DE102015216931B4

DE102015216931B4 - Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102015216931B4
Application number: DE102015216931.6A
Authority: DE
Inventors: Stephan Dressel; Joachim Weichselbaum
Original assignee: Permavit GmbH
Current assignee: Permavit GmbH
Priority date: 2015-09-03
Filing date: 2015-09-03
Publication date: 2017-05-11
Anticipated expiration: 2035-09-04
Also published as: WO2017037053A1; DE102015216931A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage mit zwei gleich große Rotoren aufweisenden sowie nebeneinander und zusammen um eine Schwenkachse drehbar gelagerten Windkraftturbinen mit jeweils einem Rotorblätter aufweisenden Rotor gekoppelt an einen Generator und einem wenigstens die Rotorblätter umgebenden Mantelgehäuse, wobei die Rotoren sich nebeneinander auf einer Schwenkachse in Windrichtung gesehen vor der Rotorebene befinden, so dass die Schubkräfte an beiden Rotoren so wirken, dass eine aktive Richtwirkung vorhanden ist und das System immer nach einem Gleichgewicht der Kräfte und damit zu einer „in-den-Wind-Stellung” strebt, wobei die Generatoren der Windkraftturbinen mit einer Steuereinrichtung so verbunden sind, dass • bei Überschreiten einer ersten bestimmten Spannung an den Generatoren einer dieser Generatoren gebremst wird und • bei Unterschreiten einer zweiten bestimmten Spannung des anderen nicht gebremsten Generators der gebremste Generator nicht weiter gebremst wird, wobei die erste Spannung größer als die zweite Spannung ist und • bei Unterschreiten der zweiten bestimmten Spannung als voreingestellte Spannungsschwelle am zweiten Generator die Bremse des ersten Generators aufgehoben und damit die Windkraftanlage wieder in den Wind schwenkt.

Description

Die Erfindung betrifft Windkraftanlagen mit zwei gleich große Rotoren aufweisenden sowie nebeneinander und zusammen um eine Schwenkachse drehbar gelagerten Windkraftturbinen mit jeweils einem Rotorblätter aufweisenden Rotor gekoppelt an einen Generator und einem wenigstens die Rotorblätter umgebenden Mantelgehäuse.
Durch die Druckschrift DE 101 45 785 C2 ist eine Drehzahlregelung einer ummantelten Windkraftturbine bekannt. Die Rotorblätter eines einen Generator antreibenden Rotors sind in einem Mantelgehäuse angeordnet. Der Rotor ist in Richtung seiner Drehachse axial verstellbar gelagert, so dass der Rotor bei Überschreiten seiner Nenndrehzahl aus seiner Betriebsposition axial relativ zum Mantelgehäuse in unterschiedliche Positionen geringerer Strömungsgeschwindigkeit fahrbar ist. Dazu muss der Rotor mit einem Drehgeber zur Erfassung der Drehzahl des Rotors und mit einem Stellantrieb zur Axialverstellung des Rotors im Mantelgehäuse gekoppelt sein. Damit ist ein nicht unerheblicher Aufwand zur Realisierung der Windkraftturbine vorhanden.
Die WO 2011/077134 A2 beschreibt eine Einrichtung zur elektrischen Energieversorgung eines Verbrauchers. Der Verbraucher ist zur Energieversorgung mit einem elektrischen Netz und einem Energiewandler so verbunden, dass der Betrieb des Verbrauchers auch bei fehlender Energie des Energiewandlers gegeben ist. Der Energiewandler kann dazu auch eine Windkraftanlage sein.
Die WO 2013/028172 A1 offenbart eine Windenergieanlage mit mehreren paarweise an einem drehbaren Turm angeordneten Windkraftanlagen. Die Windkraftanlagen können dabei entsprechend meteorologischer Bedingungen, insbesondere der Windrichtung und der Windkraft, über die Motorik des Turmes positioniert werden.
Aus der WO 2011/131792 A2 ist eine Windkraftanlage mit drehbarer Plattform mit zwei Turbinen bekannt. Durch das Bremsen eines Rotors einer Turbine kann eine gezielte Drehung der Plattform zur Ausrichtung in Windrichtung erreicht werden. Die Rotoren sind in Windrichtung vor der Drehachse angeordnet.
Die US 4 540 333 A beschreibt eine Rotor-Plattform (TARP) mit 2 Rotoren, die ein Drehen der Plattform aufgrund unterschiedlich angesteuerter Drehzahl der beiden Rotoren so erlaubt, dass die Einrichtung aus dem Wind dreht.
Die WO 2011/065840 A2 beschreibt eine Windkraftanlage, die in einer Ausführungsform eine drehbar gelagerte Triangelkonstruktion aufweist, die an zwei Enden je einen Turm mit Gondel und Rotor trägt. Die Ausrichtung der Rotorblätter ist je Rotor steuerbar, so dass Differenzen der Geschwindigkeit der jeweiligen Rotoren zur Ausrichtung der Türme in eine gegenüber der Windrichtung gewollte Position möglich ist.
Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sich automatisch positionierende Windkraftanlage mit einer Überlastsicherung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit den im Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die Windkraftanlagen mit zwei gleich große Rotoren aufweisenden sowie nebeneinander und zusammen um eine Schwenkachse drehbar gelagerten Windkraftturbinen mit jeweils einem Rotorblätter aufweisenden Rotor gekoppelt an einen Generator und einem wenigstens die Rotorblätter umgebenden Mantelgehäuse zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass diese bei Wirkung erhöhter Windkräfte eine Überlastsicherung aufweisen.
Dazu sind die Generatoren der Windkraftturbinen mit einer Steuereinrichtung so verbunden, dass

