DE10351844A1

DE10351844A1 - Windkraftanlage

Info

Publication number: DE10351844A1
Application number: DE10351844A
Authority: DE
Inventors: Roland Dr.-Ing. Jakob; Manfred Dr.-Ing. Nahrstaedt; Christian Dr.-Ing. Keller
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: GE Energy Power Conversion GmbH
Priority date: 2003-11-06
Filing date: 2003-11-06
Publication date: 2005-06-09

Abstract

Es wird eine Windkraftanlage mit einer Gondel (10) beschrieben, in der elektrische Bauelemente untergebracht sind, die Wärme erzeugen. Die elektrischen Bauelemente sind mit einem Kühlkörper (14) verbunden, der durch einen Ausschnitt (17) in der Hülle der Gondel (10) hindurch nach außen ragt, und an dem der Wind damit vorbeiströmen kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einer Gondel, in der elektrische Bauelemente untergebracht sind, die Wärme erzeugen.
Die in Windkraftanlagen eingesetzten Stromrichter müssen in zunehmenden Maße leistungsfähiger sein. Neuere Entwicklungen für Anlagen, die im Mittelspannungsbereich (> 1000 Volt) arbeiten und Leistungen von etwa 5 Mega-Watt liefern sollen, erfordern hoch effiziente Stromrichterkonzepte. Zum Einsatz kommen beispielsweise Stromrichter mit abschaltbaren Thyristoren (IGCTs: integrated gate-commutated thyristors) oder auch Schalttransistoren für den Hochspannungsbereich, sogenannte IGBT-Module (insulated gate bipolar transistors). Diese Komponenten sind die am stärksten verlustbehafteten Komponenten der Leistungselektronik innerhalb eines Stromrichters und müssen daher ausreichend gut gekühlt werden.

Aus der DE 199 47 915 A1 ist eine Windkraftanlage mit Stromrichter und ein dafür vorgesehenes Kühlsystem bekannt. Zur Kühlung der verlustbehafteten Komponenten wird dort die Kaminwirkung genutzt, die im Innern des Turmes der Windkraftanlage einen aufsteigenden Luftstrom bewirkt. Dazu wird in den Turm ein Luftkanal eingebracht, der den Luftstrom über die zu kühlenden Komponenten führt. Zusätzlich kann der Luftstrom durch ein Gebläse verstärkt werden. Die Kaminwirkung selbst ist nur dann besonders groß, wenn hohe Temperaturunterschiede zwischen dem Fußbereich des Turmes und dem oberen Ende des Turmes vorherrschen. Das ist aber nicht immer der Fall, sondern abhängig vom Standort des Turmes und von der aktuellen Wetterlage. Zudem erfordert diese bekannte Anordnung einen nicht geringen konstruktiven Aufwand.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Windkraftanlage zu schaffen die mit geringem Aufwand und damit auch kostengünstig realisiert werden kann, wobei ein hoher Kühlungseffekt für die verlustbehafteten elektrischen Bauelemente erzielt wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Windkraftanlage der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die elektrischen Bauelemente mit einem Kühlkörper verbunden sind, der durch einen Ausschnitt in der Hülle der Gondel hindurch nach außen ragt, und an dem der Wind damit vorbeiströmen kann. Die Aufgabe wird ebenfalls dadurch gelöst, dass die verlustbehafteten Komponenten zu ihrer Kühlung mit der metallischen Hülle des Turmes thermisch verbunden sind.

Mit Hilfe des nach außen ragenden Kühlkörpers werden die elektrischen Bauelemente gekühlt, indem die an dem Kühlkörper vorbeiströmende Luft die von den Bauelementen erzeugte Wärme abführt. Je stärker der Wind, desto stärker ist dabei auch die Kühlwirkung. Dies korrespondiert damit, dass bei stärkerem Wind auch gleichzeitig mehr Strom und damit auch mehr Verlustwärme erzeugt wird. Die Kühlung der elektrischen Bauelemente ist damit prinzipbedingt an die von den Bauelementen erzeugte Wärme angepasst.

Ebenfalls wird die Kühlung der elektrischen Bauelemente prinzipbedingt dadurch gewährleistet, dass die Gondel immer in die momentan herrschende Windrichtung ausgerichtet ist. Damit wird der Kühlkörper auch stets von dem herrschenden Wind optimal gekühlt.

