DE19802574A1

DE19802574A1 - Windkraftanlage und Verfahren zum Betrieb einer Windkraftanlage

Info

Publication number: DE19802574A1
Application number: DE19802574A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Gawlik; Klaus Dr Walli; Peter Dipl Ing Hanzl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-01-23
Filing date: 1998-01-23
Publication date: 1999-03-11

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem Genera tor und mit einer Turbine und ein Verfahren zum Betrieb einer Windkraftanlage.

In dem Artikel "Development and Design of a Large Wind Tur bine Blade" von M. Hahn und P. Wackerle, 3rd International Symposium on Wind Energy Systems, 26.-29.08.1980, Lymby, Ko penhagen, Dänemark, ist der Aufbau eines großen Rotorblattes einer Windkraftanlage beschrieben. Speziell in Fig. 20 ist ein Heizsystem für dieses Rotorblatt dargestellt, welches durch an der Innenseite des hohlen Rotorblatts angeordnete Kupferstreifen gebildet wird. Durch die Kupferstreifen ist ein elektrischer Strom führbar, welcher das Rotorblatt heizt.

Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer Windkraftanlage. Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens zum Betrieb einer Windkraftanlage.

Erfindungsgemäß wird die auf Angabe einer Windkraftanlage ge richtete Aufgabe gelöst durch eine Windkraftanlage, mit einem Generator und mit einer Turbine, die mindestens ein Rotor blatt aufweist, wobei ein teilweise im Inneren des Rotorblat tes verlaufender Strömungsweg an der Oberfläche des Rotor blattes an einer Mündung mündet und wobei durch den Generator Wärme auf einen in dem Strömungsweg erzeugbaren Luftstrom übertragbar ist.

Diese Ausgestaltung bietet gleich zwei erhebliche Vorteile:

1. Für den Generator der Windkraftanlage wird ein leistungs fähiges Kühlsystem bereitgestellt. Dies geschieht unter der Ausnutzung einer großen Staudruckdifferenz, die zwischen der Mündung an der Oberfläche des Rotorblatts und der Umgebung der Windkraftanlage bei einer Rotation des Rotorblatts ent steht. Diese Staudruckdifferenz entsteht durch eine Saugwir kung an der Mündung durch den das Rotorblatt umströmenden Wind. An einer geeigneten Stelle der Windkraftanlage wird Um gebungsluft angesaugt. Diese wird unter Ausnutzung der Druck differenz durch das Rotorblatt oder die Rotorblätter bis zu der Mündung an der Oberfläche des Rotorblatts geführt. Auf diese Weise kann ein Luftstrom mit einem großen Volumenstrom erzeugt werden. Der Luftstrom wird zur Kühlung des Generators genutzt. Der Generator überträgt seine im Betrieb erzeugte Abwärme direkt oder indirekt auf den Luftstrom. Der große Vo lumenstrom führt dabei zu einer besonders hohen Kühlleistung.
2. Gerade in der kalten Jahreszeit bereitet häufig eine Ver eisung der Rotorblätter an der Windkraftanlage erhebliche Probleme. Die durch eine solche Vereisung auftretenden Un wuchten und Wirkungsgradeinbußen beeinträchtigen die Be triebssicherheit und den Ertrag der Windkraftanlage. Dem wurde bisher - wie oben zitiert - in der Regel durch eine elektrische Rotorblattheizung begegnet. Die Erfindung zeigt nunmehr einen besonders einfachen und kostengünstigen Weg auf, Rotorblätter einer Windkraftanlage über die sowieso im Betrieb auftretende Abwärme des Windkraftgenerators zu hei zen. Indem der Generator seine Abwärme auf den Luftstrom überträgt, wird also nicht nur eine effiziente Kühlung des Generators bereitgestellt, sondern gleichzeitig mit dem so erwärmten Luftstrom eine Rotorblattheizung erreicht.

Die bei Umströmung einer Gondel erzeugte konventionelle Staudruckdifferenz, wie es bisher häufig durchgeführt wurde, liegt im Bereich

wobei v_n die Nenngeschwindigkeit der Windkraftanlage im Bereich 10-13 m/s ist. An den Mündun gen im Bereich der Rotorblätter ist die Staudruckdifferenz dagegen

wobei ωr die Umfangsge schwindigkeit an der Mündung im Rotorblatt ist. Diese Stau druckdifferenz ist erheblich größer. Beispielsweise ist für eine Windkraftanlage mit der Nennleistung P_n = 1,5 MW, Nenn geschwindigkeit v_n = 13 m/s, Nenndrehzahl n_n = 20 U/min und Rotordurchmesser D_rotor = 65 m bei einer Luftdichte von ρ = 1,128 kg/m³ die konventionelle Staudruckdifferenz

während mit einer Anord nung im Sinne der Erfindung eine Staudruckdifferenz von

erzielt wird.