– bei Überschreiten einer ersten bestimmten Spannung an den Generatoren einer dieser Generatoren gebremst wird und
– bei Unterschreiten einer zweiten bestimmten Spannung des anderen nicht gebremsten Generators der gebremste Generator nicht weiter gebremst wird, wobei die erste Spannung größer als die zweite Spannung ist.

Die Generatoren sind Drehgeneratoren. Mit dem Bremsen eines der Generatoren ist eine einfache Möglichkeit einer Überlastsicherung der Windkraftanlage gegeben. Durch die Strömung des Windes (Windgeschwindigkeit) entstehen an einem Rotor eine Schub- und eine Umfangskraft. Sind zwei gleich große Rotoren nebeneinander auf einer Schwenkachse angeordnet und befindet sich diese Schwenkachse in Windrichtung gesehen vor der Rotorebene, wirken die Schubkräfte an beiden Rotoren so, dass eine aktive Richtwirkung vorhanden ist. Dieses System strebt immer nach einem Gleichgewicht der Kräfte und damit zu einer „in-den-Wind-Stellung”.
Bei beiden Generatorausgängen wird die Spannung überwacht. Überschreitet die erste Spannung einen voreingestellten Wert, wird ein Generator gebremst. Damit wird dieser in seiner Drehzahl gebremst, wodurch sich die Rotordrehzahl reduziert. Das Kräftegleichgewicht der Schubkräfte wird gestört und die Windkraftanlage schwenkt aus der Windrichtung. Das führt dazu, dass auch am zweiten Rotor und dem gekoppelten Generator die Drehzahl und damit die drehzahlproportionale Spannung sinken. Wird am zweiten Generator die zweite Spannung als voreingestellte Spannungsschwelle unterschritten, wird die Bremse des ersten Generators aufgehoben und damit schwenkt die Windkraftanlage mit ihren Windkraftturbinen in Form einer Doppeldüse wieder in den Wind. Dieser Vorgang wiederholt sich, solange die Windgeschwindigkeit über der zulässigen liegt.
Die erste Spannung und die zweite Spannung sind Ausgangsspannungen der Generatoren selbst. Damit sind zur Überwachung keine Steuerleitungen zu den Generatoren notwendig. Vorteilhafterweise müssen von den Generatoren nur die Leiter weg geführt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 10 angegeben.
Die Mantelgehäuse der Windkraftturbinen und/oder die Generatoren der Windkraftturbinen sind nach der Weiterbildung des Anspruchs 3 miteinander verbunden. Die Verbindung ist drehbar gelagert und die Schwenkachse der Verbindung und die Rotorblätter sind beabstandet zueinander angeordnet. Damit ist ein sicherer Betrieb der Windkraftanlage in Windrichtung gegeben.
Der Innendurchmesser des Mantelgehäuses ist nach der Weiterbildung des Anspruchs 4 im Bereich der Rotorblätter kleiner als die Innendurchmesser der Lufteintrittsöffnung und der Luftaustrittsöffnung. Damit werden positiv wirkende Strömungen im Mantelgehäuse erzeugt. Die Strömungen erhöhen sich bis zu den Rotorblättern. Danach weitet sich das Mantelgehäuse wieder, so dass kein der Strömung entgegenwirkender Staudruck entstehen kann.
Die Generatoren sind nach der Weiterbildung des Anspruchs 5 über Schleifringe wenigstens an die Steuereinrichtung gekoppelt. Dazu sind die Leiter der Generatoren über die Schleifringe geführt. Die Leiter stellen eine begrenzte Anzahl dar, so dass eine unkomplizierte Realisierung möglich ist. Die Anzahl kann auf maximal sechs Schleifringe bei Verwendung von Drehstromgeneratoren begrenzt sein.
