DE102013220592A1

DE102013220592A1 - Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102013220592A1
Application number: DE201310220592
Authority: DE
Inventors: Sasa Divanovic
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-10-11
Filing date: 2013-10-11
Publication date: 2015-04-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage (1) mit wenigstens einem drehbar gelagerten Rotorblatt (2, 3, 4) zum Verrichten einer mechanischen Antriebsarbeit mittels eines Windes, einer mechanisch mit dem Rotorblatt (2, 3, 4) verbundenen drehbaren Rotornabe (5) zum Lagern des Rotorblatts (2, 3, 4) und einem mechanisch mit der Rotornabe (5) verbundenen elektrischen Generator zum Umwandeln der Antriebsarbeit in elektrische Energie. Eine verbesserte Leistungsanpassung ergibt sich durch ein mechanisch mit dem Rotorblatt (2, 3, 4) verbundenes Windsegel (6, 7, 8), das zum Verändern einer Windangriffsfläche verstellbar am Rotorblatt (2, 3, 4) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Als Windkraftwerk, Windkraftkonverter (WKK), Windkraftanlage (WKA) oder Windenergieanlage (WEA), umgangssprachlich auch Windrad oder Windmühle, wird eine Vorrichtung verstanden, welche mittels eines drehbar gelagerten, Rotorblätter aufweisenden Rotors die Bewegungsenergie einer Luftbewegung erfasst, in elektrische Energie umwandelt und optional in das öffentliche Stromnetz einspeist. Im Inselbetrieb genutzte sogenannte Windgeneratoren seien dabei im vorliegenden Zusammenhang ausdrücklich vom nachfolgend verwendeten Oberbegriff der „Windenergieanlage“ erfasst.
Der Stand der Technik umfasst auf diesem Gebiet moderne Schwachwindanlagen mit Rotordurchmessern von über 90 Metern. Im Offshore-Bereich befinden sich zum Zeitpunkt der Patentanmeldung gattungsgemäße Windenergieanlagen mit Rotordurchmessern von über 170 Metern im Testbetrieb. Bekannt sind ferner modulare Plattformstrategien, bei denen auf gemeinsamer technischen Grundlage Anlagentypen für verschiedene Windklassen entwickelt werden, so beispielsweise durch unterschiedliche Rotorgrößen bei weitgehend identischem Triebstrang oder unterschiedlichen Generatorkonzepten bei übereinstimmendem Rotordurchmesser.
Als problematisch erweist sich bei herkömmlichen Windenergieanlagen vor allem die Einstellung des optimalen Betriebspunkts. Insofern arbeitet eine derartige Windkraftanlage nur dann optimal, wenn ihre Rotordrehzahl auf die jeweils aktuelle Windgeschwindigkeit abgestimmt ist. Bekannt sind hierzu etwa Betriebsbremsen. Sogenannte aktive Stellmotoren ändern den Anstellwinkel des Rotorblattes darüber hinaus in Abhängigkeit von Windgeschwindigkeit und Generatorlast.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Windenergieanlage mit gleichmäßiger Leistungsabgabe über einen möglichst breiten Windgeschwindigkeitsbereich bereitzustellen. Diese gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Windenergieanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung fußt demnach auf dem Grundgedanken, die Windangriffsfläche des Rotors lastabhängig zu regeln. Zu diesem Zweck wird der Rotor um mechanisch mit den Rotorblättern verbundene Windsegel ergänzt, die außerhalb des ihnen zugeordneten Rotorblatts an diesem befestigt oder unmittelbar darin integriert sein können.
Wird das Windsegel dabei als textiles Flächengebilde ausgeführt, so lässt es sich bei Bedarf, etwa mittels eines geeigneten Motors, auf- und abwickeln, um die zum Angreifen des Windes an dem Rotorblatt zur Verfügung stehende Fläche bedarfsgerecht zu variieren. Ein selbsttätiges Aufwickeln des Windsegels kann mithilfe einer entsprechend gerichteten Vorspannung seiner zugeordneten Haspel realisiert werden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch
1 die Ansicht einer Windenergieanlage gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung unter der Annahme mittlerer Windgeschwindigkeit,
2 die Ansicht der Windenergieanlage gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung unter der Annahme geringer Windgeschwindigkeit,
3 die Ansicht der Windenergieanlage gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung unter der Annahme erhöhter Windgeschwindigkeit,
4 die Ansicht einer Windenergieanlage gemäß einer zweiten Ausführungsform und
5 die Ansicht einer Windenergieanlage gemäß einer dritten Ausführungsform.
