DE102011122433A1

DE102011122433A1 - Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102011122433A1
Application number: DE102011122433A
Authority: DE
Inventors: Adil Ben Haddou
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2011-12-24
Filing date: 2011-12-24
Publication date: 2013-06-27
Also published as: WO2013091756A3; WO2013091756A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage 1, aufweisend einen Turm, eine drehbar darauf angeordnete einen Rotor tragenden Gondel mit einem schmiermittelbefüllten Getriebe 4 und einem Generator 9, wobei der Rotor mit dem Getriebe 4 und dem Generator 9 verschaltbar ist, und wobei eine Heizeinrichtung für die Schmierflüssigkeit und/oder andere Bauteile oder Medien der Windkraftanlage 1 vorgesehen ist. Erfindungsgemäß wird eine Windkraftanlage 1 bereitgestellt, bei der die Heizeinrichtung für die Schmierflüssigkeit bei außer Betrieb befindlicher Windkraftanlage 1 energiesparend betrieben werden kann. Erreicht wird dies dadurch, dass ein Hilfsgenerator 15 vorgesehen ist, der beim Tummelbetrieb der Windkraftanlage 1 an einen mechanischen Abgriff des Getriebes 4 ankuppelbar ist, und dass der Hilfsgenerator 15 mit der elektrisch betriebenen Heizeinrichtung verbindbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage, aufweisend einen Turm, eine drehbar auf dem Turm angeordnete und einen Rotor tragende Gondel mit einem schmierflüssigkeitsbefüllten Getriebe und einem Generator, wobei der Rotor mit dem Getriebe und dem Generator verschaltbar ist, und wobei eine Heizeinrichtung für die Schmierflüssigkeit und/oder andere Bauteile oder Medien der Windkraftanlage vorgesehen ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage.
Eine derartige Windkraftanlage ist aus der US 7,997,855 B2 bekannt. Diese Windkraftanlage weist eine Gondel auf, in der ein Getriebe und ein Generator angeordnet sind. Weiterhin ist das Getriebe eingangsseitig mit einem Rotor verbunden. Zur Anwärmung der Schmierflüssigkeit in dem Getriebe ist eine Heizeinrichtung vorgesehen, die in eine Pumpe integriert ist. Zum Vorwärmen des Schmiermittels des Getriebes ist folglich bei Stillstand der Windkraftanlage die Pumpe in geeigneter Weise zu betreiben oder die Schmierflüssigkeit in anderer geeigneter Weise zu heizen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftanlage bereitzustellen, bei der die Heizeinrichtung für die Schmierflüssigkeit bei außer Betrieb befindlicher Windkraftanlage energiesparend betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Hilfsgenerator vorgesehen ist, der an einem mechanischen Abgriff des Getriebes ankuppelbar ist, und dass der Hilfsgenerator mit der elektrisch betriebenen Heizeinrichtung verbindbar ist. Das entsprechende Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage sieht vor, dass der Hilfsgenerator in einem Taumelbetrieb der Windkraftanlage an einen mechanischen Abgriff des Getriebes zum Betreiben der Heizeinrichtung ankuppelbar ist. Das heißt, der Hilfsgenerator wird beim Taumelbetrieb der Windkraftanlage an einem mechanischen Abgriff des Getriebes angekuppelt und es wird über den Hilfsgenerator Strom erzeugt, der zum Betrieb der Heizeinrichtung verwendet wird. Dabei ist es so, dass insbesondere bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen im Bereich von beispielsweise –30°C die Schmierflüssigkeit, beispielsweise Schmieröl, des Getriebes vor einer Inbetriebnahme der Windkraftanlage vorgewärmt werden muss, damit eine zuverlässige Schmierung des Getriebes sichergestellt ist und Beschädigungen des Getriebes vermieden werden. Andererseits befindet sich die Windkraftanlage insbesondere bei zu wenig oder zu viel Wind in einem abgeschalteten Zustand. Dabei wird der Rotor aber normalerweise nicht festgesetzt, sondern kann sich in einem Leerlaufbetrieb, der Taumelbetrieb genannt wird, drehen. Dabei sind insbesondere bei Starkwind die Rotorblätter so verdreht, dass diese in eine sogenannte Segelstellung gedreht sind. In diesem Zustand wird nun in erfindungsgemäßer Weise der Hilfsgenerator betrieben und mit dem so erzeugten Strom die elektrische Heizeinrichtung betrieben. Somit kann auch bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen die Windkraftanlage jederzeit in einen betriebsbereiten Zustand gehalten werden, bei dem ein Ankoppeln des Getriebes an den Rotor zur Erzeugung von elektrischer Energie durch den Generator jederzeit möglich ist.