Ein Lüfter oder eine sonstige Hilfseinrichtung ist für die Kühlung der elektrischen Bauelemente nicht erforderlich. Damit wird die Zuverlässigkeit der Windkraftanlage erhöht und die Kosten sowie der Zeitraum zwischen Wartungen vermindert.

Weiterhin wird durch die aus der Hülle der Gondel herausragenden Kühlkörper erreicht, dass keine Luft durch den Innenraum der Gondel hindurchgeführt werden muss. Damit wird jegliche Verschmutzung des Innenraums vermieden. Dies wird durch die Anbringung einer Dichtung zwischen dem Kühlkörper und der Hülle der Gondel noch verbessert.

Dem Vorschlag, die verlustbehafteten Komponenten des Stromrichters zu ihrer Kühlung mit der metallischen Hülle des Turmes thermisch zu verbinden, liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass die metallische und großflächige Hülle des Turmes sehr gut zur Abkühlung der verlustbehafteten Leistungselektronik-Komponenten genutzt werden kann, wenn man diese Komponenten thermisch mit der Hülle verbindet. Dabei wird die Tatsache genutzt, dass bei starkem Wind der Turm und seine metallische Hülle schnell abkühlen. Das ist also genau dann der Fall, wenn auch die Windkraftanlage unter Hochlast arbeitet und im Stromrichter viel Verlustwärme auftritt. Die Anordnung ist sehr einfach und preiswert zu realisieren. Im einfachsten Fall werden die verlustbehafteten Komponenten auf einer Metallplatte angeordnet, die wiederum an die Innen- oder Außenwand der metallischen Hülle befestigt wird.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die verlustbehafteten Komponenten auf einem Metallkörper, insbesondere auf einer Metallplatte, angeordnet sind, der auf der Außenwand der metallischen Hülle des Turmes befestigt ist an einer Stelle, die nicht der Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist. Zusätzlich kann der Metallkörper selbst mindestens einen Hohlraum aufweisen, in den Kühlflüssigkeit eingebracht wird.

Für den Fall, dass die Komponenten auf einer Metallplatte angeordnet sind, ist es vorteilhaft, wenn die Metallplatte und die Innenseite bzw. Außenseite der metallischen Hülle Teile eines Hohlraumes bilden, in den Kühlflüssigkeit eingebracht wird. Dabei kann der mindestens eine Hohlraum an einen Kühlkreislauf angeschlossen sein, durch den die Kühlflüssigkeit mittels einer Pumpe oder mittels Konvektion zirkuliert. Diese weiteren Maßnahmen erhöhen nochmals die Wärmeabfuhr und führen zu einer verbesserten Abkühlung der Komponenten.

Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
1a zeigt einen schematischen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Gondel einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage entlang der Ebene A der 1b,
1b zeigt einen schematischen Querschnitt durch die Gondel der 1a entlang der Ebene B der 1a, und
2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Turms einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage.
In den 1a und 1b ist eine Gondel 10 einer Windkraftanlage dargestellt. Die Gondel 10 ist auf einem Turm der Windkraftanlage um eine etwa vertikale Achse drehbar montiert. In der Gondel 10 ist ein Rotor 11 drehbar gelagert. Der Rotor 11 weist eine Drehachse 12 auf, die etwa horizontal ausgerichtet ist. Durch eine entsprechende Drehung der Gondel 10 auf dem Turm kann der Rotor 11 zur jeweils momentan herrschenden Windrichtung ausgerichtet werden. Durch den Wind wird der Rotor 11 in eine Drehbewegung versetzt.
In der Gondel 11 sind elektrische Bauelemente untergebracht, die der Umwandlung der Drehbewegung des Rotors 11 in elektrische Energie dienen. Hierbei handelt es sich unter anderem um einen Stromrichter 13, der für die Erzeugung einer Wechselspannung mit einer vorgegebenen Frequenz erforderlich ist. Dieser Stromrichter 13 weist unter anderem sogenannte IGBT's auf (IGBT = insulated gate bipolar transistor). Der Stromrichter 13 ist verlustbehaftet und erfordert deshalb im Betrieb eine Kühlung. Die Temperatur des Stromrichters 13 ist dabei umso größer, je größer die Drehzahl des Rotors 11 und je größer damit der über ihn fließende Strom ist.
In den 1a und 1b ist der Stromrichter 13 direkt auf der Innenfläche eines Kühlkörpers 14 angeordnet. Der Kühlkörper 14 kann als rechteckförmiger Quader ausgebildet sein, der eine Mehrzahl von Längsrippen 16 aufweist, die von seiner Grundfläche abstehen und, wie noch erläutert werden wird, durch die Hülle der Gondel 10 hindurchreichen. Dies ist insbesondere aus der 1b zu entnehmen.
Der Kühlkörper 14 besteht aus Material, das eine große Wärmeleitfähigkeit aufweist, beispielsweise aus Metall.
Zwischen dem Stromrichter 13 und dem Kühlkörper 14 können wärmeleitende Materialien, insbesondere Wärmeleitpasten oder dergleichen vorhanden sein.
In der Hülle der Gondel 10 ist ein Ausschnitt 17 vorhanden, der derart ausgebildet ist, dass der Kühlkörper 14, und zwar insbesondere die Längsrippen 16, durch diesen Ausschnitt 17 hindurch gesteckt werden kann. Bei einer Ausgestaltung des Kühlkörpers 14 entsprechend den 1a und 1b ist dieser Ausschnitt 17 rechteckförmig ausgebildet.
Gemäß den 1a und 1b liegt der Kühlkörper 14 mit dem Rand der Außenfläche auf dem Rand um den Ausschnitt 17 auf. Der Stromrichter 13 ist damit im Innenraum der Gondel 10 vorhanden und der Kühlkörper 14 ragt durch den Ausschnitt 17 hindurch. Der Kühlkörper 14 ist dabei derart angeordnet, dass die Längsrippen 16 etwa parallel zu der Drehachse 12 des Rotors 11 und damit zumeist etwa parallel zu der momentan herrschenden Windrichtung ausgerichtet sind.
Zwischen den Rändern des Kühlkörpers 14 und der Hülle der Gondel 10 kann zusätzlich eine Dichtung oder dergleichen vorgesehen sein. Damit kann der Innenraum der Gondel 10, in dem unter anderem der Stromrichter 13 untergebracht ist, gegenüber dem Außenraum abgedichtet werden.
Am freien Ende der Längsrippen 16 des Kühlkörpers 14 ist ein Luftleitkörper 18 vorhanden. Gemäß den 1a und 1b bildet dieser Luftleitkörper 18 zusammen mit der Hülle der Gondel 10 eine zu dem Rotor 11 ausgerichtete, etwa trichterförmige Öffnung, durch die der Wind gezielt zu den Längsrippen 16 des Kühlkörpers 14 hingeführt wird. In den 1a und 1b erstreckt sich der Luftleitkörper 18 über die gesamte Fläche, die von den freien Enden der Längsrippen 16 aufgespannt wird. Damit wird die Luft zwangsweise an den Längsrippen 16 des Kühlkörpers 14 vorbeigeführt.
