DE19626402C1

DE19626402C1 - Verfahren zum Blattverstellen

Info

Publication number: DE19626402C1
Application number: DE19626402A
Authority: DE
Inventors: Soenke Dipl Ing Siegfriedsen
Original assignee: AERODYN ENERGIESYSTEME GmbH
Current assignee: Aerodyn Engineering GmbH
Priority date: 1996-07-01
Filing date: 1996-07-01
Publication date: 1997-07-24
Anticipated expiration: 2016-07-02

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Blattverstellen der Rotorblätter einer Aktiv-Stall-Windkraftanlage beim Ausschalten der Anlage.

Die Rotorblätter einer Windkraftanlage sind stets auf eine der jeweiligen Windgeschwindigkeit optimale Kombi nation von Windgeschwindigkeit und Drehzahl ausgelegt. Steigt die Windgeschwindigkeit über einen bestimmten Wert an, müssen Maßnahmen zur Begrenzung der Leistung der Windkraftanlage getroffen werden. Naheliegend und zur Zeit praktiziert ist ein Drehen der Rotorblätter um ihre Längsachsen in Richtung aufeine sogenannte "Fahnenstellung".

Die sogenannten Pitch-Anlagen besitzen hierfür einen re lativ aufwendigen und teuren Antrieb, denn das Rückstel len muß z. B. bei plötzlichem Einfall einer Bö oder bei Netzausfall mit einer großen Geschwindigkeit (von ca. 20°/sec) erfolgen können.

Bei vielen netzeinspeisenden Windkraftanlagen zur Lei stungsbegrenzung findet jedoch auch das bestechend ein fache Prinzip des "Stall-Effekts" Anwendung: Statt die Rotorblätter in Richtung der Fahnenstellung in eine Lage zurückzuschwenken, in der diese weniger Auftrieb und Drehmoment erzeugen, wird bei der Nutzung des Stall- Effekts der Strömungsabriß am Blatt bei großen Anstell winkeln und damit die Reduzierung der antreibenden Luft kräfte genutzt, um die Leistungsabgabe des Rotors zu be grenzen.

Spezialfall des "Stall-Effekts" ist der sogenannte "Passiv-Stall-Effekt", bei dem die Anlage durch ihre Last (zum Beispiel einen netzgekoppelten Asynchrongene rator) unabhängig von der Windgeschwindigkeit auf kon stanter Drehzahl gehalten wird und der Strömungsabriß bei einem fest eingestellten Rotorblatt erfolgt. Es kann jedoch auch ein "Aktiv-Stall"-Betrieb vorgenommen wer den, bei dem der "Stall-Effekt" durch eine Blattverdre hung zu größeren Ausstellwinkeln hin erzeugt oder ver stärkt wird.

Vorteil derartiger Aktiv-Stall-Anlagen ist der geringe notwendige Verstellwinkel, der vom Betriebswinkel bis zur Erreichung des Stall-Zustandes erforderlich ist (ca. 5-10°). Dies ermöglicht es, eine Blattverstellung von geringerer Verfahrgeschwindigkeit als für Pitch-Anlagen erforderlich zu verwenden, die entsprechend kosten günstiger ist. Üblicherweise wird die Verstellung der Blätter über einen Hydraulikzylinder mit mechanischer Synchronisierung der Blattverdrehung oder über Einzelan triebe für jedes Blatt mit elektronischer Synchronisie rung ausgeführt.

Allerdings besteht ein Problem, wenn während des Betrie bes die Belastung der Anlage wegfällt (zum Beispiel durch Netzausfall). Dann würde die Anlage leer hochlau fen und unzulässig hohe Drehzahlen annehmen. Ein Aus schalten, wie bei "Pitch"-Anlagen durch schnelles Rück drehen der Blätter in Fahnenstellung, kann mit einer langsamen Blattverstellung nicht gewährleistet werden.

Das Verstellen in umgekehrte Richtung jedoch, nämlich in den Strömungsabriß hinein, führt zwar momentan zu einer Leistungsverminderung und einer Abbremsung des Rotors hat jedoch den Nachteil, daß die Anlage sich in einem instabilen Zustand befindet, in dem sie bei Versagen der mechanischen Bremse beginnt, rückwärts zu drehen. Die Rotorblätter befinden sich dabei außerdem in einer Stel lung mit der profilhinterkante in Windrichtung. Dieses führt zu einer sehr großen Torsionsbelastung im Blatt und damit auch zu einer sehr hohen Beanspruchung der Blattverstellmechanik.

