DE102016013796A1

DE102016013796A1 - Windenergieanlage mit Bremseinrichtung sowie Verfahren zum Betreiben derselben

Info

Publication number: DE102016013796A1
Application number: DE102016013796.7A
Authority: DE
Inventors: Sören Bilges; Eckart Hopp; Karsten Warfen
Original assignee: Senvion GmbH
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy Service GmbH
Priority date: 2016-11-21
Filing date: 2016-11-21
Publication date: 2018-05-24
Also published as: CN110168219A; EP3542053A1; WO2018091497A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage (2) sowie ein Verfahren zum Betreiben derselben. Die Windenergieanlage (2) umfasst einen Rotor (4) und eine Bremseinrichtung (20), wobei die Bremseinrichtung (20) eine mechanische Bremsvorrichtung (22) umfasst, die mit dem Rotor mechanisch gekoppelt ist. Die Bremseinrichtung (20) umfasst zumindest ein elektrisches und/oder hydraulisches Schaltelement (24) zur Aktivierung und/oder Deaktivierung der Bremsvorrichtung (22. Das Schaltelement (24) ist redundant und/oder störungssicher ausgeführt. Ferner ist eine Steuerung (26) vorhanden, die dazu eingerichtet ist, ein Störsignal (S) zu empfangen und in Reaktion auf das empfangene Störsignal (S) das Schaltelement (24) und dadurch die Bremsvorrichtung (22) zu aktivieren. Die Bremsvorrichtung (22) wird mittels des Schaltelements (24) deaktiviert, bevor der Rotor (4) der Windenergieanlage zum Stillstand kommt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem Rotor und einer Bremseinrichtung, wobei die Bremseinrichtung eine mechanische Bremsvorrichtung umfasst, die mit dem Rotor mechanisch gekoppelt ist, und wobei die Bremseinrichtung zumindest ein elektrisches und/oder hydraulisches Schaltelement zur Aktivierung und/oder Deaktivierung der Bremsvorrichtung umfasst. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage mit einem Rotor und einer Bremseinrichtung, wobei die Bremseinrichtung eine mechanische Bremsvorrichtung umfasst, die mit dem Rotor mechanisch gekoppelt ist, und wobei die Bremseinrichtung eine Steuerung und zumindest ein elektrisches und/oder hydraulisches Schaltelement zur Aktivierung und/oder Deaktivierung der Bremsvorrichtung umfasst, wobei das Schaltelement redundant und/oder störungssicher ausgeführt ist.
Windenergieanlagen sind vielfach so eingerichtet, dass bei hohen Belastungen ihr Rotor abgebremst wird. Das Abbremsen des Rotors wird beispielsweise von der Betriebssteuerung der Windenergieanlage eingeleitet. Ein Szenario, bei dem ein solcher Abbremsvorgang durchgeführt wird, tritt beispielsweise auf, wenn ein Fehler im internen oder externen elektrischen System der Windenergieanlage gleichzeitig mit einem Ausfall des externen Versorgungsnetzes und einer extremen Einjahresböe auftritt. Vor allem Windenergieanlagen, die für Schwachwind-Standort dimensioniert sind, erfahren in einem solchen Szenario hohe Biegebelastungen in der Tragstruktur, beispielsweise dem Turm. Diese Belastungen können für die Dimensionierung der Tragstruktur ausschlaggebend sein. Dies gilt vor allem für spezifisch weiche Turm-Gondel-Systeme.
Das Abbremsen des Rotors erfolgt, indem die Rotorblätter über die Rotorblattantriebe (Pitch-Drives) in die sogenannte 90°- oder Fahnen-Stellung gefahren werden. In dieser Konfiguration bremsen die Rotorblätter den Rotor aerodynamisch ab. Gleichzeitig kommt eine mechanische Bremse zum Einsatz. Vielfach handelt es sich bei dieser um eine oder mehrere Scheibenbremsen, die auf der Rotorwelle montiert sind. Ebenso können solche mechanischen Bremsen an der schnellen Abtriebswelle des Getriebes der Windenergieanlage angreifen.
Bei großen Windenergieanlagen müssen aufgrund der großen Trägheitsmomente des Rotors entsprechend dimensionierte Bremsen vorgesehen werden. Es ist erforderlich, große Energiemengen in thermische Energie umzuwandeln. Dementsprechend sind die eingesetzten Bremsen mechanisch und konstruktiv sehr aufwendig.
In einem Lastfallbeispiel wird eine Überdrehzahl der Windenergieanlage erkannt. In einem herkömmlichen System wird der Rotor der Windenergieanlage lastschonend mit Unterstützung der mechanischen Bremse stillgesetzt. Bei diesem Vorgang werden die Rotorblätter in schneller Fahrt in Richtung der 90°-Stellung verfahren, gleichzeitig wird im Bereich der Nenndrehzahl oder bei darüber liegender Drehzahl die mechanische Bremse aktiviert und bleibt durchgehend bis zum Stillstand des Rotors in Eingriff.
Eine weitere Möglichkeit zum Abbremsen des Rotors einer Windenergieanlage ist aus EP 2 811 157 A1 bekannt. Der Rotor wird über den Generator abgebremst, wenn eine DC-Überspannung erkannt wird.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Windenergieanlage mit einer mechanischen Bremsvorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage anzugeben, wobei eine effizientere Nutzung der mechanischen Bremsvorrichtung möglich sein soll und gleichzeitig der konstruktive Aufwand für die mechanische Bremsvorrichtung möglichst gering gehalten werden soll.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Windenergieanlage mit einem Rotor und einer Bremseinrichtung, wobei die Bremseinrichtung eine mechanische Bremsvorrichtung umfasst, die mit dem Rotor mechanisch gekoppelt ist, und wobei die Bremseinrichtung zumindest ein elektrisches und/oder hydraulisches Schaltelement zur Aktivierung und/oder Deaktivierung der Bremsvorrichtung umfasst, wobei die Windenergieanlage dadurch fortgebildet ist, dass das Schaltelement redundant und/oder störungssicher ausgeführt ist, wobei eine Steuerung umfasst ist, die dazu eingerichtet ist, ein Störsignal zu empfangen und in Reaktion auf das empfangene Störsignal das Schaltelement und dadurch die Bremsvorrichtung zu aktivieren, wobei die Steuerung ferner dazu eingerichtet ist, die Bremsvorrichtung mittels des Schaltelements zu deaktivieren, bevor der Rotor der Windenergieanlage zum Stillstand kommt.
Das elektrische und/oder hydraulische Schaltelement ist insbesondere ein elektrohydraulisches Schaltelement. Beispielsweise handelt es sich um ein elektrisch schaltbares Magnetventil. Das elektrohydraulische Schaltelement ist ferner insbesondere zum Aktivieren und zum Deaktivieren der Bremsvorrichtung eingerichtet.
Im Kontext der vorliegenden Beschreibung ist unter dem Begriff „mechanisch gekoppelt“ zu verstehen, dass die Bremsvorrichtung direkt oder indirekt mit dem Rotor mechanisch verbunden ist. Bei einer direkten Verbindung ist die Bremsvorrichtung beispielsweise auf der Rotorwelle montiert. Bei einer indirekten Verbindung ist die Bremsvorrichtung beispielsweise über ein Getriebe mit dem Rotor verbunden. Beispielsweise ist die Bremsvorrichtung auf der schnellen Abtriebswelle des Getriebes montiert oder mit dieser verbunden.
Unter einer „mechanischen Bremsvorrichtung“ ist im Kontext der vorliegenden Beschreibung eine mechanisch wirkende Bremsvorrichtung oder Bremse zu verstehen, welche Bewegungsenergie in Reibungswärme umwandelt. Beispielsweise ist die mechanische Bremsvorrichtung eine Scheibenbremse oder eine Trommelbremse. Bevorzugt kommt eine Scheibenbremse zum Einsatz.
