DE102020100151A1

DE102020100151A1 - Windkraftanlage, insbesondere Offshore-Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102020100151A1
Application number: DE102020100151.7A
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, 400, 500), insbesondere Offshore-Windkraftanlage (100, 400, 500), umfassend mindestens eine mit mindestens einer Generatoreinrichtung (102) gekoppelte Rotoreinrichtung (104, 404), wobei die Generatoreinrichtung (102) eingerichtet ist zum Generieren von elektrischer Energie aus der Bewegungsenergie der Rotoreinrichtung (104, 404), und mindestens eine Energieversorgungseinrichtung (120, 220, 320, 420, 520), wobei die mindestens eine Energieversorgungseinrichtung (120, 220, 320, 420, 520) eingerichtet ist zum Wandeln der in einem installierten Zustand der Windkraftanlage (100, 400, 500) an der Windkraftanlage (100, 400, 500) auftretenden Schwingungen und/oder Vibrationen in elektrische Energie.

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 Windparkfehler 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, nach Anspruch 1. 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 ist eingerichtet zum Wandeln der in einem installierten Zustand der Windkraftanlage an der Windkraftanlage auftretenden Schwingungen und/oder Vibrationen (zumindest teilweise) in elektrische Energie.
Im Gegensatz zum Stand der Technik wird anmeldungsgemäß eine Windkraftanlage mit einer internen Energieversorgungseinrichtung bereitgestellt, die eine umweltschonende und aufwandsarme Energieversorgung der Windkraftanlage ermöglicht, indem die Windkraftanlage mit einer Energieversorgungseinrichtung ausgestattet ist, die an der Windkraftanlage auftretende Schwingungen und/oder Vibrationen (bzw. die entsprechenden Schwingungs- und/oder Vibrationsenergien) in elektrischer Energie wandelt. Insbesondere ist anmeldungsgemäß erkannt worden, dass mindestens ein Bauteil einer installierten Windkraftanlage (regelmäßig) schwingt und/oder vibriert und diese mechanische Energie in elektrische Energie gewandelt werden kann.
Die Schwingungen und/oder Vibrationen werden bei einer Onshore-Windkraftanlage zumindest temporär insbesondere durch den Wind verursacht. Bei einer bevorzugten Offshore-Windkraftanlage sind an mindestens einem Bauteil der Offshore-Windkraftanlage, wie dem Turm, der Gondel, mindestens einem Rotorblatt, der Gründung etc. (nahezu) dauerhaft Schwingungen und/Vibrationen vorhanden, hervorgerufen durch den Wind und/oder den Seegang bzw. der Wellenbewegung bzw. Wasserströmung.
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 ist eingerichtet, mechanische Schwingungen und/oder Vibrationen (bzw. die entsprechende mechanische Energie) in elektrische Energie zu wandeln. Insbesondere ist die mindestens eine Energieversorgungseinrichtung eingerichtet zum Wandeln der in einem installierten Zustand der Windkraftanlage an der Windkraftanlage, insbesondere an mindestens einem Bauteil der Windkraftanlage, (zumindest temporär) auftretenden Schwingungen und/oder Vibrationen in elektrische Energie.
Vorzugsweise kann die Energieversorgungseinrichtung in einer Wirkverbindung mit mindestens einem Bauteil der Windkraftanlage stehen, an dem (zumindest temporär in einem Installationszustand) Schwingungen und/oder Vibrationen auftreten. Insbesondere ist die Wirkverbindung zwischen dem mindestens einem Bauteil und der Energieversorgungseinrichtung derart, dass die mechanische Schwingungen und/oder Vibrationen in elektrische Energie durch die Energieversorgungseinrichtung wandelbar sind.
Ein installierter Zustand der 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.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der anmeldungsgemäßen Windkraftanlage kann die mindestens eine Energieversorgungseinrichtung mindestens ein Piezoelement umfassen, eingerichtet zum Wandeln einer durch die Schwingungen und/oder Vibrationen bewirkte mechanische Verformung des Piezoelements (insbesondere eines piezoelektrischen Materials) in elektrische Energie. Vorzugsweise kann eine Mehrzahl von Piezoelementen (beispielsweise gestapelt) vorgesehen sein.
