DE19932394C2 - Windenergieanlage mit einem geschlossenen Kühlkreislauf - Google Patents

Abstract

Bei der Umformung von Energie entstehen regelmäßig Verluste in Form von Wärme. Dies gilt sowohl bei der von der Umformung der kinetischen Energie des Windes in elektrische Energie im Generator einer Windenergieanlage, wobei sich diese Verluste regelmäßig im Hauptantriebsstrang der Windenergieanlage einstellen als auch bei der elektrischen Einspeisung der von der Windenergieanlage erzeugten Energie in ein Mittelspannungsnetz. Hierzu sind regelmäßig Einrichtungen der Leistungselektronik, beispielsweise Wechselrichter und/oder Transformatoren notwendig. Im Hauptantriebsstrang, welcher über eine Windenergieanlage in der Gondel der Windenergieanlage untergebracht ist, entstehen die Verluste maßgeblich im Getriebe, an den Lagern und im Generator oder an anderen Steuereinheiten wie z. B. in den Hydraulikanlagen oder ähnlichen Steuer- und Regelungseinheiten, mittels denen die Rotorblätter angestellt oder die Windenergieanlage zum Wind gestellt wird. Bei getriebelosen Windenergieanlagen, z. B. vom Typ E-66 der Firma Enercon, entstehen die Hauptverluste beim Hauptantriebsstrang im Generator, d. h. in der Gondel (Kopf) der Windenergieanlage. DOLLAR A Es ist Aufgabe der Erfindung, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden und eine Kühlung für eine Windenergieanlage vorzusehen, welche die Verluste der Windenergieanlage reduziert. DOLLAR A Windenergieanlage (1) mit einem völlig geschlossenen oder wenigstens teilweise geschlossenen Kühlkreislauf, bei welchem die aus dem Kühlkreislauf abzuführende ...

Description

Bei der Umformung von Energie entstehen regelmäßig Verluste in Form von Wär­ me. Dies gilt sowohl bei der Umformung der kinetischen Energie des Windes in elektrische Energie im Generator einer Windenergieanlage, wobei sich diese Verluste regelmäßig im Hauptantriebsstrang der Windenergieanlage einstellen als auch bei der elektrischen Einspeisung der von der Windenergieanlage erzeugten Energie in ein Mittelspannungsnetz. Hierzu sind regelmäßig Einrichtungen der Leistungselektronik, beispielsweise Wechselrichter und/oder Transformatoren notwendig. Im Hauptantriebsstrang, welcher über eine Windenergieanlage in der Gondel der Windenergieanlage untergebracht ist, entstehen die Verluste maß­ geblich im Getriebe, an den Lagern und im Generator oder an anderen Steuerein­ heiten wie z. B. in den Hydraulikanlagen oder ähnlichen Steuer- und Regelungsein­ heiten, mittels denen die Rotorblätter angestellt oder die Windenergieanlage zum Wind gestellt wird. Bei getriebelosen Windenergieanlagen, z. B. vom Typ E-66 der Firma Enercon, entstehen die Hauptverluste beim Hauptantriebsstrang im Genera­ tor, d. h. in der Gondel (Kopf) der Windenergieanlage.

Bei der Netzeinspeisung entstehen maßgeblich die Verluste beim Netztransformator und ggf. in der Leistungselektronik, z. B. im Wechselrichter.

Bei einer 1,5 Megawatt Windenergieanlage können die Verluste durchaus im Bereich von 60 bis 100 kW liegen. Diese Verluste werden bislang über Lüfter an die Umgebung abgeführt. Dabei wird mittels der Lüfter kalte Luft von außen angesaugt und das entsprechende Bauteil, z. B. der Generator gekühlt. Die erwärm­ te Luft wird anschließend wieder nach außen geblasen.

Aus WO 99/30031 A1 ist eine Windkraftanlage und ein Verfahren zur Kühlung eines Generators einer Windkraftanlage bekannt, bei welcher ein Kühlluftstrom über eine Kaminwirkung erzeugt wird, damit der Generator der Windenergieanlage wirksam gekühlt werden kann.

