DE102011101443A1

DE102011101443A1 - Windkraftanlage mit verstellbaren Rotorblättern

Info

Publication number: DE102011101443A1
Application number: DE102011101443A
Authority: DE
Inventors: Roland Stoer
Original assignee: WINDNOVATION ENGINEERING SOLUTIONS GmbH
Current assignee: WINDNOVATION ENGINEERING SOLUTIONS GmbH
Priority date: 2011-05-12
Filing date: 2011-05-12
Publication date: 2012-11-15
Also published as: WO2012152263A2; WO2012152263A3

Abstract

Vorgeschlagen wird eine Windkraftanlage mit einem Rotor, der auf einer Rotorachse dreht und dessen Rotorblätter (1) sich jeweils in einem Schwenklager (5) auf der Rotorwelle (2) oder auf einer Drehscheibe (3), die um die Pitchachse (4) drehbar auf der Rotorwelle (2) angeordnet ist, abstützen. Die Rotorblätter (1) sind radial in Richtung Rotorwelle (2) durch eine verstellbare Abstützung in der Schwenklageposition fixierbar, wobei das Schwenklager g der Rotorblätter (1) um einen Winkel α größer 50° oder größer 60° oder größer 70° und kleiner 90° zulassen, wobei α gleich null ist in der Arbeitsposition der Rotorblätter (1) bei Normalbetrieb. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Rotorblätter (1) im Falle von Stürmen aus dem Wind geklappt werden und durch das Freischalten des Azimutantiebes windfahnenähnlich in Windrichtung auspendeln können.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage, die insbesondere Verwendung finden kann in Regionen mit Perioden von nur mäßigen durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten, die unterbrochen werden durch Stürme (Taifune, Hurricanes).
Diese Windgegebenheiten führen bei der Konstruktion von Windkraftanlagen zu einem Designkonflikt. Mäßige durchschnittliche Windgeschwindigkeiten erfordern große Rotoren, die wiederum den kurzzeitigen Sturmbelastungen durch die extrem großen Biegebelastungen an der Blattwurzel nicht standhalten.
Um diesen Designkonflikt zu lösen, bietet der Stand der Technik einige Anregungen. So wird in der WO 2010/120595 A1 verkürzbare Rotorblätter vorgeschlagen. Dabei ist ein Teil des jeweiligen Rotorblattes teleskopartig ein- und ausfahrbar. Diese Lösung wurde konzipiert mit dem Ziel, den Energieertrag bei Schwachwind zu erhöhen.
Die Nachteile dieser Lösung sind der erhebliche kinematischer Aufwand und damit verbundene Eingriff in die Rotorblattstruktur.
Aus der WO 2009/152869 A1 ist es bekannt, bei Sturmwarnungen, insbesondere bei Wirbelstürmen den kompletten Turm umzuklappen, so dass das Windrad parallel auf dem Boden liegt, vorzugsweise in einer Aufnahmemulde des Bodens. Nachteilig ist hier der hohe technische Aufwand zur Bewältigung des Umklappvorganges. Darüberhinaus sind die Rotorblätter durch bei Sturm herumfliegende Teile stark beschädigungsgefährdet.
Anstelle des Umklappens des genannten Turmes könnte eine weitere Lösung darin bestehen, das Windrad nebst Maschinengehäuse am Turm herunterfahrbar anzuordnen. Eine solche Lösung ist aus der WO 2009/056 701 A3 bekannt. Neben dem technischen Aufwand für das Herablassen des Generatorgehäuses und der dafür benötigten Zeit, ist ein weiterer Nachteil, dass der Rotor dem Wind trotzdem ausgesetzt ist und unter Umständen durch herumfliegende Gegenstände beschädigt werden kann.