Ein Piezoelement gemäß der vorliegenden Anmeldung umfasst insbesondere zwei Elektroden und ein zwischen den Elektroden angeordnetes piezoelektrisches Material. Eine mechanische Verformung des piezoelektrischen Materials bewirkt eine elektrische Spannung an den Elektroden, die abgegriffen werden kann. Vorzugsweise kann das mindestens eine Piezoelement derart mit dem mindestens einen Bauteil in einer Wirkverbindung stehen, dass eine Schwingung und/oder Vibration des Bauteils eine (korrespondierende) mechanische Verformung des Piezoelements (insbesondere des piezoelektrischen Materials) bewirkt, so dass elektrische Energie durch das Piezoelement erzeugt wird.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der anmeldungsgemäßen Windkraftanlage kann das mindestens eine Piezoelement mindestens eine piezoelektrische Faser (bzw. Fasergruppe, die aus einer Mehrzahl von z.B. verseilten Einzelfasern gebildet ist) umfassen. Insbesondere kann eine Mehrzahl von piezoelektrischen Fasern (bzw. Fasergruppen) vorgesehen sein. Beispielsweise kann an einem ersten Ende der mindestens einen piezoelektrischen Faser (bzw. Fasergruppe) eine erste Elektrode und an dem weiteren Ende der mindestens einen piezoelektrischen Faser (bzw. Fasergruppe) eine weitere Elektrode angeordnet sein. Wird die Faser (bzw. Fasergruppe) gedehnt und/oder gestaucht, kann diese mechanische Bewegung in elektrische Energie gewandelt werden.
Vorzugsweise kann, gemäß einer weiteren Ausführungsform der anmeldungsgemäßen Windkraftanlage, das mindestens eine Piezoelement in einer flächigen Verbundschicht eingebettet sein. Eine Verbundschicht kann insbesondere elastisch sei. Insbesondere kann die mindestens eine piezoelektrische Faser (bzw. Fasergruppe) in einer als Verbundwerkstoff gebildeten flächigen Verbundschicht (bzw. Schichtgebilde) eingebettet sein. An den gegenüberliegenden Enden der mindestens einen Faser (bzw. Fasergruppe) können jeweils Elektroden angeordnet sein. Insbesondere kann in dem flächigen Verbundwerkstoff eine Mehrzahl von (nahezu) parallel verlaufenden piezoelektrischen Fasern bzw. Fasergruppen zwischen den zumindest zwei Elektroden angeordnet sein.
Der Vorteil einer flächigen Verbundschicht (die beispielsweise aus einer Mehrzahl von miteinander (elektrisch) gekoppelten Einzelverbundschichten gebildet sein kann) insbesondere in Form eines Verbundwerkstoffs mit vorzugsweise einer Mehrzahl von integrierten piezoelektrischen Fasern bzw. Fasergruppen ist, dass die Verbundschicht in einfacher Weise mit dem mindestens einen Bauteil der Windkraftanlage gekoppelt werden kann, derart, dass eine Schwingung und/oder Vibration des Bauteils eine (korrespondierende) mechanische Verformung der Verbundschicht bewirkt.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der anmeldungsgemäßen Windkraftanlage kann die flächige Verbundschicht (insbesondere der beschriebene flächige Verbundwerkstoff) an mindestens einem Bauelement der Windkraftanlage befestigt sein, derart, dass Schwingungen und/oder Vibrationen des Bauelements auf die Verbundschicht übertragen werden. Insbesondere meint dies, dass durch die Schwingungen und/oder Vibrationen des Bauelements bei einer Verbundschicht mit einer Mehrzahl von piezoelektrischen Fasern (bzw. Fasergruppen) diese Fasern (bzw. Fasergruppen) entsprechend den Schwingungen und/oder Vibrationen gedehnt und gestaucht werden. So kann selbst aus kleinsten Schwingungen und/oder Vibrationen elektrischer Strom gewonnen werden.
Vorzugsweise kann die mindestens eine Verbundschicht zumindest teilweise stoffschlüssig mit dem mindestens einen Bauteil verbunden sein. Beispielsweise kann eine Verklebung (wie eine Punktverklebung), Verschweißung (wie eine Punktverschweißung) und/oder dergleichen erfolgen.
Insbesondere ist erkannt worden, dass bei einer Windkraftanlage in einem installierten Zustand an folgenden Bauteilen (erhöhte) Schwingungen und/oder Vibrationen auftreten:

- Turm,
- Gondel, und
- Rotorblatt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der anmeldungsgemäßen Windkraftanlage kann die flächige Verbundschicht (zumindest) an dem Turm der Windkraftanlage befestigt sein, insbesondere an der Innenseite einer Turmwand des Turms. Die Innenseite der Turmwand ist bevorzugt, um die flächige Verbundschicht vor Umgebungseinflüssen zu schützen. Vorzugsweise kann die Innenseite einer Turmwand (nahezu) vollflächig mit mindestens einer flächigen Verbundschicht ausgekleidet sein.
