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Die Erfindung betrifft eine Luftstrom-Steueranordnung für eine Direktantrieb-Windturbine; eine Direktantrieb-Windturbine; und ein Verfahren zum Steuern eines Luftstroms in einer Direktantrieb-Windturbine.
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Bei Betrieb eines elektrischen Generators führt die relative Drehung der Magnetpole einer Feldanordnung und der Wicklungen einer Ankeranordnung dazu, dass elektrische Ströme in den Wicklungen erzeugt werden. Ein großer Generator, wie z. B. ein Windturbinengenerator, kann mehrere hundert Magnetpole mit starken magnetischen Feldern umfassen, und die Ströme, die in den Wicklungen erzeugt werden, sind entsprechend groß, so dass die Wicklungen sehr heiß werden. Die hohen Temperaturen können eine abträgliche Auswirkung auf die Magnete sowie andere Komponenten in dem Generator, wie z. B. Verdrahtung, Steuerschaltungsanordnung, Sensoren etc., haben. Aus diesem Grund ist ein Windturbinengenerator normalerweise mit einer Kühlanordnung zum Kühlen der heißeren Teile des Generators ausgerüstet. Bei einigen Auslegungen werden Wärmeaustauscher verwendet, um die Wärme an ein Kühlfluid zu übertragen, das durch Rohre und Leitungen zirkuliert, welche in dem gesamten Generator angeordnet sind. Es ist jedoch kompliziert und aufwendig, ein solches Fluidkühlsystem so anzuordnen, dass es auf effiziente Weise die Wärme von den Wicklungen wegsaugt. Ein anderer Typ von Kühlanordnung kann einen Wärmeaustauscher aufweisen, der auf der Rückseite der Windturbinengondel so montiert ist, dass er von der Luft gekühlt werden kann, die über die Windturbine strömt. Wärme kann unter Verwendung von Kühlfluid in Rohren und Kanälen von den heißen Komponenten zu dem außenliegenden Wärmeaustauscher übertragen werden. Die aufwendige Anordnung von Röhren, Leitungen, Wärmeaustauschern etc. trägt zu der Gesamtkomplexität und den Kosten der Windturbine bei, und es muss darauf geachtet werden, dass Leckagen vermieden werden. Ferner trägt die Wartung solcher Kühlsysteme signifikant zu den Kosten bei. Bei einer weiteren Vorgehensweise kann Luft unter Verwendung eines Gebläses in die Gondel oder Abdeckhaube gesaugt werden, um einen Überdruck in der Abdeckhaube zu erzeugen, so dass bewirkt wird, dass die Luft über den Generator strömt, um wieder nach außen zu gelangen, zum Beispiel durch Entweichen durch einen Spalt zwischen der Nabe und der Abdeckhaube. Ein Nachteil solcher Systeme besteht darin, dass die Luft immer dem „einfachsten“ oder breitesten Weg nach außen folgt, wenn sie ihren eigenen Weg nach draußen finden muss. Daher sind solche bekannten Systeme in ihrer Fähigkeit zum Senken der Temperatur an der Wärmequelle, d. h. den Wicklungen, eingeschränkt, da die Räume um die Wicklungen herum eng sind wie auch der Luftspalt zwischen Wicklungen und Magnetpolen. Luft, die sich auf ihrem Weg nach außen befindet, neigt dazu, solche Engpässe zu umgehen. Daher sind solche Luftkühlsysteme generell ineffizient. Die Unfähigkeit zum effektiven Kühlen der heißen Wicklungen bedeutet, dass eine Windturbine möglicherweise nicht immer bei voller Leistung betrieben wird, da die dabei entstehenden hohen Temperaturen den Generator oder die Generatorkomponenten beschädigen würden.
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Eine Windturbine muss dazu ausgelegt sein, in unterschiedlichen Arten von Umgebungen und unter unterschiedlichen Wetterbedingungen zuverlässig zu arbeiten. Eine hohe relative Feuchtigkeit der Luft in der Windturbine kann Probleme hervorrufen, insbesondere wenn Wasserdampf an relativ kühlen Komponenten in dem Generator kondensiert. Zum Beispiel kann bei einer Direktantrieb-Windturbine der äußere Rotor mit seinen magnetischen Polen anfangs das kühlste Teil des Generators sein, und eine Kondensation kann sich an den Magneten bilden, wenn die Temperatur in dem Generator steigt. Um dieses Problem anzugehen, kann bei einer Vorgehensweise ein Entfeuchter verwendet werden, um Wasserdampf aus Luft zu extrahieren, die einer geschlossenen Kammer, welche den Stator umschließt, zugeführt wird. Um effektiv zu sein, ist auch eine Luftdichtung zwischen Rotor und Stator erforderlich, so dass die trockene Luft auch über die Magnete strömt. Ein solches System ist wesentlich komplexer und aufwendiger zu realisieren und zu warten, da es nicht leicht ist, den Rotor und den Stator gemeinsam abzudichten.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine ökonomischere und unkompliziertere Weise zum Steuern der Umgebung innerhalb einer Direktantrieb-Windturbine bereitzustellen, wobei die oben genannten Probleme vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit der Luftstrom-Steueranordnung nach Anspruch 1; mit der Direktantrieb-Windturbine nach Anspruch 13; und mit dem Verfahren nach Anspruch 14 zum Steuern eines Luftstroms in einer Direktantrieb-Windturbine.
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Erfindungsgemäß wird die Luftstrom-Steueranordnung zur Verwendung in einer Direktantrieb-Windturbine mit einem Generator, der einen Rotor und einen Stator umfasst, realisiert, wobei die Luftstrom-Steueranordnung ein Abströmgebläse umfasst, das dazu angeordnet ist, einen austretenden Luftstrom durch einen Austrittkanal zu saugen, wobei sich der Austrittkanal von einem inneren Hohlraum des Stators zur Außenseite der Windturbine erstreckt.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Luftstrom-Steueranordnung besteht darin, dass der Luftstrom optimal über die Teile des Generators geführt wird, die am stärksten eine Kühlung benötigen. Statt nur Luft in den Generator einzuleiten und diese ihren eigenen Weg nach außen finden zu lassen, veranlasst die erfindungsgemäße Luftstrom-Steueranordnung spezifisch, dass der Luftstrom einem vorbestimmten Weg durch räumlich getrennte Regionen der Windturbine folgt. Die Luft wird durch die Saug- oder Extrahierwirkung des Abströmgebläses gezwungen, diesem Weg zu folgen. Durch Bilden des Wegs auf eine turbinenspezifische Weise, wobei die Luft durch den inneren Hohlraum des Stators gezwungen wird, kann eine optimale Kühlung oder Erwärmung bestimmter Regionen des Generators erreicht werden. Dieser Aspekt wird nachstehend genauer erläutert.
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Vorzugsweise umfasst der Austrittkanal eine erste Austrittöffnung, durch die der austretende Luftstrom zur Außenseite der Windturbine, zum Beispiel zur Außenseite einer Abdeckhaube der Windturbine, ausgetragen werden kann, und eine sekundäre Austrittöffnung, durch die ein Teil des oder der gesamte austretende(n) Luftstrom(s) in ein Inneres der Windturbine zurück geleitet werden kann, wie nachstehend erläutert wird.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Direktantrieb-Windturbine mit einem Generator, der einen Rotor und einen Stator umfasst, eine solche Luftstrom-Steueranordnung.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Direktantrieb-Windturbine besteht darin, dass die Luftqualität in dem Generator bei jeder Phase des Windturbinenbetriebs optimiert werden kann. Die Luft kann verwendet werden, um die relevanten und kritischen Generatorkomponenten auf günstige und effektive Weise zu kühlen, und die relative Feuchtigkeit der Luft in der Windturbine kann ebenfalls wie erforderlich eingestellt werden. Dies wird nachstehend genauer erläutert.
