-
Die
Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem Maschinenkopf,
einem an dem Maschinenkopf drehbar gelagerten Rotor, wenigstens
einem an dem Rotor drehbar gelagerten Rotorblatt und wenigstens
einem mit dem Rotorblatt mechanisch gekoppelten und ein Getriebe
aufweisenden elektromotorischen Verstellantrieb, von welchem das
Rotorblatt drehbar ist.
-
Derartige
Windenergieanlagen sind aus dem Stand der Technik bekannt, wobei
z. B. ein Motor in Kombination mit einem mehrstufigen Planetengetriebe
als Antrieb für
die Rotorblattverstellung dient, was für relativ kleine Turbinenleistungen
ausreichend ist. Als Turbine wird hierbei regelmäßig der Propeller bzw. Rotor
bezeichnet.
-
Bei
größeren Windenergieanlagen
bzw. bei größer werdenden
Turbinenleistungen sind für
die Rotorblattverstellung aber höhere
Leistungen erforderlich, die z.B. durch eine Verlängerung
des Elektromotors erzielt werden können. Diesem Ansatz sind jedoch
physikalische und einbaubedingte Grenzen gesetzt. Gemäß einem
anderen Ansatz zur Leistungserhöhung
kann auch der Motordurchmesser vergrößert werden. Daraus resultiert
aber eine überproportionale
Erhöhung
des Eigenträgheitsmoments des
Elektromotors, was mit dem Nachteil verbunden ist, dass sich die
Dynamik des Systems verschlechtert, so dass Sicherheitsprobleme
im Störfall
auftreten können.
-
Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
die Leistung des Verstellantriebs unter Vermeidung der zum Stand
der Technik genannten Nachteile zu erhöhen. Ferner soll das Gewicht
des Verstellantriebs möglichst
gering gehalten werden.
-
Diese
Aufgabe wird mit einer Windenergieanlage nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gegeben.
-
Die
erfindungsgemäße Windenergieanlage weist
einen Maschinenkopf, einen an dem Maschinenkopf drehbar gelagerten
Rotor, wenigsten ein an dem Rotor drehbar gelagertes Rotorblatt
und wenigsten einen mit dem Rotorblatt mechanisch gekoppelten und
ein Getriebe aufweisenden elektromotorischen Verstellantrieb auf,
von welchem das Rotorblatt drehbar ist, wobei der Verstellantrieb
wenigstens zwei in einem gemeinsamen Motorgehäuse angeordnete Elektromotoren
aufweist, die über
das Getriebe mit dem Rotorblatt mechanisch gekoppelt sind.
-
Bei
der erfindungsgemäße Windenergieanlage
ist der Verstellantrieb als Mehrfachmotor, insbesondere Doppelmotor
ausgebildet, so dass die Leistung des Verstellantriebs gegenüber dem
Stand der Technik erhöht
werden kann, ohne dass ein Motor verlängert oder in seinem Durchmesser
vergrößert werden
muss. Somit kann ein Überschreiten
der physikalischen und einbaubedingten Grenzen hinsichtlich der
Länge des
Verstellantriebs vermieden werden. Ferner kann das Eigenträgheitsmoment
des Verstellantriebs geringer als bei einem einzigen Motor größeren Durchmessers
gehalten werden, da das Eigenträgheitsmoment
eines Motors regelmäßig mit der
vierten Potenz des Rotordurchmessers ansteigt, wohingegen sich das
Eigenträgheitsmoment
des Verstellantriebs lediglich linear mit der Anzahl der Elektromotoren
erhöht.
Somit kann die Dynamik des Verstellantriebs hoch bzw. eine Regelung
für diesen schnell
gehalten werden. Da die Elektromotoren ferner in einem gemeinsamen
Motorgehäuse
angeordnet sind, kann auf ein separates Motorgehäuse für jeden Elektromotor verzichtet
werden, was zu Gewichtseinsparungen führt.
-
Über das
insbesondere als Summiergetriebe ausgebildete Getriebe können die
Elektromotoren in mechanischer Hinsicht zusammen bzw. parallel geschaltet
sein, so dass abtriebseitig am Getriebe die Summe bzw. im Wesentlichen
die Summe der von den Elektromotoren abgebbaren Leistungen zur Verfügung steht.
Ferner kann das Getriebe in einem Getriebegehäuse angeordnet sein, welches
mit dem Motorgehäuse
fest verbunden oder Teil desselben ist. Somit kann das Motorgehäuses gleichzeitig
Bestandteil des Getriebegehäuses
sein oder umgekehrt, wodurch eine Gewichtsersparnis gegenüber einer
Anordnung erzielbar ist, bei der die Motoren und das Getriebe jeweils
ein separates Gehäuse
aufweisen. Insbesondere bildet somit der Verstellantrieb eine kompakte
bauliche Einheit, die einen herkömmlichen
Rotorblattverstellmotor ersetzten kann.
