-
Die Leistungsabgabe von Windturbinen wird unter anderem über eine Einstellung des Winkels geregelt, mit dem die Rotorblätter zum Wind stehen. Durch eine Winkelverstellung der Rotorblätter kann der Rotor darüber hinaus insgesamt abgebremst und angehalten werden. Das Anhalten des Rotors ist erforderlich z. B. für Wartungs- und Reparaturarbeiten, für die Abschaltung der Windturbine bei zu starkem Wind und bei zu geringer Leistungsnachfrage im Stromnetz. Hierzu werden die Rotorblätter unabhängig voneinander in eine Bremsposition gebracht, also so gestellt, dass der Rotor vom anströmenden Wind bis zum Stillstand abgebremst wird und die Rotorblätter danach in einer so genannten Fahnenstellung verbleiben und keine Momentübertragung vom Rotor auf die weitere Anlage mehr erfolgt. Dieses Vorgehen wird auch als aerodynamische Bremse bezeichnet.
-
Die Verstellung des Blattwinkels wird häufig durch getrennte elektrische Stellmotoren an den einzelnen Rotorblättern vorgenommen. Aus Sicherheitsgründen ist es erforderlich, dass die Verstellung der Rotorblätter auch dann erfolgen kann, wenn weder eine eigene Energieerzeugung durch ausreichenden Wind noch eine externe Energieversorgung aus dem Stromnetz, zum Beispiel im Falle eines Netzausfalls, gegeben ist. Aus
DE 100 09 472 C2 ist eine Notenergieversorgung für die Rotorblattverstellung bekannt, die bei Fehlen einer anderen Energieversorgung genug Energie bereitstellen kann, um die Rotorblätter mit Hilfe der Stellmotoren in die Bremsposition zu drehen.
-
Als Notenergieversorgung werden Energiespeicher, überwiegend wiederaufladbare Batterien (Akkumulatoren) verwendet. Dabei ist es verbreitet, für jeden Stellmotor eine eigene Notenergieversorgung vorzusehen. Aus
US 5 907 291 A1 ist die Verwendung von Kondensatoren als Notenergieversorgung bekannt. Wiederaufladbare Batterien haben gegenüber Kondensatoren verschiedene Vorteile.
-
So geben Batterien eine bekannte und weitgehend konstante Spannung ab, weisen eine deutlich höhere Speicher-Kapazität und geringere Selbstentladung als Kondensatoren auf. Kondensatoren benötigen darüber hinaus auch eine deutlich aufwendigere Regelungselektronik um Laden und Entladen zu kontrollieren. Demgegenüber haben Batterien den Nachteil, empfindlich gegenüber niedrigen oder hohen Temperaturen zu sein. Der elektrochemische Prozess in Batterien kommt bei sehr niedrigen Temperaturen zum erliegen, so dass keine Ladung aufgenommen oder abgegeben werden kann. Zu hohe Temperaturen können zur Zerstörung der Batterien führen, so z. B. durch Ausgasung bei den häufig verwendeten Bleibatterien.
-
Eine hohe Luftfeuchtigkeit in der Umgebungsluft von Batterien führt zur übermäßigen Korrosion der Anschlusskontakte. Die Kondensation dieser Feuchtigkeit an den Batterien kann zu Kurzschlüssen führen.
-
Die Notenergieversorgung für die Rotorblattverstellung von Windturbinen umfasst gemäß dem Stand der Technik dabei einen Energiespeicher, eine Regelung für die Ladekontrolle des Energiespeichers und eine Regelung für die Rotorblattverstellung. Die gesamte Notenergieversorgung ist üblicherweise in der Rotornabe platziert, da sie sich dort in unmittelbarer Nähe der Stellmotoren befindet und keine Übertragung der Notenergie von einem stehenden zu einem rotierenden Bauteil erforderlich ist, was mit Verschleiß und Zuverlässigkeitsproblemen behaftet wäre.
-
Ein Problem, welches eine Anordnung der Notenergieversorgung und damit auch des Energiespeichers in der Rotornabe mit sich bringt besteht darin, dass der Energiespeicher dort auch in besonderem Maße Temperaturschwankungen ausgesetzt ist. Windturbinen werden heutzutage auf fast allen Kontinenten und in praktisch allen Klimazonen eingesetzt, von den Polargebieten bis in die Tropen. Es können somit ohne weitere Temperaturen zwischen –40° C und +50° C herrschen, bei direkter Sonneneinstrahlung auf die Rotornabe, kann sich diese noch weiter aufheizen. Derartige Temperaturschwankungen können nicht nur jahreszeitbedingt, sondern bei geeigneten klimatischen Bedingungen, zum Beispiel in den Prärien Nordamerikas, auch sehr kurzzeitig auftreten. Außerdem kann die Luftfeuchtigkeit in den einzelnen Klimazonen stark variieren.