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Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren zum Steuern eines Luftstroms in einer Direktantrieb-Windturbine den Schritt des Antreibens eines Abströmgebläses zum Saugen eines austretenden Luftstroms durch einen Austrittkanal, wobei sich der Austrittkanal von einem inneren Hohlraum des Stators zur Außenseite der Windturbine erstreckt.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass der Weg, dem der Luftstrom folgt, auf eine wohldurchdachte Weise ausgebildet werden kann. Anders ausgedrückt bedeutet die Wirkung der Abströmgebläse in Zusammenhang mit dem vorbestimmten Weg, dass der Luftstrom spezifisch über die Teile des Generators geleitet werden kann, die am stärksten eine Kühlung, Erwärmung und/oder Trocknung benötigen. Dadurch wird ermöglicht, dass die Qualität der Luft, die über diese Teile des Generators strömt, in einer günstigen, unkomplizierten und ökonomischen Weise eingestellt werden kann.
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Besonders vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben, wie in der folgenden Beschreibung offengelegt wird. Merkmale unterschiedlicher Anspruchskategorien können auf geeignete Weise kombiniert werden, um weitere, hier nicht beschriebene Ausführungsformen zu schaffen.
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Bei einer Direktantrieb-Windturbine ist der gesamte Generator kompakter als ein Generator mit Getriebe. Eine Abdeckhaube wird verwendet, um verschiedene Teile der Windturbine zu schützen. Zum Beispiel kann die Abdeckhaube so ausgestaltet sein, dass sie über den Mastkopf passt, so dass ein Windnachführungsmechanismus umschlossen und vor Regen und Staub geschützt ist. Der Generator ist vorzugsweise nicht unter der Abdeckhaube eingeschlossen. Der Ausdruck „Abdeckhaube“ bezieht sich generell auf einen Mantel oder ein Gehäuse, der/das die von ihm umschlossenen Komponenten gegen die Umgebung schützt. Die Abdeckhaube, ein Stützrahmen, wie z. B. ein Bettungsrahmen, und ein Nachführungsmechanismus können im Folgenden kollektiv als eine „Gondel“ bezeichnet werden. Im Kontext der Erfindung können die Abdeckhaube und die Gondel als Äquivalente hinsichtlich der Funktion angesehen werden. Bei einer „Außenrotor“-Auslegung kann sich der Rotor frei um den inneren Stator drehen. Im Folgenden, jedoch ohne die Erfindung in irgendeiner Weise einzuschränken, kann angenommen werden, dass die Luftstrom-Steueranordnung bei einer solchen Windturbinenkonstruktion realisiert ist. Es kann im Folgenden ferner angenommen werden, dass ein äußerer Rotor das Feld des Generators ist und dass ein innerer Stator der Anker ist, so dass die Magnete auf der Innenfläche des Rotors angeordnet sind und die Wicklungen auf der Außenfläche des Stators angeordnet sind. Selbstverständlich wäre es möglich, dass ein äußerer Rotor als der Anker dient und ein innerer Stator als das Feld dient.
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Die Wicklungen eines großen Generators umfassen generell flache Metallbänder, die in den Anker eingesteckt sind. Normalerweise weist ein solcher Generator mehrere Phasen auf, und die Wicklungen der unterschiedlichen Phasen müssen einander kreuzen. An einem oder beiden Enden des Ankers sind die Wicklungen daher generell auf unterschiedliche Arten ausgestaltet, um über- und untereinander zu passen, so dass die Kreuzungen auf eine kompakte und effiziente Weise ausgeführt sein können. Hohlräume am vorderen Ende und hinteren Ende des Generators sind so bemessen, dass sie diesen Wicklungs„überhang“ aufnehmen. Hier ist ein „vorderer Hohlraum“ so zu verstehen, dass dieser sich auf der vorderen oder Nabenseite des Generators befindet, und ein „hinterer Hohlraum“ ist so zu verstehen, dass er sich auf der hinteren oder Abdeckhaubenseite des Generators befindet. Da ein Generatorhohlraum räumlich vom Inneren des Stators getrennt ist, muss Luft, um ins Innere des Stators einzutreten, durch Spalte zwischen den Wicklungen strömen. Zum Beispiel muss Luft, um von dem vorderen Hohlraum des Generators zum Inneren des Stators zu strömen, durch schmale Spalte oder Schlitze zwischen benachbarten Wicklungen oder Wicklungsabschnitten strömen. Daher ist bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Luftstrom-Steueranordnung so realisiert, dass das Abströmgebläse den austretenden Luftstrom von einem Generatorhohlraum durch einen Luftspalt zwischen Magnetpolen des Rotors und Wicklungen des Stators in den Austrittkanal saugt. Anders ausgedrückt wird durch die Saugwirkung des Abströmgebläses Luft spezifisch aus einem Hohlraum vorn oder hinten am Generator in einen Luftspalt zwischen Rotor und Stator und durch Spalte zwischen benachbarten Statorwicklungen gesaugt.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Luftstrom-Steueranordnung eine Anzahl von Statorkanälen, wobei sich ein Statorkanal von einem hinteren Hohlraum des Generators zu einem vorderen Hohlraum des Generators durch den Stator erstreckt und wobei zumindest ein Teil des austretenden Luftstroms von dem Abströmgebläse durch den Statorkanal gesaugt wird. Bei dieser sehr günstigen Anordnung wird veranlasst, dass der Luftstrom vorbestimmten Wegen über eine Anzahl von Kanälen oder Leitungen, die unterschiedliche und räumlich getrennte Regionen der Windturbine verbinden, folgt. Zum Beispiel kann ein Luftstromweg von einem Statorkanal, einem vorderen Hohlraum des Generators, dem Inneren des Stators und schließlich dem Austrittkanal gebildet sein. Ein weiterer Luftstromweg kann von dem hinteren Hohlraum des Generators, dem Luftspalt, einem oder mehreren Spalten zwischen Wicklungen, dem Inneren des Stators und schließlich dem Austrittkanal gebildet sein.
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Folglich wird die Luft aus einem Hohlraum des Generators ins Innere des Stators gesaugt. Vorzugsweise ist abgesehen von dem von dem/den Statorkanal/Statorkanälen gebildeten Weg der Innenraum des Stators luftdicht vom Inneren der Abdeckhaube getrennt. Auf im Wesentlichen gleiche Weise ist abgesehen von den spezifischen Luftstromwegen, entlang denen ein Strömen der Luft auf wohldurchdachte Weise bewirkt wird, der Innenraum des Stators vorzugsweise luftdicht von dem vorderen Hohlraum des Generators getrennt. Der Ausdruck „luftdicht“ im Kontext der Abdeckhaube und des Stators ist so zu verstehen, dass abgesehen von dem vorbestimmten Luftstromweg im Wesentlichen keine anderen Wege zur Verfügung stehen, durch die Luft aus der Windturbine „entweichen“ kann. Das kleine Luftvolumen, das durch eine Labyrinthdichtung oder ähnliches entweichen kann, ist vernachlässigbar und ist der Effizienz der erfindungsgemäßen Luftstrom-Steueranordnung nicht abträglich.
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Die Abdeckhaube kann an dem äußeren Rotor montiert sein, und zwar unter Verwendung einer Labyrinthdichtung, um Regenwasser und in der Luft befindliche Partikel fernzuhalten. Bei einer einfachen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Luftstrom-Steueranordnung können einige Spalte absichtlich in einer geeigneten Region der Windturbine verbleiben, um ein Zuführen von Luft, die in die Abdeckhaube eintritt, zu ermöglichen, so dass das Abströmgebläse das günstige effektive Luftvolumen entlang den Wegen, die von den Statorkanälen, dem vorderen Hohlraum des Generators und dem Austrittkanal gebildet werden, saugen kann. Alternativ kann eine Anzahl von Ein-Weg-Ventilen, die als Lufteinlässe fungieren, an verschiedenen Stellen um die Abdeckhaube herum angeordnet sein, um zu ermöglichen, dass Luft in die Abdeckhaube eintritt. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Luftstrom-Steueranordnung jedoch ein Anströmgebläse, das dazu angeordnet ist, Luft ins Innere einer Abdeckhaube der Windturbine zu saugen. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass immer ein günstiges effektives Luftvolumen für jeden erforderlichen Kühlungs- oder Erwärmungsvorgang bereitsteht. Bei einer solchen Ausführungsform können verschiedene Dichtungen verwendet werden, um eine relativ luftdichte Abdeckhaube zu erhalten, zum Beispiel kann eine Dichtung zwischen der Abdeckhaube und dem Mastkopf vorhanden sein. Dieser Typ von Anordnung ist im Wesentlichen luftdicht, jedoch nicht notwendigerweise vollständig luftdicht, so dass im Wesentlichen die gesamte Luft, die von der Luftstrom-Steueranordnung verwendet wird, von dem Anströmgebläse angesaugt wird und von den Dichtungen festgehalten wird, so dass nur ein kleiner Anteil aus der Abdeckhaube „entweichen“ kann. Das Anströmgebläse ist vorzugsweise dazu vorgesehen, einen Überdruck im Inneren der Abdeckhaube zu erzeugen, so dass die Luft gezwungen ist, in die Statorkanäle zu strömen, die effektiv die einzigen Austritte aus dem Inneren der Abdeckhaube sind.