Alternativ oder zusätzlich kann die flächige Verbundschicht (zumindest) an mindestens einem Rotorblatt (vorzugsweise an sämtlichen Rotorblättern) der Rotoreinrichtung befestigt sein, insbesondere an einer sich (während des Betriebs der Windkraftanlage) im Windschatten befindlichen Seite des mindestens einen Rotorblatts und/oder an einer Innenwand des Rotorblatts. In diesem Fall kann zur Übertragung der erzeugten elektrischen Energie in der Rotoreinrichtung vorzugsweise ein Schleifring (oder dergleichen) integriert sein. Der mindestens eine Schleifring ermöglicht insbesondere eine elektrische Leistungsübertragung zwischen den gegeneinander rotierenden Komponenten der Rotoreinrichtung. Vorzugsweise kann im Windschatten befindliche Seite des mindestens einen Rotorblatts (nahezu) vollflächig mit mindestens einer flächigen Verbundschicht ausgekleidet sein. Ein Rotorblatt kann besonders bevorzugt sein, da an einem Rotorblatt erhebliche Schwingungen und/oder Vibrationen (nahezu kontinuierlich) auftreten.
Alternativ oder zusätzlich kann die flächige Verbundschicht an einer Gondel der Windkraftanlage befestigt sein, insbesondere an der Innenseite der Gondel. Die Innenseite der Gondel ist bevorzugt, um die flächige Verbundschicht vor Umgebungseinflüssen zu schützen. Vorzugsweise kann die Innenseite einer Gondel (nahezu) vollflächig mit mindestens einer flächigen Verbundschicht ausgekleidet sein.
Gemäß einer weiteren (alternativen oder zusätzlichen) Ausführungsform der anmeldungsgemäßen Windkraftanlage kann die Windkraftanlage mindestens einen Schwingungstilger aufweisen. Eine Windkraftanlage kann beispielsweise über einen Schwingungstilger verfügen, um zumindest in einem installierten Zustand der Windkraftanlage auftretende Schwingungen zu reduzieren. Beispielsweise kann der mindestens eine Schwingungstilger in dem Turm der Windkraftanlage integriert sein.
Es ist anmeldungsgemäß erkannt worden, dass ein (ohnehin) installierter Schwingungstilger genutzt werden kann, um aus den Schwingungen und/oder Vibrationen mindestens eines Bauteils (z.B. des Turms) der Windkraftanlage elektrische Energie zu generieren. So schwingt ein Turm, insbesondere in einem Ruhe- bzw. Leerlaufmodus (auch „idle mode“ genannt), also ein Betriebsmodus, in dem der Rotor bzw. die Rotoreinrichtung lediglich trudeln kann, was u.a. bei einem Fehler (z.B. Netzfehler und/oder Netzausfall) in der elektrischen Infrastruktur der Windkraftanlage und/oder des Windparks zutrifft, recht stark.
Besonders bevorzugt kann gemäß einer weiteren Ausführungsform die mindestens eine Energieversorgungseinrichtung mindestens einen mit dem Schwingungstilger derart in einer Wirkverbindung stehenden Schwingungstilger-Generator umfassen, dass eine mechanische Bewegung des Schwingungstilgers durch den Schwingungstilger-Generator in elektrische Energie gewandelt wird. In besonders einfacher Weise kann elektrische Energie aus auftretenden Schwingungen und/oder Vibrationen (insbesondere bei Detektion eines in der elektrischen Infrastruktur der Windkraftanlage und/oder des Windparks) generiert werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann der Schwingungstilger mindestens einen sich bewegenden Teil (auch Rotor genannt) mit integrierten Permanentmagneten und mindestens einem fest an dem Turm bzw. der Turmstruktur befestigtem Teil (auch Stator genannt) mit integrierten elektrischen Spulen aufweisen. Bewegt sich der Rotor im Rahmen seiner Dämpfungsaktivitäten, kann durch das Magnetfeld ein Strom in den Spulen induziert werden, so dass der die Bewegung verursachenden Schwingung entgegen gewirkt wird.