Um den Rotor in einen stabilen betriebssicheren und lastarmen Zustand zu bringen, muß also in eine echte Sturmstellung die sogenannte Fahnenstellung, zurückge dreht werden.

Dieses Problem ist jedoch im Stand der Technik, bei dem die Blätter synchron verstellt werden, nicht gelöst.

Wenn nämlich ausgehend von der Position mit negativen Blattwinkeln und abgerissener Strömung zu langsam zu rückgestellt wird, kommen die Rotorblätter zeitgleich kurzzeitig in den Bereich optimal anliegender Strömung und beschleunigen dabei so sehr, daß wieder die unzuläs sig hohen Überdrehzahlen erreicht werden, die zu einer Zerstörung der Anlage führen können.

Daher wird im Stand der Technik mit einem unnötig großen und teueren Antrieb eine Verstellung der Blätter sofort in die Fahnenstellung hinein mit großer Geschwindigkeit vorgenommen oder aber die Rotorblätter werden mit nega tiven Einstellwinkeln über eine mechanische Bremse fest gesetzt, wobei die hohe mechanische Belastung in Kauf genommen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei geringem konstruktiven Aufwand ein "Parken" der Rotorflügel in der lastarmen Fahnenstellung zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Blattverstellung nach dem Hauptanspruch gelöst.

Durch das vorgeschlagene gleichzeitige aktive Drehen der Blätter in den Stall-Betrieb mit negativen Blattwinkel, hinein, werden selbst bei Ausfall der Belastung der An lage die Drehzahlen sofort vermindert. Der stabile, lastarme Zustand des Rotors wird dann dadurch erreicht, daß die Verstellung der Blätter in die Fahnenstellung durch voneinander unabhängige Antriebseinheiten einzeln in die Richtung Fahnenstellung erfolgt. Dabei werden die vorhandenen Blätter nacheinander oder mit einer Phasen verschiebung von dem negativen Blattwinkel in die posi tive Richtung bis in die Fahnenstellung gedreht, wobei das Antriebsmoment des Rotors und damit die erreichte Rotordrehzahl in zulässigen Grenzen verbleibt, da zu nächst erheblich gebremst wurde.

Bei diesem Vorgehen erzeugt nur jeweils ein Rotorblatt ein hohes Antriebsmoment, wobei die anderen Blätter eine bremsende Wirkung haben. Vorteilhafterweise wird der zeitliche- oder Winkelversatz zwischen den einzelnen Blättern so gewählt, das durch symmetrisches Bewegen die Lasten am Rotor unterhalb ihrer konstruktiv bedingten Maximalgrenzen bleiben. Insbesondere das Nick- und Gier moment bleiben geringer als in anderen Lastfällen, so daß das Verfahren keine dimensionierenden Lasten be wirkt.

Zusätzlicher Vorteil ist, daß bei einer Ausführung mit drei unabhängigen Verstellantrieben eine doppelte Redun danz gegeben ist, die bei einem Versagen eines Verstel lantriebes ein Vermeiden unzulässig hoher Drehzahlen auf jeden Fall sicherstellt. Das Verstellen der Rotorblätter einzeln kann jedoch auch mit nur einem Antrieb und ent sprechendes Umschalten auf den/die jeweils zu verstel lenden Rotorblätter gelöst werden.

Der Vorteil der Aktiv-Stall-Anlagen ist zudem, daß be reits durch eine sehr geringe Verstellwinkeländerung der Stall-Effekt relativ stark eintritt. Daher können Ver stellantriebe mit niedrigen Verstellgeschwindigkeiten gewählt werden.

Claims

1. Verfahren zum Blattverstellen der Rotorblätter einer Aktiv-Stall-Windkraftanlage mit zwei oder mehr Rotorblättern und Einzelblattverstellung bei einem Aus schalten der Anlage z. B. bei Netzausfall oder zu hoher Windgeschwindigkeit, gekennzeichnet durch die Schritte:

- gleichzeitiges Drehen der Rotorblätter um ihre Längsachse derart, daß die in Drehrichtung rücksei tigen Kanten des Rotorblattes zum Wind hin ge schwenkt sind,
- Zurückdrehen jeweils nur eines Rotorblattes durch wenigstens einen Teil des Anströmbereichs zurück in eine Fahnenstellung, während der Rotor durch die übrigen Rotorblätter gebremst ist und keine unzu lässig hohe Rotordrehzahl erreicht wird,
- Zurückdrehen der übrigen Rotorblätter in gleicher Weise.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückverdrehen der übrigen Rotorblätter nachein ander erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Beginn des Rückdrehens der einzelnen Blätter mit der Rotorposition synchronisiert erfolgt.