DE102020100127A1

DE102020100127A1 - Windkraftanlage, insbesondere Offshore-Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102020100127A1
Application number: DE102020100127.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Engelhardt
Original assignee: RWE Renewables GmbH
Current assignee: Rwe Offshore Wind De GmbH
Priority date: 2020-01-07
Filing date: 2020-01-07
Publication date: 2021-07-08

Abstract

Die Anmeldung betrifft eine Windkraftanlage (100), insbesondere Offshore-Windkraftanlage (100), umfassend mindestens eine mit mindestens einer Generatoreinrichtung (102) gekoppelte Rotoreinrichtung (104), wobei die Generatoreinrichtung (102) eingerichtet ist zum Generieren von elektrischer Energie aus der Bewegungsenergie der Rotoreinrichtung (104), und mindestens eine Energieversorgungseinrichtung (108, 208), wobei die mindestens eine Energieversorgungseinrichtung (108, 208) mindestens eine mit mindestens einem Generator (112, 212) in einer Wirkverbindung stehende Flugvorrichtung (114, 214, 314) umfasst, wobei in einem ersten Betriebsmodus der Energieversorgungseinrichtung (108, 208) die Flugvorrichtung (114, 214, 314) eingerichtet ist zum sich Bewegen, durch die kinetische Energie des Winds, von einer Startposition in eine Endposition in eine erste Bewegungsrichtung (117), derart, dass durch den Generator (112, 212) elektrische Energie erzeugt wird, und wobei in einem zweiten Betriebsmodus der Energieversorgungseinrichtung (108, 208) die Energieversorgungseinrichtung (108, 208) eingerichtet ist zum Zurückführen der Flugvorrichtung (114, 214, 314) von der Endposition in die Startposition.

Description

Die Anmeldung betrifft eine Windkraftanlage, insbesondere eine Offshore-Windkraftanlage, umfassend mindestens eine mit mindestens einer Generatoreinrichtung gekoppelte Rotoreinrichtung, wobei die Generatoreinrichtung eingerichtet ist zum Generieren von elektrischer Energie aus der Bewegungsenergie der Rotoreinrichtung, und mindestens eine (weitere) Energieversorgungseinrichtung. Darüber hinaus betrifft die Anmeldung eine Verwendung einer Energieversorgungseinrichtung in einer Windkraftanlage.
Zur Bereitstellung von elektrischer Energie aus so genannten erneuerbaren Energiequellen werden vermehrt Windparks mit mindestens einer Windkraftanlage eingesetzt. Eine Windkraftanlage ist insbesondere zum Wandeln der kinetischen Windenergie in elektrische Energie eingerichtet. Um den Energieertrag bei derartigen Systemen zu steigern, werden Windparks vorzugsweise an Standorten mit einer hohen Windwahrscheinlichkeit angeordnet bzw. installiert. Insbesondere Offshore-Standorte zeichnen sich üblicherweise durch relativ kontinuierliche Windbedingungen und hohe durchschnittliche Windgeschwindigkeiten aus, so dass vermehrt so genannte Offshore-Windparks errichtet werden.
In der Regel weist ein Offshore-Windpark eine Vielzahl an Offshore-Windenergievorrichtungen auf, wie eine Vielzahl von Offshore-Windkraftanlagen, Messmasten und/oder mindestens eine Offshore-Umspannstation (bzw. -Substation), über die der Offshore-Windpark elektrisch beispielsweise mit einer Onshore-Umspannstation oder einer weiteren Offshore-Umspannstation bzw. Offshore-Konverterstation verbunden ist.
Eine Onshore-Umspannstation wiederum kann mit einem öffentlichen Stromnetz verbunden sein. Zum Übertragen von elektrischer Energie zwischen zwei Offshore-Windenergievorrichtungen oder einer Offshore-Windenergievorrichtung und einer Onshore-Vorrichtung werden Energiekabel in Form von Seekabeln verlegt.
Bei einer Windkraftanlage ist es stets erforderlich, eine Energieversorgung für mindestens einen elektrischen Verbraucher der Windkraftanlage zu gewährleisten, um insbesondere eine (weitere) Beschädigung der Windkraftanlage bei einem Fehler (z.B. Netzfehler und/oder Netzausfall) in der elektrischen Infrastruktur der Windkraftanlage und/oder des Windparks zu vermeiden. Hierzu verfügt eine Windkraftanlage, insbesondere eine Offshore-Windkraftanlage, über eine externe Energieversorgung. Dies meint insbesondere, dass die Windkraftanlage über ein angeschlossenes Energiekabel mit elektrischer Energie versorgt werden kann.
Ist die externe Energieversorgung der Windenergieanlage (WEA) bzw. Windkraftanlage nicht gewährleistet, z.B. durch einen Windparkfehler, wie ein Seekabelfehler und/oder einen Netzausfall, dann müssen relevante Systeme/Komponenten in der Windkraftanlage (z.B. Schmierung, Kommunikationssysteme, Beleuchtung, Windnachführung, Luftaufbereitungssystem etc.) durch den Einsatz von kostspieligen und im Kontext der erneuerbaren Energien teilweise zweifelhaften Energieversorgungseinrichtungen (insbesondere ein Notstromsystem) mit Strom versorgt werden.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, zur Energieversorgung (insbesondere als Notstromversorgung) als Energieversorgungseinrichtung einen Diesel-Generator auf jede Windkraftanlage eines Windparks zu installieren. Nachteilig an einer derartigen Lösung - neben der Tatsache, dass ein Diesel-Generator die Umwelt belastet - ist, dass der Dieseltank jeder Windkraftanlage (regelmäßig) nachzufüllen ist. Dies gestaltet sich insbesondere in einem Offshore-Windpark extrem aufwendig. Zudem erhöht sich der Platzbedarf auf jeder Windkraftanlage und ein Diesel-Generator besitzt einen negativen Einfluss auf HSE- („Health, Safety and Environment“) und Brandschutzbetrachtungen.
Alternativ ist es aus dem Stand der Technik bekannt, als Energieversorgungseinrichtung einen Diesel-Generator (nur) auf der Umspannstation bzw. Substation des Windparks zu installieren und bei Bedarf von dort aus die an der Umspannstation elektrisch verbundenen Windkraftanlagen mit Energie zu versorgen.