-
Das
Getriebe kann ein- oder mehrstufig ausgebildet sein und abtriebseitig
mit dem Rotorblatt in Verbindung stehen. Ferner ist es möglich, ein
Zusatzgetriebe vorzusehen, so dass das Getriebe unter Zwischenschaltung
dieses Zusatzgetriebes mit dem Rotorblatt gekoppelt ist, wodurch
größere Übersetzungsverhältnisse
realisierbar sind. Auch kann in diesem Fall der Verstellantrieb
bei einer bestehenden Windenergieanlage nachgerüstet werden, die bereits mit
einem Getriebe für
die Rotorblattverstellung versehen ist, welches dann das Zusatzgetriebe
bildet.
-
Das
Rotorblatt weist insbesondere eine ausgezeichnete Längsachse
auf und ist von dem Verstellantrieb um diese Längsachse drehbar, welche bevorzugt
quer oder schräg
zur Drehachse des Rotors verläuft.
Ferner kann zum Drehen des Rotorblatts an diesem ein Zahnkranz drehfest
befestigt sein, in welchen ein mit dem Getriebe gekoppeltes Zahnrad
eingreift.
-
An
dem Motorgehäuse
kann ein gemeinsamer Lüfter
zum Kühlen
der Elektromotoren vorgesehen sein, so das eine Gewichts- und Kosteneinsparung
gegenüber
einer Anordnung erzielbar ist, die für jeden Elektromotor einen
separaten Lüfter
aufweist.
-
Der
oder (bei mehreren Rotorblättern)
die Verstellantriebe können
innerhalb des Maschinenkopfes vorgesehen sein und über eine
Mechanik auf das jeweilige Rotorblatt einwirken. Bevorzugt ist der Verstellantrieb
oder sind die Verstellantriebe aber außerhalb des Maschinenkopfes
angeordnet bzw. mittelbar oder unmittelbar am Rotor oder am jeweiligen Rotorblatt
befestigt. In diesem Fall dreht sich der Verstellantrieb oder drehen
sich die Verstellantriebe bei drehendem Rotor mit diesem mit.
-
Der
Maschinenkopf ist insbesondere an einem Turm befestigt bzw. drehbar
an diesem gelagert und weist bevorzugt ein Maschinengehäuse auf,
welches den Maschinenkopf bzw. in diesem angeordnete Bauelemente
umkleidet und diese somit vor Wettereinflüssen schützt.
-
Die
Elektromotoren können
z.B. als Gleichstrommaschinen, Asynchronmaschinen oder Synchronmaschinen
ausgebildet sein und sind in elektrischer Hinsicht bevorzugt in
Reihe geschaltet. Werden Gleichstrommaschinen verwendet, so kann
einer der Elektromotoren als Reihenschlussmaschine ausgebildet sein,
wohingegen ein anderer der Elektromotoren als fremderregte Maschine
konstruiert ist. Sind die Gleichstrommaschinen betriebsmäßig bzw. elektrisch
in Reihe geschaltet, so kann sich insgesamt das Betriebsverhalten
einer Doppelschlussmaschine ergeben. Es ist aber auch möglich, in
Kombination oder ausschließlich
Reihenschlussmaschinen, Nebenschlussmaschinen, fremderregte Maschinen oder
Doppelschlussmaschinen zu verwenden. Ferner sind permanenterregte
Maschinen einsetzbar bzw. ist eine Kombination mit permanenterregten Maschinen
möglich.
Grundsätzlich
können,
insbesondere für
die genannten Konstellationen, zwei oder mehr Elektromotoren in
dem Verstellantrieb eingesetzt werden.
-
Der
Verstellantrieb ist bevorzugt mit einer Steuerung verbunden, von
welcher die Verdrehung des Rotorblatts steuerbar ist. Insbesondere
weist zumindest ein oder jeder Elektromotor einen Drehzahlmesser
auf, von welchem die Läuferdrehzahl
des jeweiligen Elektromotors erfasst werden kann. Auch ist es möglich, zumindest
einen oder jeden Elektromotor mit einem Winkelmesser zu versehen,
von welchem der Verdrehwinkel zwischen Läufer und Stator des jeweiligen
Motors erfassbar ist. Die von dem Drehzahlmesser und/oder Winkelmesser
erfassten Größen können dann
der Steuerung, z.B. als elektrische Signale, zur Verfügung gestellt
werden, wobei der Drehzahlmesser und/oder Winkelmesser bevorzugt
elektrisch mit der Steuerung verbunden ist.