Die 1 bis 3 illustrieren unterschiedliche Betriebszustände einer Windenergieanlage 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, deren senkrechter Mast 10 im Wesentlichen senkrecht im Erdboden verankert ist. Es versteht sich, dass eine alternative Ausgestaltung stattdessen auf einem begehbaren Turm basieren mag.
In einem nahe dem höchsten Punkt des Masten angeordneten, in den Abbildungen nicht detailliert ausgeführten Maschinenhaus, der sogenannten Gondel, ist neben elektrischer Ausrüstung, optionaler Windrichtungsnachführung, Kühlung und weiteren Hilfsvorrichtungen der Windenergieanlage 1 vor allem deren mechanischer Triebstrang untergebracht, von dessen zahlreichen Komponenten die 1 bis 3 einzig eine die Rotorblätter 2, 3, 4 tragende Rotornabe 5 erkennen lassen.
Zur Umwandlung der vom Wind am Rotor 2, 3, 4, 5 verrichteten mechanischen Antriebsarbeit umfasst die Windenergieanlage 1 darüber hinaus einen optional getriebegekoppelten elektrischen Drehstrom-Asynchron- oder -Synchrongenerator mit einer geeigneten Anzahl an Polpaaren. In Betracht kommt insbesondere ein selbst- oder fremderregter Synchrongenerator, welcher sowohl ohne Getriebe direkt durch die Rotornabe 5 angetrieben als auch über ein Getriebe mit einer – abbildungsgemäß durch die Rotornabe 5 verdeckten – Rotorwelle verbunden sein kann.
In jedes der mittels der Rotornabe 5 drehbar gelagerten Rotorblätter 2, 3, 4 ist dabei ein erfindungswesentliches Windsegel 6, 7, 8 integriert, das zur besseren Handhabbarkeit in Gestalt eines textilen Flächengebildes ausgeführt ist. Als textiles Flächengebilde ist im vorliegenden Zusammenhang jedwedes aus textilen Fasern hergestellte flächenförmige Gebilde zu verstehen, wobei die Windsegel 6, 7, 8 der in Rede stehenden ersten Ausführungsform aus mindestens zwei rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig gekreuzten Fadensystemen als sogenannte Gewebe manuell oder maschinell gefertigt sind. Als Grundwerkstoff des Gewebes kommt beispielsweise eine pflanzliche Faser oder ein gattungsgemäßes Polyester, wie es in zahlreichen Staaten unter der Markenbezeichnung Dacron vertrieben wird, in Betracht.
Ein abhängig von aktueller Windgeschwindigkeit und Drehzahl der Windenergieanlage 1 gesteuerter Motor im Inneren des Masten 10 übt im vorgegebenen Szenario eine zeichnerisch auf dem ersten Rotorblatt 2 angedeutete Zugkraft 9 auf das zu diesem Zeitpunkt noch teilweise auf einer Haspel innerhalb des ersten Rotorblatts 2 aufgewickelte Windsegel 6 aus. Als Haspel oder Weife ist – angelehnt an die Begrifflichkeit der Textiltechnologie – in diesem Kontext jegliches zum Aufund Abwickeln der Windsegel 6, 7, 8 geeignete technische Hilfsmittel zu verstehen.
Der in 2 gezeigte Zustand der Windenergieanlage 1 stellt sich ein, sobald die Steuerung des Motors – beispielsweise mittels eines entsprechend konfigurierten Anemometers – eine gegenüber dem Normalzustand der 1 verminderte Windgeschwindigkeit registriert. In diesem Anwendungsfall wickelt der Motor die Windsegel 6, 7, 8 soweit ab, bis sie den Windangriffsflächen der zugeordneten Rotorblätter 2, 3, 4 nahezu ihren größtmöglichen Flächeninhalt verleihen. Diese Flächenmaximierung gestattet es der Windenergieanlage 1, trotz der geringeren Luftbewegung die angestrebte Generatorleistung weitestgehend aufrechtzuerhalten.
Den umgekehrten Fall einer erhöhten Windgeschwindigkeit spiegelt der Betriebszustand gemäß 3 wider. In diesem Szenario übt der Motor keine nennenswerte Zugkraft auf die Windsegel 6, 7, 8 aus, sodass die zu diesem Zweck vorgespannte oder motorisch angetriebene Haspel jedes Windsegels 6, 7, 8 in ihre ursprüngliche Stellung zurückkehrt und dabei das erschlaffende Windsegel im Inneren des betreffenden Rotorblattes 2, 3, 4 aufwickelt. Droht selbst in dieser Endlage eine Beschädigung der Windenergieanlage 1 durch besonders starke Windstöße, so versagt das entsprechend beschaffene Material der Windsegel 6, 7, 8 an spezifischen Sollrissstellen.