Die Generatoren sind nach der Weiterbildung des Anspruchs 6 über die Schleifringe weiterhin mit wenigstens einem einen Gleichrichter nachgeschalteten Wechselrichter und/oder mindestens einem elektrischen Verbraucher und/oder wenigstens einem elektrischen Speicher elektrisch leitend verbunden.
Damit kann die Windkraftanlage ein Bestandteil einer autark arbeitenden Einrichtung sein, wobei elektrische Verbraucher die weiteren Bestandteile der Einrichtung sind. Letztere können elektrische Geräte, Speicher und Heizelemente sein. Die Heizelemente können neben der Heizung von Räumen auch der Heizung von Energiespeichern als Wärmespeicher in Form von Festkörper- und/oder Flüssigkeitsspeichern dienen. Damit können sogenannte Insellösungen realisiert werden.
In Verbindung mit einem netzgeführten Wechselrichter kann auch eine Einspeisung von elektrischer Energie in ein Energienetz erfolgen.
Der gebremste Generator ist nach der Weiterbildung des Anspruchs 7 eine elektrische Generatorbremse und damit eine elektromotorische Bremse. Damit kann einer der Generatoren selbst als Bremse dienen.
In Fortführung ist der gebremste Generator nach der Weiterbildung des Anspruchs 8 ein kurzgeschlossener Generator. Damit werden vorteilhafterweise keine zusätzlichen Baugruppen benötigt. Die drehbare und eine Überlastsicherung aufweisende Windkraftanlage ist elektrisch auf die Generatoren und die Steuereinrichtung beschränkt, wobei die Steuereinrichtung von den Windkraftturbinen beabstandet fest platzierbar ist.
Die elektromotorische Bremse ist nach der Weiterbildung des Anspruchs 9 eine mit der Steuereinrichtung zusammengeschaltete Widerstandsbremse. Der Widerstand kann auch ein Verbraucher sein, der bei Überlast zuschaltbar ist.
An die Achse wenigstens eines Generators ist nach der Weiterbildung des Anspruchs 10 eine elektrisch betätigbare mechanische Bremse gekoppelt, deren Betätigungseinheit mit der Steuereinrichtung verbunden ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 eine Windkraftanlage in einer Vorderansicht und
2 eine Windkraftanlage in einer Seitenansicht.
Eine Windkraftanlage besteht im Wesentlichen aus zwei gleich große Rotoren 2 aufweisenden sowie nebeneinander und zusammen um eine Schwenkachse 4 drehbar gelagerten Windkraftturbinen 1 mit jeweils einem Rotorblätter 3 aufweisenden Rotor 1 gekoppelt an einen Generator und einem wenigstens die Rotorblätter 3 umgebenden Mantelgehäuse 6.
Dazu zeigen
die 1 eine Windkraftanlage in einer prinzipiellen Vorderansicht und
die 2 eine Windkraftanlage in einer prinzipiellen Seitenansicht.
Die Generatoren der Windkraftturbinen 1 sind mit einer Steuereinrichtung so verbunden, dass

– bei Überschreiten einer ersten bestimmten Spannung an den Generatoren einer dieser Generatoren gebremst wird und
– bei Unterschreiten einer zweiten bestimmten Spannung des anderen nicht gebremsten Generators der gebremste Generator nicht weiter gebremst wird, wobei die erste Spannung größer als die zweite Spannung ist und
– bei Unterschreiten der zweiten bestimmten Spannung als voreingestellte Spannungsschwelle am zweiten Generator die Bremse des ersten Generators aufgehoben und damit die Windkraftanlage wieder in den Wind schwenkt.

