DE19802574A1 - Windkraftanlage und Verfahren zum Betrieb einer Windkraftanlage - Google Patents
Windkraftanlage und Verfahren zum Betrieb einer WindkraftanlageInfo
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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 vn 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 Pn = 1,5 MW, Nenn
geschwindigkeit vn = 13 m/s, Nenndrehzahl nn = 20 U/min und
Rotordurchmesser Drotor = 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 (12)
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.
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