparsam ausgelegten Transformator den Weg zur kosten- und verlustarmen Weiterleitung der Energie. Der optimale Generator und die Anwendung des Transformators ergänzen sich hierbei. Dazu entstehen Möglichkeiten zur verbesserten Energienutzung im Windkraftteil. Im Vergleich zu einem konventionell ausgeführten, direkt angetriebenem Generator mit Stromerregung, entstehen beträchtliche Einsparmöglichkeiten für die eingesetzten aktiven Massen in den einzelnen Anlagenteilen.