Nachteilig an dieser Lösung ist jedoch, dass auch hier ein (regelmäßiges) Nachfüllen des Dieseltanks erforderlich ist, auch wenn der Aufwand hierzu im Vergleich zur vorherigen Lösung geringer ist. Wie zuvor belastet der Diesel-Generator die Umwelt und erfordert ausreichend Raum auf der Umspannstation. Zudem ist eine Grundvoraussetzung einer funktionierenden Energieversorgung durch einen auf der Umspannstation angeordneten Diesel-Generator, dass die Innenparkverkabelung, insbesondere einschließlich der Mittelspannungs-Systeme, intakt sind, also gerade kein Fehler (z.B. Netzfehler und/oder Netzausfall) in der elektrischen Infrastruktur der Windkraftanlage und/oder des Windparks vorliegt.
Eine unter Umweltaspekten bevorzugte und bekannte Lösung ist, dass eine Windkraftanlage in einem so genannten „Selbsterhaltbetriebsmodus“ betrieben werden kann, bei dem insbesondere mindestens eine wiederaufladbare Batterie durch eine langsam rotierende Rotoreinrichtung geladen werden kann. Nachteilig an dieser Lösung sind zunächst die mit dieser Lösung verbundenen hohen Kosten. Ferner bedingt diese Lösung, dass eine Mindest-Windstärke vorliegt und insbesondere der Triebstrang der Windkraftanlage intakt ist, so dass eine Rotordrehung möglich ist. Zudem ist der „Selbsterhaltbetriebsmodus“ nur für einen Notstrombetrieb nutzbar.
Schließlich ist es grundsätzlich möglich, eine Windkraftanlage in einem bestimmten Zeitraum (beispielsweise begrenzt auf max. 30 Tage (danach ist externe Energie erforderlich)) ohne Energieversorgung zu betreiben. Diese Lösung hat eine Mehrzahl von signifikanten Nachteilen, wie der Bedarf zusätzlicher Anfahrten jeder (betroffenen) (Offshore-)Windkraftanlage, um an der Windkraftanlage manuell Maßnahmen zu ergreifen (z.B. MVSG (Mittelspannungsschaltvorrichtung) Schaltvorgänge, Abdichtung von Schaltschränken, Auslage von Trockenmittelbeutel).
Zudem ist die Windkraftanlage stromlos (auch „schwarz“ genannt), so dass keine Kommunikation und/oder Zustandskontrolle über die zentrale Steuerung des Windparks (z.B. SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)) möglich ist. Schließlich kann die Windkraftanlage nicht ohne Weiteres wieder angefahren werden. Beispielsweise ist eine relativ lange „Trocknungsphase“ vor Wiederinbetriebnahme nach Wegfall der externen Energieversorgung erforderlich.
Daher liegt der Anmeldung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Bereitstellung von elektrischer Energie für eine Windkraftanlage, insbesondere Offshore-Windkraftanlage, bereitzustellen, welche die oben beschriebenen Nachteile zumindest reduziert und insbesondere auch bei einem Fehler (z.B. Netzfehler und/oder Netzausfall) in der elektrischen Infrastruktur der Windkraftanlage und/oder des Windparks eine umweltschonende und aufwandsarme Energieversorgung der Windkraftanlage ermöglicht.
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Anmeldung gelöst durch eine Windkraftanlage, insbesondere eine Offshore-Windkraftanlage. Die Windkraftanlage umfasst mindestens eine mit mindestens einer Generatoreinrichtung gekoppelte Rotoreinrichtung. Die Generatoreinrichtung ist eingerichtet zum Generieren von elektrischer Energie aus der Bewegungsenergie der Rotoreinrichtung. Die Windkraftanlage umfasst mindestens eine Energieversorgungseinrichtung. Die mindestens eine Energieversorgungseinrichtung umfasst mindestens eine mit mindestens einem Generator in einer Wirkverbindung stehende Flugvorrichtung. In einem ersten Betriebsmodus der Energieversorgungseinrichtung ist die Flugvorrichtung eingerichtet zum sich Bewegen, durch die kinetische Energie des Winds, von einer Startposition in eine Endposition in eine erste Bewegungsrichtung, derart, dass durch den Generator elektrische Energie erzeugt wird. In einem zweiten Betriebsmodus der Energieversorgungseinrichtung ist die Energieversorgungseinrichtung eingerichtet zum Zurückführen der Flugvorrichtung von der Endposition in die Startposition.
Im Gegensatz zum Stand der Technik wird anmeldungsgemäß eine Windkraftanlage mit einer (internen) Energieversorgungseinrichtung (die insbesondere zumindest auch als Notromsystem verwendet werden kann) bereitgestellt, die eine umweltschonende und aufwandsarme Energieversorgung der Windkraftanlage ermöglicht, indem die Windkraftanlage mit einer Energieversorgungseinrichtung ausgestattet wird, die mindestens eine mit mindestens einem Generator in einer Wirkverbindung stehende Flugvorrichtung umfasst. Insbesondere ist anmeldungsgemäß erkannt worden, dass die kinetische Energie des Winds nicht nur zum Antreiben der Rotoreinrichtung (und damit des Haupt-Generators der Windkraftanlage) genutzt werden kann, sondern zusätzlich auch zum Antreiben einer Flugvorrichtung (und damit eines mit der Flugvorrichtung gekoppelten (Hilfs- ) Generators).
Die anmeldungsgemäße Windkraftanlage verfügt über eine durch die kinetische Energie des Windes bewegbare Rotoreinrichtung, die insbesondere über eine (Rotor- ) Welle mit einer Generatoreinrichtung gekoppelt sein kann. Die Generatoreinrichtung ist zum Erzeugen elektrischer Energie aus der kinetischen Windenergie eingerichtet, die über die Rotoreinrichtung bereitgestellt wird.