Der Begriff „störungssicher“ bezeichnet im Kontext der vorliegenden Beschreibung eine Ausführung des hydraulischen Schaltelements im Sinne einer fail-safe-Anordnung. Mit anderen Worten ist also das hydraulische Schaltelement redundant und/oder fail-safe ausgeführt. Es handelt sich also um ein hydraulisches Schaltelement, welches in einen sicheren Zustand versagt, was insbesondere bedeutet, dass im Falle eines üblichen Bauteilversagens das System einen sicheren Zustand einnimmt.
Vorteilhaft wird bei der Windenergieanlage gemäß Aspekten der Erfindung eine energetische bzw. thermische Überbelastung des mechanischen Rotorbremssystems vermieden. Dies ist hauptsächlich der Fall, da eine zeitlich begrenzte Aktivierung des mechanischen Rotorbremssystems und keine Dauerbremsung bis zum Stillstand des Rotors stattfindet. Dies ist insbesondere für große Windenergieanlagen mit großen Rotordurchmessern von beispielsweise über 100 Metern besonders vorteilhaft. Der mechanische und konstruktive Aufwand zur Vermeidung der thermischen Überlastung des mechanischen Rotorbremssystems steigt nämlich mit größer werdenden abzubremsenden Drehmomenten erheblich an. Mechanische Bremssysteme für große Windenergieanlagen sind daher ein erheblicher Kostenfaktor.
Vorteilhaft ist die Windenergieanlage gemäß Aspekten der Erfindung so eingerichtet, dass die mechanische Bremseinrichtung impulsartig angesteuert und/oder betrieben oder betreibbar wird/ist. Es wurde erkannt, dass die mechanische Bremseinrichtung in der Lage ist, eine effiziente Drehzahl- und Schubreduzierung zu bewirken, auch wenn diese nur für einen begrenzten Zeitraum aktiviert ist. Der zeitlich begrenzte Bremsvorgang trägt tatsächlich zur Verringerung der Gesamtbelastung der Windenergieanlage bei, wobei gleichzeitig der konstruktive Aufwand für die mechanische Bremse gering gehalten wird. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass bereits positive Auswirkungen auf die Extrembelastungen der Windenergieanlage, also eine Verringerung dieser Extrembelastungen, auftreten, wenn die Bremsvorrichtung zu Beginn des Bremsvorgangs lediglich für ein relativ kurzes Zeitintervall in der Größenordnung von Sekunden aktiviert wird. Eine weitere, also kontinuierlich fortgesetzte mechanische Abbremsung, welche durchgeführt wird, während die Rotorblätter der Anlage weiter in Richtung der 90°-Stellung fahren, führt vielfach lediglich zur Entwicklung von Abwärme an der Bremse, nicht aber zu einer signifikanten Verringerung der Extrembelastungen für die Anlage. Das im Lastfall von der mechanischen Bremsvorrichtung bereitgestellte Bremsmoment steht gemäß Aspekten der Erfindung also nur in einem relativ kurzen Zeitintervall, dafür aber während des entscheidenden Zeitabschnitts des Bremsvorgangs zur Verfügung.
Zusammenfassend ist die Ausgestaltung der Windenergieanlage gemäß Aspekten der Erfindung unter anderen deshalb besonders vorteilhaft, da die mechanische Bremsvorrichtung für einen zeitlich begrenzten Bremsvorgang des Rotors eingerichtet ist, was eine wirtschaftliche Konstruktion und einen wirtschaftlichen Betrieb der Bremsvorrichtung, beispielsweise im Hinblick auf den auftretenden Verschleiß, ermöglicht. Gleichzeitig wird eine signifikante Reduzierung der Extrembelastungen der Windenergieanlage erreicht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist das störungssichere Schaltelement ein hydraulisches Schaltelement, welches im stromlosen Zustand offen ist.
Das hydraulische Schaltelement ist offen, wenn eine fluidische Verbindung zwischen einem Eingang und einem Ausgang des Schaltelements freigegeben ist. Das hydraulische Schaltelement ist beispielsweise ein Ventil, insbesondere ein stromlos offenes Magnetventil. Die redundante Auslegung der hydraulischen Schaltelemente wird beispielsweise dadurch bewirkt, dass diese fluidisch parallel in einem hydraulischen Schaltkreis integriert sind.
Das hydraulische Schaltelement ist insbesondere in einen hydraulischen Versorgungskreis zur Versorgung der Bremsvorrichtung integriert. In dem hydraulischen Versorgungskreis herrscht ein Arbeitsdruck. Das hydraulische Fluid steht also zum Betreiben und zur Versorgung der Bremsvorrichtung unter Überdruck. Der hydraulische Versorgungskreis ist ferner insbesondere so ausgestaltet, dass bei einem Druckabfall innerhalb des Versorgungskreises, wobei sich das hydraulische Fluid beispielsweise in einen Vorratsbehälter entleert, die Bremswirkung der Bremseinrichtung geringer wird, bis sie schließlich aufgehoben ist. Das hydraulische Schaltelement ist so in den hydraulischen Versorgungskreis integriert, dass ein offenes hydraulisches Schaltelement einen solchen Druckabfall im Versorgungskreis und somit ein Öffnen bzw. Deaktivieren der Bremsvorrichtung bewirkt.
Das hydraulische Schaltelement ist redundant ausgelegt. Dieses technische Merkmal bezieht sich insbesondere auf die Funktionalität der Deaktivierung der Bremsvorrichtung. Das bedeutet ferner insbesondere, dass die hydraulischen Schaltelemente eine redundante fluidische Verbindung zwischen der Bremsvorrichtung und dem Vorratsbehälter bereitstellen und so einen sicheren Druckabfall im Versorgungskreis bewirken.
Im konkreten Fall eines Magnetventils der mechanischen Bremsvorrichtung bedeutet dies beispielsweise, dass bei einem Versagen der elektrischen Ansteuerung des Magnetventils, dem Versagen der Steuereinrichtung, einem Bruch einer elektrischen oder hydraulischen Leitung, dem Durchbrennen der Magnetspule, der Entmagnetisierung eines im Ventil verbauten Permanentmagneten oder ähnlichen Versagensarten das Magnetventil öffnet und die Bremsvorrichtung deaktiviert wird, so dass ein sicherer Zustand eingenommen wird.
Eine solche Ausgestaltung des hydraulischen Schaltelements ist besonders vorteilhaft, da beispielsweise bei einem Ausfall der Stromversorgung die Wirkung der Bremsvorrichtung aufgehoben wird. Würde in einem solchen Fall die Bremsvorrichtung dauerhaft aktiviert bleiben, so würde sie eine potentielle Brandquelle darstellen, da die Gefahr einer thermischen Überlastung der Bremsvorrichtung in einem solchen Zustand gegeben wäre. Dies ist vorteilhaft ausgeschlossen. Das hydraulische Schaltelement, welches im stromlosen Zustand offen ist, trägt zur Verbesserung der Betriebssicherheit der Windenergieanlage bei.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Bremsvorrichtung eine hydraulisch betriebene Bremsvorrichtung ist und die Bremseinrichtung einen hydraulischen Versorgungskreis zur Versorgung der Bremsvorrichtung mit einem hydraulischen Fluid umfasst, wobei der hydraulische Versorgungskreis zumindest ein erstes und ein hydraulisch parallel dazu geschaltetes zweites hydraulisches Schaltelement umfasst, welche eine redundante Auslegung des Schaltelements bilden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist ferner vorgesehen, dass der hydraulische Versorgungskreis die Bremsvorrichtung mit einer hydraulischen Versorgungsquelle und mit einem Vorratsbehältnis verbindet, wobei der hydraulische Versorgungskreis zumindest einen ersten fluidischen Pfad und einen dazu parallelen zweiten fluidischen Pfad zwischen der Bremsvorrichtung und dem Vorratsbehältnis umfasst, und wobei das erste hydraulische Schaltelement in den ersten Pfad und das zweite hydraulische Schaltelement in den zweiten Pfad integriert ist.