Die 4 und 5 zeigen zwei weitere denkbare Ausführungsformen der Erfindungen, die sich voneinander im Wesentlichen lediglich durch die Anzahl ihrer Rotorblätter – drei im Falle der 4, vier im Falle der 5 – unterscheiden. Gemeinsam haben diese Ausführungsformen eine kreisförmig umlaufende Schiene, deren Radius die identische Länge der Rotorblätter 2, 3, 4 nur knapp unterschreitet.
In diesen Ausgestaltungen der Windenergieanlage 1 ist jedem Rotorblatt 2, 3, 4 ein etwa senkrecht zu diesem verlaufendes Zugseil zugeordnet, das jeweils von der Spitze seines Windsegels 6, 7, 8 zu einem in dessen Verlängerung in der Schiene umlaufenden Befestigungspunkt verläuft. Die erfindungsgemäße Flächenänderung eines Rotorblatts 2, 3, 4 vollzieht sich somit durch eine bedarfsgerechte Verlängerung oder Verkürzung des entsprechenden Zugseils, welches das von ihm geführte Windsegel 6, 7, 8 um das erforderliche Maß entgegen der Federkraft seiner Haspel aufspannt.
Obgleich die Abbildungen diesen Betriebszustand nicht widerspiegeln, können die Windsegel 6, 7, 8 in sämtlichen beschriebenen Ausführungsformen auch vollständig innerhalb der Rotorblätter 2, 3, 4 aufgewickelt werden. In diesem Modus genügt die Windenergieanlage 1 somit dem gewohnten aerodynamischen Wirkprinzip.

Claims

Windenergieanlage (1) mit – wenigstens einem drehbar gelagerten Rotorblatt (2, 3, 4) zum Verrichten einer mechanischen Antriebsarbeit mittels eines Windes, – einer mechanisch mit dem Rotorblatt (2, 3, 4) verbundenen drehbaren Rotornabe (5) zum Lagern des Rotorblatts (2, 3, 4) und – einem mechanisch mit der Rotornabe (5) verbundenen elektrischen Generator zum Umwandeln der Antriebsarbeit in elektrische Energie, gekennzeichnet durch – ein mechanisch mit dem Rotorblatt (2, 3, 4) verbundenes Windsegel (6, 7, 8), das zum Verändern einer Windangriffsfläche verstellbar am Rotorblatt (2, 3, 4) angeordnet ist.
Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Windsegel (6, 7, 8) außerhalb des Rotorblatts (2, 3, 4) befestigt ist.
Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Windsegel (6, 7, 8) in das Rotorblatt (2, 3, 4) integriert ist.
Windenergieanlage nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Haspel zum Aufwickeln des Windsegels (6, 7, 8) in dem Rotorblatt (2, 3, 4), wobei das Windsegel (6, 7, 8) ein textiles Flächengebilde, insbesondere ein Gewebe, ist.
Windenergieanlage nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen mechanisch mit dem Windsegel (6, 7, 8) verbundenen, vorzugsweise elektrischen Motor zum Aufwickeln des Windsegels (6, 7, 8) auf der Haspel.
Windenergieanlage nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine signalmäßig mit dem Generator und dem Motor verbundene Motorsteuerung zum Steuern einer Zugkraft (9) des Motors in Abhängigkeit von einem Lastzustand des Generators.
Windenergieanlage nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch ein mechanisch mit der Haspel verbundenes Federelement zum Vorspannen der Haspel derart, dass die Haspel das Windsegel (6, 7, 8) selbsttätig aufwickelt, wenn die Zugkraft (9) nachlässt.
Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 6 oder 7, gekennzeichnet durch einen signalmäßig mit der Motorsteuerung verbundenen Drehzahlmesser zum Messen einer Drehzahl der Windenergieanlage (1), wobei die Motorsteuerung derart konfiguriert ist, dass siedie Drehzahl auf einen vorgegebenen Höchstwert beschränkt.
Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Windsegel (6, 7, 8) eine Sollrissstelle aufweist und derart beschaffen ist, dass bei einer Überlastung der Windenergieanlage (1) das Windsegel (6, 7, 8) an der Sollrissstelle reißt.
Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen im Wesentlichen senkrechten Mast (10) zum Tragen der Rotornabe (5).