Vorzugsweise kann die Rotoreinrichtung über eine Mehrzahl von Rotorblättern verfügen, die an einer Rotor-Welle befestigt sind. Die kinetische Windenergie bewirkt eine Drehung der Rotor-Welle. Die Drehung der Rotor-Welle kann (wiederum) durch die Generatoreinrichtung (in herkömmlicher Weise) in elektrische Energie gewandelt werden. Die elektrische Energie kann vorzugsweise über ein Energiekabel an eine Umspannstation übertragen werden.
Die anmeldungsgemäße Windkraftanlage weist mindestens eine Energieversorgungseinrichtung auf, eingerichtet zum Erzeugen elektrischer Energie (bzw. Leistung) unabhängig von der genannten Generatoreinrichtung. Insbesondere sind die Generatoreinrichtung und die Energieversorgungseinrichtung unterschiedliche Komponenten der Windkraftanlage.
Die Energieversorgungseinrichtung umfasst mindestens einen (Hilfs-) Generator und mindestens eine Flugvorrichtung. Insbesondere ist die mindestens eine Flugvorrichtung mit dem mindestens einen Generator (mechanisch) gekoppelt, derart, dass eine durch die kinetische Energie des Winds bewirkte Bewegung der Flugvorrichtung durch den Generator in elektrische Energie wandelbar ist.
Die anmeldungsgemäße Energieversorgungseinrichtung ist zumindest in einem ersten und einem zweiten Betriebsmodus betreibbar. In dem ersten Betriebsmodus wird durch die Energieversorgungseinrichtung elektrische Energie erzeugt, während in dem zweiten Betriebsmodus die Flugvorrichtung von einer Endposition zu einer Startposition zurückgeführt wird. Die für die Rückführung der Flugvorrichtung erforderlich Energie ist (deutlich) geringer als die Energie, die in dem ersten Betriebsmodus gewonnen wird.
In dem ersten Betriebsmodus der Energieversorgungseinrichtung ist die Flugvorrichtung eingerichtet zum sich Bewegen, insbesondere Fliegen, durch die kinetische Energie des Winds, von einer Start- bzw. Ausgangsposition der Flugvorrichtung in eine Endposition der Flugvorrichtung in eine erste Bewegungsrichtung. Anders ausgedrückt fliegt die Flugvorrichtung, angetrieben durch die kinetische Energie des Winds, in dem ersten Betriebsmodus von einer Startposition zu einer Endposition, wobei in der Endposition der Abstand der Flugvorrichtung zu dem Generator größer ist als der Abstand der Flugvorrichtung zu dem Generator in der Startposition.
Eine Startposition und eine Endposition zeichnen sich dadurch aus, dass eine Bewegungsrichtungsumkehr in einer dieser Positionen erfolgt. Insbesondere wird eine Bewegung in eine erste Bewegungsrichtung umgekehrt in eine Bewegung in eine zweite Bewegungsrichtung, die entgegengesetzt zu der ersten Bewegungsrichtung ist.
Die erste (oder die zweite) Bewegungsrichtung meint insbesondere eine Hauptbewegungsrichtung der Flugvorrichtung. Es versteht sich, dass die tatsächlich durchgeführte Bewegung der Flugvorrichtung eine nicht-geradlinige sein kann, beispielsweise eine serpentinförmig bzw. schlangenlinienförmig verlaufende Bewegung.
Die durch die Bewegung der Flugvorrichtung in dem ersten Betriebsmodus erzeugte Bewegungsenergie wird anmeldungsgemäß, aufgrund der Wirkverbindung (insbesondere mechanische Kopplung) zwischen dem Generator und der Flugvorrichtung durch den (entsprechend eingerichteten) Generator in elektrische Energie gewandelt.
In einem zweiten Betriebsmodus der Energieversorgungseinrichtung ist die Flugvorrichtung eingerichtet zum Zurückführen der Flugvorrichtung von der Endposition in die Startposition, insbesondere zum Unterbrechen der Bewegung in die erste Bewegungsrichtung, derart, dass sich die Flugvorrichtung von der Endposition in die Startposition (zurück-)bewegt. Insbesondere fliegt die Flugvorrichtung in die genannte zweite Bewegungsrichtung in dem zweiten Betriebsmodus. Insbesondere kann in der Endposition die Flugvorrichtung derart zu dem Wind ausgerichtet sein (z.B. durch eine Änderung einer Flügelstellung und/oder einer (automatischen) Lenkaktion der Flugvorrichtung in der Endposition), dass die Flugvorrichtung (automatisch) in die Startposition (und insbesondere mit einer geringeren Energie, als zuvor erzeugt wurde) zurückkehrt. Insbesondere kann der mindestens eine Flügel der Flugvorrichtung derart zu dem Wind ausgerichtet werden, dass gegen den Flügel kein ausreichender dynamischer Auftrieb mehr gegeben ist, insbesondere kein Wind mehr den Flügel anströmt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der anmeldungsgemäßen Windkraftanlage kann die Energieversorgungseinrichtung mindestens eine Seiltrommel mit einem auf der Seiltrommel aufwickelbaren Seil umfassen. Ein Seilende des Seils kann mit der Flugvorrichtung gekoppelt sein. Das andere Ende des Seils kann mit der Seiltrommel gekoppelt sein. Eine Welle (die insbesondere durch die Mittelachse der Seiltrommel verläuft) der Seiltrommel kann mit dem Generator gekoppelt sein.
Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht eine Erzeugung elektrischer Energie in einfacher Weise. In einem ersten Betriebsmodus wird in der vorliegenden Ausgestaltung das Seil von der Seiltrommel durch die Bewegung der Flugvorrichtung abgewickelt und bewirkt hierdurch insbesondere eine Drehbewegung der Seiltrommel. Durch die Kopplung zwischen dem Generator und der Seiltrommel über die Welle kann diese Drehbewegungsenergie durch den Generator in elektrische Energie gewandelt werden. In der Endposition kann das Seil insbesondere maximal abgewickelt sein.
In dem zweiten Betriebsmodus wird das Seil wieder auf die Seiltrommel aufgewickelt. Dies kann beispielsweise durch ein Federelement unterstützt werden. In der Startposition kann das Seil minimal abgewickelt sein.