-
Um die Probleme von negativen Auswirkungen zu tiefer Temperaturen auf die Notenergieversorgung einer Windturbine zu mindern sind Vorrichtungen bekannt, die mittels elektrischer Widerstands- oder PTC-Heizung die Notenergie vor zu niedriger Temperatur schützen. Derartige Vorrichtungen benötigen viel Energie und sind nur in der Lage, zu heizen, nicht zu kühlen. Eine Kühlung mit gleichzeitiger Entfeuchtung einer Notenergieversorgung einer Windturbine ist aus dem Stand der Technik nicht bekannt.
-
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Notenergieversorgung bereit zu stellen, welche Auswirkungen, insbesondere Temperaturschwankungen sowie Feuchtigkeitsschwankungen, durch Klima- und meteorologische Einflüsse auf den Energiespeicher der Notenergieversorgung zumindest teilweise kompensiert und dadurch in Bereichen hält, in denen der Energiespeicher Ladung aufnehmen und abgeben kann und keine Schäden erleidet. Es ist auch Aufgabe der Erfindung eine Notenergieversorgung bereit zu stellen, welche besonders wartungsarm und ausfallsicher ist.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Notenergieversorgung gemäß Anspruch 1 und eine Windturbine gemäß Anspruch 13 gelöst. Die erfindungsgemäße Notenergieversorgung umfasst dabei einen Energiespeicher, welcher von einem Gehäuse umgeben ist und wenigstens ein Kühl- und Heizelement umfasst.
-
Das Gehäuse ist dabei vorzugsweise aus einem Werkstoff gefertigt, welcher einen hohen Wärmeleitwiderstand, also eine niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzt. Hierfür bieten sich verschiedene am Markt befindliche Dämmmaterialien an, wobei zu beachten ist, dass auch die weiteren Anforderungen an die in einer Windturbine verwendeten Materialien, zum Beispiel hinsichtlich Brandschutz, elektrischer Leitfähigkeit, Vibrationsfestigkeit usw., erfüllt sind.
-
Das Gehäuse ist vorzugsweise so gestaltet, dass nur geringe Zwischenräume zwischen der Oberfläche des Energiespeichers und der inneren Oberfläche des Dämmmaterials bestehen, um zu verhindern, dass größere Mengen und Volumina anderer Stoffe, insbesondere der umgebenden Luft, zusätzlich zum Energiespeicher beheizt oder gekühlt werden müssen, was zu zusätzlichem Energieaufwand führen würde, und gleichzeitig der Energiespeicher von mehreren, vorzugsweise allen Seiten, z.B. durch Konvektion, geheizt oder gekühlt werden kann. In einer Weiterbildung der Erfindung wird die Konvektion um den Energiespeicher dadurch unterstützt, dass die Luft zwangsweise, z.B. durch einen oder mehrere Ventilatoren, umgewälzt wird.
-
Bereits die Wärmedämmung führt dazu, dass eine Änderung der Außentemperatur nicht vollständig und insbesondere verzögert zu einer Temperaturänderung des Energiespeichers führt. Für sich genommen ist die Wärmedämmung aber nicht ausreichend, den Energiespeicher zuverlässig innerhalb eines geeigneten Temperaturbereichs zu halten. Dies gilt umso mehr, als, wie schon weiter oben beschrieben, beim Laden des Energiespeichers Abwärme auftritt, die abgeführt werden muss.
-
Vorzugsweise sind zu diesem Zweck ein oder mehrere Kühl- und Heizelemente vorgesehen, die eine aktive Heizung und Kühlung des Energiespeichers bewirken und zur Entfeuchtung der Luft beitragen.
-
Vorzugsweise umfasst die Notenergieversorgung zusätzlich wenigstens einen Temperatursensor, welcher die Temperatur des Energiespeichers überwacht und bei Über- oder Unterschreiten vorbestimmter Grenzwerte einen Heiz- oder Kühlvorgang auslöst.
-
Vorzugsweise umfasst die Notenergieversorgung zusätzlich wenigstens einen Feuchtigkeitssensor, welcher die Feuchtigkeit in der umgebenden Luft des Energiespeichers überwacht und bei Überschreiten vorbestimmter Grenzwerte einen Entfeuchtungsvorgang auslöst.