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Vorzugsweise gibt es eine begrenzte Anzahl von „Wegen“ von dem vorderen Hohlraum des Generators ins Innere des Stators, entlang denen der Luftstrom verlaufen kann. Zum Beispiel kann gewünscht sein, den gesamten Luftstrom zu zwingen, auf seinem Weg ins Innere des Stators über die Wicklungen zu strömen. Um diesen Effekt zu erzielen, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der innere Hohlraum des Stators von hinteren und vorderen Statorplatten begrenzt, die auf effektive Weise auf der einen Seite (hintere Statorplatte oder „Statorrückplatte“) das Innere des Stators gegen das Innere der Abdeckhaube und auf der anderen Seite (vordere Statorplatte oder „Statorfrontplatte“) gegen den vorderen Hohlraum des Generators abdichten. Bei bekannten Generatoren, bei denen eine Fluidkühlung angewendet wird, können diese Statorplatten jede Anzahl von Öffnungen oder Löchern umfassen. Bei Verwendung bei der erfindungsgemäßen Luftstrom-Steueranordnung umfassen die hinteren und vorderen Statorplatten vorzugsweise geschlossene Flächen ohne andere Öffnungen als die Öffnungen, die erforderlich sind, um den/die Statorkanal/Statorkanäle und Austrittkanal/Austrittkanäle aufzunehmen. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Statorkanal daher dazu angeordnet, durch eine entsprechend ausgestaltete Öffnung in einer Statorplatte zu verlaufen. Geeignete Dichtungen, wie z. B. luftdichte Dichtungen, können um die Öffnungen herum an der Verbindung zwischen Statorkanal und Statorplatte angeordnet sein, um sicherzustellen, dass der Luftstrom, der durch den Statorkanal geführt wird, vom Inneren der Abdeckhaube zu dem vorderen Hohlraum des Generators strömt, d. h. so dass im Wesentlichen keine Luft direkt vom Inneren der Abdeckhaube zum Inneren des Stators strömt. Auf diese Weise kann so viel Luft wie möglich gezwungen werden, in den vorderen Hohlraum des Generators zu strömen, von wo sie durch die Statorwicklungen und durch den Luftspalt zwischen den Magnetpolen und den Wicklungen gesaugt wird. Dadurch wird ermöglicht, dass die Luft auf effektivste Weise verwendet wird, ganz gleich ob zum Kühlen (bei Betrieb der Windturbine), zum Erwärmen (vor dem Start der Windturbine) und/oder zum Trocknen der Luft, wie nachstehend erläutert wird.
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Bei einem Betriebsmodus wird die Luft, die von dem Abströmgebläse zu Kühlzwecken durch die Wicklungen und den Luftspalt gesaugt oder gezogen wird, vorzugsweise aus der Nähe des Generators entfernt, da dann, wenn die Luft durch die Wicklungen und/oder den Luftspalt geströmt ist, ihre Temperatur gestiegen ist. Daher ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Austrittkanal dazu angeordnet, sich im Wesentlichen luftdicht durch eine Statorplatte zu erstrecken, die dazu angeordnet ist, den Stator-Innenraum von der Außenseite zu trennen. Auf diese Weise wird der Luftstrom, der durch die Wicklungen und durch den Luftspalt geströmt ist, in den Austrittkanal gesaugt und auf effiziente Weise aus dem Inneren des Stators entfernt. Bei Betrieb der Windturbine, zum Beispiel bei voller Leistung, kann die heiße Luft extrahiert und nach außen ausgetragen werden, so dass eine effiziente Kühlung der kritischen Regionen des Generators erreicht werden kann.
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Es ist bekannt, dass bei Bedingungen mit hoher relativer Feuchtigkeit der Taupunkt nahe der tatsächlichen Lufttemperatur liegt. Dies kann bei Windturbinen, die bei feuchten Bedingungen betrieben werden, ein Problem sein. Daher umfasst bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Luftstrom-Steueranordnung eine Austritt-Abströmanordnung zum Führen des austretenden Luftstroms aus dem Austrittkanal zur Außenseite der Abdeckhaube und/oder zurück ins Innere der Abdeckhaube. Besonders beim Start nach einem Stillstand der Windturbine kann eine hohe relative Feuchtigkeit bedeuten, dass Wasserdampf an den Magneten eines äußeren Rotors kondensiert ist, da dieser der kühlste Teil des Generators ist. Die relative Feuchtigkeit hängt von der Lufttemperatur und dem Luftdruck ab. Anders ausgedrückt ist es möglich, die relative Feuchtigkeit in einem geschlossenen System durch Verändern der Temperatur und/oder des Drucks in dem System zu verändern. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Luftstrom-Steueranordnung wird diese Beziehung dahingehend ausgenutzt, dass durch die kombinierte Wirkung des Abströmgebläses und der Austritt-Abströmanordnung sichergestellt wird, dass die Luft entlang ihres vorbestimmten Wegs in der Windturbine zirkuliert. Die Austritt-Abströmanordnung wird betätigt, um den Weg zur Außenseite der Abdeckhaube zu verschließen und den Weg zurück ins Innere der Abdeckhaube zu öffnen, und gleichzeitig wird die Luft durch die Wärmeableitung des Abströmgebläses erwärmt. Die Menge an anströmender Luft kann so eingestellt werden, dass ein Überdruck aufrechterhalten wird, um die Menge an Luft auszugleichen, die aus der Windturbine ausgetragen wird oder daraus entweicht. Der Betrieb der Luftstrom-Steueranordnung auf diese Weise kann fortgeführt werden, bis ein zufriedenstellender Zustand erreicht ist, zum Beispiel wenn der Taupunkt auf einen Pegel angestiegen ist, bei dem Wasserdampf nicht mehr (oder zumindest nicht in einem wesentlichen Ausmaß) an den Magnetpolen oder an anderen relativ kühlen Regionen des Generators kondensiert.