Grundsätzlich kann die Energieversorgungseinrichtung an einem beliebigen Bauteil der Windkraftanlage angeordnet sein, beispielsweise an dem Turm, einer Plattform der Windkraftanlage etc. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Energieversorgungseinrichtung an einer Gondel der Windkraftanlage angeordnet sein. Die Anordnung der Energieversorgungseinrichtung an der Gondel (also innerhalb oder außerhalb des Gondelgehäuses) besitzt insbesondere den Vorteil, dass aufgrund der durch die bereits sehr großen Höhe der Gondel (im Vergleich zu einem Bodenoberfläche bei einer Onshore-Windkraftanlage oder zu einer Wasseroberfläche bei einer Offshore-Windkraftanlage) die Flugvorrichtung in Höhen betrieben werden kann, insbesondere aufsteigen kann, die optimale Windbedingungen (gleichmäßig, hohe Windgeschwindigkeiten) versprechen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der anmeldungsgemäßen Windkraftanlage kann die Energieversorgungseinrichtung an einer Außenwand der Gondel montiert sein. Dies ermöglicht insbesondere eine einfache Nachrüstung von bereits installierten Windkraftanlagen.
Beispielsweise kann die Energieversorgungseinrichtung ein Gehäuse umfassen. Zumindest der Generator und vorzugsweise die Seiltrommel können in dem Gehäuse integriert sein. Über eine Gehäuseöffnung kann das Seil nach außen geführt und mit der Flugvorrichtung gekoppelt sein. Zudem kann eine Energieleitung aus dem Gehäuse hinaus und beispielsweise in die Gondel eingeführt sein. Das Gehäuse kann beispielsweise an der Außenseite einer Gondelwand angeschraubt, angeschweißt, angeklebt, angenietet etc. sein.
Bei anderen Varianten der Anmeldung kann die Energieversorgungseinrichtung auch zumindest teilweise in der Gondel integriert sein. Beispielsweise kann/können zumindest der Generator und ggf. auch die Seiltrommel in der Gondel bzw. dem Gondelgehäuse integriert sein. In diesem Fall kann das Seil durch eine Öffnung in der Gondelwand aus der Gondel hinausgeführt und mit der Flugvorrichtung gekoppelt sein. Ein zusätzliches Gehäuse oder dergleichen kann entfallen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der anmeldungsgemäßen Windkraftanlage kann die Energieversorgungseinrichtung an einem Heck der Gondel montiert sein. Bei einer Windkraftanlage ist ohnehin vorgesehen, dass die Gondel bzw. die daran angeordnete Rotoreinrichtung zur Hauptwindrichtung ausgerichtet ist (und insbesondere regelmäßig während des Betriebs nachgeführt wird, wenn sich die Hauptwindrichtung ändert).
Indem die Energieversorgungseinrichtung an dem Heck der Gondel angeordnet ist, kann automatisch die Flugvorrichtung stets optimal zur Hauptwindrichtung ausgerichtet sein. Beispielsweise kann die Energieversorgungseinrichtung in dem Heck integriert sein oder das Gehäuse der Energieversorgungseinrichtung kann an einer Außenwand des Hecks montiert sein (wie zuvor beschrieben wurde).
Alternativ kann die Energieversorgungseinrichtung an, insbesondere auf, einem Dach der Gondel montiert sein. Dies ermöglicht eine einfache Anbringung und optimale Ausrichtung der Flugvorrichtung zur Hauptwindrichtung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der anmeldungsgemäßen Windkraftanlage kann die Flugvorrichtung ein Drache sein. Ein Drache kann aus einem Gestell und einem mindestens einen Flügel bildenden Segel gebildet sein. Das Segel (beispielsweise hergestellt aus hochfesten und witterungsbeständigen Textilien) kann auf dem Gestell gespannt sein. Ein Seil kann mit dem Gestell gekoppelt bzw. verbunden sein. Der Drachen kann insbesondere so in den Wind gestellt werden, dass durch die Anströmung der Luft gegen das Drachensegel dynamischer Auftrieb entsteht und der Drachen in dem ersten Betriebsmodus nach oben steigt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der anmeldungsgemäßen Windkraftanlage kann die Flugvorrichtung mindestens eine zwischen zumindest einer ersten Flügelstellung und einer zweiten Flügelstellung verstellbare Flügeleinrichtung (die mindestens einen Flügel bildet) umfassen. Beispielsweise kann die Flügeleinrichtung durch das beschriebene Gestell, umfassend mindestens ein Segel, gebildet sein.
Die Flugvorrichtung kann bei Erreichen der Endposition eingerichtet sein zum Verstellen der Flügeleinrichtung von der ersten Flügelstellung in die zweite Flügelstellung. Dies kann beispielsweise automatisch erfolgen. Beispielsweise kann dies ausgelöst werden, wenn das Seil maximal abgewickelt ist (entspricht der Endposition) und dadurch die weitere Bewegung (in die erste Richtung) der Flugvorrichtung unmittelbar (auf 0 km/h) gebremst wird. Hierdurch kann ein Verstellmechanismus getriggert werden (durch einen entsprechenden Impuls), so dass eine automatische Verstellung der Flügeleinrichtung bewirkt wird, beispielsweise ein Klappmechanismus (mit einem Federelement) ein Zusammenklappen des mindestens einen Flügels der Flügeleinrichtung bewirkt.
Die Flugvorrichtung kann bei Erreichen der Startposition eingerichtet sein zum Verstellen der Flügeleinrichtung von der zweiten Flügelstellung in die erste Flügelstellung. Beispielsweise kann dies ausgelöst werden, wenn das Seil maximal (zulässig) aufgewickelt ist (entspricht der Startposition) und dadurch die weitere Bewegung (in die zweite Richtung) der Flugvorrichtung unmittelbar (auf 0 km/h) gebremst wird. Auch hier kann das Erreichen der Startposition automatisch den Verstellmechanismus triggern, so dass eine automatische Verstellung der Flügeleinrichtung bewirkt wird, beispielsweise ein Klappmechanismus (mit dem Federelement) ein Aufklappen des mindestens einen Flügels der Flügeleinrichtung bewirkt.
