DE102016100621A1

DE102016100621A1 - Kühlanordnung für ein Generatorteil einer Windenergieanlage

Info

Publication number: DE102016100621A1
Application number: DE102016100621.1A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-01-15
Filing date: 2016-01-15
Publication date: 2017-07-20

Abstract

Es wird eine Kühlanordnung für ein Generatorteil einer Windenergieanlage vorgesehen, welche mindestens ein Rohr (3) und mindestens einen Kollektor (1) aufweist. Die Anordnung ist in mindestens eine Nut des Generatorteils eingeschoben oder so angeordnet, dass mindestens eine Wicklung der mindestens einen Nut des Generatorteils sich innerhalb mindestens einem oder mehreren Kollektoren (1) befindet und sich die Wicklungen an die Kollektoren schmiegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für ein Generatorteil einer Windenergieanlage.
Direktangetriebene Generatoren von Windenergieanlagen werden i.d.R. für eine spezifische Leistung ausgelegt, welche schon in der Planung der Windenergieanlage festgelegt wird. Windenergieanlagen können spezifisch für Starkwindgebiete oder Schwachwindgebiete optimiert/ausgelegt werden um optimalen Ertrag zu erzielen. Ein Auslegungsmerkmal hierbei ist das Verhältnis von Rotorkreisfläche zur Generatornennleistung. Insbesondere bei Schwachwindmaschinen wird ein erheblich leistungsfähigerer Rotor gegenüber der Generatornennleistung installiert.
Hieraus folgt, dass der Generator über einen großen Zeitraum auch bei Schwachwinden zeitlich länger am Nennleistungspunkt gefahren wird und das Material so besser ausgenutzt werden kann. Häufigerer Betrieb an der Leistungsgrenze führt zu einer gesteigerten thermischen Belastung des Generators mit Lebensdauereinfluss. Höhere Windgeschwindigkeiten im Windprofil, welche auch am Schwachwindstandort auftreten, können jedoch nicht genutzt werden, da der Generator bei diesen Geschwindigkeiten an seine thermischen Grenzen kommt. Die Anlage wird leistungsbegrenzt, obwohl der Rotor temporär mehr Energie liefern könnte.
Aufgabe der Erfindung ist es eines der oben genannten Probleme zumindest teilweise zu lösen.
Diese Aufgabe wird durch eine Kühlanordnung nach Anspruch 1 gelöst.
Eine leistungsfähige Kühlung, könnte für diese Fälle temporär den Betriebsbereich der Windenergieanlage erweitern, wenn es gelänge in diesem Zeitraum einen großen Teil der mit dem Wind in sechster Potenz steigenden Verlustleistung abzuführen. Nicht nur hierzu ist eine effiziente Kühlung notwendig, welche ohne größere Zeitkonstanten und mit großen Temperaturgradienten diese Verlustleistung an die Umgebung abgibt. Konzeptionell greift eine solche Kühlung optimal direkt am Ort der Entstehung der Verlustleistung an. Z.B. in der einzelnen Nut im Statorblechpaket eines Ringgenerators. Um eine effiziente, einfach und robust konstruierte Kühlung der Nut zu erreichen, welche sich in ein bestehendes Generatorkonzept nahtlos einfügt, wird folgende Anordnung vorgeschlagen. Die Anordnung besteht aus einem Rohr mit zwei blechartigen Kollektoren. Die Anordnung wird in die Nut eingeschoben oder so angeordnet, dass die Wicklung der Nut sich innerhalb der Kollektoren befindet und sich an die Kollektoren schmiegt. (2) Die durch die Kupferwicklung freigesetzte Wärmeenergie wird über die Nutlänge und Nuthöhe an die Kollektoren abgegeben. Die Kollektoren leiten die Wärmeenergie orthogonal zur Energiezuführungsrichtung an das Rohr, welches mit einem Fluid zum Wärmeabtransport gefüllt ist.
Ähnliche Ansätze der direkten Leiterkühlung sind bekannt (Kupferhohlleiter). Diese Ausführung hat im Gegensatz zu z.B. Kupferholleitern Vorzüge in der einfacheren und robusteren Applikation in bestehende Generatorkonzepte.
Ausführungsbeispiele und Vorteile der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
1: eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage; und
2: eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung
1 zeigt eine Windenergieanlage 100 mit einem Turm 102 und einer Gondel 104. An der Gondel 104 ist ein Rotor 106 mit drei Rotorblättern 108 und einem Spinner 110 angeordnet. Der Rotor 106 wird im Betrieb durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und treibt dadurch einen Generator in der Gondel 104 an.
2 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung. Zwei Kollektoren 1a und 1b, sind mit einem Rohr 3 verbunden und führen die Wärme in Wärmeflussrichtung 2 ab. Die Kühlanordnung wird in Nuten des Generators, insbesondere in Nuten des Statorblechpakets platziert. Die Kühlanordnung kann dann die Wicklung (z.B. die Statorwicklung zumindest teilweise aufnehmen. Durch das Rohr 3 kann Kühlflüssigkeit fließen.
Für die Kollektoren 1a, 1b kann z.B. ein gut wärmeleitfähiges Metall wie Aluminium (oder Kupfer) verwendet werden. Die sehr guten Wärmeleitwerte dieser Metalle liegt in der Größenordnung für Kuper: 400 W/mK; Aluminium: 200 W/mK. Um eine möglichst gute Wärmeabfuhr zu gewährleisten, muss die Dicke d und die Wärmeleitfähigkeit A der Kollektoren maximal sein.
Konstruktiv ist die Dicke eingeschränkt durch den Volumenverbrauch in der Nut. Weiterhin besitzen die Metalle eine obere Schranke in der Wärmeleitfähigkeit. Um diese Anordnung weiter zu optimieren bietet sich der Einsatz einer Graphitfolie als Kollektoren an, welche eine weit (bis zu Faktor 5) höhere Wärmeleitfähigkeit besitzen als Aluminium. Der Vorteil der höheren Wärmeleitfähigkeit der Folie liegt in der Verminderung des Temperaturgradienten, welcher sich durch die notwendige Wärmeleitung ergibt. Hierdurch wir es ermöglicht hohe Fluidtemperaturen zu erreichen; was zu einer Verminderung der Baugrößen der Rückkühlung oder für eine höhere Kühlleistung genutzt werden kann. Gleichzeitig entsteht ein Freiheitsgrad zur Verringerung des Volumenverbrauchs der Anordnung. Graphit erzeugt keine Hysteresverluste und minimalste Wirbelstromverluste (keine Eigenerwärmung). Versuche am Nutteststand zeigten hohe Temperaturgradienten bei direkter Kühlung mit Fluidkanal.