Darüberhinaus sind im Stand der Technik radiale Verstellmöglichkeiten der Rotorblätter beschrieben, die mittels Federn und Dämpfern selbsttätig Überbelastungen in der Rotorblattbefestigung entgegenwirken. So werden in den DE 20 2010 002 582 U1 und DE 20 2009 012 104 U1 technische Lösungen zur radialen schwingungsgedämpften Verstellung der Rotorblätter unter Windlast und gegen die Kraft einer Feder beschrieben. Mit zunehmendem Wind verringert sich so die Windlast auf die Rotorblätter oder anders ausgedrückt, trotz zunehmendem Wind soll sich die Belastung der Rotorblattanschlüsse nicht erhöhen. Diese Lösungen sind ebenfalls mit erheblichen Nachteilen behaftet. Zum einen bedarf es einer ständig vorhandenen radialen Verstellmöglichkeit, d. h. das Rotorblatt ist ständig lose angeordnet. Zum anderen wirkt diese Verstellung ständig, auch in Teillastbereichen, wo von den Belastungen her keine Windlastreduzierung notwendig wäre und die Verstellung zu einer unerwünschten Leistungsverringerung führt.
Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine technische Lösung vorzuschlagen, die den Einsatz großer Rotoren möglich macht für Windperioden mit mäßigen Windgeschwindigkeiten und die einen schnellen und sicheren Schutz dieser Rotoren bei kurzzeitig auftretenden starken Windbelastungen wie Taifunen und Hurricanes gewährleisten.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Verfahrensanspruches 1 und des Vorrichtungsanspruches 3. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Windkraftanlage mit einem Rotor, der auf einer Rotorachse dreht und dessen Rotorblätter mindestens radial verstellbar sind, wobei die Rotorachse in einer senkrechten oder geneigten Ebene zur Turmachse um die Turmachse durch einen Azimutantrieb angetrieben schwenkbar angeordnet ist, sieht vor, dass bei Sturmwarnungen über einen vorgegebenen Grenzwert der Windgeschwindigkeit hinaus die Rotorblätter mittels eines Antriebes radial in Richtung Rotorachse verschwenkt werden um einen Winkel α größer 50° oder größer 60° oder größer 70° und kleiner 90°, wobei α gleich null ist in der Arbeitsposition der Rotorblätter bei Normalbetrieb, und der Azimutantrieb gelöst wird, sowie bei einer Sturmentwarnung der Azimutantrieb zugschaltet und die Rotorblätter in die Arbeitsposition mittels eines Antriebes aufgeklappt werden. Das Verschwenken der Rotorblätter und das Ab- und Zuschalten des Azimutantriebs kann manuell ausgelöst werden oder durch eine Regeleinheit, die Signale einer Warnzentrale empfängt.
Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Rotorblätter im Falle von Stürmen aus dem Wind geklappt werden und durch das Freischalten des Azimutantiebes windfahnenähnlich in Windrichtung auspendeln können. Es werden keine wesentlichen Sturmlasten von den Rotorblättern auf die anderen Turbinenkomponenten übertragen.
Die erfindungsgemäße Windkraftanlage mit einem Rotor, der auf einer Rotorachse dreht und dessen Rotorblätter radial verstellbar sind, wobei die Rotorachse in einer senkrechten oder geneigten Ebene zur Turmachse um die Turmachse durch einen Azimutantrieb angetrieben schwenkbar angeordnet ist, ist derart ausgebildet, dass die Rotorblätter sich jeweils in einem Schwenklager auf der Rotorwelle oder auf einer Drehscheibe, die um die Pitchachse drehbar auf der Rotorwelle angeordnet ist, abstützen, und die Rotorblätter radial in Richtung Rotorwelle durch eine verstellbare angetriebene Abstützung in der Schwenklageposition fixierbar sind, wobei das Schwenklager und die Abstützung eine radiale Schwenkbewegung der Rotorblätter um einen Winkel α größer 50° oder größer 60° oder größer 70° und kleiner 90° zulassen, wobei α gleich null ist in der Arbeitsposition der Rotorblätter bei Normalbetrieb.
Durch den Einsatz einer angetriebenen Abstützung wird gewährleistet, dass die Rotorblätter nur bei Bedarf verschwenkt werden, ansonsten aber mit der Rotorwelle bzw. der Drehscheibe starr verbunden sind.
Mit zunehmendem Wind erhöht sich die Windlast bis in einen definierbaren Grenzbereich, wo dann mittels des Antriebes oder der Antriebe ein Verschwenken der Rotorblätter in die radiale Richtung vorgenommen wird.
