DE102011105412A1

DE102011105412A1 - Kupplungseinrichtung und die Kupplungseinrichtung verwendende Windenergieanlage

Info

Publication number: DE102011105412A1
Application number: DE102011105412A
Authority: DE
Inventors: Frank Richert; Volker Nabert; Dipl.-Ing. Pflaum Sebastian; Seyedin Homan
Original assignee: SKYWIND GmbH
Current assignee: SKYWIND GMBH, DE
Priority date: 2010-06-22
Filing date: 2011-06-22
Publication date: 2011-12-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kupplungseinrichtung für eine Windenergieanlage (1) sowie eine die Kupplungseinrichtung verwendende Windenergieanlage. Die Windenergieanlage umfasst die Kupplungseinrichtung, die zwischen einer Turbine (T) mit einem Rotor (4) und einem Turbinenträger (40) und einer Abstützvorrichtung (7) anordenbar und vorgesehen ist zur Änderung der Ausrichtung der Turbine (T) gegenüber dem Turbinenträger (40) durch Änderung der Neigung einer Rotorachse (2) des Rotors (4). Die Kupplungseinrichtung ist als elastische Kupplungseinrichtung mit Feder- und/oder Dämpfungseigenschaften ausgebildet und umfasst zumindest ein elastisches Element (21). Die Kupplungseinrichtung ist dazu eingerichtet, die Turbine (T) über das zumindest eine elastische Element gegenüber dem Turbinenträger (40) und der Abstützvorrichtung (7) vollständig abzustützen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplungseinrichtung und eine die Kupplungseinrichtung verwendende Windenergieanlage, und betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Einstellung der Neigung einer Rotorachse der Windenergieanlage in Verbindung mit der Kupplungseinrichtung.
Windenergieanlagen der verschiedensten Konzeptionen sind bereits seit längerer Zeit bekannt. Beispielhaft sei auf den Stand der Technik verwiesen, wie er unter anderem auch durch die Dokumente US 6,979,175 , EP 2 014 912 , DE 199 16 454 A1 , DE 27 53 956 B1 , WO 82/04466 , WO 2008/148874 A1 , DE 102 05 988 64 , US 2001/0038207 A1 , EP 1 101 936 B1 , EP 1 101 934 B1 , WO 96/10130 nachgewiesen ist. Auch sei verwiesen auf das Lehrbuch: Erich Hau, Windkraftanlagen, 1995 (ISBN 3-540-57430-1).
Bei allen derzeit im Betrieb befindlichen Windenergieanlagen, die eine bestimmte Nennleistung überschreiten, z. B. mehr als 500 kW Leistung aufweisen, und damit nicht als Kleinwind- oder Mittelwind-Windenergieanlagen gelten, ist der Rotor der Windenergieanlage regelmäßig aus der Windrichtung gesehen vor dem Turm der Windenergieanlage bzw. irgendeiner Abstützvorrichtung, zu welcher die Windenergieanlage gekoppelt sein kann, angeordnet, und der Rotor besteht dabei wenigstens aus einem Rotorblatt, bevorzugt aus zwei oder drei Rotorblättern. Der Rotor dreht sich um eine im Wesentlichen horizontale Achse, die auch um wenige Winkelgrade gegenüber dem Turm (bzw. dessen vertikaler Achse) geneigt sein kann.
Während des Betriebs der Windenergieanlage kommt es dabei vor, dass mit immer weiter ansteigender Windgeschwindigkeit nicht nur der Druck auf die Rotorblätter des Rotors zunimmt, sondern dass sich der Abstand zwischen Rotorblatt und Turm beim Vorbeilaufen eines Rotorblatts am Turm mit einer immer höheren Windgeschwindigkeit verringert.
Um eine Kollision zwischen einem Rotorblatt und dem Turm sicher zu vermeiden, wird deshalb bei fast allen größeren Windenergieanlagen, also Windenergieanlagen mit einer Nennleistung von über 300 oder 500 kW, die Rotorachse um einen bestimmten festen, d. h. unveränderbaren Rotorachswinkel, z. B. im Bereich von 4 bis 8°, bevorzugt 5 bis 7° zur Windenergieanlage (gegenüber der Horizontalen) eingestellt. Durch die Rotorachsneigung verringert sich die dem Wind zugeneigte Rotorfläche und damit die vom Rotor aufnehmbare Windenergie.
Die Lage der Schwerpunkte der Blätter führt bei einer Rotorachsneigung zu einer wechselnden Belastung des Rotorblattanschlusses und des Triebstrangs. Der Triebstrang wird gebildet aus dem Rotor und dem mit dem Rotor gekoppelten Generator, welche bevorzugt über ein Getriebe miteinander verbunden sind.
Da mit ansteigender Höhe (Lage über dem Erdboden) auch die Windgeschwindigkeit ansteigt, ist es leicht verständlich, dass die Rotorblätter in einer typischen „12-Uhr-Position” eine höhere Kraft aufgrund der dort vorherrschenden höheren Windgeschwindigkeiten erfahren, als in einer typischen 6-Uhr-Position. Die unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten, die auf den Rotor bzw. die Blätter des Rotors bei einer Umdrehung einwirken, führen letztlich daher auch zu wechselnden Lasten im Triebstrang.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Energieertrag einer Windenergieanlage insbesondere bei geringeren Windgeschwindigkeiten zu erhöhen und auch die negativen Folgen ständig wechselnder Lasten auf den Triebstrang zu verringern. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es auch, die bisher bekannten Konzepte von Windenergieanlagen so weiterzubilden, dass die geschilderten und aus dem Stand der Technik bekannten Probleme behoben oder wenigstens gemildert werden, Auch ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Windenergieanlage die von einem Rotor auf die Anlagenstruktur einwirkenden Lasten zu senken. Ferner ist es eine Aufgabe, eine Möglichkeit zur Einstellung des Eigenschwingverhaltens einer Windenergieanlage bereitzustellen. Nicht zuletzt ist es auch als eine Aufgabe anzusehen, die Möglichkeit einer Feineinstellung einer Rotarausrichtung bereitzustellen, durch welche wahlweise aktiv und/oder passiv die Ausrichtung des Rotors einer Windenergieanlage an wechselnde Lastbedingungen angepasst werden kann.
Zumindest eine dieser Aufgaben wird erfindungsgemäß durch eine Windenergieanlage mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung betrifft eine Kupplungseinrichtung, die zwischen einer Turbine (bestehend aus einem Rotor, Rotorblättern, einer Rotornabe und der Rotorlagerung) einer Windenergieanlage und einer Abstützvorrichtung oder einem Turbinenträger auf einer Abstützvorrichtung anordenbar und vorgesehen ist zur Änderung der Ausrichtung der Turbine gegenüber der Abstützvorrichtung durch Änderung der Neigung einer Rotorachse des Rotors der Turbine, wobei die Kupplungseinrichtung als elastische Kupplungseinrichtung mit Feder- und/oder Dämpfungseigenschaften ausgebildet ist und zumindest ein elastisches Element aufweist, und dass die Kupplungseinrichtung dazu eingerichtet ist, die Turbine über das zumindest eine elastische Element gegenüber der Abstützvorrichtung abzustützen. Die Abstützvorrichtung kann beispielsweise der so genannte Turm einer Windenergieanlage sein. Die Turbine kann dabei auch einen Triebstrang der Windenergieanlage aufweisen, und somit sämtliche Bauteile und Elemente zur Bereitstellung einer elektrischen Leistung aus der Windenergie.
Die erfindungsgemäße Windenergieanlage kann einen Rotor umfassen, welcher zwei oder mehr Rotorblätter aufweist, wobei der Rotor mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie verbunden ist. Der Rotor mit den daran angebrachten Rotorblättern, der Rotornabe und der Rotorlagerung kann in einer ersten Variante die Baueinheit der Turbine bilden. Ferner kann die Windenergieanlage einen Maschinenträger aufweisen, welcher den Rotor und den Generator trägt, die zusammen einen Triebstrang bilden. In einer zweiten Variante kann die Baueinheit der Turbine auch des Weiteren den Triebstrang umfassen.
