DE19711869A1 - Windenergieanlage mit integriertem Triebstrang - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Windenergieanlagen (WEA) dienen im wesentlichen der Umsetzung eines Teiles der im Wind enthaltenen Energie in elektrische Leistung. Die bei der Umwandlung der kinetischen Energie des Windes in die mechanische Energie des Rotors der WEA auftretenden Kräfte und Momente müssen von den nachgeordneten Anlagenkomponenten aufgenommen bzw. übertragen werden. Hierbei unterliegt insbesondere der Bereich des Rotorblattanschlusses und der Triebstrang hohen statischen und dynamischen Belastungen, deren Kompensation zu kostenintensiven Systemkomponenten am Turmkopf (Nabe, Triebstrang und Maschinenhaus) führt.

Bis jetzt ausgeführte Konzepte /1/ verwenden eine an die Rotorwelle (Hauptwelle bzw. Getriebehauptwelle oder auch Generatorwelle) angeflanschte oder aufgesteckte Nabe an der die Blätter befestigt werden. Die Nabe stellt das Verbindungsglied zwischen Rotor und Triebstrang dar. Bei großen Windenergieanlagen (ab ca. 10 kW Nennleistung) wird ein kreisförmiger Blattanschluß mit einer Blattlagerung verwirklicht, die eine Drehbewegung des Rotorblattes um die Blattlängsachse ermöglicht. Das ist notwendig, um über eine Grundeinstellwinkeländerung des Blattes oder eine aktive Verstellung der Blätter die Rotorleistung einzustellen bzw. zu regeln. Der mit der Drehlagerung zwangsläufig verbundene kreisförmige Blattanschluß stellt jedoch für die komplexe Belastungsstruktur des WEA Rotors keine optimale Querschnittsform dar. Dies wirkt sich in einer Überdimensionierung und damit verbundenen Massen- und Kostenerhöhungen aus.

Kleinere Anlagen verfügen im allgemeinen nicht über Möglichkeiten zur aerodynamischen Leistungsregelung und besitzen einen festen Blattanschluß an die Nabe. Damit im allgemeinen verbundene Leistungseinbußen und eine Erhöhung der Anlagenbelastungen z. B. aus aerodynamischen Ungleichförmigkeiten der Blätter werden akzeptiert.

Der Einsatz von aerodynamischen Steuern an den Rotorblättern, wie z. B. Wölbklappen, die eine Leistungsanpassung des Rotors an die jeweiligen Wind- und Standortbedingungen der Anlage gewährleisten, ermöglicht einen starren Anschluß der Rotorblätter, der belastungsoptimiert ausgelegt werden kann /2/. Bis jetzt werden solche Rotorsysteme nur bei zweiblättrigen WEA angewendet /3/, da sich hier gegenüber mehrblättrigen Anlagen einfachere Nabenkonstruktionen ergeben.

Über die Nabe werden die Kräfte und Momente weiter auf den Triebstrang und nachgeordnet über das Maschinenhaus und den Turm in das Fundament der Anlage abgeleitet. Bei dem Triebstrang kann derzeit zwischen aufgelösten und teilintegrierten Konzepten unterschieden werden. Bei einem aufgelösten Triebstrang (Abb. 1), bestehend aus Nabe, Hauptwelle, Lager, Getriebe und Generator (z. B. Nordex N52) übernimmt jedes Bauteil eine bestimmte Funktion, die Nabe dient zur Blattaufnahme, die Hauptwelle zur Momentenübertragung, die Lager stützen die Kräfte gegenüber dem Maschinenhaus und dem Turm ab, usw. . Bei der Übertragung der Rotorkräfte und -momente entstehen im klassischen Triebstrang Folgebelastungen aus Drehmomenten und Massenkräften, z. B. Torsionsmomente in der Hauptwelle aufgrund von Differenzen zwischen Rotor- und Generatordrehmoment, die bei der Konstruktion berücksichtigt werden müssen. Bei einem teilintegriertem Triebstrang (z. B. Enercon E40) fällt z. B. die Hauptrotorwelle und das Getriebe weg und der Rotor wird über die Nabe direkt an die Generatorwelle angebunden (Abb. 2). Bei den bisher verwirklichten teilintegrierten Triebsträngen mit Ringgeneratoren fällt auf, daß aufwendige und schwere Konstruktionen notwendig sind, um von dem kleinen Durchmesser der Hauptwelle, an die über die Nabe die Blätter angeflanscht sind, auf die für die Ringgeneratoren benötigten großen Durchmesser zu gelangen.

Die Entwicklung von leichteren Anlagen, die Reduzierung von Beanspruchungen sowie eine beanspruchungsgerechte Konstruktion stellen Maßnahmen dar, die zu einer Kostenreduzierung führen und somit zu der Wirtschaftlichkeit von Windenergieanlagen beitragen.