-
Die Kühl- und Heizelemente werden vorzugsweise in einem einheitlichen Bauelement ausgeführt. Dafür bieten sich die an sich bekannten Peltier-Elemente an, es können aber auch andere Kühl- und Heizelemente verwendet werden. Derartige Peltier-Elemente weisen eine vergleichsweise geringe Baugröße auf und haben zusätzlich den Vorteil, dass sie sowohl kühlen, als auch heizen können. Weiterhin arbeiten Peltier-Elemente ohne bewegliche Teile oder den Transport von Flüssigkeiten, so dass praktisch kein Wartungsaufwand und kein Gefahr von Leckagen besteht. Peltier-Elemente transportieren dabei Wärmeenergie die an einer Oberfläche des Elements vorliegt zur jeweils gegenüberliegenden Oberfläche. Dadurch kühlt die eine Oberfläche, während die andere heizt. Je nach Polarität der Stromversorgung des Peltier-Elements wird festgelegt, welche Oberfläche Ihrer Umgebung Wärmeenergie entzieht und welche diese abgibt. Die kühlende Seite des Peltier-Elements wird auch für den Entfeuchtungsvorgang genutzt werden, indem die Feuchtigkeit an der kühlenden Seite kondensiert und das Kondensat aus dem Gehäuse der Notenergieversorgung gebracht bzw. aufgefangen wird. Weitere Vorteile von Peltier-Elementen sind ihre Unempfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen und ihre Vibrationsfestigkeit.
-
Ja nach benötigter Heiz- und Kühlleistung werden ein oder mehrere Peltier-Elemente verwendet. Bei Verwendung mehrerer Peltier-Elemente ergibt sich als weiterer Vorteil, dass diese einzeln oder zusammen betrieben werden können, so dass auf diese Weise die Heiz- oder Kühlleistung dem Bedarf entsprechend angepasst werden kann. Die Peltier-Elemente werden vorzugsweise so in die Wärmedämmung eingebaut, dass jeweils eine Oberfläche dem Energiespeicher und die jeweils andere Oberfläche der Umgebung zugewandt ist.
-
Vorzugsweise verfügt die Notenergieversorgung über einen oder mehrere Temperatursensoren am Energiespeicher, welche über eine Regelung sowohl mit der regulären Energieversorgung der Windturbine als auch mit dem Energiespeicher der Notenergieversorgung verbunden sind. Hierdurch wird ermöglicht, dass die Temperatur des Energiespeichers mit Hilfe der Peltier-Elemente sowohl im regulären als auch im Notenergiebetrieb konstant gehalten werden kann. Die Regelung ist dazu ausgebildet, je nach gemessener Temperatur am Energiespeicher einen Heiz- oder Kühlvorgang eines oder mehrerer Peltier-Elemente auszulösen und bei Erreichen einer geeigneten Temperatur wieder zu beenden. Vorzugsweise wird zur Ansteuerung der Peltier-Elemente eine Proportionalregelung oder auch eine PID-Regelung verwendet, es kann aber auch jede andere Art der Regelung eingesetzt werden. Das gleiche gilt für die Feuchtigkeitsregelung.
-
Wird als Energiespeicher ein Akkumulator, insbesondere ein Bleiakkumulator, verwendet, so ist zu beachten, dass es beim Aufladen des Akkumulators zum so genannten Ausgasen und in der Folge zur Bildung einer Wasserstoffatmosphäre kommt. Um zu verhindern, dass sich ein explosionsfähiges Gemisch bildet, ist es erforderlich, diese Wasserstoffatmosphäre vom Energiespeicher weg zu befördern. Zu diesem Zweck ist im wärmegedämmten Gehäuse eine Öffnung zum Austausch mit der Umgebung vorzusehen. Vorzugsweise ist diese Öffnung so ausgeführt, dass die Temperatur der einströmenden Umgebungsluft zunächst an die Temperatur im Inneren des Gehäuses angepasst wird. Dies erfolgt bevorzugt durch einen in der Austauschöffnung angeordneten Wärmetauscher. Alternativ kann die einströmende Luft an einem Heiz- und Kühlelement, insbesondere einem Peltier-Element, entlang geführt werden. In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird der Austausch zwischen der Atmosphäre innerhalb des Gehäuses mit der Umgebungsluft durch einen Ventilator unterstützt.