Mit Hilfe des Kühlkörpers 14 erfolgt eine Kühlung des Stromrichters 13 und insbesondere der dort vorhandenen, wärmeerzeugenden elektrischen Bauelemente. Diese Kühlung wird dadurch erreicht, dass die von dem Stromrichter 13 erzeugte Wärme zu dem Kühlkörper 14 und insbesondere zu dessen Kühlrippen 16 geleitet wird, um dort von der vorbeiströmenden Luft abgeführt zu werden. Dieser Mitnahmeeffekt wird durch den Luftleitkörper 18 verstärkt.
In der 2 ist ein Querschnitt durch einen Turm 19 einer Windkraftanlage dargestellt. Der Querschnitt ist etwa kreisförmig ausgebildet. An der Innenfläche der Hülle des Turms 19 ist ein Stromrichter 20 angebracht.
Der Stromrichter 20, der mit einem Generator der Windkraftanlage elektrisch verbunden sein kann, kann sich an einer beliebigen Stelle des Turmes 19 befinden, z.B. im Fußbereich oder aber auch im Kopfbereich des Turmes 19 gleich unterhalb des Generators. Die Position des Stromrichters 20 hat keinen merklichen Einfluss auf das Abkühlungsverhalten der Anordnung. Demnach kann der Stromrichter 20 beliebig und entsprechend anderer Kriterien, wie z.B. Stromanschluss, Baugröße etc., positioniert werden.
Die zu dem Stromrichter 20 gehörende Leistungselektronik hat verlustbehaftete Komponenten 21, beispielsweise Thyristoren, die abgekühlt werden müssen. Daher sind diese Komponenten auf einem Metallkörper 22 aufgebracht, der wiederum wärmeleitend mit der metallischen Hülle des Turms 19 verbunden ist. In diesem Beispiel handelt es sich bei dem Metallkörper 22 um ein Aluminiumgussteil, das eine plane Fläche zum Befestigen der Thyristoren aufweist sowie eine konkave Fläche hat, die sich an die Innenwand der Hülle anschmiegt. Damit ist eine optimale Wärmeleitung gegeben, die zusätzlich noch durch Einbringen von Wärmeleitmasse optimiert werden kann. Diese Anordnung allein schon kann für eine ausreichende Kühlung der verlustbehafteten Bauteile, insbesondere der Komponenten 21 sorgen.
Zusätzlich werden jedoch noch Hohlräume 23 in den Metallkörper 22 eingebracht, durch welche Kühlflüssigkeit geführt werden kann. Somit wird der Metallkörper 22 zu einem integralen Bestandteil eines Kühlkreislaufes, bei dem mittels Pumpe oder auch mittels natürlicher Konvektion das Kühlmittel in Zirkulation versetzt wird. Die ganze Anordnung bildet somit ein hoch effizientes Kühlsystem für den Stromrichter 20.
Die in der 2 gezeigten Proportionen sind nur schematischer Natur und geben kein maßstabsgetreues Bild der Anordnung wieder. Darauf wurde verzichtet, um die besonderen Merkmale der Konstruktion, insbesondere den Aufbau des Kühlsystems, anschaulicher darzustellen und hervorzuheben.
Alternativ zu dem dargestellten massiven Metallkörper 22 könnte auch eine Metallplatte verwendet werden, die leicht gebogen an die Wandung der Hülle des Turms 19 angepasst wird, um den maximalen Wärmekontakt herzustellen. Oder es könnte eine gerade Metallplatte verwendet werden, die zusammen mit der Wandung und mit weiteren Metallwänden einen geschlossenen Hohlraum bildet, welcher Kühlflüssigkeit aufnimmt. Anstelle einer solchen Metallplatte könnte auch eine geformte Metallwanne verwendet werden, die dichtend an die Wandung der Hülle angeschraubt wird. Dies könnte sowohl an der Innenwand als auch an der Außenwand der Hülle erfolgen. Im letzteren Fall sollte eine Stelle gewählt werden, die nicht von der Sonnenstrahlung erfasst wird, also bei Standorten auf der Nordhalbkugel die Nordseite des Turmes.
Die vorstehende Vorschlag mit den vielen denkbaren Ausführungsformen beruht auf dem Gedanken, dass der Stromrichter mit den darin befindlichen verlustbehafteten Komponenten thermisch mit der Oberfläche des Turmes verkoppelt werden muss, damit die vorhandene große Oberfläche der Turmhülle, die durch den auftretenden Windstrom abgekühlt wird, zur Ableitung der Verlustwärme genutzt werden kann. Dabei tritt der vorteilhafte Effekt auf, dass bei viel Wind, wenn also eine erhöhte Verlustleistung und -wärme im Stromrichter auftritt, diese Wärme besonders effektiv und schnell abgeleitet wird.