Bevorzugt ist um das Rotorblatt durch den Wind eine Strömung erzeugbar, die ortsabhängig unterschiedliche Drücke am Rotor blatt aufweist, wobei die Mündung in einem Bereich niedrigen Druckes liegt. Grundsätzlich kann die Mündung an verschiede nen Stellen des Rotorblattes vorgesehen sein. Eine besonders hohe Druckdifferenz und damit ein besonders großer Volumen strom für den erzeugten Luftstrom liegt aber dann vor, wenn die Mündung in einem Bereich eines niedrigen Druckes für die das Rotorblatt umströmende Luftströmung liegt. Vorzugsweise weist das Rotorblatt eine Anströmkante und eine Abströmkante auf, wobei die Mündung an oder in der Nähe der Abströmkante liegt.

Bevorzugt ist das Rotorblatt an einer Nabe angeordnet und er streckt sich von der Nabe weg entlang einer Achse, wobei die Mündung im letzten Drittel, insbesondere im letzten Viertel des Rotorblattes liegt. An dem der Nabe abgewandten Ende des Rotorblattes liegen die höchsten Geschwindigkeiten für die das Rotorblatt umströmende Luftströmung. Je größer die Strö mungsgeschwindigkeit der das Rotorblatt umströmenden Strömung ist, desto größer ist auch der durch diese Strömung hervorge rufene Saugeffekt. Somit läßt sich durch eine in der Nähe des von der Nabe abgewandten Endes des Rotorblattes liegende Mün dung eine besonders große Druckdifferenz erzielen.

Bevorzugt ist die Wärme durch den Generator direkt auf den Luftstrom übertragbar. Wenn der Generator direkt von dem Luftstrom umströmt wird, also z. B. im Strömungsweg angeordnet ist, kann eine besonders effiziente Kühlung erfolgen.

Weiter bevorzugt ist die Wärme vom Generator an einen Wärme tauscher übertragbar, durch welchen Wärmetauscher der Luft strom führt. Damit ist es möglich, die Abwärme des Generators indirekt über einen Wärmetauscher an den Luftstrom abzugeben. Dies ist dann von Vorteil, wenn der Generator vor einem di rekten Einfluß durch den Luftstrom geschützt werden soll, um z. B. eine Korrosion von Generatorteilen zu verhindern. Dies ist insbesondere bei salzhaltiger Luft, z. B. am Meer, von Be deutung.

Bevorzugtermaßen weist die Windkraftanlage eine Gondel auf, wobei der Strömungsweg zumindest durch einen Teil der Gondel führt. Die Gondel ist ein unter anderem den Generator umge bendes Gehäuse, an dem die Turbine angeordnet ist. Weiter be vorzugt erstreckt sich die Gondel von einem turbinenseitigen Ende bis zu einem turbinenabgewandten Ende, wobei der Strö mungsweg vom turbinenseitigen Ende bis zum turbinenabgewand ten Ende führt. Bevorzugt ist der Generator in der Gondel an geordnet. Der Strömungsweg wird somit durch das Innere des Rotorblatts und durch das Innere der Gondel gebildet. Auf diese Weise müssen keine weiteren Maßnahmen getroffen werden, um den Luftstrom zu führen.

Erfindungsgemäß wird die auf Angabe eines Verfahrens gerich tete Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Windkraftanlage, mit einem Generator und mit einer Turbine mit mindestens einem Rotorblatt, wobei durch Abwärme des Ge nerators ein Luftstrom erwärmt wird, welcher durch das Innere des Rotorblatts und über eine Mündung an der Oberfläche des Rotorblatts in die Umgebung geleitet wird.

Die Vorteile eines solchen Verfahrens ergeben sich entspre chend den obigen Ausführungen zu den Vorteilen einer Wind kraftanlage.

Bevorzugt wird der Luftstrom über mindestens zwei Drittel, insbesondere drei Viertel der Länge des Rotorblatts geleitet. Weiter bevorzugt wird die Abwärme des Generators auf ein fluides Wärmetauschmittel und von diesem anschließend auf den Luftstrom übertragen.