Der Rotor kann eine vorbestimmte Rotorachsneigung (Neigung der Drehachse des Rotors, entspricht auch der Neigung der gesamten Turbine als Baueinheit) um einen Winkel α aufweisen und um eine im Raum frei wählbare Drehachse zur Veränderung der Rotorachsneigung schwenkbar sein. Für die Schwenkbewegung des Rotors bzw. des Triebstrangs oder der Turbine kann dazu wenigstens ein Antrieb vorgesehen sein, und der Antrieb kann sich am Maschinenträger abstützen und mit einer einstellbaren Kraft auf den Triebstrang einwirken. Ferner kann der Antrieb durch einen Hydraulikzylinder oder auch durch einen elektrischen Motor oder einen alternativen, rotativen oder linearen Aktuator gebildet werden. Ferner kann die Rotorachsneigung abhängig von der Windgeschwindigkeit und/oder Belastung auf die Rotorblätter der Windenergieanlage auf einen vorbestimmten Wert eingestellt (verändert) werden. Auch können zur Ermittlung des vorbestimmten Werts der Rotorachsneigung Kräfte auf die Rotorblätter gemessen werden, und es können die gemessenen Werte in einem Rechner verarbeitet werden gemäß einer vorbestimmten mathematischen Funktion, und es kann der berechnete Wert für die Rotorachsneigung durch Einstellung des Antriebs für die Schwenkbewegung des Triebstrangs eingestellt werden.
Ferner kann bei einer solchen der Windenergieanlage der Rotor der Windenergieanlage die Nabe aufweisen, wobei im Inneren auch ein Getriebe untergebracht sein kann, welches auf der Eingangsseite das Drehmoment des Rotors aufnehmen kann und welches auf der Ausgangsseite mit dem rotierenden Teile des Generators verbunden sein kann. Ferner kann zur Übertragung des Momentes des Rotors auf das Getriebe eine Kupplung vorgesehen sein, welche bevorzugt als eine elastische Kupplung, beispielsweise aus Stahlelementen oder aus Kunststoff, wie beispielsweise Elastomer, ausgebildet sein kann, so dass die Einleitung von Axialkräften auf den Rotor und damit auf Nabe und Getriebe minimiert werden kann. Ferner kann die Windenergieanlage eine Abstützvorrichtung in Form eines Turms aufweisen, d. h. mit einem Turm bzw. einer Abstützvorrichtung verbunden sein, auf dem/der der allgemeine Maschinenträger, beispielsweis in Form eines Turbinenträgers gelagert sein kann, und der Triebstrang kann seitlich vom Turm beabstandet angeordnet sein, und die Drehachse zum Verschwenken und Einstellen der Rotorachsenneigung kann seitlich vom Turm versetzt sein. Der Turm oder die Abstützvorrichtung übernimmt im Wesentlichen die Funktion eines Tragwerks und kann dabei z. B. auf dem Erdboden oder dem Meeresgrund (Untergrund bei Offshore-Windenergieanlagen) fixiert sein.
Ein solches Schwenken des Rotors (oder der gesamten Turbine) um eine Drehachse bzw. um einen Drehpunkt mittels eines Antriebs, welcher den Rotor auslenkt, kann dabei in Verbindung mit einer elastischen bzw. gefederten und/oder gedämpften Lagerung des Rotors erfolgen, wie es weiter nachstehend noch angegeben ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Art elastisches Element an der Schnittstelle zwischen dem Antrieb bzw. dem Aktuator, welcher eine Schwenkbewegung des Rotors um eine Drehachse sicherstellt, und dem Triebstrang vorgesehen sein, so dass auch eine Federung bzw. ein Dämpfen um eine Drehachse möglich ist. Dies kann vor allem bei bereits installierten Anlagen als Nachrüstoption von Interesse sein. Hierdurch kann durch ein einzelnes Feder- und/oder Dämpfungselement eine gewisse Flexibilität und eine schonendere Lagerung des Rotors sichergestellt werden. Der Aktuator kann z. B. einen Hebel aufweisen, welcher aus einem dämpfenden oder federnden Material ausgeführt ist, wobei auch durch metallische Materialien die Feder- und/oder Dämpfungseigenschaften vorgegeben werden können, gegebenenfalls in Verbindung mit einer speziellen konstruktiven Ausgestaltung.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Rotor bzw. der Triebstrang (die Turbine) nun an einen Turm oder eine Tragstruktur bzw. Abstützvorrichtung über Elemente angeschlossen werden, welche zusätzlich zu einer Drehachse bzw. einem Drehpunkt oder alternativ zu einer Drehachse bzw. einem Drehpunkt ein Drehen oder Kippen des Rotor bzw. Triebstrangs gegenüber der Abstützvorrichtung ermöglichen. Der Anschluss bzw. die Kopplung kann durch Elemente vorgesehen sein, die durch vorwiegend translatorische Bewegungen an den Verknüpfungspunkten ein räumliches Kippen (Taumeln) gegenüber der Tragstruktur ermöglichen. Diese Kupplungs-Elemente können wahlweise jeweils passiv oder aktiv ausgeführt sein, wobei passive Elemente vorgegebene Feder- und/oder Dämpfungseigenschaften aufweisen können, und wobei aktive Elemente derart eingestellt werden können, insbesondere deren Feder- und/oder Dämpfungseigenschaften, dass Bewegungen des Rotor bzw. Triebstrangs gegenüber der Tragstruktur geregelt werden. Die Elemente können zusammen eine oder mehrere elastische Schnittstellen, z. B. in Form jeweils einer Kupplungseinrichtung mit spezifischen Feder- und/oder Dämpfungseigenschaften, zwischen dem Rotor und einer Tragstruktur bilden, wobei mehrere Schnittstellen auch hintereinander (in Serie) entlang des Wegs zwischen Rotor und Turm vorgesehen sein können. Sei einer jeweiligen Kupplungseinrichtung können mehrere elastische Elemente parallel vorliegen, z. B. in einer Ebene zueinander angeordnet sein, und es können auch mehrere elastische Elemente unmittelbar (in Serie) hintereinander angeordnet sein, z. B. vier parallel zueinander in einer Ebene angeordnete Paare elastischer Elemente.
Es ist somit eine Kupplungseinrichtung, die zwischen der Turbine einer Windenergieanlage und einer Abstützvorrichtung oder einem Turbinenträger anordenbar ist, dazu eingerichtet, eine vorbestimmte Anordnung der Turbine bzw. des Rotors gegenüber der Abstützvorrichtung durch Anpassen der Position und Ausrichtung des Rotors bzw. der Turbine im Raum einzustellen, wobei die Kupplungseinrichtung als elastische Kupplungseinrichtung mit definierbaren Feder- und/oder Dämpfungseigenschaften ausgebildet ist und durch mindestens ein elastisches Element gebildet ist, und wobei die Kupplungseinrichtung dazu eingerichtet ist, den Rotor über das mindestens eine elastische Element gegenüber der Abstützvorrichtung abzustützen. Es verlaufen hierbei die maßgeblichen Kräfte und Momente in Verbindung mit der Turbine (die beispielsweise am Rotor angreifen) über die elastische Kupplung. Die Turbine wird auf diese Weise gegenüber den weiteren Bauteilen der Windenergieanlage abgestützt. Die elastische Kupplung liegt somit direkt im Kraftfluss der Abstützung der Turbine. Wird der Rotor bzw. die Turbine als ein System und die Abstützvorrichtung (Turm) als ein weiteres System betrachtet, dann kann die Kupplungseinrichtung im drehenden Rotorsystem (Turbine) oder im stehenden und mit der Abstützvorrichtung verbundenen System angeordnet sein, gegebenenfalls auch mit einem elastischen Rotor- bzw. Turbinenlager.
Dadurch kann eine Lagerung des Rotors in elastischer Weise ausschließlich über des mindestens eine elastische Element sichergestellt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Kupplungseinrichtung eine Bewegung des Rotors gegenüber der Abstützvorrichtung um einen Bewegungspunkt ermöglichen, welcher unabhängig von weiteren elastischen Elementen oder Gelenken oder Kupplungen zwischen Rotor und Abstützvorrichtung ist. Hierdurch wird eine Bewegung um einen Momentanpol der Turbine sichergestellt, welcher frei im Raum liegt und eine Vielzahl an Freiheitsgraden der Bewegung zulässt. Mögliche Freiheitsgrade sind drei Freiheitsgrade der Drehung und drei Freiheitsgrade der translatorischen Bewegung.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ermöglicht das elastische Element der Kupplungseinrichtung eine (translatorische oder drehende) Bewegung des Rotors bzw. der Turbine gegenüber der Abstützvorrichtung in allen Raumrichtungen. Das mindestens eine elastische Element kann richtungsabhängige Feder- und/oder Dämpfungseigenschaften aufweisen. Eine Kupplungseinrichtung kann dabei z. B. durch vier baugleiche bevorzugt rotationssymmetrische elastische Elemente gebildet sein.