Bei der hydraulischen Versorgungsquelle handelt es sich beispielsweise um eine Hydraulikpumpe, die dem Vorratsbehältnis hydraulisches Fluid entnimmt und unter Druck stehendes hydraulisches Fluid dem Versorgungskreis zufügt. Vorteilhaft ist die Hydraulikpumpe mit einem Druckspeicher kombiniert.
Ein „fluidischer Pfad“ ist im Kontext der vorliegenden Beschreibung beispielsweise eine hydraulische Verbindungsleitung oder ein Abschnitt einer solchen hydraulischen Verbindungsleitung. Es ist nicht erforderlich, dass eine exklusive Nutzung der Verbindungsleitung oder eines Abschnitts der Verbindungsleitung vorliegt. Es ist also beispielsweise möglich, dass sich der erste und der zweite fluidische Pfad zumindest abschnittsweise entlang der gleichen hydraulischen Verbindungsleitung erstrecken.
Es ist ferner insbesondere vorgesehen, dass der erste und der zweite Pfad jeweils eine direkte Verbindung zwischen der Bremsvorrichtung und dem Vorratsbehältnis bereitstellen. Eine solche direkte Verbindung bedeutet, dass sich in der fluidischen Verbindung kein weiteres Schaltelement, insbesondere kein elektrisch schaltbares weiteres Schaltelement, befindet, welches die fluidische Verbindung beispielsweise bei einer Fehlfunktion blockieren könnte.
Durch die redundante Auslegung des Schaltelements ist sichergestellt, dass selbst bei unwahrscheinlichem Totalversagen des ersten hydraulischen Schaltelements (beispielsweise durch Verklemmen beweglicher Teile, Verstopfung eines Kanals durch Fremdkörper oder auch durch Sabotage) der in dem hydraulischen Versorgungskreis vorhandene Druck über das zweite hydraulische Schaltelement zumindest teilweise abgebaut werden kann. Die Bremseinrichtung ist also dazu eingerichtet, den an der Bremsvorrichtung anliegenden Druck des Arbeitsfluids in Richtung des Vorratsbehältnisses durch einen Fluss des Arbeitsfluids durch das zweite Schaltelement abzubauen. Klemmt also beispielsweise das erste Magnetventil und fällt gleichzeitig die Versorgungsspannung aus, so fällt das zweite Magnetventil, welches im stromlosen Zustand offen ist, in diesen offenen Zustand, und das hydraulische Fluid fließt von der Bremsvorrichtung in Richtung des Versorgungsbehältnisses über das zweite Magnetventil ab. Die Bremsvorrichtung öffnet sich und eine beispielsweise eingesetzte Scheibenbremse ist nicht dauerhaft aktiviert. Dies verringert die Brandgefahr in der Windenergieanlage, welche potentiell durch eine permanent aktivierte Bremsvorrichtung gegeben sein könnte. Die genannten Ausgestaltungen erhöhen also die Betriebssicherheit der Windenergieanlage weiter. Zudem wird das Getriebe entlastet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerung dazu eingerichtet, die Bremsvorrichtung mittels des Schaltelements nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls zu deaktivieren.
Dieses Zeitintervall beginnt mit der Aktivierung der Bremsvorrichtung und endet mit der Deaktivierung der Bremsvorrichtung. Das Zeitintervall beträgt insbesondere zwischen 1 Sekunde und 10 Sekunden. Ebenso ist vorgesehen, dass das Intervall zwischen 3 Sekunden und 9 Sekunden, ferner insbesondere zwischen 4 Sekunden und 6 Sekunden, beträgt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Windenergieanlage dadurch fortgebildet, dass die Steuerung ein versorgungsunabhängiges Abschaltelement umfasst, welches dazu eingerichtet ist bei Ausfall einer Stromversorgung der Steuerung das Schaltelement für die Dauer eines vorgegebenen Zeitintervalls zu aktivieren oder aktiv zu halten und nach Ablauf des vorgegebenen Zeitintervalls zu deaktivieren.
Unter einem „versorgungsunabhängigen Abschaltelement“ ist im Kontext der vorliegenden Beschreibung ein Element zu verstehen, welches elektrisch autonom arbeitet. Mit anderen Worten arbeitet das Abschaltelement ohne Netzversorgung. Es ist also auch ohne Stromversorgung in der Lage, das Schaltelement für eine begrenzte Zeit zum Bremsen zu schließen oder geschlossen zu halten und nach dem vorgegebenen Zeitintervall wieder zu öffnen oder freizugeben. Bevorzugt wird ein Puffermodul, z.B. ein Kondensator vorgesehen, welches das Schaltelement versorgt.
Der beispielhafte Kondensator entlädt sich im Falle eines Netzausfalls bei einer Aktivierung der Bremseinrichtung über den elektrischen Widerstand des Schaltelements. Ist der Entladungsvorgang soweit fortgeschritten, dass die erforderliche Spannung um das Schaltelement angezogen zu halten nicht mehr bereitsteht, öffnet das Schaltelement. Dieser Vorgang nimmt eine bestimmte Zeit in Anspruch, welche von der Kapazität und dem Widerstand des Schaltelements abhängt.
Vorteilhaft ist bei einer solchen Windenergieanlage die Funktionalität der Bremseinrichtung auch bei vollständigem Ausfall der Netzversorgung sowie der Steuerung immer noch sichergestellt. Die Bremsvorrichtung wird von dem Schaltelement für eine definierte Zeit aktiviert gehalten und deaktiviert sich anschließend von selbst. Es besteht keine Gefahr, dass die Bremsvorrichtung überhitzt, gleichzeitig ist diese in der Lage, ihre Bremswirkung im gewünschten Umfang zu entfalten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Windenergieanlage eine Abschalteinrichtung umfasst, die das Störsignal erzeugt, welches die Steuerung empfängt. Die Abschalteinrichtung ist beispielsweise ein Teil der Betriebssteuerung der Windenergieanlage.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Windenergieanlage dadurch fortgebildet, dass die Steuerung ferner dazu eingerichtet ist ein Generatormoment so zu steuern, dass beim Aktivieren und/oder Deaktivieren der Bremsvorrichtung eine durch diesen Vorgang bedingte Drehmomentschwankung im Antriebsstrang der Windenergieanlage verringert wird. Die gilt beispielsweise auch für den Fall, wenn fehlerfrei vorhandene Netzeinspeisung festgestellt wird.
Insbesondere wird das Generatordrehmoment bei Aktivierung der mechanischen Bremsvorrichtung zeitabhängig derart verringert, dass die Summe des Generatordrehmoments und des von der mechanischen Bremsvorrichtung aufgebrachten Bremsmoments stets in etwa gleich dem Nenndrehmoment im Triebstrang ist. So ist vorteilhaft sichergestellt, dass die Einleitung des Bremsvorgangs ruckfrei erfolgt. Diese Funktionalität ist selbstverständlich nur dann nutzbar, wenn das Umrichter-Generator-System selbst nicht, gestört ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Bremseinrichtung zumindest einen Temperatursensor umfasst, welcher dazu eingerichtet ist, eine Temperatur zumindest eines Reibpartners der Bremsvorrichtung zu erfassen, wobei die Steuerung ferner dazu eingerichtet ist, fortlaufend von dem Temperatursensor erfasste Temperaturwerte auszuwerten, mit einem vorgegebenen Grenzwert zu vergleichen und die Bremsvorrichtung zu deaktivieren, wenn die erfassten Temperaturwerte den Grenzwert überschreiten.
Ein Reibpartner der Bremsvorrichtung ist bei einer beispielhaft als Bremsvorrichtung eingesetzten Scheibenbremse eine Bremsscheibe oder ein Bremsbelag.