In Weiterbildung der Erfindung ist der Hilfsgenerator an eine Schmierflüssigkeitspumpe des Getriebes, die einen mechanischen Abgriff darstellt, ankuppelbar. Bei dieser Ausgestaltung wird kein eigenes Generatorzahnrad zum Antrieb des Generators benötigt, sondern dieser über eine Kupplung oder direkt mit der Schmierflüssigkeitspumpenwelle verbunden.
In einer alternativen Ausgestaltung ist der Hilfsgenerator über einen Zahnradeingriff an ein Getriebezahnrad ankuppelbar. Dabei kann der Zahnradeingriff direkt mit dem Getriebezahnrad oder aber mit einem zwischengeschalteten Zahnrad, beispielsweise dem Pumpenzahnrad, erfolgen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Zahnradeingriff ein mit dem Getriebezahnrad zusammenwirkendes auf einer Welle angeordnetes Generatorzahnrad auf, wobei die Welle einen mit einer Kupplung zusammenwirkenden Zapfen aufweist und wobei die Kupplung mit einem Hilfsgeneratorzapfen verbindbar ist. Diese Ausgestaltung ist zuverlässig und einfach zu schalten, wobei in weiterer Ausgestaltung vorgesehen ist, dass die so ausgebildete Kupplung von einem elektrisch betätigten Stellkolben schaltbar ist.
In Weiterbildung der Erfindung ist die elektrisch betriebene Heizeinrichtung über einen entsprechenden Heizelementschalter mit dem Hilfsgenerator verbindbar bzw. von diesem trennbar. Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann vorgesehen, wenn der Hilfsgenerator ohne eine zwischengeschaltete Kupplung dauernd an einen mechanischen Abgriff des Getriebes angekuppelt ist.
In Weiterbildung der Erfindung ist der Hilfsgenerator als Hilfsmotor betreibbar. In diesem Zustand können mit dem so betriebenen Hilfsgenerator die Rotorblätter in bestimmte Positionen, beispielsweise zur Wartung oder Reparatur verdreht werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Hilfsgenerator eine Leistung von 4–20 kW auf. Eine solche Dimensionierung hat sich je nach Größe der Windkraftanlage als besonders geeignet erwiesen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben sind.
Es zeigen:
1 eine Seitenansicht einer Windkraftanlage,
2 eine Detailansicht eines an ein Getriebezahnrad mittels einer Kupplung ankuppelbaren Hilfsgenerators, der mit einem in dem Ölsumpf des Getriebes angeordneten Heizelement oder einem außenliegenden Heizelement verbindbar ist,
3 ein Schaltschema, bei dem der Hilfsgenerator über eine Kupplung an eine Pumpenwelle einer Schmierflüssigkeitspumpe ankuppelbar ist,
4 ein Schaltschema, bei dem der Hilfsgenerator dauerhaft mit der Pumpenwelle einer Schmierflüssigkeitspumpe verschaltet ist,
5 ein Schaltschema, bei dem der Hilfsgenerator über eine Kupplung mit einem Generatorzahnrad verbindbar ist, das unter Zwischenschaltung eines Pumpenzahnrads mit einem Getriebezahnrad kämmt und
6 ein Schaltschema, bei dem der Hilfsgenerator dauerhaft mit einem Generatorzahnrad und über ein Pumpenzahnrad mit einem Getriebezahnrad verschaltet ist.
1 zeigt eine Seitenansicht einer Windkraftanlage 1 mit ihren wesentlichen Baugruppen. Die Windkraftanlage 1 weist einen Turm 2 auf, auf dem eine um eine Vertikalachse drehbar gelagerte Gondel 3 in Form eines Maschinengehäuses angeordnet ist. In der Gondel 3 ist ein Getriebe 4 drehfest befestigt, wobei das Getriebe 4 eine Antriebswelle 5 und eine Abtriebswelle 6 aufweist. Die Antriebswelle 5 des Getriebes 4 ist mit einer Nabe 7 eines mehrere Rotorblätter 8 aufweisenden Rotors verbunden. Die Abtriebswelle 6 ist mit einer anzutreibenden Antriebsvorrichtung in Form eines Generators 9 drehverbunden. Das Getriebe 4 ist so ausgelegt, dass es eine langsame Drehbewegung der Antriebswelle 5 in eine schnelle Drehbewegung der Abtriebswelle 6 umsetzt. Mittels der Windkraftanlage 1 wird elektrische Energie erzeugt, indem der von dem Wind in Drehbewegung versetzte Rotor die Drehbewegung über die Antriebswelle 5 in das Getriebe einleitet und das Getriebe 4 die Rotordrehbewegung in eine schnellere Generatordrehbewegung umsetzt und diese über die Abtriebswelle 6 auf den Generator 9 übertragen wird.