Anmeldungsgemäß ist insbesondere erkannt worden, dass der sich bewegenden Teil mit einem Schwingungstilger-Generator gekoppelt werden kann, insbesondere über eine Welle. Eine Bewegung des sich bewegenden Teils bewirkt vorzugsweise eine Drehung der Welle. Diese Drehbewegung kann von dem Schwingungstilger-Generator in elektrische Energie gewandelt werden.
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 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 eingerichtet ist zum Wandeln der in einem installierten Zustand der Windkraftanlage an der Windkraftanlage auftretenden Schwingungen und/oder Vibrationen in elektrische Energie, 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.
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.

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,
3 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer weiteren in einer Windkraftanlage verwendbaren Energieversorgungseinrichtung gemäß der vorliegenden Anmeldung,
4 eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Windkraftanlage gemäß der vorliegenden Anmeldung, und
5 eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Windkraftanlage gemäß der vorliegenden Anmeldung.

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 116 (insbesondere ein Meeresboden 116) verankerte Gründung 112 auf. Bei anderen Varianten kann auch eine schwimmende Struktur vorgesehen sein. An die Gründung 112 schließt sich der Turm 110 der Offshore-Windkraftanlage 100 an. An dem Ende des Turms 110 ist eine Gondel 108 bzw. ein Maschinenhaus 108 angeordnet.
Die Offshore-Windkraftanlage 100 weist ferner eine Rotoreinrichtung 104 und eine Generatoreinrichtung 102 auf. Vorliegend ist die Generatoreinrichtung 102 in der Gondel 108 integriert. Die Rotoreinrichtung 104 weist Rotorblätter 106 auf. Die Gondel 108 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 eine Energieversorgungseinrichtung 120 auf. Die Energieversorgungseinrichtung 120 ist eingerichtet zum Wandeln der in dem gezeigten installierten Zustand der Windkraftanlage 100 an der Windkraftanlage 100 auftretenden Schwingungen und/oder Vibrationen (bzw. die entsprechende mechanische Energie) in elektrische Energie. Die Schwingungen und/oder Vibrationen können insbesondere von dem Wind und/oder dem Seegang bzw. Wellen bzw. Strömung verursacht werden.
Beispielhaft ist ferner ein (interner) elektrischer Verbraucher 122 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 124 (z.B. ein Akkumulator 124). Der elektrische Speicher 124 ist insbesondere mit der Energieversorgungseinrichtung 120 und dem mindestens einen elektrischen Verbraucher verbunden. Insbesondere kann erzeugte elektrische Energie gespeichert und/oder abgegeben werden.
Mit dem Bezugszeichen 114 ist die Wasseroberfläche bezeichnet, insbesondere die Meeresoberfläche.
Die 2 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer in einer Windkraftanlage (z.B. die zuvor beschriebene Windkraftanlage 100) verwendbaren Energieversorgungseinrichtung 220 gemäß der vorliegenden Anmeldung.
Die Energieversorgungseinrichtung 220 umfasst mindestens ein Piezoelement 230 mit einem zwischen zwei (gegenüberliegenden) Elektroden 234, 236 angeordneten piezoelektrischen Material 232. Das Piezoelement 230 ist insbesondere ein elastisches Element 230. Durch eine mechanische Verformung, insbesondere durch Verringerung der Dicke 238 auf die Dicke 240 kann eine elektrische Spannung zwischen den Elektroden 234, 236 erzeugt werden.
Insbesondere kann zur Erzeugung von elektrischer Energie eine Mehrzahl von Piezoelement in Reihe geschaltet werden (alternativ ist auch eine Parallelschaltung möglich).
Die 3 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer weiteren in einer Windkraftanlage (z.B. Windkraftanlage 100) verwendbaren Energieversorgungseinrichtung 320 gemäß der vorliegenden Anmeldung. Die Energieversorgungseinrichtung 320 umfasst mindestens ein Piezoelement 330.
Das mindestens eine Piezoelement 330 kann mindestens eine piezoelektrische Faser 352 bzw. eine Fasergruppe 352 umfassen, die beispielsweise aus mehreren verseilten Einzelfasern gebildet sein kann. Insbesondere kann eine Mehrzahl von piezoelektrischen Fasern 352 bzw. Fasergruppen 352 angeordnet sein.