Die Erfindung wird in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisch und perspektivisch dargestellte Windkraftanlage,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Windkraftanlage in schematischer Darstellung,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung des Aufbaus eines Rotorblatts, und

Fig. 4 einen Querschnitt durch ein Rotorblatt.

Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.

In Fig. 1 ist schematisch in perspektivischer Darstellung eine Windkraftanlage 1 gezeigt. Auf einem Turm 31 ist eine Gondel 20 angeordnet. In der Gondel 20 ist ein Generator 2 angeordnet. An der Gondel 20 ist eine Turbine 3 angeordnet. Die Turbine 3 weist eine Nabe 14 auf. An der Nabe 14 sind drei zueinander jeweils um 120° beabstandete Rotorblätter 4 angeordnet. Jedes Rotorblatt 4 weist eine Oberfläche 6 auf und erstreckt sich von der Nabe 14 zu einem der Nabe abge wandten Ende 4A entlang einer Achse 15. Die Turbine 3 ist in einem Drehsinn 33 um eine Turbinenachse 3A drehbar. Entspre chend diesem Drehsinn 33 weist jedes Rotorblatt 4 eine An strömkante 11 und eine Abströmkante 12 auf. In der Nähe der Abströmkante 12 ist im letzten Viertel jedes Rotorblattes 4 eine Mündung 7 vorgesehen. An dieser Mündung 7 mündet ein im Inneren des Rotorblatts 4 verlaufender Strömungsweg 5. Der Strömungsweg 5 erstreckt sich weiterhin von einem turbinen seitigen Ende 21 der Gondel 20 bis zu einem turbinenabgewand ten Ende 22 der Gondel 20. Am turbinenabgewandten Ende 22 ist eine Öffnung 32 vorgesehen.

Im Betrieb der Windkraftanlage 1 dreht sich durch Wind ange trieben die Turbine 3 im Drehsinn 33. Durch die an jedem Ro torblatt entlangströmende Luftströmung wird an jeder Mündung 7 ein Unterdruck erzeugt. Durch diesen Unterdruck ergibt sich ein Druckgefälle zwischen jeder Mündung 7 und der Öffnung 32 an der Gondel 20. Dadurch wird an der Öffnung 32 Umgebungs luft angesaugt, welche über den Strömungsweg 5 durch die Gon del 20 und durch das Innere jedes Rotorblatts 4 bis zur Mün dung 7 strömt. Diese Luftströmung 8 umströmt auch den in der Gondel 20 angeordneten Generator 2. Dabei kühlt der Luftstrom 8 den Generator 2, indem er die vom Generator 2 erzeugte Ab wärme 18 aufnimmt. Aufgrund einer hohen Staudruckdifferenz zwischen den Mündungen 7 und der Öffnung 32 ist ein hoher Vo lumenstrom für den Luftstrom 8 erzeugbar. Damit ergibt sich eine besonders hohe Kühlleistung für den Generator 2.

Gleichzeitig mit der effizienten Kühlung des Generators 2 werden die Rotorblätter 4 durch den Luftstrom 8 erwärmt, wo bei der Luftstrom 8 seinerseits durch Abwärme 18 des Genera tors erwärmt wird. Diese Abwärme 18 wird vom Luftstrom 8 auf jedes Rotorblatt 4 übertragen. Damit wird eine konstruktiv sehr einfache Möglichkeit bereitgestellt, die Rotorblätter 4 zu heizen und damit weitgehend eisfrei zu halten.

In Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch eine Windkraftanlage 1 gezeigt, die im wesentlichen der Windkraftanlage 1 aus Fig. 1 entspricht. Allerdings ist für den Generator 2 eine indi rekte Kühlung vorgesehen. Diese geschieht dadurch, daß der Generator 2 die Abwärme 18 an ein Kühlmittel 23 eines Wärme tauschers 19 abgibt. Der Luftstrom 8 durchströmt den Wärme tauscher 19 und nimmt dabei die vom Generator 2 abgegebene Abwärme 18 auf. Diese indirekte Kühlung ermöglicht es insbe sondere, den Generator von einem direkten Einfluß durch den Luftstrom 8 getrennt zu halten. Dies verringert eine mögliche Korrosion von Generatorteilen.