Ferner ist insbesondere vorgesehen, dass die Bremsvorrichtung redundant ausgelegt ist, also beispielweise zwei Scheibenbremsen, insbesondere mit zwei Bremsscheiben und zwei Bremszangen auf der Rotorwelle oder der schnellen Getriebewelle montiert sind. Bei einer solchen Ausführungsform ist jede Bremsvorrichtung jeweils mit einem Temperatursensor versehen.
Vorteilhaft wird eine Überhitzung der Bremsvorrichtung vermieden. Hierzu wird die Temperatur der Bremsvorrichtung überwacht. Überschreitet der Temperaturwert einen vorgegebenen Maximalwert, wird der Bremsvorgang unterbrochen. Dies verringert den Verschleiß und erhöht die Lebensdauer der Bremsvorrichtung.
Vorteilhaft ist gemäß einer Weiterbildung vorgesehen, dass die Steuerung ferner dazu eingerichtet ist, aus zumindest einem der Temperaturwerte eine Bremsvorrichtungsabkühlzeit zu berechnen, wobei ein für diese Abkühlzeit bestimmter Wert indikativ für eine vor einem erneuten Wiederanlauf der Windenergieanlage einzuhaltende Wartezeit ist. Beispielsweise wird die Abkühlzeit und die vor einem erneuten Wiederanlauf der Windenergieanlage einzuhaltende Wartezeit aus zumindest einem der den vorgegebenen Grenzwert überschreitenden Temperaturwerte berechnet.
Indikativ bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass sich die vor dem erneuten Wiederanlauf der Windenergieanlage einzuhaltende Wartezeit aus der Abkühlzeit ableiten lässt. Beispielsweise entspricht die Bremsvorrichtungsabkühlzeit der einzuhaltenden Wartezeit. Die Abkühlzeit bestimmt sich beispielsweise dadurch, dass die Temperatur der Bremsvorrichtung unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt. Beispielsweise wird abgewartet, bis die Temperatur eines der beiden Reibpartner der Bremsvorrichtung unterhalb von 200 °C, 150 °C, 100 °C, 50 °C oder bei in etwa Umgebungstemperatur liegt.
Gemäß weiterer Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung derart eingerichtet ist, dass die Bremsvorrichtung deaktiviert wird, wenn die Rotordrehzahl ausgehend von einem Anfangswert, bei dem die Bremsvorrichtung aktiviert wurde, um zumindest 90 %, 85 %, 80 %, 75 %, 70 %, 65 %, 60 %, 55 % oder 50 % abgesunken ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuerung derart eingerichtet ist, die Bremsvorrichtung zu deaktivieren, wenn ein Rotorblatteinstellwinkel größer als ein vorgegebener Grenzwert ist oder wenn ein vorgegebener Grenzwert auf einer Pitch-Fahrt in Richtung der 90°-Stellung überfahren wird. Bei diesem Wert kann es sich auch um einen relativen Wert handeln, der zu dem aktuellen Pitch-Wert, bei dem der Bremsvorgang ausgelöst wird, hinzuaddiert wird. Beispielsweise wird die mechanische Bremsvorrichtung deaktiviert, wenn der Rotorblatteinstellwinkel größer als 10°, 15°, 20°, 25°, 30°, 35°, 40°, 45° oder 50° ist.
In diesem Zusammenhang ist gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass die Steuerung derart eingerichtet ist, dass diese in Reaktion auf das empfangene Störsignal gleichzeitig oder mit vorbestimmten Verzögerungszeiten mit der Aktivierung der Bremsvorrichtung auch die Antriebe der Rotorblätter (Pitch-Antriebe) derart ansteuert, dass die Rotorblätter in Richtung der 90°-Stellung oder „Fahnenstellung“ verfahren werden. Ein solches „pitchen“ der Rotorblätter in Richtung der 90°-Stellung kann ebenso von der Betriebssteuerung der Windenergieanlage oder von der Sicherheitsabschalteinrichtung der Windenergieanlage initiiert, gesteuert oder geregelt werden.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage mit einem Rotor und einer Bremseinrichtung, wobei die Bremseinrichtung eine mechanische Bremsvorrichtung umfasst, die mit dem Rotor mechanisch gekoppelt ist, und wobei die Bremseinrichtung eine Steuerung und zumindest ein elektrisches und/oder hydraulisches Schaltelement zur Aktivierung und/oder Deaktivierung der Bremsvorrichtung umfasst, wobei das Schaltelement redundant und/oder störungssicher ausgeführt ist, wobei das Verfahren dadurch fortgebildet ist, dass die Steuerung ein Störsignal empfängt und in Reaktion auf den Empfang des Störsignals einen Bremsvorgang auslöst, indem die Steuerung die Bremsvorrichtung mittels des Schaltelements aktiviert und, bevor der Rotor der Windenergieanlage zum Stillstand gekommen ist, deaktiviert.
Auf das Verfahren zum Betreiben der Windenergieanlage treffen gleiche oder ähnliche Vorteile zu, wie sie bereits im Hinblick auf die Windenergieanlage selbst erwähnt wurden, so dass auf Wiederholungen verzichtet wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Schaltelement geöffnet wird, indem dieses stromlos geschaltet wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Bremsvorrichtung mittels des Schaltelements für die Dauer eines vorgegebenen Zeitintervalls zu aktiviert oder aktiv gehalten wird und nach Ablauf des vorgegebenen Zeitintervalls deaktiviert wird. Werte für dieses Zeitintervall sind weiter oben im Text erwähnt, diese sind gemäß weiterer Ausführungsformen bei einem Verfahren gemäß dieser weiteren Ausführungsformen vorgesehen.
Beispielsweise liegt das Zeitintervall zwischen einer Sekunde und 10 Sekunden, insbesondere zwischen 3 Sekunden und 9 Sekunden, ferner insbesondere zwischen 4 Sekunden und 6 Sekunden.
Ferner ist insbesondere vorgesehen, dass die Bremsvorrichtung deaktiviert wird, wenn eine Rotordrehzahl ausgehend von einem Anfangswert, bei dem die Bremsvorrichtung aktiviert wurde, um zumindest 90 %, 85 %, 80 %, 75 %, 70 %, 65 %, 60 %, 55 % oder 50 % abgesunken ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Bremsvorrichtung deaktiviert wird, wenn der Rotorblattabstellwinkel zumindest 10°, 15°, 20°, 25°, 30°, 35°, 40°, 45° oder 50° beträgt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei Ausfall einer Stromversorgung der Steuerung das Schaltelement mit einem versorgungsunabhängigen Abschaltelement aktiviert oder aktivgehalten wird. Nach Ablauf des vorbestimmten Zeitintervalls wird das Schaltelement deaktiviert. Bei diesem versorgungsunabhängigen Abschaltelement handelt es sich beispielsweise, und wie weiter oben ebenfalls auch bereits erwähnt, um ein mit dem Schaltelement verbundenes Puffermodul, z.B. einen Kondensator.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Generatormoment so gesteuert wird, dass beim Aktivieren und/oder Deaktivieren der Bremsvorrichtung eine durch diesen Vorgang bedingte Drehmomentschwankung in einem Antriebsstrang verringert wird.
Ferner ist insbesondere vorgesehen, dass die Bremseinrichtung zumindest einen Temperatursensor umfasst, welcher eine Temperatur zumindest eines Reibpartners der Bremsvorrichtung erfasst, wobei fortlaufend von dem Temperatursensor erfasste Temperaturwerte ausgewertet und mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen werden, wobei die Bremsvorrichtung deaktiviert wird, wenn die erfassten Temperaturwerte den Grenzwert überschreiten.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass aus zumindest einem der Temperaturwerte eine Bremsenabkühlzeit berechnet wird, wobei ein für die Bremsenabkühlzeit bestimmter Wert indikativ für eine vor einem erneuten Wiederanlauf der Windenergieanlage einzuhaltende Wartezeit ist.