Als Abstützungen werden bevorzugt seitliche in Form hydraulischer Kolben/Zylinderantriebe oder elektrischer Spindelantriebe eingesetzt, wobei der Hydraulikantrieb oder der Spindelantrieb sich jeweils auf der Rotorwelle oder der Drehscheibe abstützen und mit dem jeweiligen Rotorblatt verbunden sind.
Zur Abstützung im Schwenklager weisen die Rotorblätter im Wurzelendbereich eine Lagerwelle oder seitlich und gegenüberliegend am jeweiligen Rotorblatt angeordnete Lagerzapfen für das Schwenklager auf.
Die Lagerwelle oder Lagerzapfen für das Schwenklager können bei einer weiteren Ausführung auch aus dem Wurzelendbereich herausgeführt sein.
Beide Abstützungen bieten die Möglichkeit, die Rotorblätter bis in den Wurzelbereich strömungstechnisch optimiert zu designen. Auf einen Wurzelbereich im herkömmlichen Sinn mit einem rohrförmigen Wurzelende kann gänzlich verzichtet werden.
Vorteilhafterweise werden mindestens die Schwenklager mit einer aerodynamisch optimiert designten Verkleidung versehen oder weisen ein entsprechendes Lagergehäuse auf.
Die Befestigung der verstellbaren Abstützung am jeweiligen Rotorblatt erfolgt bevorzugt derart, dass bei dem maximalen Verschwenkwinkel (α) die Befestigung weiter von der Rotorwelle bzw. der Drehscheibe entfernt ist als die Schwenkachse des Schwenklagers 5 (Abstand a).
Weiter wird die Befestigung der verstellbaren Abstützung auf der Rotorwelle oder der Drehscheibe bevorzugt auf der Seite vorgenommen, in die das Rotorblatt radial verschwenkbar ist.
Die Vorrichtung soll an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. Es zeigen:
1: Verschwenkbares Rotorblatt ohne und
2: verschwenkbares Rotorblatt mit Pitchregelung.
Der grundsätzliche Aufbau der Abstützung ist in beiden Ausführungen ähnlich. Bei der Ausführung nach 1 ist das Rotorblatt 1 direkt auf der Rotorwelle 2 angeordnet, während bei der Ausführung nach 2 dazwischen eine Drehscheibe 3 angeordnet ist, die um die Pitchachse 4 dreht und eine Rotorblattverstellung in bekannter Weise um die Pitchachse möglich macht. Als Abstützung dient hier jeweils ein hydraulischer Kolben/Zylinderantrieb 7, der einerseits mit dem Rotorblatt 1 verbunden ist und sich andererseits auf der Drehscheibe 3 oder der Rotorwelle 2 abstützt, jeweils auf der Seite, in die das Rotorblatt 1 radial verschwenkt wird.
Die Befestigung der verstellbaren Abstützung am jeweiligen Rotorblatt 1 erfolgt derart, dass bei dem maximalen Verschwenkwinkel (α) die Befestigung weiter von der Rotorwelle 2 bzw. der Drehscheibe 3 entfernt ist als die Schwenkachse des Schwenklagers 5.
So steht ein ausreichender Hebelarm zur Verfügung, um die Schwenkbewegung antriebstechnisch vergleichsweise einfach beherrschen zu können.
Natürlich können auch andere Abstützungen zur Durchführung der Schwenkbewegung der Rotorblätter 1 und deren Fixierung vorzugsweise in den Endstellungen α_max und α = 0 vorgesehen werden.
Die schwenkbare Lagerung der Rotorblätter 1 in den Schwenklagern 5 erfolgt mittels einer Lagerwelle oder seitlich und gegenüberliegend am jeweiligen Rotorblatt 1 angeordneten Lagerzapfen 6 für das jeweilige Schwenklager 5.
Alternativ können die Rotorblätter 1 auch eine Lagerwelle oder Lagerzapfen 6 für das Schwenklager 5 aufweisen, die aus dem Wurzelendbereich herausgeführt sind.
In beiden Fällen können die Rotorblätter 1 so bis in den Wurzelbereich aerodynamisch optimiert designt sein.
Ebenso sollten mindestens die Schwenklager 5 eine aerodynamisch optimiert designte Verkleidung oder ein entsprechendes Lagergehäuse aufweisen.
Bezugszeichenliste

