DE19652673A1 - Windkraftanlage - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit den Merkmalen des
Oberbegriffs von Anspruch 1.
Windkraftanlagen können einerseits dazu ausgelegt sein, Strom zu
erzeugen (wie bei einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage), und
andererseits dazu dienen, die Energieform direkt in mechanische Energie
umzusetzen (wie beispielsweise bei Windpumpsystemen) Stromerzeugende
Windkraftanlagen weisen folgende Komponenten auf: einen Turm (oder
Mast) und eine Gondel, die meist als Maschinenträger für die Maschinen
eines sogenannten Antriebsstranges dient. Der je nach Auslegung der
Windkraftanlage in seiner Höhe variierende Turm kann aus konischen
Rundstahlelementen oder aus Betonringmodulen aufgebaut sein. Vor der
Gondel befindet sich ein Rotor mit seiner Nabe. Der in der Gondel
geschützt liegende Antriebsstrang umfaßt neben einer Rotorwelle mit
Lagerung bei den meisten bekannten Anlagen Hydraulikaggregate für die
Rotorblattverstellung, Bremse(n), eine Generatoreinheit, - bei
Windkraftanlage mit Getriebe - eine Getriebeeinheit gegebenenfalls mit
Kupplungen, Sensoren zur Erfassung von Parametern für die
Betriebsführung der Windkraftanlage sowie eine Steuerungselektronik zur
Funktions- und Betriebsüberwachung. Die Anordnung und Auslegung
dieser Komponenten ist entscheidend für die Effizienz der Windkraftanlage
und damit auch entscheidend für deren Wirtschaftlichkeit.
Die verschiedenen Bauweisen von Windkraftanlagen nach dem Stand der
Technik lassen sich in Anlagen mit Getriebe und getriebefreie Anlagen
klassifizieren. Letztere weisen meist einen (permanentmagneterregten oder
über einen Erregerstromkreis erregten) Ringgenerator auf und zeichnen sich
durch den Vorteil eines geringeren Gewichtes und Volumens aus.
Bei bekannten horizontalachsigen Windkraftanlagen der eingangs
genannten Art besteht die Generatoreinheit - wie in Fig. 1 schematisch
dargestellt - aus einem Generator. Dieser ist meist luvseitig vom Turm
angeordnet. Dadurch wird die Betriebsführung der Windkraftanlage aus
konstruktionstechnischen Gründen beschränkt und eine mögliche
Ertragssteigerung durch variabler und besser angepaßte Anlagen
vermieden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Bauweise einer Windkraftanlage zu
vereinfachen und deren Betriebsführung variabler zu gestalten, um dadurch
eine Ertragsoptimierung zu erzielen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Windkraftanlage mit den
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Lösung entsteht der wesentliche Vorteil, daß
mit ein und demselben Generatormodul Windkraftanlagen mit
unterschiedlichen Leistungscharakteristiken bestückt werden können.
Dadurch sinken die Produktionskosten des Gesamtsystems. Mit der
erfindungsgemäßen Lösung sinken die Kosten auch dadurch, daß - bedingt
durch die modulare Bauweise - die verschiedenen Komponenten der Anlage
nicht nur in ihrem Nennpunkt, sondern vermehrt und wesentlich variabler
auch im Teillastbereich gefahren und damit bessere Ertragswerte für das
Gesamtsystem erzielt werden können.
Ein weiterer wichtiger Vorteil liegt darin, daß neben den Montage- auch die
Reparatur- und Wartungsarbeiten leichter, schneller und damit
kostengünstiger ausgeführt werden können. Die einzelnen Module haben
ein geringeres Gewicht als ein Gesamtgenerator nach dem Stand der
Technik. Dadurch sind beispielsweise kleinere, günstigere Kräne einsetzbar.
Gerade in unwegsameren Gelände und in windintensiven Regionen - z. B. in
Entwicklungsländern -, wo die Logistik Probleme machen kann, spielt dies
eine wichtige Rolle in der Praxis.