Auch kann das Erreichen (insbesondere die beschriebene abrupte Änderung der Geschwindigkeit und/oder die Begrenzung einer weiteren Bewegung in die erste bzw. zweite Bewegungsrichtung) einer Startposition bzw. einer Endposition eine Lenkungsaktion auslösen, die bewirkt, dass ein Anströmen des mindestens einen Flügels der Flugvorrichtung ermöglicht wird bzw. unterbrochen wird. Anders ausgedrückt können ein Erreichen einer maximalen oder minimalen Seilposition und ein damit verbundener (plötzliche) Stopp der Bewegung in eine bestimmte Richtung zu einer Lenkungsbewegung führen, derart, dass ein Anströmen des mindestens einen Flügels der Flugvorrichtung ermöglicht wird bzw. unterbrochen wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der anmeldungsgemäßen Windkraftanlage kann die Windkraftanlage mindestens einen mit der mindestens einen Energieversorgungseinrichtung elektrisch gekoppelten und wiederaufladbaren elektrischen Speicher (z.B. ein Lithium-Ionen-Akkumulator oder dergleichen) umfassen. Eine temporäre Speicherung der erzeugten elektrischen Energie kann erfolgen. Insbesondere kann die gespeicherte elektrische Energie bei Bedarf zur Versorgung von mindestens einem elektrischen Verbraucher der Windkraftanlage verwendet werden.
Darüber hinaus kann, gemäß einer weiteren Ausführungsform der anmeldungsgemäßen Windkraftanlage, die Windkraftanlage mindestens einen elektrischen Verbraucher (z.B. Kommunikationssysteme, Beleuchtung, Windnachführung, Luftaufbereitungssystem etc.) umfassen. Der mindestens eine elektrische Verbraucher kann in einem Normalbetriebsmodus (und/oder in einem Leerlaufmodus und/oder in einem Notstrommodus) der Windkraftanlage durch die Energieversorgungseinrichtung (und/oder durch den elektrischen Speicher) mit elektrischer Energie versorgbar sein. Anders ausgedrückt kann die Energiespeichereinrichtung nicht nur in einem Fehlerfall eingesetzt werden, sondern auch in einem Normalbetrieb.
Ein weiterer Aspekt der Anmeldung ist eine Verwendung einer Energieversorgungseinrichtung in einer Windkraftanlage (insbesondere einer zuvor beschriebenen Windkraftanlage), wobei die (insbesondere zuvor beschriebene) Energieversorgungseinrichtung mindestens eine mit mindestens einem Generator in einer Wirkverbindung stehende Flugvorrichtung umfasst, wobei in einem ersten Betriebsmodus der Energieversorgungseinrichtung die Flugvorrichtung eingerichtet ist zum sich Bewegen, durch die kinetische Energie des Winds, von einer Startposition in eine Endposition in eine erste Bewegungsrichtung, derart, dass durch den Generator elektrische Energie erzeugt wird, und wobei in einem zweiten Betriebsmodus der Energieversorgungseinrichtung die Energieversorgungseinrichtung eingerichtet ist zum Zurückführen der Flugvorrichtung von der Endposition in die Startposition, zum Versorgen der Windkraftanlage mit elektrischer Energie.
Die Windkraftanlage kann insbesondere ein Teil eines Windparks sein, insbesondere eines Offshore-Windparks. Vorzugsweise kann ein Offshore-Windpark eine Vielzahl von Offshore-Windkraftanlagen umfassen, die mit einer Offshore-Umspannstation elektrisch verbunden sein kann. Eine Offshore-Umspannstation, auch Offshore-Umspannwerk bzw. Offshore-Umspannstation genannt, kann mindestens eine elektrische Transformatoreinrichtung umfassen.
Offshore-Windkraftanlagen können vorzugsweise in Form von mindestens einem Strang (auch String genannt) angeordnet sein. Ein Strang kann zwei oder mehr Offshore-Windkraftanlagen umfassen, die elektrisch in Reihe angeordnet sind. Vorzugsweise kann eine Mehrzahl von Strängen vorgesehen sein. Ein Ende eines Strangs kann elektrisch mit der Offshore-Umspannstation gekoppelt sein.
Vorzugsweise kann, bei einem Windpark, insbesondere Offshore-Windpark, gemäß der vorliegenden Anmeldung elektrische Energie, die von einer ersten Energieversorgungseinrichtung einer ersten Windkraftanlage erzeugt wurde, (bei Bedarf) an mindestens eine weitere Windkraftanlage des Windparks übertragen werden, insbesondere über mindestens ein die mindestens zwei Windkraftanlagen elektrisch verbindendes Energiekabel, vorzugsweise ein Seekabel.
Ein installierter Zustand einer Windkraftanlage ist vorliegend insbesondere ein Zustand der Windkraftanlage, in dem die Windkraftanlage an einem bestimmten Aufstellungsort montiert ist und (für den Fall, dass kein Fehler in der elektrischen Infrastruktur der Windkraftanlage oder des Windparks der Windkraftanlage vorliegt) grundsätzlich elektrische Energie erzeugen und insbesondere über ein angeschlossenes Energiekabel abgeben kann.
Anmeldungsgemäß ist insbesondere eine Kombination zweier unabhängiger Stromerzeugersysteme ((1) Rotoreinrichtung und Generatoreinrichtung und (2) Energieversorgungseinrichtung) vorgesehen. Dies kann eine Mehrzahl von Vorteilen haben:

1) Eine erhöhte Stromproduktion ist möglich (durch Parallelbetrieb der genannten Systeme).
2) Nur eine Primärstruktur ist für die beiden Systeme erforderlich.
3) Redundanz: Fällt ein System aus, springt das zweite System ein, welches die erforderliche Notstromversorgung gewährleistet.
4) Durch die bereits sehr hohe Nabenhohe, kann die Flugvorrichtung in Höhen aufsteigen, die optimale Windbedingungen (gleichmäßig, hohe Windgeschwindigkeiten) versprechen.