Ferner ist insbesondere vorgesehen, dass während der Bremsenabkühlzeit die Windenergieanlage im Trudelbetrieb oder mit geringer Drehzahl betrieben wird. Während des Trudelns / Betriebs mit geringer Drehzahl kühlt die mechanische Bremsvorrichtung schneller ab, so dass sich die Bremsenabkühlzeit verringert und die Windenergieanlage schneller wieder mit voller Leistung ans Netz genommen werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass innerhalb des hydraulischen Versorgungskreises eine Druckmessung des hydraulischen Fluids vorgenommen wird. Die Messwerte einer solchen Druckmessung können zur Früherkennung von Fehlern, beispielsweise Lecks, im Bremssystem herangezogen werden.
Dies erfolgt beispielsweise unter Einsatz einer vereinfachten Nachbildung oder Simulation der Bremse und Überwachung des Bremsdrucks nach dem Beobachterprinzip. So ist es möglich, anhand des aus diesem Beobachter ermittelten Wertes anhand der virtuellen Nachbildung der Bremse den Messwert für den gemessenen Bremsdruck einer Plausibilitätsprüfung zu unterziehen. Ebenso ist es möglich, anhand des errechneten Beobachters der Bremse die Plausibilität der Temperaturmessungen zu überprüfen. Durch Einsatz der vereinfachten Nachbildung der Bremse und Überwachung der Temperaturmessung nach dem Beobachterprinzip erfolgt ein Abgleich zwischen der Temperatur der virtuellen Bremse und der tatsächlich an dem zumindest einen Reibpartner der Bremsvorrichtung gemessenen Temperaturen.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele ist vorgesehen, dass in dem hydraulischen Versorgungskreis Drosseln vorhanden sind, so dass gezielt Druckverläufe für den Bremsdruck zu Beginn des Bremsvorgangs und zum Abbau des Drucks gegen Ende des Bremsvorgangs realisiert werden können. Dabei können einzelne Drosselzweige über Rückflussverhinderer (Rückschlagventile) abgeschaltet werden. So werden bei Druckaufbau und bei Druckabbau unterschiedliche Anzahlen von Drosseln durchströmt. Die Anzahl der durchströmten Drosseln verändert sich also in Abhängigkeit von der Fließrichtung. Dies erlaubt voneinander abweichende Öffnungs- und Schließzeiten der Bremse.
Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsformen zusammen mit den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllen.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:

1 eine Windenergieanlage in schematisch vereinfachter Ansicht,
2 ein schematisch vereinfachtes hydraulisches Schaltbild einer Bremseinrichtung und
3a) bis 3f) jeweils schematisch über der Zeit aufgetragene beispielhafte Werte für eine Windgeschwindigkeit (3a), einen Rotorblatteinstellwinkel (3b), eine Generatordrehzahl (3c), ein mechanisches Bremsmoment der Bremsvorrichtung ( 3d) und ein Turmfußbiegemoment in longitudinaler Richtung (3f).

In den Zeichnungen sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente und/oder Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer erneuten Vorstellung jeweils abgesehen wird.
1 zeigt in schematisch vereinfachter Ansicht eine Windenergieanlage 2. Ihr Rotor 4 umfasst beispielshaft drei Rotorblätter 6, die sich jeweils zwischen einer Rotorblattwurzel 8 und einer Rotorblattspitze 10 erstrecken. Die Rotorblätter 6 sind an ihrer Rotorblattwurzel 8 an einer Rotornabe 12 befestigt. Diese treibt einen Hauptantriebsstrang der Windenergieanlage 2 an, welcher innerhalb einer in der 1 nicht sichtbaren Gondel verläuft. Die Gondel wird von einer Tragstruktur 14, beispielsweise einem Turm, getragen.
Die Windenergieanlage 2 umfasst außerdem eine Bremseinrichtung 20, die beispielsweise in der Gondel angeordnet ist. Ein schematisches und vereinfachtes hydraulisches Schaltbild der Bremseinrichtung 20 ist in 2 dargestellt.
Die Bremseinrichtung 20 umfasst eine Bremsvorrichtung, die allgemein mit Bezugszeichen 22 bezeichnet werden soll. Beispielhaft ist eine erste Bremsvorrichtung 22a und eine zweite Bremsvorrichtung 22b vorhanden, die gemeinsam die Bremsvorrichtung 22 bilden. Bei den mechanischen Bremsvorrichtungen 22a, 22b handelt es sich beispielsweise um Scheibenbremsen. Die Bremsvorrichtung 22 der Bremseinrichtung 20 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel also doppelt (teilredundant) ausgeführt. Hierzu sind beispielsweise die beiden Scheibenbremsen mit der Rotorwelle, welche unmittelbar von dem Rotor 4 der Windenergieanlage 2 angetrieben wird, gekoppelt. Es ist ebenso vorgesehen, dass die mechanischen Bremsvorrichtungen 22a, 22b indirekt mit dem Rotor 4 der Windenergieanlage 2 gekoppelt sind. Hierzu sind die beiden Scheibenbremsen beispielsweise mit der schnellen Abtriebswelle eines Getriebes der Windenergieanlage 2 mechanisch verbunden.
Die Bremseinrichtung 20 umfasst ferner beispielhaft ein erstes hydraulisches Schaltelement 24a und ein zweites hydraulisches Schaltelement 24b. Es handelt sich beispielhaft um ein erstes Magnetventil, welches das erste Schaltelement 24a bildet, und um ein zweites Magnetventil, welches das zweite Schaltelement 24b bildet. Das erste und das zweite Schaltelement 24a, 24b bilden gemeinsam ein Schaltelement 24 zur Aktivierung und Deaktivierung der Bremsvorrichtung 22. Ebenso wie die erste und die zweite mechanische Bremsvorrichtung 22a, 22b, die gemeinsam auch mit Bezugszeichen 22 bezeichnet werden, sollen das erste und das zweite Schaltelement 24a, 24b gemeinsam mit Bezugszeichen 24 bezeichnet werden.
Das Schaltelement 24 ist redundant in Bezug auf die Druckablassfunktion ausgelegt, indem ein erstes und ein zweites Schaltelement 24a, 24b vorgesehen sind. Gleichzeitig ist das Schaltelement 24 störungssicher ausgeführt. Um diese Funktion zu gewährleisten, werden als erstes und zweites Schaltelement 24a, 24b beispielsweise hydraulische Schaltelemente oder Magnetventile eingesetzt, die im stromlosen Zustand offen in Richtung Vorratsbehältnis 30 sind.
Bezüglich der Beaufschlagung des Bremssystems mit einem Arbeitsdruck sind die Schaltelemente 24a, 24b nicht redundant ausgeführt. Diese Funktion wird ausschließlich vom Ventil 24a bereitgestellt.
Es ist ferner eine Steuerung 26 vorhanden, die dazu eingerichtet ist, ein Störsignal S beispielsweise von der Betriebssteuerung der Windenergieanlage 2 zu empfangen. Die Steuerung 26 hat Zugriff auf die Bremseinrichtung 20. Ein Störsignal S wird beispielsweise generiert, wenn eine hohe Überdrehzahl oder eine hohe Belastung der Windenergieanlage 2 eintritt und infolgedessen der Rotor 4 der Windenergieanlage 2 abgebremst wird. Ein solches Szenario tritt möglicherweise auf, wenn ein Fehler im internen oder externen elektrischen System der Windenergieanlage 2 mit einem Ausfall des externen Versorgungsnetzes und einer extremen Einjahresböe zusammentrifft. In einem solchen Szenario werden auch die Rotorblattverstellantriebe (Pitch Drives) so angesteuert, dass diese die Rotorblätter 6 der Windenergieanlage 2 in Richtung der 90°- oder Fahnen-Stellung verfahren. So wird der Rotor 4 der Windenergieanlage 2 auch aerodynamisch abgebremst.
Gleichzeitig wird in Reaktion auf das empfangene Störsignal S die Bremsvorrichtung 22 aktiviert. Hierzu wird das Schaltelement 24 entsprechend angesteuert.