1: Rotorblatt
2: Rotorwelle
3: Drehscheibe
4: Pitchachse
5: Schwenklager
6: Lagerwelle/Lagerzapfen
7: hydraulicher Kolben/Zylinderantrieb

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

WO 2010/120595 A1 [0003]
WO 2009/152869 A1 [0005]
WO 2009/056701 A3 [0006]
DE 202010002582 U1 [0007]
DE 202009012104 U1 [0007]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Windkraftanlage mit einem Rotor, der auf einer Rotorachse dreht und dessen Rotorblätter mindestens radial verstellbar sind, wobei die Rotorachse in einer senkrechten oder geneigten Ebene zur Turmachse um die Turmachse durch einen Azimutantrieb angetrieben schwenkbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei Sturmwarnungen über einen vorgegebenen Grenzwert der Windgeschwindigkeit hinaus die Rotorblätter mittels eines Antriebes radial in Richtung Rotorachse verschwenkt werden um einen Winkel α größer 50° oder größer 60° oder größer 70° und kleiner 90°, wobei α gleich null ist in der Arbeitsposition der Rotorblätter bei Normalbetrieb, und der Azimutantrieb gelöst wird, sowie bei einer Sturmentwarnung der Azimutantrieb zugschaltet und die Rotorblätter in die Arbeitsposition aufgeklappt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschwenken der Rotorblätter und das Ab- und Zuschalten des Azimutantriebs manuell ausgelöst wird oder durch eine Regeleinheit, die Signale einer Warnzentrale empfängt.
Windkraftanlage mit einem Rotor, der auf einer Rotorachse dreht und dessen Rotorblätter radial verstellbar sind, wobei die Rotorachse in einer senkrechten oder geneigten Ebene zur Turmachse um die Turmachse durch einen Azimutantrieb angetrieben schwenkbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter (1) sich jeweils in einem Schwenklager (5) auf der Rotorwelle (2) oder auf einer Drehscheibe (3), die um die Pitchachse (4) drehbar auf der Rotorwelle (2) angeordnet ist, abstützen, und die Rotorblätter (1) radial in Richtung Rotorwelle (2) durch eine verstellbare Abstützung in der Schwenklageposition fixierbar sind, wobei das Schwenklager (5) und die Abstützung eine radiale Schwenkbewegung der Rotorblätter (1) um einen Winkel α größer 50° oder größer 60° oder größer 70° und kleiner 90° zulassen, wobei α gleich null ist in der Arbeitsposition der Rotorblätter (1) bei Normalbetrieb.
Windkraftanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützung eine seitliche in Form hydraulischen Kolben/Zylinderantriebs (7) oder eines elektrischen Spindelantriebs ist, wobei der Hydraulikantrieb (7) oder der Spindelantrieb sich auf der Rotorwelle (2) oder der Drehscheibe (3) abstützen und mit dem jeweiligen Rotorblatt (1) verbunden sind.
Windkraftanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter (1) im Wurzelendbereich eine Lagerwelle oder seitlich und gegenüberliegend am jeweiligen Rotorblatt (1) angeordnete Lagerzapfen (6) für das Schwenklager (5) aufweisen.
Windkraftanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter (1) eine Lagerwelle oder Lagerzapfen (6) für das Schwenklager (5) aufweisen, die aus dem Wurzelendbereich herausgeführt sind.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter (1) bis in den Wurzelbereich aerodynamisch optimiert designt sind.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung der verstellbaren Abstützung am jeweiligen Rotorblatt (1) derart erfolgt, dass bei dem maximalen Verschwenkwinkel (α) die Befestigung weiter von der Rotorwelle (2) bzw. der Drehscheibe (3) entfernt ist als die Schwenkachse des Schwenklagers (5).
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung der verstellbaren Abstützung auf der Rotorwelle (2) oder der Drehscheibe (3) auf der Seite erfolgt, in die das Rotorblatt (1) radial verschwenkbar ist.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Schwenklager (5) eine aerodynamisch optimiert designte Verkleidung oder ein entsprechendes Lagergehäuse aufweisen.