Die Merkmale der Windkraftanlagen und Verwendungen sind frei miteinander kombinierbar. Insbesondere können Merkmale der Beschreibung und/oder der abhängigen Ansprüche, auch unter vollständiger oder teilweiser Umgehung von Merkmalen der unabhängigen Ansprüche, in Alleinstellung oder frei miteinander kombiniert, eigenständig erfinderisch sein.
Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die anmeldungsgemäße Windkraftanlage und die anmeldungsgemäße Verwendung auszugestalten und weiterzuentwickeln. Hierzu sei einerseits verwiesen auf die den unabhängigen Ansprüchen nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:

1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Windkraftanlage gemäß der vorliegenden Anmeldung,
2 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer in einer Windkraftanlage verwendbaren Energieversorgungseinrichtung gemäß der vorliegenden Anmeldung,
3a eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Flugvorrichtung einer Energieversorgungseinrichtung gemäß der vorliegenden Anmeldung mit einer ersten Flügelstellung, und
3b eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels der Flugvorrichtung nach 3 a mit einer zweiten Flügelstellung.

Nachfolgend werden für gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet.
Die 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Windkraftanlage 100 gemäß der vorliegenden Anmeldung. Die beispielhafte Windkraftanlage 100 ist vorliegend eine Offshore-Windkraftanlage 100. Die Offshore-Windkraftanlage 100 ist in der 1 in einem installierten Zustand dargestellt.
Wie zu erkennen ist, weist die Offshore-Windkraftanlage 100 eine auf dem Gewässerboden 126 (insbesondere ein Meeresboden 126) verankerte Gründung 124 auf. Bei anderen Varianten der Anmeldung kann es sich auch um eine schwimmende Struktur handeln. An die Gründung 124 schließt sich der Turm 122 der Offshore-Windkraftanlage 100 an. An dem Ende des Turms 122 ist eine Gondel 130 bzw. ein Maschinenhaus 130 angeordnet.
Die Offshore-Windkraftanlage 100 weist ferner eine Rotoreinrichtung 104 und eine Generatoreinrichtung 102 auf. Vorliegend ist die Generatoreinrichtung 102 in der Gondel 130 integriert. Die Rotoreinrichtung 104 weist Rotorblätter 106 auf. Die Gondel 130 kann insbesondere in die Hauptwindrichtung ausgerichtet, insbesondere nachgeführt, werden, so dass die kinetische Energie des Winds durch die Rotoreinrichtung 104 (stets möglichst optimal) in mechanische Bewegungsenergie gewandelt wird. Die Bewegungsenergie kann (wiederum) durch die Generatoreinrichtung 102 in elektrische Energie gewandelt werden kann.
Wie zu erkennen ist, kann die Rotoreinrichtung 104 mit der Generatoreinrichtung 102 insbesondere über mindestens eine Welle gekoppelt sein. Die erzeugte elektrische Energie bzw. Leistung kann beispielsweise über ein (nicht gezeigtes) Seekabel an eine Offshore-Umspannstation oder dergleichen (direkt oder indirekt) übertragen werden.
Anmeldungsgemäß weist die Offshore-Windkraftanlage 100 zudem mindestens eine Energieversorgungseinrichtung 108 auf. Die mindestens eine Energieversorgungseinrichtung 108 kann beispielsweise als Notromsystem eingesetzt werden, welches beispielsweise bei Detektion eines Fehlers in der elektrischen Infrastruktur des Windparks und/oder der Windkraftanlage aktiviert werden kann, und/oder parallel zu dem Haupttriebstrang betrieben werden, umfassend die Rotoreinrichtung 104 und die Generatoreinrichtung 102.
Die Energieversorgungseinrichtung 108 umfasst mindestens eine mit mindestens einem Generator 112 in einer Wirkverbindung 120 stehende Flugvorrichtung 114. In einem ersten Betriebsmodus der Energieversorgungseinrichtung 108 ist die Flugvorrichtung eingerichtet zum sich Bewegen, insbesondere Fliegen, angetrieben durch die kinetische Energie des Winds, von einer Startposition (siehe Bezugszeichen 116) der Flugvorrichtung 114 in eine Endposition (siehe Bezugszeichen 118) der Flugvorrichtung 114. Die Bewegung von der Start- zur Endposition erfolgt im Wesentlichen in eine erste Bewegungsrichtung (siehe Bezugszeichen 118). Durch die Wirkverbindung mit dem Generator wird in dem ersten Betriebsmodus durch die Bewegung der Flugvorrichtung 114 der Generator 112 derart angetrieben, dass elektrische Energie erzeugt wird.
Die Wirkverbindung 120 kann insbesondere eine Seilverbindung 120 umfassen. Durch die kinetische Energie des Windes fliegt die Flugvorrichtung (insbesondere ein Drachen) in die erste Bewegungsrichtung 117 und treibt damit den (Hilfs-)Generator 112 an.
In einem zweiten Betriebsmodus der Energieversorgungseinrichtung 108 ist die Energieversorgungseinrichtung 108 eingerichtet zum Zurückführen der Flugvorrichtung 114 von der Endposition in die Startposition.
In dem zweiten Betriebsmodus der Energieversorgungseinrichtung 108 ist die Flugvorrichtung 114 insbesondere eingerichtet zum Unterbrechen der Bewegung in die erste Bewegungsrichtung 117, derart, dass sich die Flugvorrichtung 114 von der Endposition in die Startposition (zurück-)bewegt (insbesondere in eine zweite Bewegungsrichtung, die entgegengesetzt zu der ersten Bewegungsrichtung 117 ist). Insbesondere fliegt die Flugvorrichtung 114 in die genannte zweite Bewegungsrichtung in dem zweiten Betriebsmodus. Vorzugsweise kann in der Endposition die Flugvorrichtung 114 derart zu dem Wind ausgerichtet sein (z.B. durch eine Änderung einer Flügelstellung und/oder einer (automatischen) Lenkaktion der Flugvorrichtung in der Endposition (z.B. getriggert durch einen Impuls aufgrund des Erreichens einer maximal möglichen Abwicklung des Seils 120), dass die Flugvorrichtung 114 (automatisch) in die Startposition (und insbesondere mit einer geringeren Energie, als zuvor erzeugt wurde) zurückkehrt.