Bei der Genehmigung von Windkraftanlagen ist die Statik des Systems, die
Standfestigkeit, ein entscheidendes Kriterium. Für die Untersuchung der
Dynamik des Systems ist das (unerwünschte) Schwingungsverhalten der
Gondel, des Turms und der kräfteübertragenden Bauteile ausschlaggebend.
Je kompakter daher das System, insbesondere die Gondel, aufgebaut ist,
desto günstiger wirkt sich das auf die statischen und dynamischen
Verhältnisse der Windkraftanlage aus. Mit der erfindungsgemäßen
Möglichkeit der wahlweise luv- und/oder leeseitigen Anordnung der
Generatormodule von der Turmachse kann die Auslegung der Anlage
wesentlich besser an aktuelle statische Anforderungen, die sich z. B. aus
dem Schwingungsverhalten des Gesamtsystems ergeben, angepaßt
werden.
Weiterhin fließen bei der Ertragsoptimierung einer Windkraftanlage auch
aerodynamische Aspekte, insbesondere der Gondel, mit ein. Letztere ist
durch die modulare Bauweise der einen wesentlichen Prozentsatz des
Volumens der Gondel einnehmenden Generatoreinheit somit optimal an
aerodynamische wie auch statische Anforderungen anpaßbar.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung unterscheiden sich die
Generatormodule in ihrer Abgabeleistung. Vorteilhafterweise kann damit
aktuellen Umwelt- und Windverhältnissen verbessert Rechnung getragen
werden, indem statistisch ermittelte, am häufigsten vorherrschende
Windgeschwindigkeiten durch entsprechende, genau dafür ausgelegte
Generatormodule berücksichtigt werden können. Diese können dann
einzeln aufgeschaltet werden und gerade ein bestimmtes Windverhältnis
abdecken, das statistisch häufiger auftritt.
Ein wesentlicher Vorteil gegenüber nichtmodularen Systemen nach dem
Stand der Technik liegt darin, daß die Generatormodule stufenweise
aufschaltbar sind. Dadurch wird die Variabilität der Betriebsführung der
Windkraftanlage erhöht und damit auch deren Effizienz.
Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsbeispiele der Erfindung,
und zwar zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer horizontalachsigen,
getriebefreien Windkraftanlage nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer horizontalachsigen,
getriebefreien erfindungsgemäßen Windkraftanlage mit zwei Generator
modulen,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer horizontalachsigen,
getriebefreien erfindungsgemäßen Windkraftanlage mit drei Generator
modulen und
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer horizontalachsigen,
getriebefreien erfindungsgemäßen Windkraftanlage mit sieben Generator
modulen.
Wie Fig. 1 zeigt, weist eine Windkraftanlage 10 nach dem Stand der
Technik eine Generatoreinheit auf, die meist in der Nähe der Längsachse
des Turmes 14 - hier luvseitig - in der Gondel 16 auf der Antriebswelle 18
angeordnet ist. Dabei besteht die Generatoreinheit aus einem
Generatormodul 20. Das Generatormodul 20 ist als scheibenförmiger
Ringgenerator ausgebildet. Für Windkraftanlagen nach dem Stand der
Technik mit unterschiedlichen Leistungsanforderungen sind also auch
unterschiedlich dimensionierte Generatoreinheiten notwendig. Das führt
nachteiligerweise wiederum zu zusätzlichen Erfordernissen bei der
Fertigung, beim Transport und bei der Montage (z. B. Kräne).
Die Gondel 16 dient als Träger für die Maschinen des Antriebsstranges 26
und ist vorzugsweise eine Gußkonstruktion, die gegenüber der Umwelt
schallisoliert ist, so daß eine Geräuschdämmung der Maschinen,
insbesondere des Getriebes bei Windkraftanlagen mit Getriebe, erreicht
wird.