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Die Austritt-Abströmanordnung kann auf vielerlei Arten realisiert werden. Vorzugsweise wird sie realisiert, um eine Anzahl von Funktionen zu erfüllen: um im Wesentlichen den gesamten austretenden Luftstrom aus der Windturbine auszutragen; oder um im Wesentlichen den gesamten austretenden Luftstrom zurück ins Innere der Abdeckhaube umzulenken; oder um einen Teil des austretenden Luftstroms ins Innere der Abdeckhaube und den übrigen Teil aus der Windturbine umzulenken. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Austritt-Abströmanordnung eine erste Einrichtung zum Regeln des austretenden Luftstroms zur Außenseite der Abdeckhaube und eine zweite Einrichtung zum Regeln des austretenden Luftstroms ins Innere der Abdeckhaube. Die ersten und zweiten Einrichtungen zum Regeln des austretenden Luftstroms können unabhängig voneinander betätigt werden oder können synchron betätigt werden. Zum Beispiel kann die Luftstrom-Regeleinrichtung eine Klappe aufweisen, so dass eine erste Klappe den Luftstrom aus der Windturbine regelt und eine zweite Klappe den Luftstrom zurück ins Innere der Abdeckhaube regelt. Bei einer solchen Ausführungsform kann die erste Klappe dazu angeordnet sein, die Hauptaustrittöffnung des Austrittkanals im Wesentlichen vollständig zu bedecken, wenn die erste Klappe geschlossen ist. Auf im Wesentlichen gleiche Weise deckt dann, wenn die zweite Klappe geschlossen ist, diese die sekundäre Austrittöffnung des Austrittkanals im Wesentlichen vollständig ab. Die ersten und zweiten Klappen können unabhängig voneinander betätigt werden oder können synchron betätigt werden, so dass zum Beispiel dann, wenn eine Klappe vollständig offen ist, die andere vollständig geschlossen ist.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Klappenanordnung eine Dreiwegeklappe mit einem ersten Klappenteil zum Regeln des austretenden Luftstroms zur Außenseite der Abdeckhaube und einem zweiten Klappenteil zum Regeln des austretenden Luftstroms ins Innere der Abdeckhaube, so dass eine Aktion eines Klappenteils zu einer entsprechenden Aktion des anderen Klappenteils führt. Vorzugsweise wird die Klappenanordnung so gesteuert, dass die Klappenteile synchron gesteuert werden. Zum Beispiel ist dann, wenn der erste Klappenteil vollständig „offen“ ist, der zweite Klappenteil vollständig „geschlossen“, so dass der gesamte austretende Luftstrom aus der Windturbine ausgetragen wird; wenn der erste Klappenteil vollständig „geschlossen“ ist, ist der zweite Klappenteil vollständig „offen“, so dass der gesamte austretende Luftstrom zurück ins Innere der Abdeckhaube zirkuliert; wenn der erste Klappenteil nur teilweise offen ist, ist der zweite Klappenteil nur teilweise um einen entsprechenden Betrag geschlossen, so dass ein Anteil des austretenden Luftstroms zurück ins Innere der Abdeckhaube zirkuliert und der verbleibende Anteil aus der Windturbine ausgetragen wird.
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Alternativ kann eine Regeleinrichtung für einen austretenden Luftstrom ein Gebläse umfassen. Bei einer solchen Ausführungsform kann die erste Luftstrom-Regeleinrichtung das Abströmgebläse sein, das leistungsstark genug ist, um die Luft durch die Statorkanäle ins Innere des Stators und in den Austrittkanal zu saugen. Die zweite Luftstrom-Regeleinrichtung kann auch ein sekundäres Abströmgebläse umfassen, das in dem sekundären Kanal angeordnet ist, der von dem Austrittkanal in Richtung des Inneren der Abdeckhaube abzweigt. Das Luftvolumen, das ins Innere der Abdeckhaube zurückgesaugt wird, kann von der Drehzahl abhängig sein, mit der dieses sekundäre Gebläse angetrieben wird. Um zu verhindern, dass Luft in die Abdeckhaube eintritt, wenn die gesamte austretende Abströmung aus der Windturbine ausgetragen werden soll, kann das sekundäre Gebläse einfach abgeschaltet werden, wodurch auf effektive Weise der Weg ins Innere der Abdeckhaube verschlossen wird.
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Das Abströmgebläse ist vorzugsweise in einer geeigneten Region des Austrittkanals positioniert. Zum Beispiel kann es nahe an der „Mündung“ oder Eingangsöffnung des Austrittkanals oder näher an der Austrittöffnung angeordnet sein. Vorzugsweise ist das Abströmgebläse weit genug von der Eingangsöffnung positioniert, um sicherzustellen, dass die Luft dann eine lineare Strömung beschreibt, wenn sie das Abströmgebläse erreicht; und auch weit genug von der Austrittöffnung entfernt, so dass das Geräusch des Gebläses, das außen wahrgenommen wird, auf einem Minimum gehalten werden kann. Vorzugsweise ist der Austrittkanal so ausgestaltet, dass er eng um das Abströmgebläse herum passt, so dass das Abströmgebläse auf effiziente Weise Luft in den Austrittkanal saugen kann.
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Alternativ kann das Abströmgebläse relativ weit hinten in dem Austrittkanal positioniert sein, zum Beispiel nahe einer Öffnung in der Abdeckhaube, durch die der Luftstrom aus der Windturbine ausgetragen wird. Eine solche Anordnung kann effektiv sein, wenn ein sekundäres Gebläse in dem sekundären Kanal positioniert ist. In diesem Fall können sowohl das Abströmgebläse als auch das sekundäre Gebläse betätigt werden, um Luft aus der Abdeckhaube und schließlich durch die Wicklungen und den Luftspalt zu ziehen, und das Luftvolumen, das aus der Windturbine ausgetragen wird oder ins Innere der Abdeckhaube zurückgeleitet wird, ist von der Kapazität jedes Gebläses und der Drehzahl abhängig, mit der jedes Gebläse angetrieben wird.
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Die Austritt-Abströmanordnung wird vorzugsweise entsprechend der Qualität der Umgebungsluft und/oder entsprechend der Qualität der Luft, die durch die Windturbine strömt und/oder entsprechend dem Betriebszustand der Windturbine gesteuert. Zum Beispiel benötigen bei Betrieb bei voller Leistung die heißesten Teile des Generators (normalerweise die Wicklungen) eine effiziente Kühlung. Auf im Wesentlichen gleiche Weise müssen dann, wenn die Umgebungsluft eine hohe relative Feuchtigkeit aufweist, Schritte unternommen werden, um die Feuchtigkeit zu verringern. Daher umfasst bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Luftstrom-Steueranordnung eine Anzahl von Temperatursensoren zum Messen der Temperatur an der Außenseite der Abdeckhaube und/oder in dem Generator und/oder an den Generatormagneten und/oder an den Generatorwicklungen; und/oder eine Anzahl von Feuchtigkeitssensoren zum Messen der Feuchtigkeit an der Außenseite der Abdeckhaube und/oder in dem Generator.
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Informationen, die von solchen Sensoren geliefert werden, können interpretiert und verwendet werden, um die Leistung der Luftstrom-Steueranordnung einzustellen. Daher umfasst bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Luftstrom-Steueranordnung eine Steuereinheit, die dazu vorgesehen ist, zumindest die Austritt-Abströmanordnung und/oder das Anströmgebläse und/oder das Abströmgebläse auf der Basis der von einem oder mehreren Sensoren durchgeführten Messungen zu steuern. Zum Beispiel kann ein Feuchtigkeitssensor, der an der Außenseite der Abdeckhaube oder nahe dem Anströmgebläse positioniert ist, die relative Feuchtigkeit der Umgebungsluft messen. Ein Temperatursensor nahe dem Rotor kann einen Temperaturmesswert für diesen Teil des Generators bereitstellen. Die Steuereinheit kann die Daten, die von diesen Sensoren bereitgestellt werden, analysieren, um zu entscheiden, ob der Luftstrom für eine Weile im Inneren der Windturbine rezirkulieren soll, wodurch ermöglicht wird, dass das Abströmgebläse diese zirkulierende Luft erwärmt, bevor die Windturbine aus einem Stillstandzustand heraus gestartet wird.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Luftstrom-Kühlanordnung dazu vorgesehen, Luft von dem vorderen Hohlraum des Generators durch einen Luftspalt zwischen Magnetpolen und Wicklungen des Generators in den Austrittkanal zu saugen. Auf diese Weise kann ein Luftstrom auch über die Magnete geleitet werden. Ein solcher Luftstrom dient zum Kühlen der Magnete auch dann, wenn bei Betrieb hohe Temperaturen erreicht werden. Durch Verwenden des Abströmgebläses zum Erwärmen der Luft, während die Luft im Inneren der Abdeckhaube und dem Generator zirkuliert, kann jedoch ein erwärmter und getrockneter Luftstrom über die Magnetpole geleitet werden, um die Wahrscheinlichkeit einer Kondensationsbildung an den Magneten, zum Beispiel wenn ein kühler Generator nach einem Stillstand aktiviert wird, zu verringern. Der Luftstrom kann unter Verwendung eines ausreichend starken Motors für die Anström- und/oder Abströmgebläse in den schmalen Luftspalt gesaugt werden. Gleichermaßen kann der vordere Hohlraum des Generators so ausgestaltet sein, dass er bewirkt, dass der Luftstrom in den Luftspalt strömt. Zum Beispiel können Führungen oder Luftstrom-Formelemente über dem Wicklungsüberhang angeordnet sein, um zu ermöglichen, dass die Luft über den Wicklungsüberhang und in den Luftspalt strömt. Dies kann durch Minimieren der Anzahl von Öffnungen ins Innere des Stators in einer Übergangszone zwischen Statorplatte und Wicklungsüberhang unterstützt werden.