Ferner kann das elastische Element zumindest teilweise aus metallenen Komponente oder aus einem Kunststoffmaterial (wie beispielsweise einem Elastomer) oder aus mehreren Materialien im Verbund ausgeführt sein, wobei das elastische Element zumindest in Bezug auf seine Mantelfläche rotationssymmetrisch ausgebildet sein kann. Eine Rotationssymmetrie ist dabei unabhängig von der Materialwahl, d. h., es kann z. B. auch ein nicht rotationssymmetrisches Element aus Kunststoff ausgeführt sein. Beispielsweise können sich vorteilhafte Feder- und/oder Dämpfungseigenschaften ergeben, wenn die äußere Mantelfläche rotationssymmetrisch und aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet ist, und das Element im Inneren zumindest teilweise aus Kunststoff ausgeführt ist und/oder zumindest teilweise mit einem Fluid gefüllt ist. Es kann somit das elastische Element unabhängig von einem spezifischen Werkstoff einen Hohlraum aufweist, welcher zumindest teilweise mit einem Fluid zur Einstellung von Dämpfungseigenschaften gefüllt ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das elastische Element rotationssymmetrisch ausgebildet und über rotationssymmetrische Flansche mit dem Rotor und der Abstützvorrichtung gekuppelt. Hierdurch kann eine homogene Kraftverteilung sichergestellt und Spannungsspitzen vermieden werden.
Eine erfindungsgemäße Kupplungseinrichtung kann mit einer Windenergieanlage gekuppelt werden, wobei die Windenergieanlage mit einem Rotor, welcher in einem Betriebszustand zwei oder mehr Rotorblätter aufweist, wobei der Rotor mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie verbunden ist (Turbine) und die Windenergieanlage einen Maschinenträger aufweist, der den Rotor und Generator, die einen Triebstrang bilden, trägt, und ferner mit einer Tragstruktur zur Anbindung des Rotors an eine Abstützvorrichtung, und zwar derart, dass zwischen dem Rotor und der Abstützvorrichtung mindestens eine elastische Kupplungseinrichtung vorgesehen ist, so dass der Rotor dank der Kupplungseinrichtung bei einer Krafteinwirkung aufgrund von Feder- und/oder Dämpfungseigenschaften der Kupplungseinrichtung eine vordefinierbare Bewegung um einen Bewegungspunkt ausführen kann, insbesondere um einen Momentanpol. Es kann anstelle eine Bewegungspunkts auch ein Bewegungsbereich in Verbindung mit den möglichen Freiheitsgraden angenommen werden.
Ferner kann die Kupplungseinrichtung eine in einer Ebene angeordnete elastische Schnittstelle bilden, d. h., mehrere elastische Elemente sind allesamt in einer Ebene angeordnet. Dabei kann der Bewegungspunkt, um den sich eine Rotorlagerung gegenüber einer Abstützvorrichtung bewegen kann, einem Momentanpol (M) entsprechen, welcher in der Ebene der Kupplungseinrichtung angeordnet ist, insbesondere auf der Rotorachse. Hierdurch kann eine gute Stabilität der gesamten Anordnung sichergestellt werden.
Ferner kann die Rotorachsneigung (Neigung bzw. räumliche Ausrichtung der Turbine) abhängig von der Windgeschwindigkeit und/oder Belastung auf die Rotorblätter der Windenergieanlage auf einen vorbestimmten Wert eingestellt werden.
Der Rotor bzw. die Turbine der Windenergieanlage kann eine Nabe aufweisen, innerhalb der ein Getriebe angeordnet ist, welches auf der Eingangsseite das Drehmoment des Rotors aufnimmt und welches auf der Ausgangsseite mit dem rotierenden Teile des Generators verbunden ist. Zur Übertragung des Momentes des Rotors auf das Getriebe kann eine Kupplung vorgesehen sein, welche bevorzugt als elastische Kupplung ausgelegt bzw. ausgebildet ist, so dass die Einleitung von aus dem Rotor eingebrachten Kräften auf das Getriebe minimiert wird.
Ferner kann die Windenergieanlage mit einer Abstützvorrichtung gekoppelt sein, auf welcher ein Maschinenträger gelagert ist, wobei der Triebstrang seitlich von der Abstützvorrichtung beabstandet angeordnet ist und eine Drehachse zum Verschwenken und Einstellen der Rotorachsenneigung (Ausrichtung der Turbine) seitlich von der Abstützvorrichtung versetzt ist.
Auch kann erfindungsgemäß die Neigung einer Rotorachse (auch die Achse der Turbine) eingestellt werden. Dies erfolgt insbesondere über ein Verfahren zum Einstellen der Neigung einer Rotorachse eines Rotors einer Windenergieanlage, die an einen Turbinenträger und eine Abstütvorrichtung gekoppelt ist, bei welchem die Neigung der Rotorachse in Abhängigkeit von externen Einflüssen, wie z. B. Windstärke oder Windrichtung, eingestellt wird, wobei die Neigung der Rotorachse in einem Betriebszustand gegenüber der Horizontalen und/oder einer beliebig im Raum verlaufenden Achse dadurch eingestellt wird, dass Feder- und/oder Dämpfungseigenschaften einer Kupplungseinrichtung passiv und/oder aktiv eingestellt werden, wobei die Kupplungseinrichtung mindestens ein elastisches Element aufweist, über welches die Lagerung des Rotors an dem Turbinenträger zwischen der Turbine und der Abstützvorrichtung erfolgt. Das Verfahren erlaubt eine aktive oder auch eine passive (selbsttätige oder automatische) Anpassung (Einstellung) der Neigung der Turbinen- oder Rotorachse.
Ferner kann die Feder- oder Dämpfungskonstante der elastischen Elemente eingestellt werden, wobei auch eine passive Steuerung der Ausrichtung der Rotorebene (also der Ebene, in welcher die Rotorblätter rotieren) erfolgen kann. Werden z. B. bei vier an den Ecken eines fiktiven Quadrats angeordneten elastischen Elementen die unteren zum Erdboden weisenden elastischen Elemente in der Rotorschubrichtung steifer ausgeführt als die oberen elastischen Elemente, so kann automatisch mit steigendem Schub ein selbständiges Kippen bzw. eine mit der Schubkraft zunehmende Neigung der Rotorachse und somit der Turbine gegenüber der Horizontalen erreicht werden, ohne dass es einer weiteren Regelung bedarf. Solche rotorschubabhängigen passiven Elemente ermöglichen eine selbstregulierende last- und ertragsoptimierte Betriebsweise, z. B. mit horizontaler oder zumindest nahezu horizontaler Rotorachse bei eher schwachem Wind, und mit einer bei zunehmender Windstärke selbständig um einen vorbestimmten Winkel gegenüber der Horizontalen nach oben geneigten Rotorachse. Es erfolgt somit auch eine automatische Anpassung der Raumlage der Rotorachse oder Turbinenachse in elastischer Weise in Abhängigkeit von den äußeren Bedingungen.
Diese Neigung kann sich aufgrund des mit der Windstärke ansteigenden Schubs sowie der voneinander abweichenden Feder- und/oder Dämpfungseigenschaften der Elemente selbständig um einen vorbestimmten Winkel gegenüber der Horizontalen (und somit auch gegenüber dem Turm bzw. der Abstützvorrichtung) einstellen. Dies mindert z. B. die Gefahr einer Kollision eines Rotorblatts mit der Abstützvorrichtung, die in Form des Turms vorgesehen sein kann. Neben einer solchen passiven, in erster Linie rotorschubabhängigen, Aufrichtung der Rotorachse kann eine aktive Regelung vorgesehen sein. Dabei können neben oder alternativ zu den elastischen Elementen jegliche Art von Aktuatoren verbaut werden, vorzugsweise ebenfalls im Bereich der zumindest einen Schnittstelle bzw. Kupplungseinrichtung. Solche Aktuatoren können eine aktive, dynamische Beeinflussung einer Windenergieanlage ermöglichen, z. B. um Schwingungen zu reduzieren und/oder allgemein Lasten oder Beanspruchung zu senken oder den Energieertrag zu steuern. Eine aktive Regelung ist aber auch ohne solche Aktuataren möglich, z. B. durch aktives Regeln des Drucks eines Fluids, welches innerhalb eines jeweiligen elastischen Elements vorgesehen sein kann. Auch kann die Zusammensetzung des Fluids oder sonstige Eigenschaften des Fluids wie z. B. Viskosität oder dergleichen aktiv eingestellt werden.
Somit kann ein vorbestimmtes Schwenken (Taumeln) der Turbine, d. h. des Rotors und der Rotorachse zur Lastreduktion beitragen, wobei schon kleine Schwenk- bzw. Taumel-Winkel im Bereich von 0 bis 3 Grad als ausreichend angesehen können, größere Winkel aber gleichermaßen realisierbar sind. Der Rotor oder die gesamte Turbine werden daher wie ein elastische welch) aufgehängter Kreisel angeordnet. Der als Kreisel zu betrachtende sich drehende Rotor (bzw. die Turbine) kann dabei Bewegungen ausführen (Ausweichbewegungen, Präzessions- und Nutationsbewegungen), die die von der Abstützvorrichtung bzw. dem Turm aufzubringenden Abstützkräfte und -momente reduzieren oder minimieren können.