Beispielsweise kann an einem ersten Ende der mindestens einen piezoelektrischen Faser bzw. Fasergruppe 352 eine erste Elektrode 334 und an dem weiteren Ende der mindestens einen piezoelektrischen Faser bzw. Fasergruppe 352 eine weitere Elektrode 336 angeordnet sein. Wird die mindestens eine Faser bzw. Fasergruppe 352 gedehnt (siehe Bezugszeichen 356) und/oder gestaucht (siehe Bezugszeichen 354), kann diese mechanische Bewegung (eine in x-Richtung verlaufende Bewegung) in elektrische Energie gewandelt werden.
Die Fasern bzw. Fasergruppen 352 sind vorliegend in einer flächigen Verbundschicht 350, vorzugsweise in Form eines Verbundwerkstoffes 350, eingebettet. Eine solche Verbundschicht 350, auch piezoelektrische Faserverbundschicht 350 genannt, kann in einfacher Weise mit mindestens einem Bauteil einer Windkraftanlage gekoppelt werden, beispielsweise stoffschlüssig an dem Bauteil befestigt werden.
Wie zu erkennen ist, verlaufen vorliegend eine Vielzahl von Fasern bzw. Fasergruppen 352 (nahezu) parallel.
Bei anderen Varianten der Anmeldung kann zusätzlich eine Mehrzahl von weiteren piezoelektrischen Fasern bzw. Fasergruppe vorgesehen sein, die vertikal zu den dargestellten Fasern 352 bzw. parallel zu den dargestellten Elektroden 334, 336 verlaufen. An den gegenüberliegenden Enden dieser Fasern bzw. Fasergruppen können wiederum Elektroden angeordnet sein. Hierdurch kann eine in y-Richtung (vertikal zur x-Richtung) erfolgende mechanische Verformung und eine in x Richtung erfolgende mechanische Verformung in elektrische Energie gewandelt werden. Der Energieertrag kann noch weiter erhöht werden.
Die 4 zeigt eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Windkraftanlage 400 (insbesondere eine Offshore-Windkraftanlage 400) gemäß der vorliegenden Anmeldung. Es sei angemerkt, dass zur besseren Übersicht auf die Darstellung von bestimmten Details (wie z.B. den piezoelektrischen Fasern und/oder die elektrische interne Verkabelung (z.B. ein Schleifring) der Energieversorgungseinrichtungen 420) verzichtet wurde. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird zudem auf die obigen Ausführungen verwiesen und nachfolgend im Wesentlichen nur die Unterschiede zu den Ausführungsbeispielen nach den 1 bis 3 beschrieben.
Wie in der 4 zu erkennen ist, kann mindestens eine Energieversorgungseinrichtung 420 mit einer (zuvor beispielhaft beschriebenen) Verbundschicht 450 an dem Turm 410, insbesondere einer Innenseite 464 der Turmwand, befestigt sein.
Insbesondere kann die flächige Verbundschicht 450 an einer Innenseite 464 einer umlaufenden Turmwand des Turms 410 derart (stoffschlüssig) befestigt sein, dass Schwingungen und/oder Vibrationen des Turms 410 auf die Verbundschicht 450 übertragen werden. Elektrische Energie kann dann aus der mechanischen Bewegung (insbesondere dem Dehnen und Stauchen) erzeugt werden. Vorzugsweise kann die Innenseite 464 nahezu vollständig mit einer Verbundschicht 450 ausgekleidet sein.
Alternativ oder vorzugsweise zusätzlich kann mindestens eine Energieversorgungseinrichtung 420 mit einer (zuvor beispielhaft beschriebenen) Verbundschicht 450 an der Gondel 408, insbesondere an der Innenseite 462 der Gondel 408, (stoffschlüssig) befestigt sein. Insbesondere kann die Verbundschicht 450 an einer Innenseite 462 einer umlaufenden Gondelwand derart befestigt sein, dass Schwingungen und/oder Vibrationen der Gondel 408 auf die Verbundschicht 450 übertragen werden. Elektrische Energie kann dann aus der mechanischen Bewegung (insbesondere dem Dehnen und Stauchen) erzeugt werden. Vorzugsweise kann die Innenseite 462 nahezu vollständig mit einer Verbundschicht 450 ausgekleidet sein.
Alternativ oder vorzugsweise zusätzlich kann mindestens eine Energieversorgungseinrichtung 420 mit einer (zuvor beispielhaft beschriebenen) Verbundschicht 450 an mindestens einem Rotorblatt 406, insbesondere an einer sich im Windschatten befindlichen Seite 460 des mindestens einen Rotorblatts 406, (stoffschlüssig) befestigt sein. Besonders bevorzugt kann die Verbundschicht 450 an einer Innenseite des Rotorblatts 406 befestigt sein oder diese bilden.