Claims

Kühlanordnung für ein Generatorteil einer Windenergieanlage, mit mindestens einem Rohr (3) und mindestens einem Kollektor (1), dadurch gekennzeichnet dass die Anordnung in mindestens eine Nut des Generatorteils eingeschoben oder so angeordnet ist, dass mindestens eine Wicklung der mindestens einen Nut des Generatorteils sich innerhalb mindestens einem oder mehreren Kollektoren (1) befindet und sich die Wicklungen an die Kollektoren schmiegt.
Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch mindestens eine Wicklung freigesetzte Wärmeenergie von bis zu der gesamtem Nutlänge und/oder Nuthöhe an mindestens einen Kollektor abgegeben wird.
Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die ein oder mehreren Kollektoren (1) ein gut wärmeleitfähiges Metall insbesondere Aluminium oder Kupfer verwendet wird.
Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für die ein oder mehreren Kollektoren (1) eine Graphitfolie verwendet wird.
Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens ein Kollektor (1) die Wärmeenergie orthogonal zur Energiezuführungsrichtung an das Rohr, welches mit einem Medium zum Wärmeabtransport gefüllt ist, leitet.
Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Kollektoren blechartig ausgeführt sind.
Generator einer Windenergieanlage, mit einer Mehrzahl von Nuten, mindestens eine Kühlanordnung in mindestens einer der Nuten, und einer Wicklung, die zumindest teilweise in der Kühlanordnung angeordnet ist.