Die Höhe des Turms 14 ergibt sich aus der gewünschten Nabenhöhe des
Rotors 22 und diese aus dem gewünschten Durchmesser des Rotors 22 je
nach gewünschter Leistung der Windkraftanlage 10 und dem
standortspezifischen Windangebot (Windprofil). Die Höhe des Turmes 14
kann somit zwischen wenigen Metern und ca. 100 Metern schwanken.
Die erfindungsgemäßen Windkraftanlagen 10 in den Zeichnungen 2 mit 4
unterscheiden sich - je nach Größe der Windkraftanlage 10 - in der Anzahl
der Generatormodule 20 und damit in der Abgabeleistung der
Windkraftanlage 10. Die folgenden Abschnitte der detaillierten
Figurenbeschreibung beziehen sich daher zusammenfassend auf eine
Windkraftanlage 10 des erfindungsgemäßen Typs, unabhängig von der
Anzahl der Generatormodule 20.
Die Betriebsführung der Windkraftanlage 10 ist abhängig von mehreren
Parametern, die teilweise über Sensoren erfaßt werden: wie die Drehzahl,
die Windgeschwindigkeit, die Leistung der Generatormodule 20, der
Temperatur der Generatormodule 20, Schwingungsverhalten des Systems,
Parameter von hydraulischen Komponenten der Windkraftanlage 10 (wie
Öldruck und Temperatur) und die aktuelle Stellung der Rotorblätter 24 im
Wind bei pitchgeregelten Windkraftanlagen. Die Verstellmöglichkeit der
Rotorblätter 24 (bei pitchgeregelten Windkraftanlagen 10) ermöglicht
unterschiedliche Anströmverhältnisse; dadurch kann die Leistungsabgabe
des Rotors 22 eingestellt werden, z. B. so, daß diese ab Erreichen der
Nennleistung konstant ist.
Die Betriebsführung der Windkraftanlage 10 wird durch eine Steuereinheit
30 gesteuert. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit
30 flexibel an wechselnde Anforderungen seitens der Betriebsführung der
Windkraftanlage 10 anpaßbar. Alle erforderlichen Parameter für die
Steuerung können über Sensoren automatisch erfaßt und berechnet
werden oder sind wahlweise von einem Betreiber der Windkraftanlage 10
bestimmbar und in die Steuereinheit 30 eingebbar, insbesondere die
Anzahl, Art und Reihenfolge der Zuschaltung der einzelnen
Generatormodule 20. Je nach Betriebsstunden der einzelnen
Generatormodule 20 und deren Abnutzung können im Einzelfall bestimmte
Generatormodule 20 präferiert oder zurückgestellt werden.
Eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Windkraftanlage
10 ist eine modulare Windkraftanlage mit sog. "Stall-Steuerung", bei der
die Leistungsbegrenzung durch den Strömungsabriß an den nicht
verstellbaren Flügeln des Rotors 22 erfolgt.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die
Generatormodule 20 - je nach Programmierung der Steuereinheit 30 - alle
gleichzeitig oder getrennt voneinander über einen oder mehrere
Frequenzumrichter netzzuschaltbar. Sind die Generatormodule 20 baugleich
und werden simultan dem Netz zugeschaltet, so verteilt sich die Last
symmetrisch, was sich positiv auf die Gleichverteilung der Lebensdauer der
Generatormodule 20 auswirkt. Vorteilhafterweise steigt auch die Effizienz
der Windkraftanlage 10 durch Verwendung mehrerer Generatormodule 20
mit geringerer Leistung, da solche "kleineren" Generatormodule 20 eher im
Nennbereich gefahren und voll ausgelastet werden und somit bessere
Wirkungsgrade erzielen.