Vorzugsweise kann jedes Rotorblatt 406 über eine Verbundschicht 450 verfügen. Insbesondere kann die Verbundschicht 450 an einer sich im Windschatten befindlichen Seite 460 des mindestens einen Rotorblatts 406 derart befestigt sein, dass Schwingungen und/oder Vibrationen des Rotorblatts 406 auf die Verbundschicht 450 übertragen werden. Elektrische Energie kann dann aus der mechanischen Bewegung (insbesondere dem Dehnen und Stauchen) erzeugt werden. Vorzugsweise kann die Seite 460 nahezu vollständig mit einer Verbundschicht 450 ausgekleidet sein.
Die 5 zeigt eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Windkraftanlage 500 gemäß der vorliegenden Anmeldung. Es sei angemerkt, dass zur besseren Übersicht auf die Darstellung von bestimmten Details (z.B. eine Lagerung des mindestens einen Schwingungstilger-Generators 580, 584 und/oder die elektrische Verkabelung (z.B. ein Schleifring) des Schwingungstilger-Generators 580, 584) verzichtet wurde. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird zunächst auf die obigen Ausführungen verwiesen und im Wesentlichen nur die Unterschiede zu den Ausführungsbeispielen nach den 1 bis 4 beschrieben.
Die Windkraftanlage 500 kann mindestens einen Schwingungstilger 570 aufweisen. Der Schwingungstilger 570 kann vorzugsweise in einem Turm 510 der Windkraftanlage 500 installiert sein.
Bei der gezeigten Ausführungsform kann der Schwingungstilger 570 mindestens einen sich bewegenden Teil 576 (auch Rotor 576 genannt) mit integrierten (nicht gezeigten) Permanentmagneten und mindestens einem fest an dem Turm 510 bzw. der Turmstruktur (insbesondere an der Innenseite 562 der Turmwand mittels Befestigungsmittel 574) befestigten Teil 572 (auch Stator 572 genannt) mit integrierten (nicht gezeigten) elektrischen Spulen aufweisen.
Bewegt sich der Rotor 576 im Rahmen seinen Dämpfungsaktivitäten wird durch das Magnetfeld ein Strom in die Spulen induziert, so dass der die Bewegung verursachenden Schwingung entgegen gewirkt wird.
Anmeldungsgemäß ist insbesondere erkannt worden, dass der sich bewegenden Teil mit mindestens einem Schwingungstilger-Generator 580, 584 gekoppelt werden kann, insbesondere über (jeweils) eine Welle 578, 582. Eine Bewegung des sich bewegenden Teils 576 bewirkt vorzugsweise eine Drehung der Welle 578. Diese Drehbewegung kann von dem mindestens einen Schwingungstilger-Generator 580, 584 in elektrische Energie gewandelt werden.
Anders ausgedrückt kann durch Schwingungen und/oder Vibrationen des Turmes 510 der Läufer 576 auf der Laufbahn 572 in Bewegung versetz werden. Durch diese Bewegung wird die am Läufer 576 befestigte Welle 578, 582 gedreht. Die andere Seite der Welle 578, 582 ist insbesondere an dem Rotor eines Schwingungstilger-Generators 580, 584 befestigt. In Wechselwirkung mit dem Stator des Schwingungstilger-Generators 580, 584 kann Strom generiert werden.
Vorzugsweise können zur Erhöhung des Energieertrags zwei gegenüberliegende Schwingungstilger-Generatoren 580, 584 vorgesehen sein.
Bei anderen Varianten kann in einer Windkraftanlage auch die in 5 dargestellte Ausführungsform einer Energieversorgungseinrichtung 520 mit mindestens einer Ausführungsform einer Energieversorgungseinrichtung 420 der 4 kombiniert werden.