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Die Umgebungsluft kann Staub, Insekten, Pollen und andere in der Luft befindliche Partikel enthalten. Solche Verunreinigungen in der Luft können im Inneren der Windturbine problematisch werden. Daher umfasst bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Luftstrom-Steueranordnung eine Filteranordnung, die vor oder hinter dem Anströmgebläse angeordnet ist, wobei ein oder mehrere Filter dazu vorgesehen sind, in der Luft befindliche Partikel aus der Luft zu filtern. Auf diese Weise saugt das Anströmfilter im Wesentlichen nur gefilterte Luft ins Innere der Abdeckhaube. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Filteranordnung ein Salzfilter umfassen, das dazu vorgesehen ist, in der Luft befindliche Salzpartikel aus der ankommenden Luft zu entfernen, die sehr fein und schwierig oder unmöglich mittels bekannter Siebfilter aus der Luft zu filtern sein können. Ein Salzfilter kann effizient arbeiten, wenn seine Eingangsluft relativ trocken ist. Daher sind bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Klappenanordnung und das Anströmgebläse relativ zueinander so angeordnet, dass „trockene“ Luft, die ins Innere der Abdeckhaube zurückgeführt wird, in Richtung eines Salzfilters des Anströmgebläses geleitet werden kann. Auf diese Weise kann eine geringe Feuchtigkeit aufweisende Luft aus dem Generator mit nasser Luft gemischt werden, die von außen angesaugt wird, so dass eine zufriedenstellende Leistung des Salzfilters sichergestellt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Filteranordnung eine Dunsteliminiereinrichtung zum Entfernen von Feuchtigkeit aus der ankommenden Luft umfassen oder mit dieser kombiniert sein. Eine Dunsteliminiereinrichtung kann auch als Abscheider bezeichnet werden. Eine Filteranordnung in Kombination mit einer Dunsteliminiereinrichtung, die verschiedene Funktionen erfüllt, wie z. B. das Entfernen von Dunst und/oder in der Luft befindlichen Partikeln aus der ankommenden Luft, kann kollektiv als Filtriersystem bezeichnet werden. Die Dunsteliminiereinrichtung kann auf verschiedene Arten realisiert werden. Zum Beispiel kann eine Dunsteliminiereinrichtung als Abscheider mit einer Anordnung von abgewinkelten Flügeln realisiert sein, die die angesaugte Luft umlenken und dadurch bewirken, dass Nässe an den abgewinkelten Flügeln kondensiert und aufgefangen wird. Der kondensierte Wasserdampf kann aufgefangen und durch einen geeigneten Auslass ausgetragen werden. Einige Abscheiderauslegungen weisen „Haken“ auf, die entgegen der Ansaugrichtung angeordnet sind, um die in der Luft befindlichen Nässetropfen einzufangen. Die Abscheiderflügel können aus Kunststoff, Aluminium, einem kohlenstofffaserverstärkten Polymermaterial oder einem anderen geeigneten Material gefertigt sein.
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Bei sehr kalten Bedingungen kann die aufgefangene Nässe über diesen Haken gefrieren, wodurch die Einlassdurchgänge des Abscheiders verstopft werden. Daher umfasst bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Filtriersystem ein Gebläse, das dazu angeordnet ist, einen Luftstrom in den oder an den Abscheider zu leiten, so dass eine Eisbildung vermieden werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann dann, wenn die Abscheiderflügel aus einem leitenden Material, wie z. B. Kohlenstoff oder Aluminium, gefertigt sind, ein elektrischer Strom an die Flügel angelegt werden, um diese zu erwärmen und eine Eisbildung abzuschmelzen.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Filteranordnung eine Anzahl von Einlassfiltern. Zum Beispiel kann ein erstes Einlassfilter verwendet werden, um Sand, Staub, Pollen etc. aus der ankommenden Luft zu filtern. Ein zweites Einlassfilter kann verwendet werden, um Salz aus der Luft zu entfernen. Alternativ kann ein kombiniertes Einlassfilter verwendet werden, das in der Lage ist, mehrere Arten von in der Luft befindlichen Partikeln aus der ankommenden Luft zu entfernen. Die Einlassfilter können nebeneinander angeordnet sein, sind jedoch vorzugsweise „gestapelt“, so dass ankommende Luft durch ein erstes Einlassfilter und anschließend durch ein zweites Einlassfilter strömen muss, bevor sie das Innere der Abdeckhaube erreicht.
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Eine Filteranordnung oder ein Filtriersystem ist vorzugsweise in einer Ummantelung aufgenommen, die an einem Stützteil der Abdeckhaube, z. B. einem Bettungsrahmen oder einer anderen geeigneten Region der Abdeckhaube, montiert sein kann. Vorzugsweise ist das Filtriersystem in einer unteren Region der Abdeckhaube angeordnet, zum Beispiel in Richtung des hinteren Teils. Bei einer bevorzugten Reihenfolge der Komponenten des Filtriersystems ist ein Abscheider an der Außenseite montiert, um Nässe aus der ankommenden Luft zu entfernen. Auf der Innenseite, d. h. in Richtung des Inneren der Abdeckhaube, entfernt eine Filteranordnung in der Luft befindliche Partikel aus der Luft. Ein oder mehrere Anströmgebläse sind zwischen dem Abscheider und der Filteranordnung angeordnet, um Luft ins Innere der Abdeckhaube zu saugen. Die Filteranordnung und das Anströmgebläse sind vorzugsweise in enger Nachbarschaft in der Ummantelung angeordnet, so dass die ankommende Luft effektiv durch die Filteranordnung gedrückt wird. Selbstverständlich kann ein Abscheider, wenn er verwendet wird, von der Filteranordnung und dem Anströmfilter beabstandet sein. Zum Beispiel kann der Abscheider in einer Abdeckhaubenöffnung montiert sein, während ein Anströmfilter und eine Filteranordnung an anderer Stelle in der Abdeckhaube angeordnet sind.
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Ein Temperatursensor oder eine andere Messvorrichtung kann verwendet werden, um die Leistung des Abscheiders zu überwachen. Wenn eine Gefrierbedingung detektiert wird, wird ein Heizelement so lange aktiviert, wie die Gefrierbedingung besteht. Der Temperatursensor kann verwendet werden, um zu bestimmen, wann das Heizelement wieder deaktiviert werden kann. Das Heizelement kann ein Heizgebläse sein, das dazu angeordnet ist, einen erwärmten Luftstrom über den Abscheider zu leiten. Zum Beispiel kann ein Heizgebläse den Platz eines Anströmgebläses in einem Filtriersystem einnehmen, oder ein Heizgebläse kann auf der gleichen Ebene wie ein Anströmgebläse oder zwischen dem Abscheider und einem Anströmgebläse angeordnet sein.
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Anstelle eines Heizgebläses kann ein Heizkreis verwendet werden, um einen elektrischen Strom an die Flügel eines Abscheiders anzulegen, wenn diese elektrisch leitend sind. Vorzugsweise ist mindestens ein Fünftel der Abscheiderfläche mit einem elektrischen Kreis zum Erwärmen auf diese Weise verbunden.