Die Erfindung sieht eine Funktionsintegration des Triebstranges und des Maschinenhauses einer Windenergieanlage in nur noch einem, dem als Außenläufer-Generator bezeichneten Bauteil vor (Abb. 3). Der drehbare Außenteil des Generators dient der direkten Blattaufnahme und der Übertragung der Kräfte und Momente auf den inneren, feststehenden Ring des Generators, der quasi als Maschinenhaus fungiert und die Turmanbindung sowie weitere Systemgruppen wie z. B. eine Bremse integriert, die als Trommelbremse ausgeführt ist und unmittelbar auf den Außenring des Generators wirkt. Aufgrund dieser Funktionsintegration fallen bisher benötigte, kostenintensive Bauteile des Triebstranges wie Nabe (im oben benannten Sinn), Hauptwelle, Getriebe, Bremsscheibe, bis hin zum Maschinenhaus weg.

Die damit mögliche, extrem kompakte Bauweise vermeidet durch die Umwandlung der mechanischen Rotorleistung in elektrische Leistung in einer Wirkebene unter anderem bisher auftretende dynamische Belastungen im Triebstrang. Gegenüber dem Blattanschluß über die Naben-Wellen Kombination ergeben sich hier deutliche Vorteile hinsichtlich der Festigkeit und in der technischen Realisierung Kostenvorteile. Der Einsatz eines Außenläufer-Generators ermöglicht eine offene Bauweise die aufgrund von großen Querschnitten und der damit verbundenen Erhöhung von Biege- und Torsionssteifigkeiten gegenüber der Naben-Wellen Kombination zu einer leichteren Bauweise führt, und eine Stufung von kleine auf große Querschnitte, wie bei teilintegrierten Triebsträngen bisher üblich, überflüssig macht.

Die Krafteinleitung der Rotorkräfte und -momente in die Außenstruktur des Generators erfolgt über einen festen (nicht drehbar gelagerten) Blattanschluß. Durch die Verwendung von aerodynamischen Steuern an den Rotorblättern entfällt die Notwendigkeit der Drehlagerung der Blätter und der damit verbundenen kreisförmigen Blattanschlüsse. Aufgrund der sich gegenüber herkömmlichen Nabenabmessungen ergebenden großen Baulänge und -breite des als Blattaufnahme dienenden Generatorgehäuses können den Belastungen angepaßte und leistungsoptimierte Querschnittsformen und Ausrichtungen der Blattanschlüsse mehrblättriger Anlagen realisiert werden. Eine starke Verjüngung des Blattes im Bereich des Blattanschlusses auf eine zylindrische Form und eine aus Festigkeitsgründen notwendige Aufdickung der Struktur ist nicht erforderlich. Durch eine optimierte Ausrichtung des Anschlußquerschnittes zur Rotordrehachse können die dimensionierenden Schubbelastungen des Rotors besser aufgefangen werden und führen bei reduziertem Materialaufwand zu einer Beanspruchungssenkung.

Die Anbindung der Blätter kann gegenüber herkömmlichen kraftschlüssigen Verbindungen auch als formschlüssige Verbindung z. B. als Klemmverbindung ausgeführt werden, was wiederum zu konstruktiven Vereinfachungen der Blattstruktur im Anschlußbereich führt und eine bessere Krafteinleitung in das Generatorgehäuse gewährleistet.

Durch die zylindrische Struktur des Generators läßt sich in einfacher Weise eine Trommelbremse realisieren die über Einschübe oder unmittelbar auf den Außenring wirkt. Durch die relativ großen Durchmesser verringert sich gegenüber herkömmlichen, auf die langsame Welle wirkenden Bremssystemen das Bremsmoment und damit die für die Bremsvorgänge nötigen Aktuatorkräfte.

Durch den Einsatz von elektrischen Aktuatoren für die Klappenverstellung an den Rotorblättern und für das Bremssystem sowie den Fortfall eines Getriebes entfällt die Notwendigkeit für ein Hydrauliksystem bzw. für den Einsatz von Schmierstoffen, was zu weiteren Einsparungen führt und umweltbelastende Leckagen ausschließt.

Die Erfindung verbessert die Wirtschaftlichkeit von WEA durch:

• - die Funktionsintegration von Systemkomponenten in den Generator als tragende Struktur zur Blattaufnahme, Steuerungsintegration (z. B. Bremse, elektrisches System) und Turmanbindung und dem damit verbundenen Fortfall von bisher benötigten kostenintensiven Komponenten (Nabe, Hauptwelle, Getriebe etc.),
• - über bisherige Konzepte hinausreichende Möglichkeiten zur optimalen Anpassung der Konstruktion an die auftretenden Belastungen durch einen Kraftfluß optimierten Blattanschluß, Reduktion von Folgebelastungen aus Drehmomenten und Massenkräften und sich aus der Bauweise ergebende, große Querschnitte mit entsprechenden belastungssenkenden Widerstandsmomenten
• - und der Vermeidung von zusätzlichen Strukturen, um eine bisher übliche Querschnittsanpassung von Hauptwelle und Ringgenerator zu verwirklichen.