Beispielsweise kann die Energieversorgungseinrichtung 108 derart eingerichtet sein, dass ein Erreichen einer maximalen (siehe Position 118) oder minimalen Seilposition (siehe Position 116) und ein damit verbundener (plötzliche) Stopp der Bewegung in eine bestimmte Richtung zu einer Lenkungsbewegung an der Flugvorrichtung 114 führen, derart, dass ein Anströmen des mindestens einen Flügels der Flugvorrichtung 114 ermöglicht (siehe Position 116) wird bzw. unterbrochen (siehe Position 118) wird.
Anders ausgedrückt kann in dem ersten Betriebsmodus (auch Arbeitsphase genannt) die Flugvorrichtung 114 bei maximaler Seilkraft in Achten quer zum Wind fliegen. Das Seil 120 wird herausgelassen und treibt eine Generator(-winde) 112 an. In dem zweiten Betriebsmodus (auch Rückholphase genannt) kann die Flugvorrichtung 114 den „Achtenflug“ unterbrechen und auf (nahezu) direktem Weg (schnell und mit geringer Kraft) zur Ausgangshöhe bzw. Startposition zurückkehren. Dann kann erneut in den ersten Betriebsmodus gewechselt werden (usw.).
Die elektrische Energie kann direkt im Maschinenhaus bzw. der Gondel erzeugt werden oder wie vorliegend in einem separaten Gehäuse 110. Von dort kann auch die Steuerung der Flugvorrichtung 114 erfolgen. Start, Betrieb und Landung der Flugvorrichtung 114 können insbesondere vollautomatisch ablaufen.
Wie ferner zu erkennen ist, weist die Energieversorgungseinrichtung 108 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Gehäuse 110 auf, in dem zumindest der Generator 112 integriert ist. Das Gehäuse 110 ist vorliegend an einer Außenwand 136 der Gondel 130 montiert ist, insbesondere am Heck 138 der Gondel 130. Bei anderen Varianten der Anmeldung kann die Energieversorgungseinrichtung zumindest teilweise in der Gondel integriert sein. Beispielsweise kann zumindest der Generator in der Gondel integriert sein.
Beispielhaft ist ferner ein (interner) elektrischer Verbraucher 132 der Windkraftanlage 100 dargestellt. Es versteht sich, dass bei anderen Varianten der Anmeldung die Windkraftanlage auch zwei oder mehr elektrische Verbraucher (z.B. Kommunikationssysteme, Beleuchtung, Windnachführung, Luftaufbereitungssystem etc.) aufweisen kann.
Optional verfügt die Windkraftanlage 100 über mindestens einen wiederaufladbaren elektrischen Speicher 134 (z.B. ein Akkumulator 134). Der elektrische Speicher 134 ist insbesondere mit der Energieversorgungseinrichtung 108 und dem mindestens einen elektrischen Verbraucher 132 verbunden. Insbesondere kann erzeugte elektrische Energie gespeichert und/oder abgegeben werden.
Mit dem Bezugszeichen 128 ist die Wasseroberfläche bezeichnet, insbesondere die Meeresoberfläche.
Die 2 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer in/ an einer Windkraftanlage (z.B. Windkraftanlage 100) verwendbaren Energieversorgungseinrichtung 208 gemäß der vorliegenden Anmeldung. Die dargestellte Energieversorgungseinrichtung 208 umfasst ein Gehäuse 210. Für den Fall, dass die Energieversorgungseinrichtung zumindest teilweise in der Windkraftanlage, beispielsweise der Gondel, integriert ist, kann das Gehäuse auch entfallen.
Die Energieversorgungseinrichtung 208 weist einen Generator 212 und eine drehbare Seiltrommel 240 auf. Der Generator 212 ist mechanisch mit der Seiltrommel 240 über eine (Trommel-)Welle 244 gekoppelt. Insbesondere kann eine Drehbewegung der Seiltrommel 240 an den Generator 212 übertragen werden. Diese mechanische Bewegung kann der Generator 212 in elektrische Energie wandeln. Insbesondere kann die (Trommel-)Welle 244 an dem Rotor des Generators 212 befestigt sein. In Wechselwirkung mit dem Stator des Generators 212 kann Strom generiert werden.
Auf der Seiltrommel 240 ist vorliegend ein Seil 242 (teilweise) aufgewickelt, welches zumindest teilweise die Wirkverbindung 220 bildet. Ein erstes Ende des Seils 240 ist durch eine Gehäuseöffnung nach außen geführt und mit der Flugvorrichtung 214 (fest) verbunden. Die Flugvorrichtung kann insbesondere ein Drachen 214 sein. Der Drache 214 kann insbesondere eine Flügeleinrichtung 246 sein. Das andere Ende des Seils 242 ist insbesondere an der Seiltrommel 240 (oder beispielsweise dem Gehäuse 210) (fest) befestigt.
In einem ersten Betriebsmodus der Energieversorgungseinrichtung 208 wird in der vorliegenden Ausgestaltung das Seil 242 von der Seiltrommel 240 durch die Bewegung der Flugvorrichtung 214 (vollständig) abgewickelt und bewirkt durch die Abwicklung insbesondere eine Drehbewegung der Seiltrommel 240. Durch die Kopplung zwischen dem Generator 212 und der Seiltrommel 240 über die Welle 244 kann diese Drehbewegungsenergie durch den Generator 212 in elektrische Energie gewandelt werden.
In dem zweiten Betriebsmodus wird das Seil 242 wieder auf die Seiltrommel 240 aufgewickelt. Dies kann beispielsweise durch ein (nicht gezeigtes) Federelement, das in der Seiltrommel 240 integriert ist, unterstützt werden.
Die Flugvorrichtung 214 kann optional über einen Verstellmechanismus 248 verfügen. Die Funktionsweise des optionalen Verstellmechanismus 248 wird nachfolgend näher mit Hilfe der 3a und 3b beschrieben.
Die 3a zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Flugvorrichtung 314 einer Energieversorgungseinrichtung gemäß der vorliegenden Anmeldung mit bzw. in einer ersten Flügelstellung, insbesondere eine ausgeklappte Flügelstellung. Die 3b zeigt eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels nach 3a mit bzw. in einer zweiten Flügelstellung, insbesondere eine eingeklappte Flügelstellung.