Aus DE 198 02 574 A1 ist eine Windkraftanlage und ein Verfahren zum Betrieb einer Windkraftanlage bekannt, wobei ein teilweise im Inneren des Rotorblattes der Windkraftanlage verlaufender Strömungsweg an der Oberfläche des Rotorblattes mündet und wobei durch den Generator Wärme auf ein in dem Strömungsweg erzeugbaren Luftstrom übertragbar ist.

Es sind auch bereits Überlegungen darüber gemacht worden, den Generator mit Wasser zu kühlen und das dann erwärmte Wasser mit einem Wärmetauscher wieder herrunterzukühlen. Alle diese bekannten Lösungen haben gemeinsam, daß stets sehr viel Luft von außen benötigt ist. Dies ist besonders nachteilig, wenn die Außenluft feucht oder - insbesondere in Küstenregionen - salzhaltig ist und die Kühlelemente mit dieser feuchten und salzhaltigen Luft beaufschlagt werden. Besonders extrem ist diese Problematik bei Windenergieanlagen, die direkt an der Küste oder - in der Offshore-Technik - im Salzwasser stehen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden und eine Kühlung für eine Windenergieanlage vorzusehen, welche die Verluste der Wind­ energieanlage reduziert.

Die Aufgabe wird mit einer Windenergieanlage mit dem Merkmal nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Der Erfindung liegt das Konzept zugrunde, für eine Windenergieanlage einen im wesentlichen geschlossenen Kühlkreislauf vorzusehen, so daß keine oder praktisch keine Außenluft für die Kühlung verwendet werden muß. Hierbei zirkuliert die Kühlluft innerhalb der Windenergieanlage von deren Gondel bis in den Turm bzw. zum Fuß der Windenergieanlage und die von dem Kühlmedium, bevorzugt Luft, bei der Kühlung aufgenommene Energie wird über den Turm der Windenergieanlage abgegeben. Der Turm der Windenergieanlage ist stets dem Wind ausgesetzt, so daß der Turm der Windenergieanlage als Kühlelement oder Wärmetauscher dient, welche die aufgenommene Energie an den den Turm umstreichenden Wind abgibt.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Konzeptes ist es, daß der Turm durch seine Funktion als Wärmetauscher und als tragendes Teil der Windenergieanlage auch bei sehr kalten Außentemperaturen von ca. -20° bis -30°C von innen her aufgeheizt wird. Dadurch kann die Windenergieanlage auch dann noch in Betrieb bleiben. Nach bisherigem Stand der Technik muß ein spezieller kältefester Stahl für sehr kalte Standorte wie z. B. Nord-Schweden, Norwegen, Finnland, Kanada usw. eingesetzt werden.

Es ist auch möglich, wenn dies wegen sehr niedriger Außentemperaturen unterhalb des Gefrierpunktes erwünscht ist, die Erwärmung der Rotorblätter mit an den Kühlkreislauf anzuschließen, so daß für die Erwärmung der Rotorblätter nicht eigens Energie aufgebracht werden muß.

Die Kühlung des Kühlmediums durch den Turm erfolgt dadurch, daß am Turm selbst (innen- oder außenseitig) wenigstens ein Luftkanal ausgebildet wird, durch welchen die erwärmte Luft strömt, damit sie ihre Energie zumindest teilweise an die Turmwandung abgeben kann.

Ein Luftkanal wird bevorzugt dadurch gebildet, daß der Turm doppelwandig ausge­ führt ist, so daß ein Teil des Kühlkanals durch die tragende Wandung des Turms gebildet wird.

Durch die Verwendung des Turms der Windenergieanlage, welcher meist aus Stahl gefertigt ist als Kühlelement bzw. Wärmetauscher, wird ein ohnehin vorhandenes Bauteil, welches jede Windenergieanlage benötigt, in einer vorteilhaften Funktion genutzt. Gewärmte Luft strömt innen im Stahlturm an dessen Außenwand. Diese Außenwand ist sehr großflächig, beispielsweise bei einer 1,5 Megawattanlage etwa 500 qm und bietet daher eine sehr große Aufheiz/Kühlfläche. Der den Turm um­ streichende Wind kühlt diesen kontinuierlich ab.