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Der Luftstrom, der durch den Generator gesaugt wird, kann eine nützliche Kühlwirkung oder eine nützlich Erwärmungs- und Trocknungswirkung haben, je nachdem, wie die Klappenanordnung und die Anström-/Abströmgebläse angetrieben werden. Ein einzelner Statorkanal kann ausreichen, um genug Luft zum Kühlen oder Erwärmen der relevanten Generatorregionen anzusaugen, insbesondere wenn die Windturbine in Betrieb ist, da das Drehen des Rotors auch zum Begünstigen der Zirkulation von Luft in der Nähe der Magnete und Wicklungen und in dem Luftspalt dient. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Luftstrom-Steueranordnung jedoch eine Vielzahl von Statorkanälen, die sich vom Inneren der Abdeckhaube zu dem vorderen Hohlraum des Generators erstrecken. Vorzugsweise sind die Statorkanäle parallel angeordnet, d. h. sie liegen im Wesentlichen parallel zueinander und/oder parallel zur Längsachse des Stators. Falls bevorzugt oder falls erforderlich, kann der Statorkanal jedoch in einem Winkel zur Längsachse des Stators angeordnet sein. Die Statorkanäle können auf jede geeignete Weise um den Stator herum verteilt sein. Vorzugsweise sind die Statorkanäle gleichmäßig um den Stator herum beabstandet. Zum Beispiel kann ein Paar von Statorkanälen auf zwei Seiten des Stators einander diametral gegenüberliegen. Eine solche Anordnung kann einen ersten Statorkanal auf der linken Seite des Stators und einen weiteren auf der rechten Seite umfassen. Bei einer weiteren Ausführungsform können drei Statorkanäle in mehr oder weniger gleichem Abstand um den Stator herum angeordnet sein. Alternativ können der Austrittkanal und die drei Statorkanäle so angeordnet sein, dass jeder in einem Quadranten des Stators liegt. Selbstverständlich kann jede Anzahl von Statorkanälen verwendet werden, und die Anzahl kann von dem Luftvolumen, das durch diese strömen können muss, sowie von dem zur Verfügung stehenden Platz in dem Statorhohlraum abhängig sein.
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Das erfindungsgemäße Luftstrom-Steuerverfahren kann angewendet werden, um die Luft in der Windturbine „aufzubereiten“ oder zu „behandeln“, bevor der Generator gestartet oder gestoppt wird, oder um auf eine Veränderung der Temperatur oder Feuchtigkeit bei Betrieb der Windturbine zu reagieren. Zu diesem Zweck umfasst das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise den Schritt des Ermittelns von Temperaturmesswerten von der Außenseite der Abdeckhaube und/oder des Generators und/oder der Generatormagnete und/oder der Generatorwicklungen. Zum Beispiel kann ein Anstieg der Temperatur der Wicklungen anzeigen, dass die Gebläseleistung erhöht werden sollte, um die Luftströmungsrate über die Wicklungen zu erhöhen, und die Klappe sollte gesteuert werden, um die Luft nach außen auszutragen. Ein oder mehrere niedrige Temperaturmesswerte können anzeigen, dass die Luft erwärmt (zum Beispiel unter Verwendung der von dem Abströmgebläse abgeleiteten Wärme) und über einen geeigneten Zeitraum rezirkuliert werden sollte, bevor die Windturbine gestartet wird oder bis die Temperaturmesswerte zufriedenstellend sind. Solche Temperaturmesswerte können, falls erforderlich, durch Feuchtigkeitsmesswerte ergänzt werden. Zu diesem Zweck umfasst das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise den Schritt des Ermittelns von Feuchtigkeitsmesswerten von der Außenseite der Abdeckhaube und/oder einer Stelle im Inneren der Windturbine, zum Beispiel dem Generator. Eine ungünstig hohe Feuchtigkeit kann durch Erhöhen der Temperatur der Luft in der Windturbine „korrigiert“ werden. Dies kann durch Rezirkulierenlassen der Luft und Erwärmen derselben unter Verwendung der von dem Abströmgebläse abgeleiteten Wärme erreicht werden, wie oben beschrieben ist. Der Temperaturanstieg führt zu einer Verringerung der relativen Feuchtigkeit.
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Messungen, die im Verlaufe der Entwicklung der erfindungsgemäßen Luftstrom-Steueranordnung durchgeführt worden sind, haben gezeigt, dass ein nicht isolierter Austrittkanal signifikant zur Erwärmung des Inneren der Abdeckhaube beitragen kann. Aus praktischen Gründen ist der Austrittkanal vorzugsweise aus einem robusten, langlebigen, leichten und ökonomischen Material, wie z B. Stahl, gefertigt. Der Austrittkanal kann eine Länge von mehreren Metern aufweisen, und sein Durchmesser kann typischerweise ungefähr 400 mm bis 1000 mm betragen. In Abhängigkeit von den Austrittkanalabmessungen und der Strömungsrate des austretenden Luftstroms kann die Rate der Wärmeenergieübertragung von der Wand des Austrittkanals ins Innere der Gondel einen Wert von mehreren Kilowatt erreichen. Daher ist bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Austrittkanal zumindest teilweise von einem wärmeisolierenden Material umschlossen. Vorzugsweise wird ein Material mit einer günstigen niedrigen Wärmeleitfähigkeit verwendet. Zum Beispiel können eine oder mehrere Schichten einer Isolierungsverkleidung um den Austrittkanal herum gewickelt sein. Wenn der Austrittkanal eine Luftstrom-Regeleinrichtung zum Führen eines Teils der austretenden Abströmung zurück ins Innere der Abdeckhaube (zum Beispiel während eines Startvorgangs) umfasst, kann das Isoliermaterial um eine sekundäre Austrittöffnung des Austrittkanals herum angeordnet sein.
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Weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich. Es versteht sich jedoch, dass die Zeichnungen ausschließlich zum Zweck der Erläuterung und nicht als eine Definition der Grenzen der Erfindung dienen.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Luftstrom-Steueranordnung;
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Luftstrom-Steueranordnung;
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3 zeigt eine schematische Darstellung des Luftstromwegs, der von einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Luftstrom-Steueranordnung gebildet ist;
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4 zeigt eine Ansicht aus dem Inneren des Stators in Richtung der Statorrückplatte in einer erfindungsgemäßen Luftstrom-Steueranordnung;
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5 zeigt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Luftstrom-Steueranordnung;
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6 zeigt eine Ausführungsform eines Filtriersystems zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Luftstrom-Steueranordnung;
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7 zeigt eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Luftstrom-Steueranordnung.
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In den grafischen Darstellungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen durchgehend auf gleiche Objekte. Objekte in den grafischen Darstellungen sind nicht notwendigerweise maßstabgetreu gezeichnet. Insbesondere sind der Luftspalt zwischen Rotor und Stator oder die Spalten zwischen Statorwicklungen stark vergrößert dargestellt. Aus Gründen der Klarheit zeigen die grafischen Darstellungen nur die relevanten Komponenten einer Windturbine, und diese sind stark vereinfacht gezeigt.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Luftstrom-Steueranordnung. Die grafische Darstellung zeigt das Innere einer Direktantrieb-Windturbine 10, bei der ein Generator 14 an einer Welle 20 montiert ist. Der Generator umfasst einen äußeren Rotor 11 und einen inneren Stator 12. Eine Nabe und Rotorblätter (die in der grafischen Darstellung nicht gezeigt sind) sind vorn an der Welle 20 so montiert, dass eine Drehung der Nabe zu einer Drehung des äußeren Rotors 11 um eine Drehachse R führt. Der innere Stator 12 bleibt relativ zu der Welle 20 stationär. Wicklungen 121 (siehe 3 und 4) sind an der Außenfläche des Stators 12 angeordnet, während Magnetpole 111 (siehe 3 und 4) an der Innenfläche des Rotors 11 angeordnet sind. Ein schmaler Luftspalt 150 trennt die Pole 111 von den Wicklungen 121. Aus Auslegungsgründen weisen die Wicklungen 121 einen bestimmten Betrag an Überhang an einem oder beiden Enden des Stators 12 auf. Dieser Überhang ist in einem vorderen Hohlraum 140_F des Generators aufgenommen. Die Installation einer solchen Windturbine 10 kann durch Anheben des gesamten Generators 14 und Montieren desselben vor einer Abdeckhaube 13, die an einem Mast 17 montiert ist, durchgeführt werden.
