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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kühlung von direkt angetriebenen Generatoren in Windenergieanlagen mit horizontaler Achse.
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Die immer höhere Bedeutung von regenerativer Energie in unserer Zeit, insbesondere durch den Ausstieg aus der Atomstromnutzung und die damit verbundene Nachfrage nach Energie aus anderen Quellen, wie zum Beispiel der Windenergie, stellt immer höhere Anforderungen an die Leistungsgewinnung mit Windenergieanlagen. Ein wesentlicher Punkt ist die maximale Ausnutzung der Anlagen bei ausreichender Windlast. Dazu ist es wichtig, die Standzeiten der Anlagen zu minimieren und möglichst lange Laufzeiten zu gewährleisten. Der Verschleiß von Anlagenteilen muss dabei so gering wie möglich gehalten werden, um die Standzeiten bei Wartungsarbeiten minimieren zu können. Zum Verschleiß trägt insbesondere Wärme bei, die beim Betrieb des Generators der Windkraftanlage anfällt. Dabei ist eine Proportionalität zwischen der am Generator entstehenden Verlustleistung in Form von Wärme und dem Maß der Luftströmung zu beobachten, da aus einer höheren Windgeschwindigkeit eine höhere Wärmeabgabe bei des Generators folgt.
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Daher wurden verschiedene Möglichkeiten entwickelt, Wärme aus den Generatoren abzuleiten, um die Lebensdauer der Anlagenteile zu vergrößern und damit gleichzeitig den Wirkungsgrad der Windkraftanlagen zu erhöhen. So zeigt z.B. die Schrift
WO 2012 120484 A2 eine Innenkühlung eines Windenergieanlagen-Stators mit Kühlrippen aus Kupfer. Dazu verfügt der Stator über kleine Rippen an seiner Außenseite. Der Rotor kann ebenfalls an seiner Außenseite gekühlt werden. Beide Kühlungen reduzieren die Hitzeentwicklung im Generator der Windenenergieanlage, allerdings verbleibt die statorseitig abgeführte Wärme im Innern der Anlage, so dass nicht von einer ausreichenden Kühlung des Generators gesprochen werden kann.
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Auch die Schrift
US 2012 0280511 A1 zeigt eine Kühlung des Generators, wobei es sich hier um eine Flüssigkeitskühlung z.B. mit Wasser handelt. Neben der Wartungsintensität eines solchen Systems ist zu bemerken, dass diese Kühlung zur Kühlung des Hauptlagers dient, so dass lediglich indirekt der Generator ebenfalls gekühlt wird. Eine direkte Kühlung des Generators mit einem entsprechenden System ist aufgrund der Nutzung von Kühlflüssigkeit technisch ungeeignet.
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Aus der Schrift
DE 10 2009 026195 A1 ist ein Windkraftgenerator mit Außenläufer und innen liegendem Stator bekannt, bei dem eine Generatorkühlung durch einen Luftstrom erfolgt, wobei die Kühlung einzig durch den Achszapfen hindurch vorgesehen ist. Dieses hat wiederum zur Folge, dass die mögliche Kühlung auf die Vorgaben aus der Dimensionierung des Achszapfens beschränkt ist, da dieser aus konstruktiven und statischen Gründen nur zu einem gewissen Maße hohl ausgebildet sein darf. Eine kleinere Dimensionierung der Kaltluftführung innerhalb des Achszapfens verringert die Kühlleistung, so dass die wünschenswerte und für einen nahezu wartungsfreien Betrieb wichtige Kühlung nicht gewährleistet werden kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Kühlung von direkt angetriebenen Generatoren in Windenergieanlagen mit horizontaler Achse bereitzustellen, die passiv zur Kühlung eingesetzt wird, wobei eine ausreichende Kühlung auch bei sehr hoher Windlast erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird bei den genannten Windenergieanlagen erfindungsgemäß nach Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Einrichtung zur Kühlung von direkt angetriebenen Generatoren in Windenergieanlagen mit horizontaler Achse einerseits durch ein rohrförmiges Element, welches zwischen Achszapfen und Generator oder Nabe und Generator angeordnet ist, und andererseits ein am rohrförmigen Element angeformtes, die Rotorachse umschließendes und von der Rotorachse wegzeigendes Wärmeableitelement gekennzeichnet ist. Innerhalb des Generators entstehende Wärme wird über das rohrförmige Element in die Einrichtung zur Kühlung von direkt angetriebenen Generatoren in Windenergieanlagen mit horizontaler Achse aufgenommen und an das am rohrförmigen Element angeformte Wärmeableitelement abgegeben. Da die Gondel einer Windenergieanlage immer von einem gewissen Luftstrom durchströmt wird, kann die vorbeiströmende Lust die im Wärmeableitelement befindliche Wärme aufnehmen und aus der Gondel ableiten. Dadurch wird effektiv ohne größere technische Aufwendungen ein gute Kühlung der Windenergieanlage erreicht.