-
Die beschriebene Notenergieversorgung ist sowohl zum erstmaligen Einbau als auch zur Nachrüstung einer bestehenden Windturbine geeignet.
-
Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls eine Windturbine mit einer in beschriebener Weise ausgestalteten Notenergieversorgung.
-
Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus den Zeichnungen anhand der Beschreibung hervor.
-
In den Zeichnungen zeigt
-
1 eine Windturbine mit in ihrer Längsachse drehbaren Rotorblättern
-
2 eine erfindungsgemäße Notenergieversorgung mit Energiespeicher in der Rotornabe
-
3 ein Schaltbild für die Regelung der erfindungsgemäßen Notenergieversorgung
-
Die in den beschriebenen Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmalskombinationen sollen nicht limitierend auf die Erfindung wirken, vielmehr sind auch die Merkmale der unterschiedlichen Ausführungen miteinander kombinierbar.
-
1 zeigt eine Windturbine 1. Der Rotor 2 besteht aus der Rotornabe 3 und den Rotorblättern 5, 5‘ und 5‘‘. Bei Beaufschlagung durch Wind aus Richtung des Betrachters versetzt der Wind den Rotor 2 in Drehung um die eigene Längsachse in Richtung des Pfeiles 4.
-
Die Rotorblätter 5, 5‘ und 5‘‘ sind jeweils um ihre jeweiligen Längsachsen 6, 6‘ und 6‘‘ in Richtung der Doppelpfeile 7, 7‘ und 7‘‘ drehbar, um einen optimalen Anstellwinkel gegenüber dem einströmenden Wind unter Berücksichtigung der angeforderten Energiemenge herzustellen.
-
2 zeigt das Innere der Rotornabe 3. Die Rotorblätter 5, 5‘ und 5‘‘ sind jeweils an Ihrer Wurzel über die Rotorblattaufnahmen 8, 8‘ und 8‘‘ mit der Rotornabe 3 verbunden. Dabei erlauben die Rotorblattaufnahmen 8, 8‘ und 8‘‘ eine Drehung der Rotorblätter 5, 5‘ und 5‘‘ um ihre jeweiligen Längsachsen 7, 7‘ und 7‘‘ in Richtung der Doppelpfeile 8, 8‘ und 8‘‘. Diese Drehung wird mittels der Stellmotoren 9, 9‘ und 9‘‘ bewerkstelligt, welche von der Steuerschaltung 10 unabhängig voneinander angesteuert werden. Zu diesem Zweck ist die Steuerschaltung 10 über die Steuerleitungen 11, 11‘ und 11‘‘ mit den Stellmotoren 9, 9‘ und 9‘‘ verbunden und sendet über diese Stellaufträge.
-
Innerhalb der Rotornabe 3 befindet sich darüber hinaus die erfindungsgemäße Notenergieversorgung 12. Die Notenergieversorgung 12 verfügt über einen Energiespeicher 13, eine wiederaufladbare Batterie, nämlich einem Bleiakkumulator. (denkbar in diesem Zusammenhang sind jedoch auch Ausführungsformen einer Notenergieversorgung mit einem Kondensator, insbesondere einem Hochkapazitätskondensator). Dabei ist wenigstens der Energiespeicher 13 umgeben von einem Gehäuse 14. Das Gehäuse 14 ist aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit ausgeführt, so dass das Gehäuse 14 eine Wärmedämmung bildet. Das Gehäuse 14 umschließt den Energiespeicher 13 vollständig und in einer Weise, dass nur ein geringes zusätzliches Volumen eingeschlossen wird.
-
Das Gehäuse 14 weist eine Ausnehmung 14‘ auf, in die ein Heiz- und Kühlelement 15 eingelassen ist, welches den Innenraum des Gehäuses 14 mit dem Energiespeicher 13 wahlweise kühlt oder heizt. Dieses Heiz- und Kühlelement 15 überbrückt dabei die gesamte Wandstärke des Gehäuses 14, so dass jeweils eine Seite dem Innenraum mit dem Energiespeicher 13, die andere der Umgebung zugewandt ist, ohne dass dazwischen weitere Bauteile, insbesondere keine Dämmschichten, bestehen.
-
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Heiz- und Kühlelement 15 um eines, welches sowohl heizen als auch kühlen kann. Weiter wird ein Heiz- und Kühlelement 15 bevorzugt, welches thermoelektrisch wirkt, insbesondere ein an sich bekanntes Peltier-Element.