Claims

Windkraftanlage (100, 400, 500), insbesondere Offshore-Windkraftanlage (100, 400, 500), umfassend: - mindestens eine mit mindestens einer Generatoreinrichtung (102) gekoppelte Rotoreinrichtung (104, 404), - wobei die Generatoreinrichtung (102) eingerichtet ist zum Generieren von elektrischer Energie aus der Bewegungsenergie der Rotoreinrichtung (104, 404), und - mindestens eine Energieversorgungseinrichtung (120, 220, 320, 420, 520), dadurch gekennzeichnet, dass - die mindestens eine Energieversorgungseinrichtung (120, 220, 320, 420, 520) eingerichtet ist zum Wandeln der in einem installierten Zustand der Windkraftanlage (100, 400, 500) an der Windkraftanlage (100, 400, 500) auftretenden Schwingungen und/oder Vibrationen in elektrische Energie.
Windkraftanlage (100, 400, 500) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die mindestens eine Energieversorgungseinrichtung (120, 220, 320, 420, 520) mindestens ein Piezoelement (230, 330) umfasst, eingerichtet zum Wandeln einer durch die Schwingungen und/oder Vibrationen bewirkte mechanische Verformung des Piezoelements (230, 330) in elektrische Energie.
Windkraftanlage (100, 400, 500) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass - das mindestens eine Piezoelement (230, 330) mindestens eine piezoelektrische Faser (352) umfasst.
Windkraftanlage (100, 400, 500) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass - das mindestens eine Piezoelement (230, 330) in einer flächigen Verbundschicht (350, 450) eingebettet ist, - wobei insbesondere die mindestens eine piezoelektrische Faser (352) in einer als Verbundwerkstoff (350, 450) gebildeten flächigen Verbundschicht (350, 450) eingebettet ist.
Windkraftanlage (100, 400, 500) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass - die flächige Verbundschicht (350, 450) an mindestens einem Bauelement (106, 108, 110 406, 408, 410) der Windkraftanlage (100, 400, 500) befestigt ist, derart, dass Schwingungen und/oder Vibrationen des Bauelements (106, 108, 110 406, 408, 410) auf die Verbundschicht (350, 450) übertragen werden.
Windkraftanlage (100, 400, 500) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass - die flächige Verbundschicht (350, 450) an dem Turm (110, 410) der Windkraftanlage (100, 400, 500) befestigt ist, insbesondere an der Innenseite (464) einer Turmwand des Turms (110, 410), und/oder - die flächige Verbundschicht (350, 450) an mindestens einem Rotorblatt (106, 406) der Rotoreinrichtung (104, 404) befestigt ist, insbesondere an einer sich im Windschatten befindlichen Seite (460) des mindestens einen Rotorblatts (106, 406), und/oder - die flächige Verbundschicht (350, 450) an einer Gondel (108, 408) der Windkraftanlage (100, 400, 500) befestigt ist, insbesondere an der Innenseite (462) der Gondel (108, 408).
Windkraftanlage (100, 400, 500) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Windkraftanlage (100, 400, 500) mindestens einen Schwingungstilger (570) aufweist, und - die mindestens eine Energieversorgungseinrichtung (120, 220, 320, 420, 520) mindestens einen mit dem Schwingungstilger (570) derart in einer Wirkverbindung stehenden Schwingungstilger-Generator (580, 584) umfasst, dass eine mechanische Bewegung des Schwingungstilgers (570) durch den Schwingungstilger-Generator (580, 584) in elektrische Energie gewandelt wird.
Windkraftanlage (100, 400, 500) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Windkraftanlage (100, 400, 500) mindestens einen mit der mindestens einen Energieversorgungseinrichtung (120, 220, 320, 420, 520) elektrisch gekoppelten und wiederaufladbaren elektrischen Speicher (124) umfasst.
Windkraftanlage (100, 400, 500) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Windkraftanlage (100, 400, 500) mindestens einen elektrischen Verbraucher (122) umfasst, - wobei der mindestens eine elektrische Verbraucher (122) in einem Normalbetriebsmodus der Windkraftanlage (100, 400, 500) durch die Energieversorgungseinrichtung (120, 220, 320, 420, 520) mit elektrischer Energie versorgbar ist.
Verwendung einer Energieversorgungseinrichtung (120, 220, 320, 420, 520) in einer Windkraftanlage (100, 400, 500), insbesondere Offshore-Windkraftanlage (100, 400, 500), wobei die Energieversorgungseinrichtung (120, 220, 320, 420, 520) eingerichtet ist zum Wandeln der in einem installierten Zustand der Windkraftanlage (100, 400, 500) an der Windkraftanlage (100, 400, 500) auftretenden Schwingungen und/oder Vibrationen in elektrische Energie, zum Versorgen der Windkraftanlage (100, 400, 500) mit elektrischer Energie.