Es ist ein wichtiger Aspekt, dass die Steuerung 26 dazu eingerichtet ist, die Bremsvorrichtung 22 mittels des Schaltelements 24 zu deaktivieren, bevor der Rotor 4 der Windenergieanlage 2 zum Stillstand kommt.
Die mechanische Bremseinrichtung 24 wird impulsartig angesteuert oder betrieben. Die mechanische Bremseinrichtung 24 ist in der Lage, eine effiziente Drehzahl- und Schubreduzierung zu bewirken, wenn sie für einen begrenzten Zeitraum und zu Beginn des Abbremsvorgangs aktiviert wird. Dieser zeitlich begrenzte Abbremsvorgang trägt zur Verringerung der Gesamtbelastung der Windenergieanlage 2 bei. Gleichzeitig entwickelt die mechanische Bremsvorrichtung 22 keine zu große Abwärme, da sie nicht bis zum Stillstand des Rotors 4 aktiviert bleibt.
Die Bremseinrichtung 20 umfasst einen hydraulischen Versorgungskreis zur Versorgung der Bremsvorrichtung 22. Der hydraulische Versorgungskreis, der in 2 schematisch und vereinfacht dargestellt ist, umfasst eine hydraulische Versorgungsquelle 28, beispielsweise eine Hydraulikpumpe. Diese entnimmt hydraulisches Fluid, beispielsweise ein Hydrauliköl, aus einem Vorratsbehältnis 30. Über einen Arbeitsdruckregler 32, der den Arbeitsdruck p0 bereitstellt, wird dem hydraulischen Versorgungskreis von der hydraulischen Versorgungsquelle 28 hydraulisches Fluid zugeführt. Es ist ferner ein Sicherheitsdruckbegrenzer 34 vorgesehen, der den in dem hydraulischen Versorgungskreis vorhandenen Druck auf einen vorgegebenen Grenzwert begrenzt.
Das hydraulische Fluid gelangt von dem Arbeitsdruckregler 32 zu dem ersten Schaltelement 24a. Ist dieses beispielsweise als Magnetventil ausgeführte erste Schaltelement 24a bestromt und somit zur Druckversorgung der Bremse geöffnet aber in Richtung Vorratsbehältnis 30 geschlossen, gelangt das hydraulische Fluid über die Drossel D1.0 und die Drossel D1.1 zu einem ersten Abzweigpunkt 36a. An dem ersten Abzweigpunkt 36a ist ein Druckmembranspeicher 38 in den hydraulischen Versorgungskreis integriert. Von dem ersten Abzweigpunkt 36a gelangt das hydraulische Fluid anschließend zu der ersten und der zweiten mechanischen Bremsvorrichtung 22a, 22b. An einem weiteren Verzweigungspunkt vor der ersten und der zweiten mechanischen Bremsvorrichtung 22a, 22b ist noch ein Drucksensor 40 vorgesehen, der den Arbeitsdruck p-Br der ersten und zweiten mechanischen Bremsvorrichtung 22a, 22b misst.
Parallel zu der Drossel D1.1 ist außerdem ein Bypass-Druckregler 42 in dem hydraulischen Versorgungskreis integriert. Ebenso ist parallel zu der Drossel D1.1 eine Drossel D1.2 und ein Rückflussverhinderer 44 (Rückschlagventil) in den hydraulischen Versorgungskreis integriert.
Indem die Steuerung 26 das erste Schaltelement 24a beispielsweise mit einer Versorgungsspannung von 24 Volt beaufschlagt, wird der zuvor beschriebene Weg für das hydraulische Fluid, ausgehend von der hydraulischen Versorgungsquelle 28 bis zu der mechanischen Bremsvorrichtung 22, freigegeben. Während der Aktivierung der mechanischen Bremsvorrichtung 22 wird gleichzeitig das zweite Schaltelement 24b, also beispielsweise ein zweites Magnetventil bestromt, so dass dieses schließt und einen Rückfluss des hydraulischen Fluids von dem ersten Abzweigpunkt 36a zum Vorratsbehältnis 30 verhindert. Die mechanische Bremsvorrichtung 22 greift ein und entfaltet ihre Wirkung.
Nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls DT, welches mit der Aktivierung der mechanischen Bremsvorrichtung 22 beginnt, und beispielsweise zwischen 1 und 10 Sekunden lang ist, oder bei Überschreitung einer zulässigen Grenztemperatur in zumindest einem Reibpartner der Bremsvorrichtung 22 wird das Schaltelement 24 wieder stromlos geschaltet. Das Zeitintervall DT beträgt ferner insbesondere zwischen 3 und 9 Sekunden und beispielsweise zwischen 4 und 6 Sekunden. Wird das Schaltelement 24 stromlos geschaltet, so werden insbesondere das erste und das zweite Schaltelement 24a, 24b stromlos geschaltet. Je nach gewünschter Funktionalität kann es vorteilhaft sein, eines der beiden Schaltelemente 24a, 24b mit einer Verzögerungszeit zu schalten, um beispielsweise eine sanfte Änderung der Bremskraft oder einen bevorzugten zeitabhängigen Verlauf der Bremskraft zu bewirken.
Im stromlosen Zustand öffnen das erste Schaltelement 24a und das zweite Schaltelement 24b. Ausgehend von dem ersten Abzweigpunkt 36a stehen zwischen diesem und einem zweiten Abzweigpunkt 36b ein erster und ein zweiter fluidischer Pfad zur Verfügung, über den sich der an der mechanischen Bremsvorrichtung 22 anliegende hydraulische Druck durch Fluss des hydraulischen Fluids in Richtung des Vorratsbehältnisses 30 abbauen kann. Es ist sichergestellt, dass der hydraulische Versorgungskreis zumindest einen fluidischen Pfad und einen dazu parallelen zweiten fluidischen Pfad zwischen der Bremsvorrichtung 22 und dem Vorratsbehältnis 30 umfasst. Das erste hydraulische Schaltelement 24a ist in den ersten Pfad integriert und das zweite hydraulische Schaltelement 24b ist in den zweiten Pfad integriert.
Der erste Pfad führt über die Drossel D1.2 und das in Flussrichtung, also in Richtung des ersten Schaltelements 24a, durchlässige Rückschlagventil 44 und die Drossel D1.0 bis zum zweiten Abzweigpunkt 36b. Der zweite Pfad führt vom ersten Abzweigpunkt 36a über die Drossel D2.0 und das stromlos offene zweite Schaltelement 24b zum zweiten Abzweigpunkt 36b. Durch die bezüglich des Druckabbaus redundante Auslegung des Schaltelements 24 als ein erstes und ein zweites Schaltelement 24, 24b kann der an der mechanischen Bremsvorrichtung 22 anliegende hydraulische Druck auch bei Totalversagen eines der beiden Schaltelemente 24a, 24b effizient und sicher abgebaut und/oder auf ein sicheres Niveau reduziert werden. Die in den hydraulischen Versorgungskreis integrierten Drosseln D1.0 und D1.1 sorgen für den gewünschten Zeitverlauf beim Druckaufbau. Die Drosseln D1.2 und D2.0 sorgen für den gewünschten Druckverlauf beim Druckabbau. Der erste fluidische Pfad umfasst genauso wie der zweite fluidische Pfad jeweils noch die Verbindungsleitung zwischen dem ersten Abzweigpunkt 36a und der ersten und zweiten mechanischen Bremsvorrichtung 22a, 22b und die Verbindungsleitung zwischen dem zweiten Abzweigpunkt 36b und dem Vorratsbehältnis 30. Auch diese können vorteilhaft redundant ausgeführt werden, sodass die kompletten Verbindungsleitungen von den Bremsvorrichtungen 22a, 22b bis zu dem Vorratsbehälter 30 redundant ausgeführt sind.