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Bei dieser Ausführungsform sind die Abdeckhaube 13, der Mast 17 und der Generator 14 im Wesentlichen luftdicht mittels Dichtungen 21, 22 zwischen Abdeckhaube 13 und Mast 17 und zwischen Abdeckhaube 13 und Generator 14 verbunden. Die Dichtung 21 zwischen Abdeckhaube 13 und Generator 14 kann eine Labyrinthdichtung 21 sein. Ein Anströmgebläse 2 wird verwendet, um Luft AF_in ins Innere 130 der Abdeckhaube zu saugen. Das Anströmgebläse 2 kann leistungsstark genug sein, um einen Überdruck im Inneren 130 der Abdeckhaube zu erzeugen. Die Luft AF_in, die auf diese Weise in die Abdeckhaube 13 gesaugt wird, wird dann veranlasst oder gezwungen, einen spezifischen Weg entlang zu verlaufen, der gebildet ist von Statorkanälen 3, die sich von einem Ende des Stators 12 zum anderen Ende erstrecken, und von einem Austrittkanal 4, der sich vom Inneren 120 des Stators erstreckt und dazu vorgesehen ist, die Luft zur Außenseite der Windturbine auszutragen oder die Luft ins Innere 130 der Abdeckhaube zurückzuleiten.
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Ein Statorkanal 3 ist so montiert, dass die Eingangsöffnung 30 zu dem Statorkanal 3 in oder vor einer Statorrückplatte 123 liegt und seine Austrittöffnung 31 in oder vor einer Statorfrontplatte 122 liegt. Die Eingangsöffnung 30 kann nach außen aufgeweitet oder konisch ausgebildet sein, um einen Luftstrom AF_in in den Statorkanal 3 zu führen. Es können mehrere solcher Statorkanäle 3 in dem Stator 12 angeordnet sein.
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Nach dem Austreten aus den Auslassöffnungen 31 der Statorkanäle 3 strömt die Luft in einen vorderen Hohlraum 140_F des Generators 14. Durch die von dem Abströmgebläse 1 erzeugte Saugwirkung wird diese Luft durch Spalte zwischen den Wicklungsüberhängen und durch den Luftspalt zwischen Magnetpolen 111 und Wicklungen 121 ins Innere des Stators 12 und schließlich in den Austrittkanal 4 gesaugt. Durch die von dem Abströmgebläse 1 erzeugte Saugwirkung wird auch Luft von einem hinteren Hohlraum 140_R des Generators durch Spalte zwischen den Wicklungsüberhängen und durch den Luftspalt zwischen Magnetpolen 111 und Wicklungen 121 ins Innere des Stators 12 und dann ebenfalls in den Austrittkanal 4 gesaugt. Der Austrittkanal 4 mit einer ausreichend großen Austrittöffnung in Zusammenhang mit einem ausreichend leistungsstarken Abströmgebläse 1 reicht aus, um einen Luftstrom AF_out durch die Spalte zwischen den Wicklungen 121 und auch durch den Luftspalt 150 zwischen Wicklungen 121 und Magneten 111 zu saugen. Die Austrittöffnung 40 des Austrittkanals 4 ist vorzugsweise in einer oberen Region der Abdeckhaube 13 angeordnet, um das Austragen von Luft aus der Windturbine zu vereinfachen. Ein (in der schematischen Darstellung nicht gezeigtes) Netz oder Gitter kann verhindern, dass unerwünschte Fremdkörper in den Austrittkanal fallen.
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In dem Austrittkanal 4 wird der austretende Luftstrom AF_out durch das Abströmgebläse 1 gezogen und wird dann aus der Windturbine 10 ausgetragen und/oder zum Inneren 130 der Abdeckhaube zurückgeführt. Zu diesem Zweck weist der Austrittkanal 4 zwei Austrittöffnungen auf, nämlich eine Hauptaustrittöffnung 40 zur Außenseite der Windturbine und eine sekundäre Austrittöffnung 41 zum Inneren der Abdeckhaube. Der Betrag an Luft, die ausgetragen oder ins Innere 130 zurückgeführt wird, ist abhängig von der Art und Weise, in der eine Austritt-Abströmanordnung 5 aufgebaut ist. Hier umfasst die Austritt-Abströmanordnung 5 eine erste Klappe 51 und eine zweite Klappe 52. Die Klappen 51, 52 werden durch Steuersignale betätigt, die von einer Steuereinheit gesendet werden, deren Funktionalität anhand von 2 erläutert wird.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Luftstrom-Steueranordnung. Hier umfasst die Austritt-Abströmanordnung 5 eine Dreiwegeklappe 53 (durch ein abstraktes Symbol bezeichnet), die in dem Austrittkanal 4 angeordnet ist, um die Hauptaustrittöffnung 40 und die sekundäre Austrittöffnung 41 so zu öffnen und zu schließen, dass der Luftstrom innerhalb und aus der Windturbine besonders effizient geregelt werden kann. Die Dreiwegeklappe 53 kann so gesteuert werden, dass dann, wenn Strecke zurück ins Innere der Abdeckhaube tendenziell geschlossen ist, die Strecke zur Außenseite der Abdeckhaube tendenziell geöffnet ist.
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Diese Ausführungsform zeigt ferner eine Filteranordnung 73, die so vor dem Anströmgebläse 2 platziert ist, dass das Anströmgebläse 2 gefilterte Luft AF_in ins Innere der Abdeckhaube saugt. Die Filteranordnung 73 kann verschiedene Filterschichten umfassen und kann mit einer (nicht gezeigten) Dunsteliminiereinrichtung zum Verringern der Nässe der Luft, die in die Abdeckhaube gesaugt wird, kombiniert sein, wodurch das Risiko einer Beschädigung von Komponenten in der Windturbine verringert wird.
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Eine Steuereinheit 6 bestimmt, wie die Dreiwegeklappe auf der Basis von Messungen zu steuern ist, die von Temperatursensoren 60, 61 und Feuchtigkeitssensoren 62, 63 durchgeführt werden, welche an strategischen Positionen angeordnet sind. Hier misst ein Temperatursensor 60 die Temperatur nahe den Wicklungen 121; ein weiterer Temperatursensor 61 misst die Temperatur der Umgebungsluft, die in die Abdeckhaube 13 eintritt; ein Feuchtigkeitssensor 62 misst die Feuchtigkeit der Umgebungsluft, die in die Abdeckhaube 13 eintritt; und ein weiterer Feuchtigkeitssensor 63 misst die Feuchtigkeit der Luft, die ins Innere 120 des Stators gesaugt wird. Die Steuereinheit 6 kann jede Anzahl von Modulen zum Analysieren der Informationen, zum Erfassen weiterer Informationen von einer Lokal- oder Fernverarbeitungs-Turbinensteuereinrichtung etc. umfassen. Messwerte von den Sensoren 60, 61, 62, 63 können über eine verdrahtete Verbindung, über eine drahtlose Verbindung oder unter Verwendung eines anderen geeigneten Kommunikationsmodus an die Steuereinheit 6 übermittelt werden. Auf im Wesentlichen gleiche Weise kann die Steuereinheit 6 Steuersignale über eine geeignete Verbindung zu der Klappenanordnung übermitteln.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Luftstrom-Steueranordnung 100 und den Weg, den die Luft AF_in, AF_out nimmt, wenn sie so geleitet wird, dass sie durch Regionen der Windturbine strömt. Die grafische Darstellung zeigt nur die relevanten Komponenten und Regionen. Das Anströmgebläse 2 saugt Luft AF_in ins Innere 130 der Abdeckhaube. Das Abströmgebläse 1 saugt Luft in den Austrittkanal 4. Verschiedene Regionen 130, 140_R, 140_F, 150, 120 der Windturbine sind verbunden, um einen vorbestimmten Weg zu bilden, entlang dem die Luft strömen muss. Das Innere 130 der Abdeckhaube ist durch die Statorrückplatte 123 physisch vom Inneren 120 des Stators getrennt. Die Luft AF_in wird daher gezwungen, durch die Kanäle 3 zu strömen, die sich von der Statorrückplatte 123 zu der Statorfrontplatte 122 erstrecken, wo sie in den vorderen Hohlraum 140_F des Generators strömen kann. Von hier aus wird die Luft von dem Abströmgebläse 1 so durch Spalte zwischen den Wicklungen 121 und/oder den Luftspalt 150 zwischen den Magneten 111 und den Wicklungen 121 gezogen, dass die Luft ins Innere 120 des Stators gesaugt wird. Von hier aus wird die Luft AF_out in den Austrittkanal gezogen.
