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Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage.
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Windenergieanlagen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie umfassen in der Regel einen Rotor, der drehbar an einer Gondel angeordnet ist, wobei die Gondel wiederum drehbar auf einem Turm angeordnet ist. Der Rotor treibt ggf. über eine Rotorwelle und ein Getriebe einen Generator an. Eine durch Wind induzierte Rotationsbewegung des Rotors kann so in elektrische Energie gewandelt werden, die - dann über Umrichter und/oder Transformatoren - je nach Bauart des Generators auch wenigstens teilweise direkt - in ein elektrisches Netz eingespeist werden kann.
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Beim Betrieb einer Windenergieanlage entstehen diverse Geräusche. Es hat sich gezeigt, dass neben den durch die Umströmung der Rotorblätter unmittelbar an dem Rotor oder im Zusammenspiel zwischen Rotorblättern und Turm zwangsläufig entstehenden Geräuschen, insbesondere Geräusche von im Innern der Gondel oder des Turms angeordneten Komponenten problematisch sein können. Die Geräuschentwicklung der letztgenannten Komponenten kann in Einzelfällen dabei derart hoch sein, dass die Windenergieanlage als Ganzes gesetzlich vorgegebene Grenzwerte für den Schall nicht einhält und im schlimmsten Fall nicht in Betrieb genommen werden kann oder dauerhaft nur mit reduzierter Leistung betrieben werden darf.
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Um ein Überschreiten der vorgeschriebenen Grenzwerte für den Schall zu vermeiden, wird auf vielfältige Art versucht, den von Windturbinen generierten Lärmpegel insgesamt zu reduzieren, um auch bei ggf. unerwartet erhöhtem Lärmpegel unterhalb der Grenzwerte zu bleiben. Hierzu gehört die aerodynamische Optimierung von Rotorblättern, der Einbau von Dämmstoffen, der Einbau von schwingungsreduzierenden Elementen, Vermeidung von Resonanzen, geräuschoptimierte Getriebe, etc.
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Da außerdem festgestellt wurde, dass aus dem Innern der Gondel nach außen führende Luftrohre bzw. Luftschläuche, bspw. für die Kühlung mit Hilfe von Ventilatoren, eine problematische Schallquelle darstellen, wurde zur Reduzierung der Schallbelästigung versucht, die Aerodynamik der Ventilatoren selbst zu verbessern und die Öffnung der Luftrohre an der Gondel möglichst nicht nach unten, also in Richtung Boden anzuordnen. Allerdings ist der Einsatz verbesserter Ventilatoren nicht immer ausreichend, eine Anordnung der Öffnungen der Luftrohre nach oben ist nicht immer möglich.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Windenergieanlage zu schaffen, bei der die Geräuschentwicklung insbesondere von nach außen führenden Luftrohren reduziert ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Windenergieanlage gemäß dem Hauptanspruch. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Demnach betrifft die Erfindung eine Windenergieanlage umfassend einen Rotor mit mehreren Rotorblättern, der drehbar an einer drehbar auf einem Turm angeordneten Gondel angeordnet und mit einem in der Gondel angeordneten Generator zur Umwandlung von auf den Rotor einwirkender Windenergie in elektrische Energie verbunden ist, wobei die Windenergieanlage wenigstens einen Abluftkanal zum Ausstoß von Luft aus dem Inneren der Windenergieanlage ins Freie aufweist und an wenigstens einem Abluftkanal wenigstens ein Helmholtz-Resonator mit einem Resonanzraum und einem Rohranschluss angeschlossen ist, mit dem sich der Schalldruck an der Austrittsöffnung des Abluftkanals bei einer Resonanzfrequenz reduzieren lässt.