-
Am Heiz- und Kühlelement 15, zwischen Gehäuse 14 und Energiespeicher 13 kann ein hier nicht dargestellter Ventilator angeordnet sein, um eine zwangsweise Bewegung der im Gehäuse befindlichen Luft um den Energiespeicher 13 zu bewirken. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Energiespeicher 13 von allen Seiten geheizt oder gekühlt wird.
-
Von dem Energiespeicher 13 verläuft eine Notenergieleitung 16 zur Regelung 10 für die Rotorblattverstellung. Über diese Notenergieleitung 16 werden die Regelung 10 und die Stellmotoren 9, 9‘ und 9‘‘ bei Ausfall der externen Energieversorgung 21 über die Energieleitung 24 mit der erforderlichen Energie versorgt, um die Rotorblätter 5, 5‘ und 5‘‘ in die Bremsstellung zu verfahren.
-
Weiterhin befinden sich innerhalb des von der Gehäuse 14 umschlossenen Raums ein oder mehrere Temperatursensoren 17. Die Temperatursensoren 17 erfassen die Temperatur im von dem Gehäuse 14 umschlossenen Raum, insbesondere diejenige des Energiespeichers 13 und übermitteln die Messwerte über die Sensorleitung 18 an die Steuerung 19 für Heizung und Kühlung. Die Steuerung 19 schaltet abhängig von den Messwerten der Temperatursensoren 17 über die Steuerleitung 20 ein oder mehrere Peltier-Elemente 15 so, dass diese den von dem Gehäuse 14 umschlossenen Raum mit dem darin befindlichen Energiespeicher 13 heizen oder kühlen.
-
Solange eine externe Energieversorgung 21 über die Energieleitung 22 gegeben ist, erfolgen Heizung und Kühlung mit extern zugeführter Energie. Im Falle eines Ausfalls der externen Energieversorgung 21 wird auch die Heizung und Kühlung vorübergehend von dem Energiespeicher 13 gespeist.
-
In dem Gehäuse 14 befindet sich weiterhin eine Luftaustauschöffnung 25. Durch die Luftaustauschöffnung 25 kann eine beim Aufladen des Energiespeichers 13 durch Ausgasung entstehende Wasserstoffatmosphäre gegen Umgebungsluft ausgetauscht werden. In der Luftaustauschöffnung 25 ist vorzugsweise ein an sich bekannter Wärmetauscher 26 angeordnet, der dafür sorgt, dass die Temperatur der einströmenden Luft an die Temperatur innerhalb des Gehäuses 14 und damit des Energiespeichers 13 angeglichen wird. In einer Abwandlung wird die einströmende Luft an einem hier nicht dargestellten Heiz- und Kühlelement, insbesondere einem Peltier-Element vorbeigeführt und dabei aufgeheizt oder herunter gekühlt. In einer Weiterbildung wird der Luftaustausch mit einem hier nicht dargestellten Ventilator unterstützt.
-
3 zeigt ein Schaltbild für die Steuerung 19 der Peltier-Elemente 15. Dabei ist der Temperatursensor 17 als temperaturabhängiger Widerstand R8 ausgeführt. Über eine Proportionalsteuerung wird das Peltier-Element 15 wahlweise zum Heizen oder Kühlen ein- oder ausgeschaltet, indem die Spannung in der entsprechen Polung angelegt oder abgeschaltet wird.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Windturbine
- 2
- Turm
- 3
- Rotornabe
- 4
- Drehrichtung Rotor
- 5
- Rotorblatt
- 6
- Rotorblattachse
- 7
- Rotorblattverstellung
- 8
- Rotorblattaufnahme
- 9
- Stellmotor
- 10
- Regelung Stellmotoren
- 11
- Steuerleitungen Stellmotoren
- 12
- Notenergieversorgung
- 13
- Energiespeicher
- 14
- Gehäuse
- 14‘
- Ausnehmung
- 15
- Heiz- und Kühlelement
- 16
- Notenergieleitung Blattverstellung
- 17
- Temperatursensor
- 18
- Sensorleitung
- 19
- Regelung Heizung-/Kühlung
- 20
- Steuerleitung Peltier-Element
- 21
- Externe Energieversorgung
- 22
- ext. Energieleitung Klimasteuerung
- 23
- Notenergieleitung Klimasteuerung
- 24
- ext. Energieleitung Blattsteuerung
- 25
- Luftaustauschöffnung
- 26
- Wärmetauscher
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 10009472 C2 [0002]
- US 5907291 A1 [0003]