Die Steuerung 26 ist dazu eingerichtet, die Bremsvorrichtung 22 mittels des Schaltelements 24 zu aktivieren oder aktiv zu halten. Nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls wird die Bremsvorrichtung 22 deaktiviert. Hierzu ist ein versorgungsunabhängiges Abschaltelement umfasst, welches auch bei Ausfall einer Stromversorgung der Steuerung 26 das Schaltelement 24 zunächst aktiviert oder aktiv hält und nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls DT deaktiviert. Zu diesem Zweck ist beispielsweise jeweils ein Kondensator (oder auch ein gemeinsamer Kondensator) in Reihe mit der Spannungsversorgung des ersten und/oder zweiten Schaltelements 24a, 24b geschaltet. Bei Ausfall der Versorgungsspannung entlädt sich der Kondensator über den Ohm'schen Widerstand, beispielsweise des ersten und/oder zweiten Magnetventils. Ist die auf den Kondensatoren vorhandene Ladung soweit abgebaut, dass die anliegende Spannung unter die Haltespannung der Magnetventile sinkt, so öffnen diese von selbst. Für eine durch die Kapazität des Kondensators und die Widerstände der Schaltelemente 24a, 24b vorgegebene Zeitdauer bleibt die Bremsvorrichtung 22 aktiviert. Anschließend schaltet sie selbsttätig ab.
Die Steuerung 26 ist ferner dazu eingerichtet, bei festgestellter fehlerfrei vorhandener Netzeinspeisung ein Generatormoment des im Antriebsstrang der Windenergieanlage 2 vorhandenen Generators so zu steuern, dass beim Aktivieren und/oder Deaktivieren der Bremsvorrichtung 22 eine durch diesen Vorgang bedingte Drehmomentschwankung im Antriebsstrang verringert wird. Beispielsweise wird das Generatordrehmoment bei der Aktivierung der mechanischen Bremsvorrichtung 22 zeitabhängig so verringert, dass die Summe des Generatordrehmoments und des von der mechanischen Bremsvorrichtung 22 aufgebrachten Bremsmoments stets in etwa gleich dem Nenndrehmoment im Triebstrang ist. So kann eine nahezu ruckfreie Auslösung des mechanischen Bremsvorgangs erreicht werden. Gleiches gilt natürlich auch für die Beendigung des Bremsvorgangs.
Die Bremseinrichtung 20, insbesondere die Bremsvorrichtung 22, umfasst ferner zumindest einen Temperatursensor. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind ein erster Temperatursensor TS1 und ein zweiter Temperatursensor TS2 vorgesehen. Der erste Temperatursensor TS1 misst die Temperatur zumindest eines Reibpartners der ersten Bremsvorrichtung 22a. Der zweite Temperatursensor TS2 misst die Temperatur zumindest eines Reibpartners der zweiten Bremsvorrichtung 22b. Werden als Bremsvorrichtung 22a, 22b beispielsweise Scheibenbremsen eingesetzt, so sind die Reibpartner die Bremsscheibe und die Bremsbacken bzw. Bremsbeläge. Mit anderen Worten werden also mit den Temperatursensoren T1, T2 die Temperaturen der Bremsvorrichtungen 22a, 22b überwacht. Alternativ können auch bei nur einer Bremsvorrichtung 22a, 22b zwei Temperaturen in einander gegenüberliegenden Reibpartnern (z.B. Bremsbelägen) einer einzelnen Bremszange erfasst werden, um die Erfassung des Temperatursignals redundant auszuführen. Die Steuerung 26 ist über nicht dargestellte Datenleitungen in der Lage, Temperaturwerte der Temperatursensoren TS1, TS2 auszulesen, zu erfassen und auszuwerten. Überschreiten diese einen vorgegebenen Grenzwert, so wird die Bremsvorrichtung 22 oder zumindest eine der beiden Bremsvorrichtungen 22a, 22b deaktiviert. So kann einer Überhitzung der Bremsvorrichtung 22 wirkungsvoll vorgebeugt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Steuerung 26 ferner dazu eingerichtet ist, aus zumindest einem der Temperaturwerte, welche von den Temperatursensoren TS1, TS2 erfasst wurden, eine Bremsvorrichtungsabkühlzeit zu berechnen. Ein für diese Abkühlzeit bestimmter Wert ist indikativ für eine vor einem erneuten Wiederanlauf der Windenergieanlage 2 einzuhaltende Wartezeit. Mit anderen Worten lässt sich also die Wartezeit aus dem Wert der Bremsvorrichtungsabkühlzeit ableiten. Während die mechanische Bremsvorrichtung 22 abkühlt, kann die Windenergieanlage 2 im Trudelbetrieb oder mit geringer Drehzahl betrieben werden, so dass sich ihr Rotor 4 langsam dreht. Während der Bewegung kühlt die mechanische Bremsvorrichtung 22 schneller ab, als in Ruhe, so dass ein schneller Wiederanlauf oder eine schnellere Wiederaufnahme des Vollastbetriebs der Windenergieanlage 2 möglich ist.
Ein beispielhafter Bremsvorgang während eines Verfahrens zum Betreiben einer Windenergieanlage 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel wird anhand der 3a bis 3f erläutert.
Die 3a bis 3f sind über der gleichen Zeitskala in Sekunden dargestellt. Für alle Figuren ist diese beispielhaft in 3f gezeigt.
3a zeigt die Windgeschwindigkeit in Meter pro Sekunde. 3b zeigt einen Rotorblatteinstellwinkel oder Pitchwinkel in Grad. 3c zeigt eine Generatordrehzahl in Umdrehungen pro Minute (U/min). Die mit A bezeichnete Kurve zeigt den Verlauf der Generatordrehzahl ohne Eingriff einer mechanischen Bremsvorrichtung. Die mit B bezeichnete Kurve zeigt den Verlauf der Generatordrehzahl über der Zeit unter Verwendung einer mechanischen Bremsvorrichtung. 3d zeigt den zeitlichen Verlauf eines mechanischen Bremsmoments in Kilonewtonmeter (kNm). Zu einem ersten Zeitpunkt T1 wird die mechanische Bremsvorrichtung aktiviert. Zu einem zweiten Zeitpunkt T2 ist diese wieder vollständig deaktiviert. Der Verlauf der dargestellten Bremsmomente ist beispielsweise von der Steuerung 26 über die Stellung der Schaltelemente 24 aktiv gesteuert und/ oder durch die Dimensionierung der Drosseln festeingestellt.
3f zeigt ein Turmfußbiegemoment in longitudinaler Richtung in Kilonewtonmeter (kNm). Wiederum ist der Verlauf des Turmfußbiegemoments für einen Fall dargestellt, dass die mechanische Bremsvorrichtung nicht verwendet wird. Diese Kurve ist mit A bezeichnet. Mit B ist die Kurve bezeichnet, welche sich unter Einsatz der mechanischen Bremse ergibt. Die deutliche Verringerung der maximalen Belastung der Tragstruktur 14 der Windenergieanlage 2 ist am geringeren Ausschlag der Kurve B im Vergleich zur Kurve A an den jeweiligen Maxima des Turmfußbiegemoments zu erkennen.
Die Steuerung 26 deaktiviert die Bremsvorrichtung 22 bevor der Rotor 4 der Windenergieanlage 2 zum Stillstand gekommen ist (vgl. hierzu 3c und 3d). Obwohl die mechanische Bremse nur für einen relativ geringen Zeitraum, nämlich die Zeitspanne DT zwischen den Zeitpunkten T1 und T2 aktiviert ist, ergibt sich eine signifikante Verringerung der maximalen Belastung der Windenergieanlage 2.
Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden sowie auch einzelne Merkmale, die in Kombination mit anderen Merkmalen offenbart sind, werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können durch einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllt sein. Im Rahmen der Erfindung sind Merkmale, die mit „insbesondere“ oder „vorzugsweise“ gekennzeichnet sind, als fakultative Merkmale zu verstehen.