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Die Erfindung hat erkannt, dass ein nicht unerheblicher Teil der Lärmbelastung über Abluftkanäle zum Ausstoß von Luft aus dem Inneren der Windenergie ins Freie gelangt, wobei insbesondere eine regelmäßig auftretende Tonhaltigkeit dieser Lärmbelastung, d.h. ein erhöhter Schalldruck bei einer oder mehrerer dezidierten Frequenzen, Schwierigkeiten bereitet, um vorgegebenen Grenzwerte für die Lärmbelastung einzuhalten. Die Lärmbelastung kann dabei bspw. unmittelbar durch Ventilatoren erzeugt werden. Es ist aber auch möglich, dass die Lärmbelastung bzw. deren Tonhaltigkeit von dem Generator, dem Getriebe, des Umrichters, eines Transformators und/oder einem Blattverstellantrieb stammt, deren Lärm durch die Abluftkanäle nach außen getragen wird.
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Um eben dieser Tonhaltigkeit der Lärmbelastung entgegenzuwirken, sieht die Erfindung vor, an dem wenigstens einen Abluftkanal einen Helmholtz-Resonator vorzusehen.
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Ein Helmholtz-Resonator umfasst einen geschlossenen Resonanzraum, der sich über ein Rohranschlussstück mit einem Luftkanal verbinden lässt, um den Schalldruck an der Ausgangsöffnung des Luftkanals in wenigstens einer Frequenz - nämlich der Resonanzfrequenz des Helmholtz-Resonators - zu reduzieren. Die Frequenz f
0, für die sich der Schalldruck durch einen Helmholtz-Resonator reduzieren lässt, lässt sich in erster Näherung bestimmen aus:
mit der Schallgeschwindigkeit c, der Querschnittsfläche S
0 der Öffnung des Resonators bzw. des Rohranschlussstücks, dem Volumen V
0 des Resonanzraums und der Länge L des Rohranschlussstücks zwischen Resonanzraum und Luftkanal. Die Länge L des Rohranschlussstücks kann dabei mit der Dicke der Bewandung des Resonanzraums übereinstimmen, wodurch das Rohranschlussstück dann als Loch in der Bewandung des Resonanzraums ausgebildet ist.
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Tritt eine störende Tonhaltigkeit bei mehr als eine Frequenz auf, können mehrere Helmholtz-Resonatoren an dem Abluftkanal vorgesehen sein. Es sind aber auch Helmholtz-Resonatoren bekannt, die aufgrund einer besonderen Formgebung des Resonanzraumes mehr als eine Resonanzfrequenz im hörbaren Bereich aufweisen. Ein entsprechender einzelner Helmholtz-Resonator kann also ggf. auch mehrere Tonhaltigkeiten bei unterschiedlichen Frequenzen reduzieren.
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Es ist bevorzugt, wenn der Resonanzraum des Helmholtz-Resonators wenigstens teilweise mit Dämmstoff ausgekleidet ist, um die Bandbreite der Absorptionsfähigkeit um die Resonanzfrequenz zu erhöhen. Durch die Verwendung von Dämmstoff zur wenigstens teilweisen Auskleidung des Resonanzraumes ist es möglich, dass die Reduktion des Schalldrucks durch den Helmholtz-Resonator nicht nur singulär bei einer Resonanzfrequenz, sondern um wenigstens einen kleinen Frequenzbereich um die Resonanzfrequenz erfolgt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass auch bei leichter Verschiebung der Frequenz einer Tonhaltigkeit im Laufe des Betriebs einer Windenergieanlage der Helmholtz-Resonator den Schalldruck weiterhin effektiv reduziert.
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Vorzugsweise ist das Volumen des Resonanzraums und/oder die Länge des Rohranschlusses einstellbar. Durch eine entsprechende Einstellbarkeit kann die Resonanzfrequenz des Helmholtz-Resonators beliebig an die Erfordernisse einer Windenergieanlage angepasst werden. So ist es bspw. möglich, während eines ersten Testbetriebs der Windenergieanlage mit inaktivem Helmholtz-Resonator die auftretenden störenden Tonhaltigkeiten zu ermitteln und den Helmholtz-Resonator dann auf die Frequenz einer dieser Tonhaltigkeiten einzustellen. Die entsprechende Einstellung des Helmholtz-Resonators kann im Übrigen bei Bedarf überprüft und nachjustiert werden.