In den nachfolgenden Figuren wird die Erfindung in Verbindung mit mehrere Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei die Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden können oder sich ergänzen können. Es zeigen
1 in einer Schnittansicht eine Windenergieanlage gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 ein Blockschaltbild zu einer Regelungsstruktur zum Regeln einer Windenergieanlage gemäß 1;
3 in einer perspektivischen Schnittansicht eine Windenergieanlage gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel mit Details zu einer möglichen Anordnung von Getriebe und Generator sowie Drehpunkt bzw. Drehachse;
4 eine Seitenansicht einer elastischen Schnittstelle bzw. Kupplungseinrichtung in einer ersten Variante für eine Windenergieanlage gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
5 eine schematische perspektivische Ansicht der elastischen Schnittstelle aus 4;
6 eine schematische perspektivische Ansicht der elastischen Schnittstelle aus 4, ferner mit einer Rotorlagerung;
7 eine perspektivische Ansicht einer elastischen Kupplungseinrichtung gemäß der ersten Variante für eine Windenergieanlage gemäß dem zweiten oder dritten Ausführungsbeispiel;
8 eine Seitenansicht eine Lagerungsstruktur, die bei einer Windenergieanlage gemäß einem der vorgenannten Ausführungsbeispiele unabhängig von der Ausgestaltung irgendwelcher Kupplungseinrichtungen vorgesehen sein kann, wobei nicht nur ein Rotor, sondern die gesamte Windenergie-Vorrichtung entlang einer Abstützvorrichtung verfahren werden kann, und
9 eine vereinfachte schematische Darstellung der Windenergieanlage gemäß der vorliegenden Erfindung zur Veranschaulichung eines modularen Aufbaus.
Detaillierte Beschreibung der Figuren
Eine Windenergieanlage 1 umfasst drei Drehachsen. Zum Einen eine Rotordrehachse 2 – siehe 1 – mit einem Maschinenträger 3. Dies ist die Mittenachse eines Rotors 4, um die sich Rotorblätter 5 drehen. Zum Anderen kann sich der Maschinenträger 3 zur Mittenachse 6 eines Turms 7 entsprechend drehen, um den Maschinenträger 3 und damit den Rotor 4 mit den Rotorblättern 5 optimal zum Wind auszurichten. Und schließlich kann ein Rotorblatt 5 durch eine Pitchregelung um die eigene Längsachse gedreht werden, um damit die auf den Rotorblättern 5 entstehenden Luftkräfte auf einen gewünschten Wert einzustellen. Erfindungsgemäß wird eine weitere Drehachse 8 vorgesehen, nämlich eine Drehachse, die im Wesentlichen senkrecht zur Rotorachse verläuft und die ein Verstellen des Winkels α, welcher durch die Rotormittenachse bzw. Rotordrehachse 2 und der Mittenachse 6 des Turms der Windenergieanlage zur Horizontalen gebildet wird, ermöglicht. Dieser Winkel α wird Rotorachswinkel oder auch Tilt-Winkel genannt und beträgt bei bisherigen Windenergieanlagen regelmäßig ca. 5 bis 7° und ist bei bekannten Windenergieanlagen konstruktiv ein für allemal festgelegt. Somit zeigt 1 in einer Schnittansicht eine Windenergieanlage, bei welcher der Rotor um eine Drehachse gegenüber einer vertikal ausgerichteten Ebene geschwenkt werden kann. Der Winkel α entspricht auch dem Winkel der Rotorblattlängsachse gegenüber dem Turm, wenn davon ausgegangen wird, dass die Rotorblätter senkrecht zur Rotorachse angeordnet sind. Der Rotor, die rotorblätter sowie die Lagerung des Rotors können eine so genannte Turbine bilden.
Erfindungsgemäß kann nun die tage der Turbine eingestellt werden, um einen gewünschten Winkel α einzustellen. Dazu ist ein Antrieb 9 vorgesehen, welcher sich am Maschinenträger 3 abstützt und eine Kraft im Wesentlichen senkrecht zur Rotordrehachse auf die Turbine T einbringt. Für die Drehung/Verschwenkung der Turbine T um die Drehachse 8 ist ein Drehlager 11 (z. B. Gleitlager) vorgesehen, welches die Bewegung der Turbine T um die Drehachse 8 erlaubt. Die Drehbewegung wird dabei durch den Antrieb 9, bevorzugt durch mehrere Antriebe gesteuert, wobei als Antrieb ein Hydraulikzylinder zum Einsatz kommen kann und/oder alternativ auch andere Antriebsmöglichkeiten vorgesehen werden können wie z. B. elektrische Motoren oder andere rotierende oder lineare Aktuatoren.
Durch die erfindungsgemäße Verdrehung des Rotors 4 um eine Drehachse und somit die Einstellung eines gewünschten Tilt-Winkels (Raumwinkel der Turbine T) kann nunmehr der Rotor 4 abhängig z. B. von der aktuellen Windgeschwindigkeit um einen unterschiedlichen Tilt-Winkel α eingestellt werden. So ist es z. B. vorteilhaft, dass erst ab Erreichen einer Nennwindgeschwindigkeit oder einer anderen vorbestimmten Windgeschwindigkeit der Tilt-Winkel den von bisherigen Windenergieanlagen bekannten Wert von 5 bis 7° einnimmt, dass aber im Bereich der geringeren Windgeschwindigkeiten der Tilt-Winkel α geringer ist, im Wesentlichen Null Grad ist, um somit die effektiv überstrichene Rotorblattfläche maximal zu halten.
Die erfindungsgemäße Steuerung oder Regelung der Rotorachsneigung (d. h. Turbinenneigung) in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit wird dabei mit Hilfe einer Steuerung oder eines Regelkreises erreicht. Dabei wird die Rotorachsneigung der Windenergieanlage 1 in Abhängigkeit von der momentanen Windgeschwindigkeit V_Wind geregelt und zwar derart, dass der gewünschte Winkel bzw. die Rotorachsneigung α ansteigt mit ansteigender Windgeschwindigkeit. Bei geringen Windgeschwindigkeiten von z. B. 2–8 m/s ist die Ausrichtung horizontal und damit die Rotorachsneigung α = 0 (wie erwähnt).
Die Windgeschwindigkeit V_Wind wird erfindungsgemäß in eine mathematische Funktion für α = f(V_Wind) in eine Vorgabe für eine einzustellende Rotorachsneigung α umgerechnet und als Sollwert einem geeigneten Regler zugeführt, der sodann über den erwähnten Antrieb 9 die gewünschte Rotorachsneigung des Rotors einstellt.
Darüber hinaus (oder alternativ hierzu) kann auch eine dynamische Regelung der Rotorachsneigung vorgenommen werden. Bei jeder Rotorumdrehung wird aufgrund der unterschiedlichen Kräfte auf die Rotorblätter 5, hervorgerufen z. B. durch die unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von der Höhe und beim Durchlaufen der Blätter im Turmschatten, eine unterschiedliche Belastung ausgeübt, so dass eine leicht periodische Pendelbewegung entsteht. Erfindungsgemäß kann nunmehr durch eine entsprechende Ansteuerung des Antriebs zur Einstellung des Tilt-Winkels α des Rotors 4 eine dynamische, gegebenenfalls periodische Kraft erzeugt werden, die dieser Pendelbewegung und weiteren instationären Rotorkräften entgegenwirkt.
Hierzu werden bevorzugt Kräfte in oder auf den Rotorblättern gemessen und voneinander subtrahiert. Über eine mathematische Funktion Δα_dyn = f(ΔF) wird hieraus eine dynamische Änderung der eingestellten Rotorachsneigung α berechnet und von einem Vorgabewert der Rotorachsneigung α_soll abgezogen. Zur optimalen Berechnung von Δα_dyn kann ergänzend noch die aktuelle Rotorlage Pos_Blatt mit herangezogen werden.
Eine Regelungsstruktur ist in 2 aufgezeigt. Darin bedeuten V_Wind = Windgeschwindigkeit, α = Tilt-Winkel, F_Blatt1 = Kraft auf das erste Blatt, F_Blatt2 = Kraft in oder auf das zweite Blatt, Pos_Blatt=gem (= gemessene Blattposition), σ_dyn = dynamischer Tilt-Winkel und α ist der real eingestellte Tilt-Winkel. Ein Regelkreis wird durch den Regler mit Aktuator 90 und die Regelstrecke 9 gebildet.