Bezugszeichenliste

2: Windenergieanlage
4: Rotor
6: Rotorblatt
8: Rotorblattwurzel
10: Rotorblattspitze
12: Rotornabe
14: Tragstruktur
20: Bremseinrichtung
22: Bremsvorrichtung
22a: erste mechanische Bremsvorrichtung
22b: zweite mechanische Bremsvorrichtung
24: Schaltelement
24a: erstes Schaltelement
24b: zweites Schaltelement
26: Steuerung
28: hydraulische Versorgungsquelle
30: Vorratsbehältnis
32: Arbeitsdruckregler
34: Sicherheitsdruckbegrenzer
36a: erster Abzweigpunkt
36b: zweiter Abzweigpunkt
38: Druckmembranspeicher
40: Drucksensor
42: Bypass-Druckregler
44: Rückflussverhinderer
D1.0, D1.1, D1.2, D2.0: Drossel
TS1: erster Temperatursensor
TS2: zweiter Temperatursensor
T1: erster Zeitpunkt
T2: zweiter Zeitpunkt
DT: Zeitintervall
p0: Arbeitsdruck
S: Störsignal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2811157 A1 [0006]

Claims

Windenergieanlage (2) mit einem Rotor (4) und einer Bremseinrichtung (20), wobei die Bremseinrichtung (20) eine mechanische Bremsvorrichtung (22) umfasst, die mit dem Rotor mechanisch gekoppelt ist, und wobei die Bremseinrichtung (20) zumindest ein elektrisches und/oder hydraulisches Schaltelement (24) zur Aktivierung und/oder Deaktivierung der Bremsvorrichtung (22) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (24) redundant und/oder störungssicher ausgeführt ist, wobei eine Steuerung (26) umfasst ist, die dazu eingerichtet ist, ein Störsignal (S) zu empfangen und in Reaktion auf das empfangene Störsignal (S) das Schaltelement (24) und dadurch die Bremsvorrichtung (22) zu aktivieren, wobei die Steuerung (26) ferner dazu eingerichtet ist, die Bremsvorrichtung (22) mittels des Schaltelements (24) zu deaktivieren, bevor der Rotor (4) der Windenergieanlage zum Stillstand kommt.
Windenergieanlage (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das störungssichere Schaltelement (24) ein hydraulisches Schaltelement (24) ist, welches im stromlosen Zustand offen ist.
Windenergieanlage (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsvorrichtung (24) eine hydraulisch betriebene Bremsvorrichtung (24) ist und die Bremseinrichtung (20) einen hydraulischen Versorgungskreis zur Versorgung der Bremsvorrichtung (22) mit einem hydraulischen Fluid umfasst, wobei der hydraulische Versorgungskreis zumindest ein erstes und ein hydraulisch parallel dazu geschaltetes zweites hydraulisches Schaltelement (24a, 24b) umfasst, welche eine redundante Auslegung des Schaltelements (24) bilden.
Windenergieanlage (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Versorgungskreis die Bremsvorrichtung (22) mit einer hydraulischen Versorgungsquelle (28) und mit einem Vorratsbehältnis (30) verbindet, wobei der hydraulische Versorgungskreis zumindest einen ersten fluidischen Pfad und einen dazu parallelen zweiten fluidischen Pfad zwischen der Bremsvorrichtung (22) und dem Vorratsbehältnis (30) umfasst, und wobei das erste hydraulische Schaltelement (24a) in den ersten Pfad und das zweite hydraulische Schaltelement (24b) in den zweiten Pfad integriert ist.
Windenergieanlage (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (26) dazu eingerichtet ist, die Bremsvorrichtung (22) mittels des Schaltelements (24) nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls (DT) zu deaktivieren.
Windenergieanlage (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (26) ein versorgungsunabhängiges Abschaltelement umfasst, welches dazu eingerichtet ist, bei Ausfall einer Stromversorgung der Steuerung (26) das Schaltelement (24) für die Dauer eines vorgegebenen Zeitintervalls zu aktivieren oder aktiv zu halten und nach Ablauf des vorgegebenen Zeitintervalls (DT) zu deaktivieren.
Windenergieanlage (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Windenergieanlage (2) eine Abschalteinrichtung umfasst, die das Störsignal (S) erzeugt, welches die Steuerung (26) empfängt.
Windenergieanlage (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (26) ferner dazu eingerichtet ist, ein Generatormoment so zu steuern, dass beim Aktivieren und/oder Deaktivieren der Bremsvorrichtung (22) eine durch diesen Vorgang bedingte Drehmomentschwankung in einem Antriebsstrang verringert wird.
Windenergieanlage (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinrichtung (20) zumindest einen Temperatursensor (T1, T2) umfasst, welcher dazu eingerichtet ist, eine Temperatur zumindest eines Reibpartners der Bremsvorrichtung (22) zu erfassen, wobei die Steuerung (26) ferner dazu eingerichtet ist, fortlaufend von dem Temperatursensor (T1, T2) erfasste Temperaturwerte auszuwerten, mit einem vorgegebenen Grenzwert zu vergleichen und die Bremsvorrichtung (22) zu deaktivieren, wenn die erfassten Temperaturwerte den Grenzwert überschreiten.
Windenergieanlage (2) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (26) ferner dazu eingerichtet ist, aus zumindest einem der Temperaturwerte eine Bremsvorrichtungsabkühlzeit zu berechnen, wobei ein für diese Abkühlzeit bestimmter Wert indikativ für eine vor einem erneuten Wiederanlauf der Windenergieanlage (2) einzuhaltende Wartezeit ist.
Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage (2) mit einem Rotor (4) und einer Bremseinrichtung (20), wobei die Bremseinrichtung (20) eine mechanische Bremsvorrichtung (22) umfasst, die mit dem Rotor (4) mechanisch gekoppelt ist, und wobei die Bremseinrichtung (20) eine Steuerung (26) und zumindest ein elektrisches und/oder hydraulisches Schaltelement (24) zur Aktivierung und/oder Deaktivierung der Bremsvorrichtung (22) umfasst, wobei das Schaltelement (24) redundant und/oder störungssicher ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (26) ein Störsignal (S) empfängt und in Reaktion auf den Empfang des Störsignals (S) einen Bremsvorgang auslöst, indem die Steuerung (26) die Bremsvorrichtung (22) mittels des Schaltelements (24) aktiviert und, bevor der Rotor (4) der Windenergieanlage (2) zum Stillstand gekommen ist, deaktiviert.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (24) geöffnet wird, indem dieses stromlos geschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsvorrichtung (22) mittels des Schaltelements (24) nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls (DT) deaktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitintervall (DT) zwischen 3 Sekunden und 9 Sekunden, insbesondere zwischen 4 Sekunden und 6 Sekunden beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausfall einer Stromversorgung der Steuerung (26) das Schaltelement (24) mit einem versorgungsunabhängigen Abschaltelement für die Dauer eines vorgegebenen Zeitintervalls zu aktiviert oder aktiv gehalten wird und nach Ablauf des vorgegebenen Zeitintervalls (DT) deaktiviert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei festgestellter fehlerfrei vorhandener Netzeinspeisung ein Generatormoment so gesteuert wird, dass beim Aktivieren und/oder Deaktivieren der Bremsvorrichtung (22) eine durch diesen Vorgang bedingte Drehmomentschwankung in einem Antriebsstrang verringert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinrichtung (20) zumindest einen Temperatursensor (TS1, TS2) umfasst, welcher eine Temperatur zumindest eines Reibpartners der Bremsvorrichtung (22) erfasst, wobei fortlaufend von dem Temperatursensor (TS1, TS2) erfasste Temperaturwerte ausgewertet und mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen werden, wobei die Bremsvorrichtung (22) deaktiviert wird, wenn die erfassten Temperaturwerte den Grenzwert überschreiten.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass aus zumindest einem der Temperaturwerte eine Bremsenabkühlzeit berechnet wird, wobei ein für die Bremsenabkühlzeit bestimmter Wert indikativ für eine vor einem erneuten Wiederanlauf der Windenergieanlage (2) einzuhaltende Wartezeit ist.