2 zeigt auszugsweise ein Getriebezahnrad 10 des Getriebes 4, wobei das Getriebezahnrad 10 in geeigneter Weise in einem Getriebegehäuse 11 drehbar gelagert ist.
In dem Getriebegehäuse 11 ist weiterhin eine Welle 12 drehbar gelagert, an der ein Generatorzahnrad 13 drehfest befestigt ist. Das Generatorzahnrad 13 steht mit dem Getriebezahnrad 10 in einem dauernden Eingriff. Weiterhin ist an dem Getriebegehäuse 11 ein Flansch 14 befestigt, an dem seinerseits ein Hilfsgenerator 15 befestigt ist. Der Hilfsgenerator 15 weist eine Generatorwelle 16 auf, an der ein Generatorzapfen 17 befestigt ist. Gleichzeitig ist an der Welle 12 ein Zapfen 18, die über eine Kupplung 19 miteinander verbindbar sind. Dazu ist die Kupplung 19, die als Schiebmuffe ausgebildet ist, axial verschiebbar, wobei die Verschiebebewegung von einem Stellkolben 20 vorgenommen wird. Der Stellkolben 20 ist elektrisch über einen Schalter 21 sowohl automatisch beispielsweise von der Windkraftanlagensteuerung als auch händig beispielsweise für ein Not-Aus betätigbar.
Der Hilfsgenerator 15 ist über eine Leitung 22 mit einem die Heizeinrichtung darstellenden Heizelement 23, beispielsweise in Form zumindest einer Heizmatte, zumindest einem Heizgeflecht oder zumindest einem Heizrohr verbunden, wobei das Heizelement 23 innerhalb des Getriebegehäuses 11 im Bereich eines Ölsumpfes 24 angeordnet ist. Zwischen dem Heizelement 23 und dem Getriebegehäuse 11 ist eine Wärmedämmschicht 30 Alternativ dazu kann das Heizelement 23 auch außen an dem Getriebegehäuse 11 befestigt sein, wobei die Wärmedämmschicht dann das Heizelement 23 gegenüber der Umgebung isoliert.
Das in 3 dargestellte Schaltschema zeigt schematisch das Getriebegehäuse 11 mit dem Getriebezahnrad 10. Das Getriebezahnrad 10 treibt ein Pumpenzahnrad 25, das über eine Schmierflüssigkeitspumpenwelle 27 mit einer Schmierflüssigkeitspumpe 26 verbunden ist. Die mechanische Schmierflüssigkeitspumpe 26 ist zur Förderung der Schmierflüssigkeit vorgesehen und fördert diese beispielsweise in einen Schmierflüssigkeitsverteiler 29. Die Schmierflüssigkeit ist normalerweise Schmieröl. An der Schmierflüssigkeitspumpenwelle 27 ist weiterhin eine Kupplung 19, die wie in 2 dargestellt oder aber auch in einer beliebigen anderen Ausgestaltung ausgebildet sein kann, angeordnet. Mittels der Kupplung 19 ist die Generatorwelle 16 des Hilfsgenerators 15 mit der Schmierflüssigkeitspumpenwelle 27 verbindbar. Der Hilfsgenerator 15 ist über die Leitung 22 mit dem Heizelement 23, das in dem Ölsumpf 24 des Getriebegehäuses 11 angeordnet ist, verbunden.
Im Unterschied zu der Ausgestaltung gemäß 3 ist in der Ausführung gemäß 4 der Hilfsgenerator 15 bzw. dessen Generatorwelle 16 fest beziehungsweise dauerhaft mit der Schmierflüssigkeitspumpenwelle 27 verbunden. Bei dieser Ausführung ist ein Heizelementschalter 28 vorgesehen, mit dem die elektrische Verbindung zwischen dem Hilfsgenerator 15 und dem Heizelement 23 schaltbar ist.