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Nach einer besonders vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Kühlung von direkt angetriebenen Generatoren in Windenergieanlagen mit horizontaler Achse spannt das Wärmeableitelement eine ebene Fläche auf, welche von der Drehachse des Generators wegzeigt. Dadurch wird eine besonders große Oberfläche geschaffen, so dass besonders großflächig eine Wärmeübertragung vom Wärmeableitelement an die durchströmende Luft erreicht werden kann.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Kühlung von direkt angetriebenen Generatoren in Windenergieanlagen mit horizontaler Achse unterliegt das Wärmeableitelement einer Krümmung, wobei die Krümmung von der Luftströmungsrichtung weggeneigt ist. Die Krümmung in Richtung der Rückseite der Gondel führt dazu, dass die Führung der Luftströmung am Wärmeableitelement verbessert wird. Das Wärmeableitelement hemmt bei einer entsprechenden Ausformung nicht den Luftstrom, so dass eine verbesserte Wärmeableitung erreicht wird.
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In einer dritten vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Kühlung von direkt angetriebenen Generatoren in Windenergieanlagen mit horizontaler Achse ist das Wärmeableitelement durch Schlitze und/oder Löcher durchbrochen. So wird erreicht, dass neben dem Überstreichen des Wärmeableitelements durch die kühlende Luft auch ein Durchströmen des Wärmeableitelements erreicht wird, wodurch eine verbesserte Wärmeübertragung an die Luft ermöglicht wird.
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Schließlich ist in einer vierten Ausführungsform vorgesehen, dass eine weitere Oberflächenvergrößerung des Wärmeableitelements vorgenommen wird, bei der dieses über eine größere Anzahl Flügel verfügt, welche kranzförmig um die Drehachse des Generators herum angeordnet sind, wobei die Flügel gegeneinander derart verdreht sind, dass zwischen ihnen Durchbrechungen entstehen, durch die die kühlende Luft hindurch streichen kann. Durch das Verdrehen der Flügel gegeneinander kann die Oberfläche des einzelnen Flügels gegenüber dem zuvor beschriebenen Wärmeableitelement noch vergrößert werden, so dass sich eine weitere Oberflächenvergrößerung ergibt.
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In einer Ausgestaltungsform der Einrichtung zur Kühlung von direkt angetriebenen Generatoren in Windenergieanlagen mit horizontaler Achse ist die Einrichtung aus Kupfer und/oder Kupferlegierungen oder Aluminium und/oder Aluminiumlegierungen. Es ist bekannt, dass die benannten Materialien die besten Wärmeleitkriterien besitzen. Daneben wird mit beiden Materialien eine einfache Verarbeitung und ein nahezu wartungsfreier Betrieb verbunden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Kühlung von direkt angetriebenen Generatoren in Windenergieanlagen mit horizontaler Achse verfügt die Einrichtung zusätzlich über ein Gebläse, welches auf das Wärmeableitelement gerichtet ist. Mit einem zusätzlichen Gebläse kann die durch die Gondel strömende Luft noch gezielter auf das Wärmeableitelement gerichtet werden. Die Nutzung von gegenüber der Umgebungstemperatur gekühlter Luft kann den Effekt der Wärmeableitung dabei noch verstärken.
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Ganz allgemein kann festgehalten werden, dass abhängig von der Bauart der Windenergieanlage eine Anpassung der erfindungsgemäßen Einrichtung dahingehend erfolgen kann, dass das Wärmeableitelement einer derartigen Verformung unterzogen werden kann, dass es den Betrieb der Windenergieanlage nicht behindert, dennoch aber von der Achse absteht und über die anderen Generator- bzw- Nabenbauteile derart hinaussteht, dass ein vorbeistreichender Luftstrom Wärme davon aufnehmen kann.