Die mögliche Kühlleistung des Windes steigt mit ansteigender Windgeschwindigkeit an. Dieser Zusammenhang ist in Fig. 1 aufgezeigt. Mit steigender Windgeschwin­ digkeit steigt ebenfalls die Generatorleistung und damit auch die Verlustleistung. Der Zusammenhang zwischen der Generatorleistung in Abhängigkeit mit der Windgeschwindigkeit ist in Fig. 2 aufgezeigt. Somit können steigende Verlustlei­ stungen relativ leicht abgeführt werden, weil auch die Kühlleistung des Turms der Windenergieanlage mit dem Anstieg der Verlustleistung ansteigt.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Windenergieanlage vom Typ E-66 der Firma Enercon, welche über eine Generatorleistung von 1,5 Megawatt verfügt. Fig. 3 zeigt im Querschnitt eine Windenergieanlage 1 mit einer Gondel 2 am Kopfende, welche von einem Turm 23 getragen wird. Dieser Turm ist im Erdboden verankert (nicht dargestellt).

Die Gondel 2 nimmt den Hauptantriebsstrang der Windenergieanlage auf. Dieser Hauptantriebsstrang besteht im wesentlichen aus einem Rotor 4 mit daran ange­ brachten Rotorblättern 5 (nur im Ausriß dargestellt) sowie einem mit dem Rotor verbundenen Generator 3, welcher seinerseits einen Generatorläufer 6 und einen Generatorstator 7 aufweist. Dreht sich der Rotor und damit der Generatorläufer, wird elektrische Energie, beispielsweise als Wechselstrom (Gleichstrom) erzeugt.

Ferner weist die Windenergieanlage einen Transformator 8, sowie diesem vor­ geschaltet einen Wechselrichter 9 auf, wobei der Wechselrichter dem Transforma­ tor die elektrische Energie in der Form eines Wechsel- bzw. Drehstroms zuführt. Der Transformator speist die von der Windenergieanlage erzeugte Energie in ein Netz, vorzugsweise ein Mittelspannungsnetz (nicht dargestellt).

Der Turm 23 ist - wie in Fig. 3 zu erkennen - zum Teil doppelwandig ausgeführt und bildet in dem doppelwandigen Bereich jeweils einen Kühlkanal 11, 12 aus. In diesem Kühlkanal ist ein Ventilator (es können auch mehrere Ventilatoren vor­ gesehen werden) 10 ausgebildet, welcher die Luft durch die Kühlkanäle treibt.

Fig. 4 zeigt im Querschnitt entlang der Linie A-A nach Fig. 3 die Turmwandung. Hierbei ist zu sehen, daß im dargestellten Beispiel zwei Kühlkanäle 11, 12 ausgebil­ det sind, in dem der Turm 23 über einen bestimmten Bereich doppelwandig ausge­ führt ist. Die vom Generator erwärmte Luft fließt nunmehr über einen Kühlkanal 11 aus dem Maschinenhaus (Gondel) in den oberen Turmbereich. Dort wird die er­ wärmte Luft an die Innenseite 14 des Stahlturms gelenkt. Der Stahlturm ist - wie bereits erwähnt - auf einer großen Länge, beispielsweise von ca. 50 bis 80% doppelwandig ausgeführt und bildet dort den Kühlkanal 11. Die innenliegende Wand 14 in dem Kühlkanal kann hierbei aus einem einfachen Material, z. B. Kunst­ stoff oder einem Segeltuch bestehen. Die erwärmte Luft vom Generator 3 muß nun über eine große Strecke an der Innenseite des Stahlturms entlangströmen. Dabei wird der Turm 23 bzw. dessen Stahl großflächig aufgewärmt und die Luft hierbei abgekühlt. Im unteren Bereich des Turms 23 befindet sich ein Wechselrichter 9 und ein Mittelspannungstransformator 8 (und/oder weitere elektrische Einrichtungen). Auch diese Bauteile müssen gekühlt werden. Die abgekühlte Generatorluft wird nun als erstes durch den Wechselrichter geführt. Hiermit werden die Einrichtungen der Leistungselektronik aktiv abgekühlt. Die aus dem Wechselrichter austretende Luft wird nunmehr zum Transformator weitergeleitet und kühlt auch den Trans­ formator. Anschließend steigt die Luft über den zweiten Kühlkanal 12 wieder nach oben zum Maschinenhaus und zum Generator 3.