Claims

Windkraftanlage mit einer Gondel (10), in der elektrische Bauelemente untergebracht sind, die Wärme erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Bauelemente mit einem Kühlkörper (14) verbunden sind, der durch einen Ausschnitt (17) in der Hülle der Gondel (10) hindurch nach außen ragt, und an dem der Wind damit vorbeiströmen kann.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Bauelemente auf dem Kühlkörper (14) angeordnet sind.
Windkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand des Kühlkörpers (14) auf dem Rand des Ausschnitts (17) aufliegt.
Windkraftanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kühlkörper (14) und dem Ausschnitt (17) eine Dichtung vorgesehen ist.
Windkraftanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (14) mit Längsrippen (16) versehen ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an den freien Enden der Längsrippen (16) ein Luftleitkörper (18) vorgesehen ist.
Windkraftanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrische Bauelemente ein Stromrichter (13), insbesondere mindestens ein sogenannter IGBT (IGBT = insulated gate bipolar transistor) vorgesehen ist.
Windkraftanlage insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einem aus einer metallischen Hülle geformten Turm (19), mit einem darauf angeordneten Stromgenerator und mit einem daran angeschlossenen Stromrichter (20), der eine Leistungselektronik mit verlustbehafteten Komponenten (21), insbesondere mit Leistungshalbleiterbauelementen, enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die verlustbehafteten Komponenten (21) zu ihrer Kühlung mit der metallischen Hülle (10) des Turmes thermisch verbunden sind.
Windkraftanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die verlustbehafteten Komponenten (21) auf einem Metallkörper (22), insbesondere auf einer Metallplatte, angeordnet sind, der bzw. die auf der Innenwand der metallischen Hülle (10) des Turmes befestigt ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die verlustbehafteten Komponenten auf einem Metallkörper, insbesondere auf einer Metallplatte, angeordnet sind, der bzw. die auf der Außenwand der metallischen Hülle des Turmes befestigt ist an einer Stelle, die nicht den Sonnenstrahlen ausgesetzt ist.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallkörper (22) selbst mindestens einen Hohlraum (23) aufweist, in den Kühlflüssigkeit eingebracht wird.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatte und die Innenseite bzw. Außenseite der metallischen Hülle Teile eines Hohlraumes bilden, in den Kühlflüssigkeit eingebracht wird.
Windkraftanlage nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Hohlraum (23) an einen Kühlkreislauf angeschlossen ist, durch den die Kühlflüssigkeit mittels einer Pumpe oder mittels Konvektion zirkuliert.
Stromrichter (20) für eine Windkraftanlage, die einen aus einer metallischen Hülle geformten Turm (19) und einen darauf angeordneten Stromgenerator umfasst, an welchen der Stromrichter (20) angeschlossenen ist, wobei der Stromrichter (20) eine Leistungselektronik mit verlustbehafteten Komponenten (21), insbesondere mit Leistungsthyristoren, enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die verlustbehafteten Komponenten (21) zu ihrer Kühlung mit der metallischen Hülle (10) des Turmes thermisch verbindbar angeordnet sind.
Stromrichter (10) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die verlustbehafteten Komponenten (21) auf einem Metallkörper (22), insbesondere auf einer Metallplatte angeordnet sind, der bzw. die auf der Innenwand oder der Außenwand der metallischen Hülle des Turmes (19) befestigt ist.
Kühlsystem für einen Stromrichter (20) in einer Windkraftanlage, die einen aus einer metallischen Hülle geformten Turm (19) und einen darauf angeordneten Stromgenerator umfasst, an welchen der Stromrichter (20) angeschlossenen ist, wobei der Stromrichter (20) eine Leistungselektronik mit verlustbehafteten Komponenten (21), insbesondere mit Leistungsthyristoren, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die verlustbehafteten Komponenten (21) zu ihrer Kühlung mit der metallischen Hülle (10) des Turmes thermisch verbunden sind.
Kühlsystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die verlustbehafteten Komponenten (21) auf einem Metallkörper (22) angeordnet sind, der auf der Innenwand oder der Außenwand der metallischen Hülle des Turmes (19) befestigt ist und der selbst mindestens einen Hohlraum (23) aufweist, in den Kühlflüssigkeit eingebracht wird.
Kühlsystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die verlustbehafteten Komponenten auf einer Metallplatte angeordnet sind, die auf der Innenwand oder der Außenwand der metallischen Hülle des Turmes befestigt ist, so dass die Metallplatte und die Innenseite bzw. Außenseite der metallischen Hülle Teile eines Hohlraumes bilden, in den Kühlflüssigkeit eingebracht wird.
Kühlsystem nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Hohlraum (23) an einen Kühlkreislauf angeschlossen ist, durch den die Kühlflüssigkeit mittels einer Pumpe oder mittels Konvektion zirkuliert.