3 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Windenergieanlage mit einer Anordnung von einzelnen Komponenten und Drehachse, wie sie auch bei einer Windenergieanlage gemäß 1 vorgesehen sein kann. Die Darstellung umfasst ein Rotorblatt 5, welches Teil eines Rotors 4 ist, welcher eine Rotornabe 12 aufweist, welche ein Getriebe 13 aufnimmt, welches eingangsseitig das Antriebsdrehmoment des Rotors 4 aufnimmt und ausgangsseitig an den drehenden Teil eines Generators 14 abgibt. Der Generator 14 ist bevorzugt ein Asynchrongenerator (mit Käfigläufer) oder Synchrongenerator, welcher die erzeugte elektrische Energie mit einer recht hohen Ausgangsspannung, z. B. 10 kV ausgibt. Das Getriebe ist bevorzugt mit einer Trockensumpfschmierung versehen.
In 3 sind weitere Details des Getriebes 13 dargestellt. Hierbei ist zu erkennen, dass eine elastische Kupplung oder beispielsweise eine Elastomer-Kupplung 15 vorgesehen ist, welche bevorzugt so ausgelegt ist, dass die Einleitung von Axialkräften und weiteren parasitären Kräften durch den Rotor 4 in das Getriebe bzw. Verformungen der Nabe 12 in das Getriebegehäuse 16 soweit wie möglich verhindert bzw. minimiert werden. Das Getriebegehäuse 16 kann wie dargestellt auch nur über die Elastomer-Kupplung 15 gehalten werden oder stützt sich über ein Lager an einem nichtrotierenden Planetenträger 132 ab. Ferner ist ein mit dem Getriebegehäuse verbundenes Hohlrad 130 vorgesehen, und es sind Stufenplaneten 131 sowie eine rotierende Sonne 133 abgebildet, die zusammen mit dem feststehenden Planetenträger 132 ein Planetengetriebe bilden.
In 4 ist eine Seitenansicht einiger Komponenten der Windenergieanlage gezeigt, wobei eine elastische Schnittstelle 20 vorgesehen ist und die elastische Schnittstelle 20 zwischen einer Aufnahmeeinrichtung 30 für eine Rotorlagerung (nicht dargestellt) und einer Trägereinrichtung 40, nachstehend auch als Turbinenträger 40 bezeichnet, mit der Funktion einer Tragstruktur zur Anbindung an einen Turm oder einer gleichartigen Abstützvorrichtung gezeigt ist. Die elastische Schnittstelle 20 wird durch elastische Elemente 21 gebildet, wobei ein exemplarischer Anbringungsort von die Schnittstelle 20 bildenden elastischen Elementen skizzenhaft angedeutet ist. Die Aufnahmeeinrichtung 30 und der Turbinenträger 40 können zusammen eine Tragstruktur bilden, und die Aufnahmeeinrichtung 30 ist z. B. dazu vorgesehen, einen Rotor mit einem Antriebsstrang, einem Strukturbauteil oder dergleichen aufzunehmen und zu lagern, oder auch zur Aufnahme einer Einrichtung zur Verstellung der Rotorblattsteigung (Pitch).
Die eingebrachten Lasten, bei einer Windenergieanlage z. B. die von einem Rotor über eine Rotorlagerung eingebrachte Windlasten, auch einseitige, werden über den Turbinenträger 40 zu einem Turm geleitet, die als Abstützvorrichtung dient, wobei das elastische Verhalten und die Steifigkeit dieser Struktur die Amplitude der Lasten mehr oder weniger beeinflussen. Eine elastische, eher weiche Struktur gibt unter Last nach und kann Lastspitzen reduzieren, und ein solcher lastreduzierender Effekt kann neben einer Verteilung der Last bzw. Homogenisierung der Lastaufteilung in der Struktur auf günstige Massenkräfte zurückzuführen sein. Die Aufnahmeeinrichtung 30 kann sich aufgrund der elastischen Elemente 21 gegenüber der Trägereinrichtung 40 um ein vorbestimmtes Maß bewegen, insbesondere um einen Momentanpol M, und es kann die Bewegung in mehreren Ebenen erfolgen, welche zumindest annähernd parallel zu einer Rotorblattebene sind, in welcher die Rotorblätter rotieren, und/oder zumindest annähernd senkrecht ausgerichtet sind.
Die elastischen Elemente 21 können z. B. als Kunststoffelemente, insbesondere Elastomerelemente, ausgeführt sein, welche durch Eigendämpfung die Anlage, also z. B. einen Rotor 4 hinsichtlich seiner Aufhängung dämpfen. Sie können auch als metallene Elemente, beispielsweise aus einem geeigneten Stahl bestehen. Dabei kann ein Kippmoment um eine horizontale Achse, welches z. B. bei Windenergieanlagen beispielsweise bei der Turmpassierung eines sich bewegenden Rotorblatts auftritt und auf die Aufnahrneeinrichtung 30 wirkt, zu einem lastreduzierenden Kippen bzw. Schwenken der Aufnahmeeinrichtung 30 um den Momentanpol M führen. Bei Windenergieanlagen, welche eine Einstellung einer bestimmte Rotorachsneigung des Rotors 4 um einen Winkel α ermöglichen, so dass der Rotor 4 um eine Drehachse zur Veränderung der Rotorachsneigung schwenkbar ist, entspräche ein Schwenken (Kippen) um den Momentanpol in der Wirkung in etwa einem Schwenken um die Drehachse 8 (1). Jedoch erlaubt eine elastische Schnittstelle 20 im Gegensatz zu einer einzigen Drehachse ein Kippen und lineare geradlinige Bewegungen in jeder Raumrichtung.
Durch die Verwendung von elastischen Elementen 21 mit richtungsabhängigen Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften kann eine Vorrichtung, z. B. eine Windenergieanlage, optimal abgestimmt werden, sowohl hinsichtlich externer Effekte wie der Lastsituation (Windstärke, Böen, oder dergleichen) als auch hinsichtlich Charakteristika der Anlage selbst, z. B. Eigenfrequenzen. Eine Richtungsabhängigkeit kann dabei grundsätzlich in Bezug auf alle Raumrichtungen definiert werden, wobei der Richtung der Windlast bzw. einer daraus resultierenden Schubkraft eine besonders große Bedeutung zukommt. Dabei ist es grundsätzlich möglich, elastische Schnittstellen 20 an mehreren Stellen oder Bereichen zwischen einer Aufnahmeeinrichtung 30 (einem ersten Bauteil) und einem Turm oder dergleichen vorzusehen, z. B. im Bereich der Anbindung des Turbinenträgers 40 (eines zweiten Bauteils in Form eines Strukturbauteils) an den Turm 7 (Abstützvorrichtung).
Ferner können die elastischen Elemente 21 in der Dämpfung beeinflussbar ausgeführt sein. Werden z. B. die wie in der 5 oder 6 dargestellt unteren elastischen Elemente 20 in einer Kraftrichtung, bei Windenergieanlagen also in Rotorschubrichtung, welche üblicherweise zumindest annähernd der Windrichtung entspricht, steifer ausgeführt als die oberen elastischen Elemente 21, so kann mit ansteigender Kraft bzw. steigendem Schub (ansteigende Windlast) ohne weitere Regelung ein selbständiges Kippen bzw. eine mit der Kraft zunehmende Neigung der Aufnahmeeinrichtung 30 bzw. Rotorachse gegenüber der Horizontalen erreicht werden. Bei Windenergieanlagen ermöglichen solche rotorschubabhängigen passiven Elemente eine last- und ertragsoptimierte Betriebsweise mit horizontaler oder zumindest nahezu horizontaler Rotorachse bei eher schwachem Wind, und bei zunehmender Windstärke kann sich aufgrund des ansteigenden Schubs (Windlast) sowie der voneinander abweichenden Feder- und/oder Dämpfungseigenschaften der Elemente 21 (also der ungleichen Auslenkung) die Rotorachse selbständig um einen vorbestimmten Winkel gegenüber der Horizontalen nach oben neigen. Dies mindert z. B. die Gefahr einer Kollision eines Rotorblatts mit dem Turm bei mit ansteigender Windstärke zunehmender Biegung des Blattes. Es bedarf in diesem Fall der speziellen Auslegung und der damit verbundenen vorbestimmten Eigenschaften der elastischen Elemente (elastische Schnittstelle) keiner eigenen aktiven Regelung.
Wahlweise als Alternative oder zusätzlich kann neben einer passiven, in erster Linie rotorschubabhängigen, Veränderung oder vorzugsweise Aufrichtung der Rotorachse eine aktive Regelung vorgesehen sein, wobei die elastischen Elemente 21 mit einer Funktion zur aktiven Auslenkung versehen werden können. Dabei können neben oder alternativ zu den elastischen Elementen 21 jegliche Art von Aktuatoren vorgesehen werden, vorzugsweise ebenfalls im Bereich der zumindest einen (elastischen) Schnittstelle 20. Solche Aktuatoren können eine aktive, dynamische Beeinflussung einer Windenergieanlage ermöglichen, z. B. um Schwingungen zu reduzieren und/oder allgemein Lasten oder Beanspruchungen zu senken oder den Energieertrag zu steuern.