Beschreibung

Die Erfindung ist anhand nachfolgender Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles erläutert.

Die in Abb. 4 und 5 wiedergegebenen Ansichten zeigen am Beispiel einer als Lee-Läufer ausgelegten Windenergieanlage die wesentlichen Merkmale der Erfindung. Mindestens zwei Rotorblätter (1), die mit aerodynamischen Klappen (6) im äußeren Blattbereich ausgestattet sind, werden direkt an den sich drehenden Außenteil des Generators (2) fest (nicht drehbar) angeschlossen. Die Blätter weisen im Anschlußbereich (inneren 10-20% des Rotorblattes) eine mäßige Verjüngung bei annähernd gleichbleibender Profilform auf (bei gewöhnlichen Rotorblättern erfolgt hier der Übergang zu zylindrischen Formen). Gleichzeitig wird das Rotorblatt im Anschlußbereich stark verwunden so daß der Anschlußquerschnitt in einem für die Beanspruchungen aus Luft-, Massen- und Zentrifugalkräften optimalen Winkel zur Generatordrehachse steht.

Der Anschluß der Blätter an das drehende Generatorgehäuse kann über eine kraftschlüssige (z. B. Flansch- oder sogenannte "Ikea-") Verbindung, über eine formschlüssige Verbindung, bei der die Rotorblätter auf Zapfen (7) gesteckt werden, die sich auf dem Generatorgehäuse befinden, und von außen über ein entsprechendes Gegenstück (8) formschlüssig verspannt werden oder über eine Kombination aus form- und kraftschlüssiger Verbindung erfolgen.

Das Generatorgehäuse ist über Drehlager auf dem feststehenden Innenring des Generators (3) gelagert. Auf der Innenseite des Gehäuses sind unmittelbar oder über Einschübe die Vorrichtungen zur Generatorerregung (9) befestigt. Vorgeschlagen wird hier eine Kombination aus Permanenterregung mittels Magneten sowie Fremderregung durch Spulen. Damit ergeben sich Kostenvorteile gegenüber rein permanent erregten Generatoren aufgrund des geringeren Magnetmaterialbedarfs sowie Steuerungsvorteile durch den zusätzlichen Regeleingriff über die Fremderregung.

Weiterhin ist ein Bereich integriert (11), auf den die Bremskräfte der radial wirkenden Aktuatoren übertragen werden (Trommelbremse).

Auf dem Innenring befinden sich die Blechpakete des Generators (10) sowie das Bremssystem (11).

Der Zwischenraum zwischen Gehäuse und Innenring kann für weiter benötigte Systeme (5) z. B. Steuerungs-, Überwachungssysteme und Umrichter, etc. benutzt werden.

Literatur

/1/ Carstensen, U. T. (Hrsg.) Windkraftanlagen Markt 1995, Winkra-Recom Messe- und Verlags-GmbH, Hannover, 1995.

/2/ Montag, P., Richert, F. Regelung von Windkraftanlagen mit Wölbklappen, Vortrag auf der DEWEK '94, Wilhelmshaven, 1994.

/3/ Miller, D. R. Summary of NASA/DOE Aileron Control Cevelopment Program for Wind Turbines, NASA TM-88811, NASA Lewis Research Center, Cleveland, Ohio, Feb. 1986.

Claims (5)

1. Windenergieanlage mit mindestens zwei Rotorblättern, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter mit nicht-kreisförmigen Anschlußquerschnitten (1) fest (um die Blattlängsachse nicht drehbar) direkt an den drehenden, äußeren Ring eines Ringgenerators (sogenannter Außenläufer) (2) befestigt sind, so daß sich die Umwandlung der Rotorenergie in elektrische Leistung in einer Wirkebene vollzieht und daß der innere, feststehende Teil des Generators (Innenring 3) gleichzeitig die Funktion der Turmanbindung (4) übernimmt und sämtliche weiter benötigten Systemgruppen (5) integriert.

2. Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter über aerodynamische Steuer verfügen (6) (hier Klappen), die eine Leistungsregelung der aufgenommenen Rotorleistung ermöglichen.

3. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter formschlüssig an das Generatorgehäuse angeschlossen werden, wobei die Blätter auf Zapfen (7), die Bestandteile des Generatorgehäuses sind, gesteckt werden und von außen über ein entsprechendes Gegenstück (8) formschlüssig verspannt werden.

4. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringgenerator mit einer hybriden Erregung, bestehend aus Permanent- und Fremderregung ausgestattet ist, die sich im drehenden Außenteil des Generators (9) befindet.

5. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Zwischenraum zwischen drehendem Generatorgehäuse und Innenring ein Trommelbremssystem (11) befindet, daß unmittelbar oder über Einschübe auf das Generatorgehäuse wirkt.