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Bei Betrieb des Generators wird durch das Drehen des Rotors 11 die Verteilung des Luftstroms AF_out in dem Luftspalt 150 und Spalten 160 (siehe 4) zwischen den Wicklungen 121 so erhöht, dass die Luft die heißen Wicklungen effektiv kühlen kann.
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Selbst wenn der Generator stillsteht, d. h. sowohl der Stator 12 als auch der Rotor 11 stationär sind, kann das Abströmgebläse 1 immer noch sicherstellen, dass der Luftstrom AF_out effektiv so durch den Luftspalt 150 gesaugt wird, dass die Temperatur der (anfangs kühleren) Magnete 111 erhöht werden kann, wodurch der Taupunkt erhöht wird. Wie oben bereits erläutert worden ist, kann eine Klappenanordnung so gesteuert werden, dass der Luftstrom in der Windturbine rezirkuliert wird, und zwar unter Verwendung von Wärme, die von dem Abströmgebläse 1 abgeleitet wird, um die Luft zu erwärmen.
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4 zeigt eine Ansicht aus dem Inneren des Stators 12 in Richtung der Statorrückplatte 123 und verschiedene Elemente einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Luftstrom-Steueranordnung 100. Links wird Luft AF_in aus dem Inneren 130 der Abdeckhaube durch einen Statorkanal 3, der gegen den inneren Hohlraum 120 des Stators abgedichtet ist, (in Richtung des Lesers) gezogen oder gesaugt. Die Saugkraft wird von dem Abströmgebläse 1 erzeugt, das in dem Austrittkanal 4 (von dem Leser weg) angeordnet ist. Sobald die Luft in den (hier nicht gezeigten) vorderen Hohlraum des Generators eingetreten ist, wird sie von dem Abströmgebläse 1 durch den Luftspalt 150 zwischen Magneten 111 und Wicklungen 121 und durch Spalte 160 zwischen benachbarten Wicklungen 121 gezogen. Hier ist eine bekannte Wicklungsanordnung gezeigt, bei der Wicklungen 121 mittels Abstandshaltern 122 voneinander getrennt sind. Ein schmaler Spalt 160 verbleibt zwischen jedem Abstandshalter 122 und jeder Wicklung. Die Luft wird gezwungen, durch diesen schmalen Spalt 160 zu strömen. Der Luftstrom wird auch über einen hinteren Hohlraum des Generators (hinter der Statorrückplatte 123) und dann durch den Luftspalt 150 zwischen Magneten 111 und Wicklungen 121 und durch Spalte 160 zwischen benachbarten Wicklungen 121 aus dem Inneren der Abdeckhaube gezogen.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Luftstrom-Steueranordnung 100 mit den gleichen Funktionsprinzipien wie anhand der vorstehend genannten Figuren beschrieben zum Leiten eines Luftstroms AF_in, AF_out durch verschiedene Regionen 3, 140_F, 150, 120, 4 des Generators. Hier ist ein Filtriersystem 70 in einem unteren Teil der Abdeckhaube 13 angeordnet. Das Filtriersystem 70 umfasst einen Abscheider 71 oder eine Dunsteliminiereinrichtung 71; eine Anzahl von Gebläsen 2, 72, die aus Gründen der Einfachheit kollektiv mit einem gemeinsamen Symbol bezeichnet sind; und eine Filteranordnung 73.
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Ein Anströmgebläse 2 saugt Luft AF_in von außen ins Innere 130 der Abdeckhaube. Auch hier kann das Anströmgebläse 2 leistungsstark genug sein, um einen Überdruck im Inneren 130 der Abdeckhaube zu erzeugen. Ein Heizgebläse 72 kann warme Luft an dem Abscheider 71 leiten, um sicherzustellen, dass sich kein Eis in dem Abscheider 71 bildet. Die Filteranordnung 73 kann ein oder mehrere Filter zum Filtern verschiedener Arten von Partikeln aus der ankommenden Luft umfassen.
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6 zeigt ein Filtriersystem 70, das bei einer Ausführungsform der Erfindung verwendet werden kann, um die Ansaugluft zu filtern. Hier erfüllt das Filtriersystem 70 verschiedene Funktionen. Es umfasst eine Dunsteliminiereinrichtung 71 oder einen Abscheider 71 zum Entfernen von Nässe aus der ankommenden Luft. Die Filteranordnung 73 weist eine Anzahl von Einlassfiltern 73 auf, die auf der Basis ihrer Fähigkeit zum Filtern von Sand, Staub, Pollen, Salz etc. aus der ankommenden Luft gewählt werden. Das Filtriersystem 70 weist ein oder mehrere Gebläse 2, 72 auf, wodurch ein Gebläse ein Anströmgebläse 2 zum Saugen oder Ziehen von Luft ins Innere der Abdeckhaube und/oder ein Heizgebläse 72 zum Leiten eines warmen Luftstroms in oder an den Abscheider 71 sein kann. Die Luft kann mittels eines (nicht gezeigten) Heizelements erwärmt werden. Hier sind aus Gründen der Einfachheit nur zwei Gebläse 2, 72 gezeigt, es kann jedoch jede Anzahl von Gebläsen 2, 72 verwendet werden. Der Abscheider 71 kann eine Anordnung von abgewinkelten Flügeln zum Umlenken der angesaugten Luft und zum Bewirken, dass Nässe an den abgewinkelten Flügeln kondensiert und gesammelt wird, aufweisen. Der kondensierte Wasserdampf kann gesammelt und durch einen (nicht gezeigten) geeigneten Auslass ausgetragen werden. Um zu verhindern, dass die gesammelte Nässe gefriert und die Einlassdurchgänge des Abscheiders verstopft, leiten bei diesem Ausführungsbeispiel des Filtriersystems 70 ein oder mehrere Heizgebläse 72 warme Luft an dem Abscheider 71. Der warme Luftstrom kann Eisbildung schmelzen oder verhindern, dass sich Eis bildet. Die Elemente 71, 2, 72, 73 des Filtriersystems 70 sind in einer Ummantelung 74 aufgenommen, die an einem Stützteil der Abdeckhaube, z. B. dem Bettungsrahmen, oder an einer geeigneten Region der Abdeckhaube so montiert sein kann, dass der Abscheider 71 nach außen weist und die Einlassfilter 73 nach innen ins Innere der Abdeckhaube weisen, um die getrocknete und gefilterte Luft ins Innere der Abdeckhaube zu leiten.
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7 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Luftstrom-Steueranordnung. Hier ist der Austrittkanal 4 durch ein wärmeisolierendes Material 400 so umschlossen, dass Wärme von der Luft AF_out, die durch den Austrittkanal 4 strömt, nicht ins Innere 130 der Abdeckhaube übertragen wird. Das wärmeisolierende Material 400 kann in Form einer oder mehrerer Verkleidungsschichten um den Austrittkanal 4 herum gewickelt oder anderweitig an dem Austrittkanal 4 gesichert sein. Die grafische Darstellung zeigt keine sekundäre Austrittöffnung in dem Austrittkanal 4, es versteht sich jedoch, dass das wärmeisolierende Material 400 so um eine solche sekundäre Austrittöffnung herum aufgebracht sein kann, dass ein Luftstrom bei einem Startvorgang eine Weile im Inneren der Windturbine rezirkulieren kann.
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Selbstverständlich kann stattdessen ein Austrittkanal, der aus einem isolierenden Material gefertigt ist, verwendet werden, so dass das Material des Austrittkanals materialbedingt isolierend ist und eine signifikante Wärmeenergieübertragung ins Innere 130 der Abdeckhaube verhindert.
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Obwohl die vorliegende Erfindung in Form von bevorzugten Ausführungsformen und Variationen von diesen offengelegt worden ist, versteht sich, dass zahlreiche zusätzliche Modifikationen und Variationen durchgeführt werden können, ohne dass dadurch vom Umfang der Erfindung abgewichen wird.
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Aus Gründen der Klarheit versteht sich, dass durchgehend die Verwendung von „ein“ oder „eine“ in dieser Anmeldung eine Vielzahl nicht ausschließt und „umfassen“ andere Schritte oder Elemente nicht ausschließt. Die Nennung einer „Einheit“ oder eines „Moduls“ schließt die Verwendung von mehr als einer Einheit oder einem Modul nicht aus.