In 5 sind Flansche 31 an der Aufnahmeeinrichtung 30 sowie Flansche 41 an der Trägereinrichtung 40 dargestellt, welche eine Kopplung, z. B. über Schraubverbindungen, die entlang der Außenkontur der jeweiligen Flansche vorgesehen sein können, zu elastischen Elementen (nur skizzenhaft angedeutet) ermöglichen, so dass eine elastische Schnittstelle auf einfache Weise gebildet oder auch, z. B. zeitweilig, entfernt oder außer Betrieb (d. h. ohne Wirkung) gesetzt werden kann. Ein exemplarischer Anbringungsort elastischer Elemente 21 ist skizzenhaft zwischen jeweiligen Flanschen 41 zweier Bauteile 30, 40 angedeutet, wobei exemplarisch und schematisch mögliche Größenverhältnisse zwischen einer Rotorlagerung und dem Strukturbauteil bzw. der Turbinenträger 40 zur Anbindung an eine Abstützvorrichtung (nicht dargestellt) angegeben sind. Auch ist in 5 erkennbar, dass sich eine Rotorlagerung oder dergleichen über die Aufnahmeeinrichtung 30 an Punkten dem Turbinenträger 40 abstützen kann, welche in Bezug auf den Abstand zueinander weiter voneinander beabstandet sind als ein Durchmesser der Aufnahmeeinrichtung 30 (hier als ringartiger Flansch 33 gezeigt), an welchem eine Rotorlagerung oder dergleichen ankoppelbar ist, so dass eine hohe Stabilität und Steifigkeit bzw. eine feine Einstellbarkeit von Feder- und/oder Dämpfungseigenschaften trotz elastischer Elemente sichergestellt werden kann, insbesondere in Bezug auf eine Bewegung um den Momentanpol (M gemäß 4).
In 6 ist dargestellt, auf welche Weise eine Rotorlagerung in Verbindung mit der Rotornabe 12 und eine Aufnahmeeinrichtung 30 gelagert und diese mit dem Turbinenträger 40 elastisch gekoppelt werden kann. Die beispielhaft gezeigte Rotornabe 12 weist Flansche zum Montieren von zwei Rotorblättern auf, es können jedoch auch Rotornaben 12 vorgesehen sein, an welche mehr als zwei Rotorblätter angeordnet bzw. anbringbar sind. Es ist ersichtlich, dass die Rotornabe 12 in Bezug auf den Turbinenträger 40 zumindest annähernd die Lage einer Aufnahmeeinrichtung 30 einnehmen kann, so dass die Rotornabe 12 nahe zu einer elastischen Schnittstelle angeordnet sein kann. Die elastische Schnittstelle kann, wie es bereits in den 4 und 5 angedeutet wurde, durch elastische Elemente 21 (skizzenhaft und schematisch angedeutet) gebildet sein, insbesondere an vier Kupplungsstellen bei dem Turbinenträger 40, die z. B. fachwerkartig oder rahmenförmig ausgebildet sein kann, aber möglicherweise auch an nur drei oder an mehr als vier Kupplungsstellen, wenn dies für eine bestimmte Ausgestaltung von Aufnahmeeinrichtung 30 oder Turbinenträger 40 von Vorteil ist.
In 7 ist in perspektivischer Ansicht eine Rotornabe 12 gezeigt, welche direkt oder über ein erstes Bauteil 30 (Aufnahmeeinrichtung) zu einem zweiten Bauteil 40 (Turbinenträger) gekoppelt ist, wobei zwischen dem ersten Bauteil 30 bzw. der Rotornabe 12 und dem zweiten Bauteil 40 elastische Elemente 21 vorgesehen sind, welche eine elastische Kupplungseinrichtung bzw. eine elastische Schnittstelle bilden, z. B. eine Schnittstelle, wie in den 4, 5 und 6 angedeutet, und welche wie erwähnt auch bei einer Windenergieanlage gemäß in 7 zum Einsatz kommen kann.
Ferner ist beispielhaft gezeigt, welche Größenverhältnisse sich bei einer bestimmten Rotornabe 12 sowie spezieller elastischer Elemente 21 ergeben können. Die Rotornabe 12 überragt in ihren Ausmaßen deutlich die Größe eines Menschen, und die dargestellten elastischen Elemente 21 reichen in ihren äußeren Abmessungen zumindest in der einen Dimension nahe an die Größe eines Menschen heran. Die elastischen Elemente 21 auch kleiner ausgeführt sein, gegebenenfalls auch in Verbindung mit einer höheren Anzahl an Elementen. Die elastischen Elemente 21 sind in der Darstellung beispielhaft und schematisch als rotationssymmetrische Elemente 21 dargestellt, welche eine im Hinblick auf die äußeren Abmessungen relativ dünne Wandstärke aufweisen und einen Hohlraum 22 bilden können. Insofern kann auch von Membranen gesprochen werden, welche eine Anbindung der Aufnahmen 30 oder sonstiger Komponenten einer Windenergieanlage an der Turbinenträger 40 ermöglichen. Die Membrane können z. B. aus Metall ausgeführt sein, auch können die elastischen Elemente 21 zumindest teilweise aus einem Kunststoffartigen Material, z. B. einem elastomeren Material, gebildet oder damit zumindest teilweise gefüllt sein.
Auch begünstigt durch die vergleichsweise großen Abmessungen in radialer Richtung ist es zum einen möglich, eine gewissen Flexibilität und Bewegung mit mehreren Freiheitsgraden sicherzustellen, zum anderen die Elemente 21 aber auch derart steif bzw. rigide auszuführen, dass eine bedeutende statische Last, z. B. eine Gewichtskraft, gut von den Elementen 21 aufgenommen und in der Turbinenträger 40 weitergeleitet werden kann. In der dargestellten Anordnung wirken die Gewichtskräfte vornehmlich als Scherkräfte, und diese können durch die rotationssymmetrische Ausführung der Elemente 21 gut aufgenommen werden und weitergeleitet werden, ohne dass die Feder- und/oder Dämpfungseigenschaften durch die statischen Lasten eine starke Richtungsabhängigkeit erfahren oder sonstwie verfälscht werden. Ein jeweiliges elastisches Element 21 ist z. B. über Schraubverbindungen an einen Flansch der Rotornabe 12 oder einer Aufnahmeeinrichtung 30 und auch an einen Flansch 41 der Turbinenträger 40 ankoppelbar.
In montiertem Zustand (wie es bei den vier an der Rotornabe 12 bzw. Aufnahmeeinrichtung 30 angeordneten elastischen Elementen 21 dargestellt ist) können die Elemente 21 nicht nur rotationssymmetrisch, sondern auch symmetrisch in Bezug auf eine sie in der Vertikalen schneidende Ebene ausgeführt sein, und dabei kann jede der beiden Hälften 21a, 21b eines elastischen Elements 21 eine äußere balg- oder scheibenartige Form aufweisen, also z. B. kreisrunde tellerartige Kupplungen mit geringer Wandstärke. Die Elemente 21 können daher auch als aus zwei zueinander symmetrische Teilelemente 21a und 21b bestehend aufgefasst werden, z. B. in Form der bereits erwähnten Membrane, welche jeweils ein- und ausfedern können und zueinander im Bereich ihrer Mantelfläche bzw. Umfangslinie verbunden bzw. gekoppelt sind. Ein Teilelement in einem eingefederten Zustand ist dabei exemplarisch durch das Teilelement 211 gezeigt, und ein Teilelement in einem ausgefederten Zustand ist dabei durch das Teilelement 210 gezeigt, wobei diese Teilelemente zur besseren Veranschaulichung nicht in Bezug zu der sonst gezeigten Vorrichtung dargestellt sind. Dabei kann bei einem Element 21 auch das eine Teilelement 210 ausgefedert sein und das andere Teilelement eingefedert oder umgekehrt, oder beide ein- oder ausgefedert. Dabei wird in dem eingefederten Zustand vornehmlich eine Druckkraft übertragen, und in dem ausgefederten Zustand vornehmlich eine Zugkraft. Wirkt eine Druckkraft auf ein noch ausgefedertes Teilelement 21a, 21b bzw. auf ein ein- oder beidseitig noch ausgefedertes Element 21, so wird das Element 21 wieder komprimiert, dies aber nur in einem gewünschten Maße, je nach Füllung eines Hohlraums 22 oder sonstigen dämpfenden Eigenschaften der Elemente 21, wie es nachstehend noch angegeben ist. Unabhängig von einem ein- oder ausgefederten Zustand kann gleichzeitig auch eine Schubkraft in Richtung einer im Wesentlichen vertikal ausgerichteten Ebene und/oder ein Drehmoment um die Symmetrieachse übertragen werden.