Bei dem Schaltschema gemäß 5 ist im Unterschied zu der Ausgestaltung gemäß 3 wieder analog zu 2 ein Generatorzahnrad 13 vorgesehen, das mit dem Pumpenzahnrad 25 kämmt. Das Generatorzahnrad 13 ist auf der Generatorwelle 16 angeordnet, wobei in die Generatorwelle 16 eine Kupplung 19 eingeschaltet ist. Die Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass das Übersetzungsverhältnis durch des Generatorzahnrad 29 an die optimale Hilfsgeneratordrehzahl angeglichen werden kann. Im Unterschied zu der Ausführung gemäß 5 ist in der Ausführung gemäß 6 der Hilfsgenerator 15 über die Generatorwelle 16 fest mit dem Generatorzahnrad 29 verbunden und das Heizelement 23 über einen Heizelementschalter 28 wie bei der Ausführungsform gemäß 4 schaltbar.
Bezugszeichenliste

1: Windkraftanlage
2: Turm
3: Gondel
4: Getriebe
5: Antriebswelle
6: Abtriebswelle
7: Nabe
8: Rotorblatt
9: Generator
10: Getriebezahnrad
11: Getriebegehäuse
12: Welle
13: Generatorzahnrad
14: Flansch
15: Hilfsgenerator
16: Generatorwelle
17: Generatorzapfen
18: Zapfen
19: Kupplung
20: Stellkolben
21: Schalter
22: Leitung
23: Heizelement
24: Ölsumpf
25: Pumpenzahnrad
26: Schmierflüssigkeitspumpe
27: Schmierflüssigkeitspumpenwelle
28: Heizelementschalter
29: Schmierflüssigkeitsverteiler
30: Wärmedämmschicht

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

US 7997855 B2 [0002]

Claims

Windkraftanlage (1), aufweisend einen Turm, eine drehbar darauf angeordnete einen Rotor tragenden Gondel mit einem schmierflüssigkeitsbefüllten Getriebe (4) und einem Generator (9), wobei der Rotor mit dem Getriebe (4) und dem Generator (9) verschaltbar ist, und wobei eine Heizeinrichtung für die Schmierflüssigkeit und/oder andere Bauteile oder Medien der Windkraftanlage vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hilfsgenerator (15) vorgesehen ist, der an einen mechanischen Abgriff des Getriebes (4) ankuppelbar ist und, dass der Hilfsgenerator (15) mit der elektrisch betriebenen Heizeinrichtung verbindbar ist.
Windkraftanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsgenerator (15) an eine Schmierflüssigkeitspumpe (26) des Getriebes (4) ankuppelbar ist.
Windkraftanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsgenerator (15) über einen Zahnradeingriff an ein Getriebezahnrad (10) ankuppelbar ist.
Windkraftanlage (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahnradeingriff ein mit dem Getriebezahnrad (10) zusammenwirkendes, auf einer Welle (12) angeordnetes Generatorzahnrad (13) aufweist, dass die Welle (12) einen mit einer Kupplung (19) zusammenwirkenden Zapfen (18) aufweist und, dass die Kupplung (19) mit einem Generatorzapfen (17) verbindbar ist.
Windkraftanlage (1) nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (19) eine Schiebmuffe ist.
Windkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (19) von einem elektrisch betätigten Stellkolben (20) schaltbar ist.
Windkraftanlage (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung über einen Heizelementschalter 28 mit dem Hilfsgenerator 15 verschaltbar ist.
Windkraftanlage (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsgenerator (15) als Hilfsmotor betreibbar ist.
Windkraftanlage (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsgenerator (15) eine Leistung von 40–20 kW aufweist.
Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage (1), aufweisend einen Turm (2), eine drehbar darauf angeordnete, einen Rotor tragende Gondel (3) mit einem schmierflüssigkeitsbefüllten Getriebe (4) und einem Generator (9), wobei der Rotor mit dem Getriebe (4) und dem Generator (9) verschaltbar ist, und wobei eine Heizeinrichtung für die Schmierflüssigkeit und/oder andere Bauteile oder Medien der Windkraftanlage (1) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hilfsgenerator (15) in einem Taumelbetrieb der Windkraftanlage (1) an einen mechanischen Abgriff des Getriebes (4) zum Betreiben der Heizeinrichtung ankuppelbar ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsgenerator (15) als Hilfsmotor betreibar ist.