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Es ist besonders bevorzugt, wenn ein durch eine Steuerungseinheit steuerbarer Aktuator zur Veränderung des Volumens des Resonanzraums und/oder ein durch die Steuerungseinheit steuerbarer Aktuator zur Veränderung der Länge des Rohranschlusses vorgesehen ist. Durch entsprechende Aktuatoren lässt sich die Resonanzfrequenz des Helmholtz-Resonators auch im laufenden Betrieb der Windenergieanlage verändern, um so bspw. an sich verändernde Frequenzen einer Tonhaltigkeit angepasst zu werden. Die Frequenzen einer Tonhaltigkeit können sich bspw. aufgrund einer Veränderung der Drehgeschwindigkeit des Rotors der Windenergieanlage und der damit verbundenen Komponenten oder durch Veränderung der Drehgeschwindigkeit eines Ventilators verschieben, wobei durch eine aktive Nachsteuerung des Helmholtz-Resonators auf die jeweils aktuell auftretende Frequenz einer Tonhaltigkeit eingestellt werden kann.
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Die Steuerungseinheit kann den wenigstens einen Aktuator in Abhängigkeit von über einen Schallaufnehmer gemessenem Schall steuern. Auf Basis des von dem Schallaufnehmer gemessenen Schalls kann eine Frequenz einer Tonhaltigkeit ermittelt und der Helmholtz-Resonator auf eben diese Frequenz eingestellt werden.
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Bevorzugt steuert die Steuerungseinheit den wenigstens einen Aktuator in Abhängigkeit von durch die übergeordnete Steuerung der Windenergieanlage bereitgestellten Informationen über den Betriebszustand der Windenergieanlage. In der übergeordneten Steuerung der Windenergieanlage liegen in der Regel eine Vielzahl von Mess- und Steuerungswerten vor, aus denen sich die grundsätzliche Geräuschentwicklung einer Windenergieanlage ableiten lässt. Neben der Drehgeschwindigkeit des Rotors, die sich in Abhängigkeit des herrschenden Windes ändern kann, liegen in der übergeordneten Steuerung bspw. regelmäßig auch Informationen über den Betrieb einzelner Ventilatoren vor. Aus diesen Informationen lässt die Geräuschentwicklung der Windenergieanlage insgesamt und damit auch die Frequenz einer zu reduzierenden Tonhaltigkeit ableiten. Der Helmholtz-Resonator kann dann auf eben diese Frequenz eingestellt werden. Ein zusätzlicher Sensor - nämlich ein Schallaufnehmer - ist dann nicht mehr erforderlich.
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Der Resonanzraum des Helmholtz-Resonators ist vorzugsweise durch ein Gehäuse, weiter vorzugsweise einen Zylinder, und einem darin verschiebbaren Kolben zur Veränderung des Volumens gebildet. Ein entsprechender Resonanzraum ist hinsichtlich seiner Resonanzfrequenz einstellbar, wobei sowohl eine manuelle Einstellbarkeit als auch eine Einstellung mithilfe eines steuerbaren Aktuators möglich ist.
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Der erfindungsgemäße vorgesehene Helmholtz-Resonator ist vorzugsweise an einem Abluftkanal angeschlossen, durch den mit Hilfe eines Ventilators Luft aus dem Innern der Windenergieanlage herausgeblasen wird. Der Ventilator kann dabei von einem eigenen elektrischen Motor oder durch mechanische Anbindung über den Rotor angetrieben werden. Im Falle eines Elektromotors als Antrieb kann dieser bevorzugt den Ventilator steuerbar in wenigstens zwei unterschiedlichen Geschwindigkeiten antreiben. Es ist auch möglich, dass sich die Geschwindigkeit des Ventilators stufenlos einstellen lässt. Da insbesondere aufgrund von Ventilatoren störende Tonhaltigkeiten bei einzelnen Frequenzen entstehen können, sind Helmholtz-Resonatoren zur Reduzierung des Schalldrucks bei eben diesen Tonhaltigkeiten besonders gut geeignet.