Fig. 3 zeigt perspektivisch den Aufbau eines Rotorblattes 4. Das Rotorblatt 4 erstreckt sich von einer Nabe 14 entlang ei ner Achse 15. Es weist eine Länge L auf. Entlang der Achse 15 sind parallel zueinander Profilelemente 30 angeordnet. Die Profilelemente 30 bestimmen die Blattgeometrie des Rotorblat tes 4. Das Rotorblatt 4 ist im wesentlichen hohl ausgebildet. Es weist eine Anströmkante 11 und eine Abströmkante 12 auf. Im letzten Viertel 4/4 L des Rotorblatts 4 ist in der Nähe der Abströmkante 12 eine Mündung 7 vorgesehen. An dieser Mün dung 7 mündet der Strömungsweg 5. Wie zu den Fig. 1 und 2 erläutert, wird ein Luftstrom 8 vom Generator 2 erwärmt und durch das Innere des Rotorblattes 4 entlang des Strömungswegs 5 zur Mündung 7 geführt. Dort tritt der Luftstrom 8 in die Umgebung aus.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch ein Rotorblatt 4. Bei Rotation einer Turbine 3, der das Rotorblatt 4 zugeordnet ist, umströmt eine Luftströmung 35 das Rotorblatt 4. Entlang der Oberfläche 6 des Rotorblatts 4 ergeben sich an unter schiedlichen Positionen unterschiedliche Drücke 10a, 10b, 10c und 10d. Die Mündung 7 des Strömungswegs 5 liegt nun bei ei nem niedrigen Druck 10c, in der Nähe der Abströmkante 12. Da mit wird ein besonders großes Druckgefälle zwischen der Mün dung 7 und der Öffnung 32 (siehe Fig. 1) erreicht. Dies hat wiederum einen hohen Volumenstrom des Luftstroms 8 und damit eine hohe Kühlleistung zur Folge.

Claims

1. Windkraftanlage (1), mit einem Generator (2) und mit einer Turbine (3), die mindestens ein Rotorblatt (4) aufweist, wo bei ein teilweise im Inneren des Rotorblattes (4) verlaufen der Strömungsweg (5) an der Oberfläche (6) des Rotorblattes (4) an einer Mündung (7) mündet und wobei durch den Generator (2) Wärme (18) auf einen in dem Strömungsweg (5) erzeugbaren Luftstrom (8) übertragbar ist.

2. Windkraftanlage (1) nach Anspruch 1, bei der um das Rotor blatt (4) eine Strömung (9) erzeugbar ist, die ortsabhängig unterschiedliche Drücke (10) aufweist, wobei die Mündung (7) in einem Bereich niedrigen Druckes (10) liegt.

3. Windkraftanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Rotorblatt (4) eine Anströmkante (11) und eine Abströmkante (12) aufweist, wobei die Mündung (7) an oder in der Nähe der Abströmkante (12) liegt.

4. Windkraftanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü che, wobei das Rotorblatt (4) an einer Nabe (14) angeordnet ist und sich von der Nabe (14) entlang einer Achse (15) er streckt, wobei die Mündung (7) im letzten Drittel (16), ins besondere im letzten Viertel (17), des Rotorblattes (4) liegt.

5. Windkraftanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü che, bei der die Wärme (18) durch den Generator (2) direkt auf den Luftstrom (8) übertragbar ist.

6. Windkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Wärme (18) vom Generator (2) an einen Wärmetauscher (19) übertragbar ist, durch welchen Wärmetauscher (19) der Luftstrom (8) führt.

7. Windkraftanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü che, die eine Gondel (20) aufweist, an der die Turbine (3) angeordnet ist, wobei der Strömungsweg (5) zumindest durch einen Teil der Gondel (20) führt.

8. Windkraftanlage (1) nach Anspruch 7, bei der sich die Gon del (20) von einem turbinenseitigen Ende (21) bis zu einem turbinenabgewandten Ende (22) erstreckt, wobei der Strömungs weg (5) vom turbinenseitigen Ende (21) bis zum turbinenabge wandten Ende (22) führt.

9. Windkraftanlage (1) nach Anspruch 7 oder 8, bei der der Generator (2) in der Gondel (20) angeordnet ist.

10. Verfahren zum Betrieb einer Windkraftanlage (1), mit ei nem Generator (2) und mit einer Turbine (3) mit mindestens einem Rotorblatt (4), wobei durch Abwärme (18) des Generators (2) ein Luftstrom (8) erwärmt wird, welcher durch das Innere des Rotorblattes (4) und über eine Mündung (7) an der Ober fläche (6) des Rotorblattes (4) in die Umgebung geleitet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Luftstrom (8) über mindestens zwei Drittel, insbesondere drei Viertel der Länge (L) des Rotorblattes (4) geleitet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die Abwärme (18) des Generators (2) auf ein fluides Wärmetauschmittel (23) und von diesem anschließend auf den Luftstrom (8) über tragen wird.