Der Kühlkreislauf ist somit geschlossen und es muß nicht notwendigerweise von außen her gekühlte Luft herangeführt werden.

Zur Kühlung aller Bauteile, insbesondere der empfindlichen Bauteile, der Wind­ energieanlage wird somit stets die gleiche Luft verwendet.

Falls notwendig, können selbstverständlich auch Luftfilter und weitere Kühleinrich­ tungen (z. B. Wärmetauscher) im Kühlkanal untergebracht werden, falls dies er­ wünscht ist.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß keine salzhaltige oder feuchte Luft die empfindlichen Komponenten wie Generator, Wechselrichter und Transformator berührt bzw. hiermit in Kontakt kommt. Innerhalb des Maschinenhauses 2 und des Turmes 23 ist die Korrosionsgefahr damit drastisch verringert. In der Windenergie­ anlage, insbesondere in dessen Turm kann sich keine Schimmel- oder Pilzbildung einstellen.

Insgesamt wird für die Kühlung der gesamten Windenergieanlage erheblich weniger Energie als bisher benötigt, da die (sekundäre) Kühlleistung außen am Turm 23 vom Wind erbracht wird.

Durch Ausbildung von Kühlkanälen in den Rotorblättern und durch den Anschluß dieser Kühlkanäle an den erfindungsgemäßen Kühlkreislauf ist es auch möglich, die von dem Generator erwärmte Luft zunächst in die Kühlkanäle der Rotorblätter einzuleiten, so daß in der kalten Jahreszeit, insbesondere bei Temperaturen um den Gefrierpunkt, die Rotorblätter enteist werden können. Die Ausbildung von Kühlka­ nälen in einem Rotorblatt ist beispielsweise auch bekannt aus DE 195 28 862 A1.

Die Ausbildung der Kühlkanäle im Maschinenhaus erfolgt durch entsprechende Wandungen und Luftleiteinrichtungen, mittels denen die Luft so gelenkt wird, daß sie auf die Elemente, wie z. B. den Generator trifft.

Sollte die Kühlleistung des Turmes 23 - beispielsweise an sehr warmen Tagen - nicht ausreichen, ist es auch möglich, in den Kühlkreislauf weitere Kühlelement wie z. B. übliche Wärmetauscher einzuschließen.

Claims (7)

1. Windenergieanlage (1) mit einem völlig geschlossenen oder wenigstens teilweise geschlossenen Kühlkreislauf, bei welchem die aus dem Kühlkreislauf abzuführende Wärme über den Turm (23) oder die Gondel (2) der Windenergie­ anlage (1) abgegeben wird.

2. Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Turm (23) wenigstens einen Kühlkanal (11, 12) aufweist, durch den das Kühlmedium, vorzugsweise Luft, tritt.

3. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Kühlkreislauf sowohl der Antriebsstrang (3, 4) der Windenergieanlage oder Teile des Antriebsstrangs und/oder die elektrischen Einrichtungen (8, 9) zur Umformung der elektrischen Energie angeschlossen sind.

4. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Turm (23) über wenigstens zwei Abschnitte entlang seiner Längsachse doppelwandig ausgeführt ist und ein doppelwandiger Bereich einen Kühlkanal (11, 12) bildet, bei welchem die in den Kühlkanal ein­ tretende erwärmte Luft ihre Wärme an die Außenwand des Turmes (23) abgibt.

5. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung des Hauptantriebsstrangs (3, 4) wie auch der Einrichtungen (8, 9) der Leistungselektronik im wesentlichen stets die gleiche Luft verwendet wird.

6. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanal über wenigstens einen Ventilator (10) verfügt, der für eine Zirkulation der Luft innerhalb des Kühlkreislaufes sorgt.

7. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Windenergieanlage auch bei Außentemperaturen von ca. -20°C bis -40°C im Betrieb gehalten werden kann und der Turm (23) durch den Kühlkreislauf erwärmt wird.