Der Drache 314 kann insbesondere eine Flügeleinrichtung 346 mit einem (nicht gezeigten) Gestell und einem darauf gespannten Segel 352 umfassen, um mindestens einen von Luft anströmbaren Flügel zu bilden. Die Flügeleinrichtung 346 kann insbesondere zwischen zwei Flügelstellungen (aus- und eingeklappt) durch einen (mechanischen) Verstellmechanismus 348 verstellbar sein.
Der Verstellmechanismus 348 kann mindestens ein aktuierbares (nicht gezeigtes) Federelement aufweisen, welches beispielsweise (in zuvor beschriebener Weise) bei Erreichen der Startposition und/oder der Endposition ausgelöst werden kann, dass ein Verstellen der Flügeleinrichtung von der ersten Flügelstellung in die zweite Flügelstellung bzw. von der zweiten Flügelstellung in die erste Flügelstellung bewirkt wird. Während die zweite Flügelstellung ein (ausreichendes) Anströmen des mindestens einen Flügels verhindert (und somit ein Zurückkehren zur Startposition vorteilhafterweise unterstützt), ermöglicht die erste Flügelstellung ein (optimales) Anströmen, so dass die Flugvorrichtung 314 in die Endposition bewegt wird.

Claims

Windkraftanlage (100), insbesondere Offshore-Windkraftanlage (100), umfassend: - mindestens eine mit mindestens einer Generatoreinrichtung (102) gekoppelte Rotoreinrichtung (104), - wobei die Generatoreinrichtung (102) eingerichtet ist zum Generieren von elektrischer Energie aus der Bewegungsenergie der Rotoreinrichtung (104), und - mindestens eine Energieversorgungseinrichtung (108, 208), dadurch gekennzeichnet, dass - die mindestens eine Energieversorgungseinrichtung (108, 208) mindestens eine mit mindestens einem Generator (112, 212) in einer Wirkverbindung stehende Flugvorrichtung (114, 214, 314) umfasst, - wobei in einem ersten Betriebsmodus der Energieversorgungseinrichtung (108, 208) die Flugvorrichtung (114, 214, 314) eingerichtet ist zum sich Bewegen, durch die kinetische Energie des Winds, von einer Startposition in eine Endposition in eine erste Bewegungsrichtung, derart, dass durch den Generator (112, 212) elektrische Energie erzeugt wird, und - wobei in einem zweiten Betriebsmodus der Energieversorgungseinrichtung (108, 208) die Energieversorgungseinrichtung (108, 208) eingerichtet ist zum Zurückführen der Flugvorrichtung (114, 214, 314) von der Endposition in die Startposition.
Windkraftanlage (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die Energieversorgungseinrichtung (108, 208) mindestens eine Seiltrommel (240) mit einem auf der Seiltrommel (240) aufwickelbaren Seil (242) umfasst, - wobei ein Seilende des Seils (242) mit der Flugvorrichtung (114, 214, 314) gekoppelt ist, und - wobei eine Welle (244) der Seiltrommel (240) mit dem Generator (112, 212) gekoppelt ist.
Windkraftanlage (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass - die Energieversorgungseinrichtung (108, 208) an einer Gondel (130) der Windkraftanlage (100) angeordnet ist.
Windkraftanlage (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass - die Energieversorgungseinrichtung (108, 208) an einer Außenwand (136) der Gondel (130) montiert ist.
Windkraftanlage (100) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass - die Energieversorgungseinrichtung (108, 208) an einem Heck (138) der Gondel (130) montiert ist, oder - die Energieversorgungseinrichtung (108, 208) an einem Dach der Gondel (130) montiert ist.
Windkraftanlage (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Flugvorrichtung (114, 214, 314) ein Drache (114, 214, 314) ist.
Windkraftanlage (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Flugvorrichtung (114, 214, 314) mindestens eine zwischen zumindest einer ersten Flügelstellung und einer zweiten Flügelstellung verstellbare Flügeleinrichtung (346) umfasst, - wobei die Flugvorrichtung (114, 214, 314) bei Erreichen der Endposition eingerichtet ist zum Verstellen der Flügeleinrichtung (346) von der ersten Flügelstellung in die zweite Flügelstellung, und - wobei die Flugvorrichtung (114, 214, 314) bei Erreichen der Startposition eingerichtet ist zum Verstellen der Flügeleinrichtung (246, 346) von der zweiten Flügelstellung in die erste Flügelstellung.
Windkraftanlage (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Windkraftanlage (100) mindestens einen mit der mindestens einen Energieversorgungseinrichtung (108, 208) elektrisch gekoppelten und wiederaufladbaren elektrischen Speicher (134) umfasst.
Windkraftanlage (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Windkraftanlage (100) mindestens einen elektrischen Verbraucher (132) umfasst, - wobei der mindestens eine elektrische Verbraucher (132) in einem Normalbetriebsmodus der Windkraftanlage (100) durch die Energieversorgungseinrichtung (108, 208) mit elektrischer Energie versorgbar ist.
Verwendung einer Energieversorgungseinrichtung (108, 208) in einer Windkraftanlage (100), wobei die Energieversorgungseinrichtung (108, 208) mindestens eine mit mindestens einem Generator (112, 212) in einer Wirkverbindung stehende Flugvorrichtung (114, 214, 314) umfasst, wobei in einem ersten Betriebsmodus der Energieversorgungseinrichtung (108, 208) die Flugvorrichtung (114, 214, 314) eingerichtet ist zum sich Bewegen, durch die kinetische Energie des Winds, von einer Startposition in eine Endposition in eine erste Bewegungsrichtung (117), derart, dass durch den Generator (112, 212) elektrische Energie erzeugt wird, und wobei in einem zweiten Betriebsmodus der Energieversorgungseinrichtung (108, 208) die Energieversorgungseinrichtung (108, 208) eingerichtet ist zum Zurückführen der Flugvorrichtung (114, 214, 314) von der Endposition in die Startposition, zum Versorgen der Windkraftanlage (100) mit elektrischer Energie.