In dieser Ausführungsform der Erfindung sind die Generatormodule 20
scheibenförmige Ringgeneratoren, die koaxial auf der Antriebswelle 18
angeordnet sind. Daraus ergibt sich ein übersichtlicher, einfacher Aufbau,
der Wartungs- und Reparaturarbeiten erleichtert. Sehr vorteilhaft wirkt sich
dieses vor allem auf Transport und Montagearbeiten der Windkraftanlage
10 aus, da jedes Generatormodul 20 einzeln transportiert und auf die
Antriebswelle "gesteckt" werden kann. Somit treten kleinere
Generatorabmessungen und -massen für den Transport und die Montage
auf, was die Logistik deutlich vereinfacht und wesentlich kleinere Kräne
erforderlich macht, als wenn nur ein voluminöser und schwerer Generator
wie in Windkraftanlagen nach dem Stand der Technik eingesetzt wird.
In einer alternativen Ausführungsform sind die Generatormodule 20
voneinander beabstandet auf der Antriebswelle 18 angeordnet. Dies erhöht
die axiale Länge der Gondel 16 nur minimal, ermöglicht aber, daß die
einzelnen Generatormodule 20 eine verbesserte Wärmeabführmöglichkeit
haben und desweiteren leichter gewartet werden können. Abhängig von
der Anordnung der Komponenten des Antriebsstranges 26 wird ein
Hauptlager 28 für die Antriebswelle 18 innerhalb der Gondel 16
angeordnet.
Durch die Erhöhung der Anzahl der Generatormodule 20 auf mehr als zwei
entstehen wesentlich bessere Auslassungsmöglichkeiten der
Windkraftanlage 10 als beim Stand der Technik. Weiterhin erhöht sich der
Wirkungsgrad der gesamten Windkraftanlage 10 dadurch, daß kleinere
Generatormodule 20 genauer gefertigt werden können (Luftspalttoleranz,
Lagertoleranzen, Unwucht etc.).
Durch eine stufenweise, sukzessive Aufschaltung einzelner
Generatormodule 20 wird eine optimale Anpassung der Windkraftanlage 10
an häufiger wechselnde und/oder unterschiedlich hohe Wind
geschwindigkeiten erreicht. Die Steuereinheit 30 ist dabei vorzugsweise so
ausgelegt, daß die Generatormodule 20, die nicht am Netz sind, frei mit
drehen und vorteilhafterweise als mechanische Dämpfung bei stark
wechselnden Windgeschwindigkeiten und damit starken Leistungs
schwankungen der Generatormodule 20 wirken. Weiterhin entsteht der
Vorteil, daß die Variabilität der Betriebsführung durch eine vermehrte
Anzahl von Möglichkeiten erhöht wird und somit auch eine erhöhte
Gleichmäßigkeit der Energieerzeugung (Stromeinspeisung) durch eine
differenziertere Anpassung der Windkraftanlage 10 erzielbar ist.
Weitere vorteilhafte alternative Ausgestaltungen der Erfindung entstehen
durch die unterschiedlichen Anordnungsmöglichkeiten der Generatormodule
20 auf der Antriebswelle 18. Eine Möglichkeit liegt darin, die
Generatormodule 20 nur leeseitig anzuordnen (nicht gezeigt) und das
Gewicht der Generatormodule 20 gleichzeitig als Gegengewicht zum
Gewicht der sich luvseitig vom Turm befindlichen Maschinenteile (z. B.