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Es ist bevorzugt, wenn der wenigstens eine Abluftkanal zum Ausstoß von Luft aus dem Inneren der Gondel ins Freie ausgebildet ist. In diesem Fall ist der Abluftkanal also in der Gondel der Windenergieanlage angeordnet.
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Der wenigstens eine Abluftkanal kann wenigstens abschnittsweise durch ein Rohr oder einen Schlauch gebildet sein. Insbesondere in dem Fall, dass der Helmholtz-Resonator an einen Schlauch angeschlossen ist, ist bevorzugt, wenn der Helmholtz-Resonator federnd aufgehängt ist, um ein Verstimmen des Systems durch Relativbewegung des Schlauchs gegenüber dem Helmholtz-Resonator zu minimieren. Auch in anderen Fällen kann durch eine federnde Aufhängung des Helmholtz-Resonators zumindest eine akustische Entkopplung von der Struktur der Windenergieanlage erreicht werden. Die Federung kann durch Spiralfedern, flexible Gurte und/oder Gummipuffer erreicht werden.
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Es ist auch möglich, eine bereits bestehende Windenergieanlage mit einem Helmholtz-Resonator auszustatten und so eine erfindungsgemäße Windenergieanlage zu schaffen. Da der Helmholtz-Resonator regelmäßig nur einen geringen Platzbedarf aufweist und auf eine nahezu beliebige Frequenz, bei der die bereits bestehenden Windenergieanlage bspw. eine Tonhaltigkeit aufweist, eingestellt werden kann, ist eine kostengünstige Nachrüstung möglich.
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Die Erfindung wird nun anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigt:
- 1: eine schematische Ansicht der Gondel einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage.
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In 1 ist der Bereich der Gondel 4 einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage 1 schematisch dargestellt.
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Die Windenergieanlage umfasst einen Rotor 2 mit mehreren Rotorblättern 3, der drehbar an einer drehbar auf einem Turm 5 angeordneten Gondel 4 angeordnet und über ein Getriebe 6 mit einem in der Gondel 4 angeordneten Generator 7 zur Umwandlung von auf den Rotor 2 einwirkender Windenergie in elektrische Energie verbunden ist. Der Generator 7 ist dabei ein doppelt gespeister Asynchrongenerator, bei dem ein Teil der erzeugten Leistung direkt, ein anderer Teil der Leistung über einen Umrichter 8 und ein Schaltelement 9 zu einem am Fuß des Turmes 5 befindlichen Transformators (nicht dargestellt) geleitet und von dort in ein öffentliches Versorgungsnetz eingespeist wird.
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Für den effizienten und sicheren Betrieb der Windenergieanlage 1 ist weiterhin u.a. eine Azimutverstelleinrichtung 10, eine Bremse 11, diverse Messaufnehmer 12 sowie eine Kühlvorrichtung 13 vorgesehen. Zur Steuerung der Windenergieanlage 1 ist eine übergeordnete Steuerung 14 vorgesehen, die sämtliche Komponenten der Windenergieanlage steuert und überwacht.
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Die Kühlvorrichtung 13 dient dazu, die von den einzelnen Komponenten in der Gondel 4 der Windenergieanlage 1 erzeugte Wärme abzuführen, damit die Temperatur der einzelnen Komponenten, aber auch die Temperatur in der Gondel 4 insgesamt für den sicheren Betrieb erforderliche Grenzwerte nicht überschreitet. Die Wärmeabfuhr wird u.a. durch einen stufenlos regelbaren Ventilator (nicht dargestellt) in der Kühlvorrichtung 13 erreicht, der heiße Abluft aus dem Innern der Gondel 4 durch den Abluftkanal 15 ins Freie befördert.