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Das Prinzip der Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen beispielshalber noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1: eine Schnittdarstellung eines Teils einer Windenergieanlage mit eingesetzter Einrichtung zur Kühlung von direkt angetriebenen Generatoren,
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2: eine Seitenansicht eines Teils einer Windenergieanlage mit eingesetzter Einrichtung zur Kühlung von direkt angetriebenen Generatoren,
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3: eine Schrägansicht einer Einrichtung zur Kühlung von direkt angetriebenen Generatoren in einer ersten Ausführungsform
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4: eine Seitenansicht einer Einrichtung zur Kühlung von direkt angetriebenen Generatoren in einer ersten Ausführungsform
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5: eine Schrägansicht einer Einrichtung zur Kühlung von direkt angetriebenen Generatoren in einer zweiten Ausführungsform
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6: eine Seitenansicht einer Einrichtung zur Kühlung von direkt angetriebenen Generatoren in einer zweiten Ausführungsform
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7: eine Schrägansicht einer Einrichtung zur Kühlung von direkt angetriebenen Generatoren in einer dritten Ausführungsform
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8: eine Seitenansicht einer Einrichtung zur Kühlung von direkt angetriebenen Generatoren in einer dritten Ausführungsform
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1 zeigt einen Teilschnitt durch eine Windenergieanlage 1, die über die erfindungsgemäße Einrichtung zur Kühlung von direkt angetriebenen Generatoren verfügt. Die Einrichtung zur Kühlung von direkt angetriebenen Generatoren besteht dabei aus einem rohrförmigen Element 2 und einem an das rohrförmige Element 2 angeformte Wärmeableitelement 3. Das rohrförmige Element 2 ist dabei zwischen dem Achszapfen 4 und dem Stator 5 des Generators angeordnet. Um den Stator 5 läuft der Rotor 6 des Generators, welcher über die Rotornabe 7 der Windenergieanlage 1 mit den Rotorblättern 8 verbunden ist. Der Achszapfen 4 ist mit dem Maschinenträger 9 der Windenergieanlage 1 verbunden. Verlustwärme, die durch Umlaufen des Rotors 6 um den Stator 5 entsteht, wird direkt im Innern der Windenergieanlage 1 in das rohrförmige Element 2 übertragen und auf die Außenseite der Maschine in das Wärmeableitelement 3 weitergegeben. Durch die Windenergieanlage durchströmende Luft 10 strömt am Wärmeableitelement 3 vorbei und nimmt dabei die nach außen geleitete Wärme ab. Da mit zunehmender Windgeschwindigkeit und damit verbundener Erhöhung der Geschwindigkeit der vorbeiströmenden Luft 10 auch die Wärmeentwicklung im Generator zunimmt, wird so schnell die Wärme aus dem Generator an die Umgebung abgegeben.
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Der 2 ist eine Teilseitenansicht der Windenergieanlage 1 zu entnehmen. Dabei ist erkennbar, dass das Wärmeableitelement 3 über die anderen Bauteile der Maschine, so z.B. die Rotornabe 7 und den Maschinenträger 9 heraussteht. Durch die Windenergieanlage 1 hindurch strömende Luft 10 wird am Wärmeableitelement 3 vorbeigeleitet und nimmt dabei Wärme aus dem Inneren des Generators auf.
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In 3 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung 11 zur Kühlung von direkt angetriebenen Generatoren dargestellt. Die Einrichtung 11 umfasst dabei ein rohrförmiges Element 2 und ein daran angeformtes, dazu abstehendes Wärmeableitelement 3. Dabei ist es von der Windrichtung 12 wegweisend gegenüber der Drehachse 13 gekrümmt ausgeführt.
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Die gleiche Ausführungsform ist in 4 in einer Seitenansicht dargestellt. Die Einrichtung 11 umfasst das rohrförmige Element 2 und das Wärmeableitelement 3. Das Wärmeableitelement 3 ist dabei gegenüber der Drehachse 13 gekrümmt ausgeführt.
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Bei einer zweiten Ausführungsform der Einrichtung 11 stehen – wie in 5 dargestellt – rohrförmiges Element 2 und Wärmeableitelement 3 senkrecht zueinander. Besser ist dieses in der Seitenansicht in 6 zu erkennen.
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Eine weitere in den 7 und 8 dargestellte Ausführungsform der Einrichtung 11 umfasst das rohrförmige Element 2 und das Wärmeableitelement 3, wobei das Wärmeableitelement 3 über Flügel 14 verfügt, welche von der Drehachse 13 wegzeigen und jeweils in sich verwunden sind. Vorbeiströmende Luft 10 wird sowohl über die Flügel hinweg geleitet als auch durch die Durchbrechungen 15 hindurch geführt, so dass durch die dabei entstehenden Verwirbelungen mehr Wärme an die vorbeistreichende Luft 10 abgegeben werden kann.
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Da es sich bei dem vorhergehenden, detailliert beschriebenen Einrichtung 11 zur Kühlung von direkt angetriebenen Generatoren um ein Ausführungsbeispiel handelt, kann es in üblicher Weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können die Gestaltung und das Prinzip der Einrichtung 11 geändert werden. Ebenso kann die Ausgestaltung des Wärmeableitelements und dessen Anformung an das rohrförmige Element in einer anderen Form vorgenommen werden, wenn dies z.B. aus designerischen oder Platzgründen notwendig ist. Weiter schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach bzw. mehrmals vorhanden sein können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Windenergieanlage
- 2
- rohrförmiges Element
- 3
- Wärmeableitelement
- 4
- Achszapfen
- 5
- Stator
- 6
- Rotor
- 7
- Rotornabe
- 8
- Rotorblatt
- 9
- Maschinenträger
- 10
- Luft
- 11
- Einrichtung
- 12
- Windrichtung
- 13
- Drehachse
- 14
- Flügel
- 15
- Durchbrechungen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2012120484 A2 [0003]
- US 20120280511 A1 [0004]
- DE 102009026195 A1 [0005]