Rotor) auszunützen, um so eine statisch balancierte Windkraftanlage 10
bereitzustellen. Eine alternative Ausgestaltung liegt darin, die
Generatormodule 20 - je nach konstruktionstechnischen Erfordernissen und
dem gewünschten Betreiben der Windkraftanlage 10 - sowohl luv- als auch
leeseitig von der Längsachse des Turms 14 anzuordnen. Daraus
entspringen die weiteren Vorteile, daß eine balanciertere Konstruktion der
Anlage, insbesondere der Gondel 16, ermöglicht wird und die Masse der
Generatormodule 20 gleichzeitig als Gegenmasse zu anderen Maschinen
des Antriebsstranges 26, etwa zum Rotor 22, fungiert, um den
Gondelschwerpunkt zur Turmmittellängsachse hin zu verschieben. Durch
die modulare Bauweise kann die erfindungsgemäße Windkraftanlage 10 -
wie eben dargestellt - ohne zusätzliche Gegengewichte, die an sich keine
Funktion für die Windkraftanlage haben und nur dem statischen Ausgleich
dienen, leichter eine Balance zwischen den statischen (Eigengewicht von
Maschinen und Gondel etc.) und quasistatischen (Luftkräfte aus dem im
Mittel wehendem Wind, Fliehkräfte, etc.) Kräften finden bei einer
variableren Anordnung der Module des Antriebsstranges 26.
Wie bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen der
erfindungsgemäßen Windkraftanlage 10 wird bei einer getriebefreien
Anlage die Betriebsfrequenz der Generatormodule 20 durch einen
Frequenzumrichter bestimmt. Alternativ dazu kann/können bei einer
erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer Windkraftanlage 10 mit Getriebe,
vorzugsweise ein Getriebe oder mehrere Getriebemodule die Rotordrehzahl
auf die Nenndrehzahl der Generatormodule 20 umsetzen. Hier werden
Fehleranfälligkeiten der bei getriebefreien Anlagen notwendigen
Elektronikbauteile vermieden und auf das mechanische Gebiet des
Getriebes verlagert.
In den Zeichnungen ist die Antriebswelle 18 jeweils horizontal angeordnet.
In einer nicht dargestellten Abwandlung erstreckt sich die Antriebswelle 18
vertikal.
Die Windkraftanlage 10 ist nicht notwendigerweise auf eine Antriebswelle
10 beschränkt, sondern kann auch zwei oder mehr Antriebswellen in
Horizontal- und/oder Vertikalanordnung aufweisen.
Claims (12)
1. Windkraftanlage zur Stromerzeugung, umfassend einen Turm (14),
eine Gondel (16), einen Rotor (22), mindestens eine Antriebswelle
(18), eine Steuereinheit (30) und eine Generatoreinheit, dadurch
gekennzeichnet, daß die Generatoreinheit modular aufgebaut ist und
mehrere Generatormodule (20) umfaßt und daß die Steuereinheit
(30) das wahlweise Zuschalten einzelner Generatormodule (20)
ermöglicht.
2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Generatormodule (20) Ringgeneratoren sind.
3. Windkraftanlage nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Generatormodule (20) luv- und
leeseitig vom Turm (14) angeordnet sind.
4. Windkraftanlage nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Generatormodule (20) sich
in ihrer Leistungsaufnahme unterscheiden.
5. Windkraftanlage nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Generatormodule (20)
baugleich ausgeführt sind.
6. Windkraftanlage nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (30) durch eine
integrierte intelligente Elektronik das Zuschalten bestimmter
Generatormodule (20) automatisch oder halbautomatisch berechnet.
7. Windkraftanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Steuereinheit (30) das Zuschalten nach folgenden Parametern
berechnet: Windgeschwindigkeit, Drehzahl, Leistung des
Generatormodules (20), Temperatur des Generatormodules (20) und
weiteren Überwachungsparametern der Windkraftanlage (10).
8. Windkraftanlage nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (30) das Zuschalten
der Generatormodule (20) jeweils in Abhängigkeit voneinander
steuert.
9. Windkraftanlage nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Windkraftanlage (10) getriebefrei
konstruiert ist.
10. Windkraftanlage nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Generatoreinheit aus Generator
modulen (20) und die Getriebeeinheit aus zugehörigen Getriebe
modulen besteht.
11. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß sie mehrere Antriebswellen (18) aufweist, auf
denen jeweils Generatormodule (20) montiert sind.
12. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (18) oder Antriebswellen (18)
vertikal angeordnet sind.
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