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An dem Abluftkanal 15 ist ein erster Helmholtz-Resonator 20 angeschlossen. Der Helmholtz-Resonator 20 umfasst dabei einen Rohranschluss 21 sowie einen Resonanzraum 22, der durch ein zylindrisches Gehäuse 23 und einen darin verschiebbar angeordneten Kolben 24 gebildet ist. Der Kolben 24 lässt sich dabei über den Aktuator 25 verschieben, sodass sich das Volumen des Resonanzraums 22 verändert. Dabei wird der Aktuator 25 von der Steuerungseinheit 26 gesteuert.
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Durch den Helmholtz-Resonator 20 lässt sich der Schalldruck an der Austrittsöffnung des Abluftkanals 15 bei der Resonanzfrequenz des Resonators reduzieren. Insbesondere ist es dadurch möglich, eine Tonhaltigkeit bei einer bestimmten Frequenz, die bspw. durch eine bestimmte Drehzahl des Ventilators der Kühlvorrichtung 13 hervorgerufen wird, zu reduzieren. Die Resonanzfrequenz des Helmholtz-Resonators 20 lässt sich dabei mithilfe des Aktuators 25 an die jeweilige Frequenz der Tonhaltigkeit anpassen.
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Dabei wird der Aktuator 25 von der Steuerungseinheit 26 nicht in Abhängigkeit einer Schallmessung o.ä. angesteuert. Vielmehr greift die Steuerungseinheit 26 auf Mess- und Stellwerte der übergeordneten Steuerung 14 zurück, um aus diesen Werten eine Resonanzfrequenz zu ermitteln, auf die der Helmholtz-Resonator 20 eingestellt wird. Die übergeordnete Steuerung 14 verfügt nämlich über sämtliche, für die Bestimmung der an der Austrittsöffnung des Abluftkanals 15 auftretenden Tonhaltigkeit, weshalb sich auch die erforderliche Resonanzfrequenz des Helmholtz-Resonators 20 bestimmen lässt. So verfügt die übergeordnete Steuerung 14 bspw. über Informationen bezüglich der Drehzahl des Ventilators der Kühlvorrichtung 13, aber auch der Drehzahlen des Generators 7 und des Getriebes 6. Aus diesen Informationen lässt sich errechnen, bei welcher Frequenz eine Tonhaltigkeit an der Austrittsöffnung des Abluftkanals 15 auftritt, die es durch geeignete Einstellung der Resonanzfrequenz des Helmholtz-Resonators 20 zu reduzieren gilt.
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Zusätzlich zur Kühlvorrichtung 13 mit Abluftkanal 15 weist der Generator 7 noch einen gesonderten Ausblasschlauch 16 auf, durch den unmittelbar im Generator 7 erwärmte Luft durch einen Ventilator (nicht dargestellt) nach außen geblasen wird. An dem Ausblasschlauch 16 ist ein zweiter Helmholtz-Resonator 20' angeschlossen. Der hinsichtlich seines Volumens nicht einstellbare Resonanzraum 22' des Helmholtz-Resonators 20' ist über einen Rohranschluss 21' mit dem Ausblasschlauch 16 verbunden. Der Helmholtz-Resonator 20' ist dabei federnd - nämlich über Spiralfedern 27 - an der Gondel 4 aufgehängt ist, um ein Verstimmen des Systems durch Relativbewegung des Ausblasschlauchs 16 gegenüber dem Helmholtz-Resonator 20' zu minimieren und eine akustische Entkopplung von der Struktur der Windenergieanlage 1 zu erreichen.
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Auch das Getriebe 6 weist einen eigenen, als Rohr ausgebildeten Abluftkanal 17 auf, durch den unmittelbar im Getriebe 6 erwärmte Luft mit einem Ventilator (nicht dargestellt) nach außen geblasen wird. An dem Abluftkanal 17 ist ein dritter Helmholtz-Resonator 20" mit volumenkonstantem Resonanzraum 22" angeordnet. Das Rohranschlussstück 21" ist in diesem Fall als Loch in der Bewandung des Resonanzraums 22' ausgebildet und weist demnach eine Länge auf, die der Dicke der besagten Bewandung entspricht.