Die Generatoren der Windkraftturbinen 1 sind über einen U-förmigen Bügel 5 miteinander verbunden. Dieser ist weiterhin beabstandet mit der Schwenkachse 4 so verbunden, dass die Schwenkachse 4 beabstandet zu den Rotorblättern 3 angeordnet ist.
Die Schwenkachse 4 weist weiterhin Schleifringe zur elektrischen Verbindung der Generatoren mit der Steuereinrichtung und/oder den elektrischen Verbrauchern auf. Bei Drehstromgeneratoren sind das sechs Schleifringe. Die Steuereinrichtung ist ein Datenverarbeitungssystem.
Der gebremste Generator ist als eine elektrische Generatorbremse und damit eine elektromotorische Bremse ausgeführt. Im einfachsten Fall kann das ein kurzgeschlossener Generator sein.
Die Generatoren sind weiterhin über die Schleifringe mit wenigstens einem einen Gleichrichter nachgeschalteten Wechselrichter und/oder mindestens einem elektrischen Verbraucher und/oder wenigstens einem elektrischen Speicher elektrisch leitend verbunden sind.
Der Innendurchmesser des Mantelgehäuses 6 kann im Bereich der Rotorblätter kleiner als die Innendurchmesser der Lufteintrittsöffnung und der Luftaustrittsöffnung sein.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage mit zwei gleich große Rotoren aufweisenden sowie nebeneinander und zusammen um eine Schwenkachse drehbar gelagerten Windkraftturbinen mit jeweils einem Rotorblätter aufweisenden Rotor gekoppelt an einen Generator und einem wenigstens die Rotorblätter umgebenden Mantelgehäuse, wobei die Rotoren sich nebeneinander auf einer Schwenkachse in Windrichtung gesehen vor der Rotorebene befinden, so dass die Schubkräfte an beiden Rotoren so wirken, dass eine aktive Richtwirkung vorhanden ist und das System immer nach einem Gleichgewicht der Kräfte und damit zu einer „in-den-Wind-Stellung” strebt, wobei die Generatoren der Windkraftturbinen mit einer Steuereinrichtung so verbunden sind, dass • bei Überschreiten einer ersten bestimmten Spannung an den Generatoren einer dieser Generatoren gebremst wird und • bei Unterschreiten einer zweiten bestimmten Spannung des anderen nicht gebremsten Generators der gebremste Generator nicht weiter gebremst wird, wobei die erste Spannung größer als die zweite Spannung ist und • bei Unterschreiten der zweiten bestimmten Spannung als voreingestellte Spannungsschwelle am zweiten Generator die Bremse des ersten Generators aufgehoben und damit die Windkraftanlage wieder in den Wind schwenkt.
Windkraftanlage vorbereitet zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit zwei gleich große Rotoren (2) aufweisenden sowie nebeneinander und zusammen um eine Schwenkachse (4) drehbar gelagerten Windkraftturbinen (1) mit jeweils einem Rotorblätter (3) aufweisenden Rotor (2) gekoppelt an einen Generator und einem wenigstens die Rotorblätter (3) umgebenden Mantelgehäuse (6), wobei die Rotoren (2) sich nebeneinander auf einer Schwenkachse (4) in Windrichtung gesehen vor der Rotorebene befinden, so dass die Schubkräfte an beiden Rotoren (2) so wirken, dass eine aktive Richtwirkung vorhanden ist und das System immer nach einem Gleichgewicht der Kräfte und damit zu einer „in-den-Wind-Stellung” strebt, wobei die Generatoren der Windkraftturbinen (1) mit einer Steuereinrichtung verbunden sind.
Windkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelgehäuse (6) der Windkraftturbinen (1) und/oder die Generatoren der Windkraftturbinen (1) miteinander verbunden sind, dass die Verbindung drehbar gelagert ist und dass die Schwenkachse (4) der Verbindung und die Rotorblätter (3) beabstandet zueinander angeordnet sind.
Windkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser des Mantelgehäuses (6) im Bereich der Rotorblätter (3) kleiner als die Innendurchmesser der Lufteintrittsöffnung und der Luftaustrittsöffnung ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatoren über Schleifringe wenigstens an die Steuereinrichtung gekoppelt sind.
Windkraftanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatoren über die Schleifringe weiterhin mit wenigstens einem einen Gleichrichter nachgeschalteten Wechselrichter und/oder mindestens einem elektrischen Verbraucher und/oder wenigstens einem elektrischen Speicher elektrisch leitend verbunden sind.
Windkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gebremste Generator eine elektrische Generatorbremse und damit eine elektromotorische Bremse ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der gebremste Generator ein kurzgeschlossener Generator ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromotorische Bremse eine mit der Steuereinrichtung zusammengeschaltete Widerstandsbremse ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an die Achse wenigstens eines Generators eine elektrisch betätigbare mechanische Bremse gekoppelt ist und dass die Betätigungseinheit mit der Steuereinrichtung verbunden ist.