Die Feder- und/oder Dämpfungseigenschaften der Elemente 21 können auf konstruktiven Eigenschaften der Elemente 21 beruhen. Es können ebenfalls separate (in den Figuren nicht gezeigte) Dämpfungselemente vorgesehen sein, so dass das Auftreten von Schwingungen vermindert oder vermieden werden kann. Ferner ist erkennbar, dass die Elemente 21 jeweils äußere Abmessungen, insbesondere Durchmesser aufweisen können, die deutlich größer sind als der jeweilige Flansch 31, 41. Dabei können die Feder- und/oder Dämpfungseigenschaften auch durch das Durchmesserverhältnis zwischen Flansch 31, 41 und elastischem Element 21 eingestellt werden. Ferner ist zu erläutern, dass ein jeweiliges elastisches Element zwar hohl ausgeführt sein kann, dass es jedoch je nach Anwendungsfall von Nutzen ist, den Hohlraum 22 mit einem Medium ganz oder teilweise zu füllen oder auszukleiden, welches die Feder- und/oder Dämpfungseigenschaften mitbestimmen kann, also welches z. B. eine starke Dämpffunktion, insbesondere in Richtung der Rotationsachse eines Rotors, übernehmen kann. Bei einer teilweisen Füllung mit diesem Medium wird eine Dampfungskennlinie mit einem mehr oder weniger nichtlinearen Verlauf erreicht. Auch können verschiedene Medien mit unterschiedlichen Eigenschaften in unterschiedlicher Menge und Anordnung eingebracht werden. Das Medium kann ein Fluid und/oder ein Feststoff sein.
Für eine jeweilige elastische Schnittstelle 20 können die vorstehend angegebenen unterschiedlichen Medien bei jeweiligen Elementen 21 vorgesehen sein können. Ein Füllen der Elemente 21 mit einem z. B. elastischen Material kann also zu gewünschten Dämpfungseigenschaften führen, welche sich im Betrieb dann auf passive Weise selbst einstellen können. Durch das Befüllen der Elemente 21 mit Fluiden und eine Verbindung der Elemente 21 untereinander beispielsweise über einstellbare Drosseln kann das Auslenkverhalten der Elemente 21 gekoppelt bzw. zueinander in eine Abhängigkeit gebracht werden. Das Auslenkverhalten der Elemente 21 kann auch durch eine einzelne oder gekoppelte Druckbeaufschlagung beeinflusst werden, so dass eine aktive Ausführung der Anbindung realisiert wird.
Gemäß einer Variante können die elastischen Elemente 21 auch (zeitweilig) überbrückt bzw. kurzgeschlossen oder blockiert werden, um ein Federn und/oder Dämpfen zu unterbinden. Für den Fall, dass (beispielsweise auch zeitlich begrenzt) weder ein Federn nach ein Dämpfen erwünscht ist, z. B. bei einem sehr schweren Unwetter (um z. B. die Gefahr eines Aufschaukelns der Anlage oder eine Eigenschwingung im Resonanzbereich jedenfalls ausschließen zu können, bei einer Wartung oder bei einer Montage/Demontage), kann die Aufnahmeeinrichtung 30 direkt mit dem Turbinenträger 40 gekoppelt werden. Hierzu müssen die Elemente 21 nicht notwendigerweise ausgebaut oder umgesetzt werden, sondern es kann z. B. ein Verbindungsstück wie ein Bolzen von jeweils einem der Flansche des Turbinenträgers 40 zu jeweils einem der Flansche der Aufnahmeeinrichtung 30 geführt werden, beispielsweise auf hydraulische Weise innerhalb eines jeweiligen elastischen Elements 21, um Aufnahmeeinrichtung 30 und Turbinenträger 40 starr oder zumindest fester miteinander zu verbinden.
8 zeigt weitere Einzelheiten einer erfindungsgemäßen Windenergleanlage, die auch unabhängig von den vorbeschriebenen Merkmalen realisiert werden können.
Ziel der Konstruktion, wie sie insbesondere in 8 dargestellt ist, ist die Ausführung einer funktionalen Trennung zwischen einer klassischen Windenergieanlage 1 (bestehend aus Triebstrang 10, Steuerung etc.) und deren Turm 7 und der Notwendigkeit für die Lagerung der Windenergieanlage in einem bestimmten Abstand über dem Erdboden, und es wird hierbei eine geeignete Struktur in Form einer Lagerungsstruktur 17 eingesetzt.
Die Aufgabe der Lagerungsstruktur 17 besteht darin, den dynamischen Teil der Windenergieanlage 1, also Triebstrang 10, d. h. Rotor 4, Generator, ggf. Getriebe, sowie Steuerung und Subsysteme hierfür wie z. B. Bremsen, Aktuatoren für die Blattverstellung (Pitchantriebe) etc. auf ein gewünschtes Niveau und damit eine vorbestimmte Nähe über einer Bezugsfläche 60, z. B. dem Erdboden, einzustellen. Die Lagerungsstruktur 17 stützt sich dabei am Turm 7 der Windenergieanlage 1 ab, kann Rotor 4, Generator, ggf. Getriebe, Steuerung etc. um die Vertikalachse, also die Turmachse 6 drehen.
Im Falle einer Reparatur kann mittels der Lagerungsstruktur 17 die gesamte Anlage am Turm 7 bis zum Erdboden herunter gefahren werden, und es ist auch möglich, dass bei einem starken Sturm die Windenergieanlage 1 von ihrer Topposition (obere Betriebsposition) weiter nach unten verfahren wird, um somit auch einen Betrieb der Windenergieanlage 1 bei starkem Sturm zu ermöglichen (bekanntlich ist auch bei einem starken Sturm die Windgeschwindigkeit in Bodennähe geringer als in großer Höhe über dem Erdboden).
Gemäß 8 kann durch eine Verfahreinrichtung 18, die von der Lagerungsstruktur 17 aufgenommen wird, der Triebstrang 10 bestehend aus Rotor, Getriebe, Generator etc. auf eine gewünschte Höhe über dem Erdboden (entlang dem Verlauf des Turms) verfahren werden und wird dann dort durch eine Halterungsvorrichtung 19 verankert. Letztere ist ebenfalls Teil der Lagerungsstruktur 17. Bei Drehung des Windes kann die Lagerungsstruktur 17 die Windenergieanlage 1 durch eine Verfahreinrichtung um die Vertikalachse 6 drehen. Hierzu kann eine Lagerung 170 der Verfahreinrichtung um die Vertikalachse dienen.
Die Verfahreinrichtung 18 zum Heben und Senken der Windenergieanlage 1 kann aus einem Seilsystem bestehen oder durch Schienensysteme etc. gebildet werden. Auch ist es möglich, dass die Verfahreinrichtung 18 einen oder mehrere Antriebsmotoren aufweist, die mit einem Kitzel versehen sind, welches seine Kraft an einen gegenüberliegenden Zahnkranz einleitet, welcher am Turm 7 der Windenergieanlage 1 angeordnet ist.
Die Halterungsvorrichtung 19 kann durch Bolzen, durch Klemmen oder dergleichen gebildet werden, damit die Lagerungsstruktur 17 wie gewünscht in verschiedenen Höhen am Turm 7 arretiert werden kann.
9 zeigt eine Anordnung der erfindungsgemäßer Windenergieanlage 1, bei der die vorstehend beschriebenen Komponenten und Bauteile in Form von Modulen vorgesehen sind.
Im Einzelnen zeigt 9 die Abstützvorrichtung 7, die auch als Turm bezeichnet wird. Sie steht im Wesentlichen senkrecht auf einer Bodenfläche und ist dort befestigt. In einer entsprechend der Leistungsklasse der Windenergieanlage 1 bestimmten Höhe ist die Trägereinrichtung in Form des Turbinenträgers 40 angeordnet. Der Turbinenträger 40 ist relativ zu der Abstützvorrichtung 7 drehbar angeordnet, so dass die Windenergieanlage 1 den wechselnden Windrichtungen angepasst oder nachgeführt werden kann.
9 zeigt ferner die Turbine T, die den Rotor 4 mit der Rotornabe 12 und den Rotorblättern 4 umfasst. Es kann die Turbine T auch den Triebstrang 10 umfassen einschließlich eines fallweise erforderlichen Getriebes, des Generators und notwendiger elektrischer und elektronischer Einrichtungen (auch Schalteinrichtungen). Die Turbine T umfasst des Weiteren die Aufnahmeeinrichtung 30, mittels der der Rotor 5 im Bereich der Rotornabe 12 drehbar gelagert ist.
Die in 9 gezeigte Windenergieanlage 1 umfasst zwischen der Turbine T und dem Turbinenträger 40 ein Zwischenmodul Z, das beispielsweise die vorstehend beschriebene elastische Schnittstelle 20 beinhalten kann. Es kann das Zwischenmodul Z in Form der Schnittstelle auch weitere Elemente und erforderliche Komponenten (wie beispielsweise für eine Wartung der gesamten Anlage) beinhalten.
Die Windenergieanlage 1 gemäß 9 zeigt somit ein erstes Modul einschließlich der Abstützvorrichtung 7 (Turm) und des Turbinenträgers 40, wobei die beiden genannten Komponenten des ersten Moduls auch zwei einzelne Module sein können. Mit dem ersten Modul ist das Zwischenmodul als zweites Modul verbunden und Steift die Schnittstelle her zu einem dritten Modul in Form der Turbine T.
Es kann das erste Modul einschließlich des Turbinenträgers 40 als eine universelle Trägereinrichtung ausgebildet werden, die über die elastische Schnittstelle des Zwischenmoduls Z die Turbine vollständig tragen kann.
Seitens der Hersteller von Windenergieanlagen besteht daher die Möglichkeit, die jeweilige Windenergieanlage mit diesem modularen Aufbau zu planen und herzustellen, so dass in Abhängigkeit von verschiedenen Leistungsklassen oder auch lokalen Bedingungen eines Standorts einer Windenergieanlage die Module unterschiedlich ausgestaltet werden können. Des Weiteren kann sich ein Herstelle auf einzelne Module spezialisieren, so dass auch Module verschiedener Hersteller und unterschiedlicher Art kombiniert werden können. Es sind in solchen Fällen die jeweiligen Anschlußelemente entsprechend zu definieren, dass eine möglichst freizügige Kombination er verschiedenen Komponenten möglich ist. Beispielsweise kann der auf die Fertigung der Turbinen-Module spezialisierte Hersteller seine Produkte direkt oder über das Zwischenmodul mit dem ersten Modul kombinieren.
Die vorliegende Erfindung ist auf die dargestellte Aufteilung der Module nicht festgelegt. Vielmehr können auch andere Aufteilungen nach Zweckmäßigkeit bestimmt werden.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den zugehörigen Figuren beschrieben.
Es ist jedoch für den auf diesem Gebiet tätigen Fachmann selbstverständlich, dass die Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gemäß den vorstehend beschriebenen Figuren und die für die jeweiligen Bauteile und Komponenten verwendeten Bezugszeichen der Figuren und der Beschreibung sowie die beispielhaften Angaben nicht einschränkend auszulegen sind. Somit ist die Erfindung auf die angegebene Darstellung in den Figuren und insbesondere auf Dimensionen und Anordnungen nicht beschränkt. Als Zur Erfindung gehörig werden sämtliche Ausführungsformen und Varianten gesehen, die unter die beigefügten Patentansprüche fallen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6979175 [0002]
EP 2014912 [0002]
DE 19916454 A1 [0002]
DE 2753956 B1 [0002]
WO 82/04466 [0002]
WO 2008/148874 A1 [0002]
DE 1020598864 [0002]
US 2001/0038207 A1 [0002]
EP 1101936 B1 [0002]
EP 1101934 B1 [0002]
WO 96/10130 [0002]

Claims

Kupplungseinrichtung (20), die zwischen einer Turbine (T) mit einem Rotor (4), insbesondere einer Turbine einer Windenergieanlage, und einem Turbinenträger (40) und einer Abstützvorrichtung (7) anordenbar und vorgesehen ist zur Änderung der Ausrichtung der Turbine (T) gegenüber dem Turbinenträger (40) durch Änderung der Neigung einer Rotorachse (2) des Rotors (4), wobei die Kupplungseinrichtung (20) als elastische Kupplungseinrichtung mit Feder- und/oder Dämpfungseigenschaften ausgebildet ist und zumindest ein elastisches Element (21) aufweist, und wobei die Kupplungseinrichtung (20) dazu eingerichtet ist, die Turbine (T) über das zumindest eine elastische Element (21) gegenüber dem Turbinenträger (40) und der Abstützvorrichtung (7) abzustützen.
Kupplungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kupplungseinrichtung (20) eine Bewegung der Turbine (T) gegenüber dem Turbinenträger (40) ermöglicht und die maßgeblichen Haltekräfte und Haltemomente für den Rotor (4) über die Kupplungseinrichtung (20) zum Turbinenträger (40) geführt werden.
Kupplungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das elastische Element (21) zumindest teilweise aus metallenen Elementen oder aus einem Kunststoffmaterial ausgeführt ist und wobei das elastische Element (21) zumindest in Bezug auf seine Mantelfläche rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
Kupplungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elastische Element (21) einen Hohlraum (22) aufweist, welcher zumindest teilweise mit einem Fluid zur Einstellung von Dämpfungseigenschaften gefüllt ist.
Kupplungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elastische Element (21) bedarfsweise überbrückt werden kann zur Bildung einer starren Kupplungseinrichtung zwischen der Turbine (T) für eine Wartung, Montage oder Demontage der Turbine (T).
Windenergieanlage mit einer Turbine (T) mit einem Rotor (4), der zwei oder mehr Rotorblätter (5) aufweist, wobei der Rotor (4) bedarfsweise über ein Getriebe mit einem Generator (14) zur Erzeugung elektrischer Energie verbunden ist und die Windenergieanlage einen Maschinenträger (3), der den Rotor (4) und Generator (14), die einen Triebstrang (10) bilden, trägt, und ferner einen Turbinenträger (40) aufweist zur Anbindung des Rotors (4) an eine Abstützvorrichtung (7), wobei zwischen dem Rotor (4) und dem Turbinenträger (40) mindestens eine elastische Kupplungseinrichtung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche vorgesehen ist, so dass der Rotor (4) mittels der Kupplungseinrichtung (20) bei einer Krafteinwirkung aufgrund von Feder- und/oder Dämpfungseigenschaften der Kupplungseinrichtung (20) eine vorbestimmte Bewegung um einen Bewegungspunkt (M) ausführen kann.
Windenergieanlage nach Anspruch 6, wobei die Kupplungseinrichtung eine in einer Ebene angeordnete Schnittstelle bildet, und der Bewegungspunkt einem Momentanpol (M) entspricht, welcher in der Ebene der Kupplungseinrichtung angeordnet ist, insbesondere auf der Rotorachse (2).
Windenergieanlage nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Rotorachsneigung abhängig von der Windgeschwindigkeit und/oder Belastung auf die Rotorblätter (5) der Windenergieanlage auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird.
Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der Rotor (4) der Windenergieanlage eine Nabe (12) aufweist, innerhalb der ein Getriebe (13) untergebracht ist, welches auf der Eingangsseite das Drehmoment des Rotors (4) aufnimmt und welches auf der Ausgangsseite mit rotierenden Teilen des Generators (14) bedarfsweise über Zwischenelemente verbunden ist.
Windenergieanlage nach Anspruch 9, wobei zur Übertragung des Moments des Rotors (4) auf das Getriebe (13) eine Kupplung vorgesehen ist, welche als elastische Kupplung (15) ausgelegt ist, so dass die Einleitung von Kräften durch den Rotor (4) und damit auf die Nabe (12) und auf das Getriebe (13) minimiert wird.
Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die Windenergieanlage mit einer Abstützvorrichtung (7) gekoppelt ist, auf welcher der Turbinenträger (40) gelagert ist, und der Triebstrang (10) seitlich von der Abstützvorrichtung (7) beabstandet angeordnet und eine Drehachse (8) zum Verschwenken und Einstellen der Rotorachsenneigung seitlich von der Abstützvorrichtung (7) versetzt ist.
Verfahren zum Einstellen der Neigung einer Rotorachse (2) eines Rotors (4) einer Turbine (T) einer Windenergieanlage, die über einen Turbinenträger (40) an einer Abstützvorrichtung (7) angeordnet ist und wobei eine Kupplungseinrichtung (20) zwischen der Turbine (T) und dem Turbinenträger (40) angeordnet ist, und die Neigung der Rotorachse (2) in Abhängigkeit von externen Einflüssen, wie z. B. Windstärke oder Windrichtung, eingestellt wird, wobei die Neigung der Rotorachse (2) in einem Betriebszustand gegenüber der Horizontalen und/oder einer beliebig im Raum verlaufenden Achse dadurch eingestellt wird, dass Feder- und/oder Dämpfungseigenschaften einer Kupplungseinrichtung (20) passiv und/oder aktiv eingestellt werden, wobei die Kupplungseinrichtung (20) mindestens ein elastisches Element (21) aufweist, über welches die Lagerung der Turbine (T) gegenüber dem Turbinenträger (40) erfolgt.