-
Der
Verstellantrieb oder zumindest ein bzw. jeder Elektromotor weist
insbesondere eine Bremse auf, so dass eine ungewollte Drehung des
Rotorblatts verhindert werden kann bzw. eine gewollte Verdrehung
des Rotorblatts aktiv abbremsbar ist. Die bzw. jede Bremse kann
dabei eine mit dem Läufer
des jeweiligen Elektromotors drehfest gekoppelte Bremsscheibe, einen
am Motorgehäuse
befestigten Elektromagneten sowie eine am Motorgehäuse verschiebbar
aber drehfest gelagerte Ankerplatte aufweisen, die über eine
Feder gegen die Bremsscheibe vorgespannt ist und bevorzugt zumindest
bereichsweise aus einem magnetischen bzw. ferromagnetischen Material
besteht, wobei die Ankerplatte von dem Elektromagneten gegen die
Kraft der Feder von der Bremsscheibe abrückbar ist. Hierdurch ist gewährleistet,
dass bei einem Stromausfall die Bremsen automatisch in die Bremsstellung übergehen
oder in dieser verbleiben.
-
An
dem Rotor sind insbesondere zwei, drei oder mehr Rotorblätter drehbar
gelagert, die bevorzugt gleichmäßig über den
Umfang des Rotors verteilt angeordnet sind. Ferner können alle
Rotorblätter gemeinsam
von dem Verstellantrieb drehbar sein, bevorzugt ist jedoch für jedes
Rotorblatt ein separater Verstellantrieb vorgesehen, wobei alle
Verstellantriebe identisch, insbesondere wie der zuvor beschriebene
Verstellantrieb aufgebaut sein können.
-
Jedes
Rotorblatt weist dabei insbesondere eine ausgezeichnete Längsachse
auf und ist von dem jeweiligen Verstellantrieb um diese Längsachse drehbar,
welche bevorzugt quer oder schräg
zur Drehachse des Rotors verläuft.
Ferner kann an jedem Rotorblatts ein Zahnkranz drehfest befestigt sein,
in welchen ein mit dem jeweiligen Getriebe gekoppeltes Zahnrad eingreift.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform
unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
-
1:
eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Windenergieanlage,
-
2:
eine perspektivische Ansicht eines Verstellantriebs nach 1,
-
3:
eine Vorderansicht des Verstellantriebs nach 2,
-
4:
eine Schnittansicht des Verstellantriebs entlang der Schnittlinie
C-C aus 3,
-
5:
eine teilweise Schnittansicht des Verstellantriebs entlang der Schnittlinie
A-A aus 3,
-
6:
eine teilweise Schnittansicht des Verstellantriebs entlang der Schnittlinie
B-B aus 3 und
-
7:
eine teilweise Schnittansicht eines Rotorblatts nach 1.
-
Aus 1 ist
eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Windenergieanlage
ersichtlich, wobei ein auf einem Fundament 1 befestigter
Turm 2 an seinem dem Fundament 1 abgewandten Ende 3 einen
Maschinenkopf 4 aufweist, der über ein Azimutsystem 5 um
die Längsachse 6 des
Turms 2 drehbar an diesem befestigt bzw. gelagert ist.
An dem Maschinenkopf 4 ist ein Rotor 7 um eine
Drehachse 8 drehbar gelagert, der wenigstens zwei Rotorblätter 9 aufweist,
wobei in dem Maschinenkopf 4 über Verbindungselemente 10 ein
elektrischer Generator 11 befestigt ist, der über eine
Rotorwelle 12 mit dem Rotor 7 mittelbar oder unmittelbar
in Verbindung steht.
-
An
dem Rotor 7 ist für
jedes Rotorblatt 9 ein separater Verstellantrieb 13 angeordnet,
mittels welchem das jeweilige Rotorblatt 9 um seine Längsachse 14 gedreht
werden kann, welche z.B. einen Winkel von 90° mit der Drehachse 8 einschließt. Die
Verstellantriebe 13 sind insbesondere identisch aufgebaut und
werden über
eine Steuerung 15 angesteuert, die in dem Maschinenkopf 4 angeordnet
und mit den Verstellantrieben 13 insbesondere elektrisch
verbunden ist. Der Maschinenkopf 4 ist von einem Maschinengehäuse 16 umgeben,
welches insbesondere den Generator 11 und die Steuerung 15 vor
Wettereinflüssen schützt.
-
Der
Pfeil 17 verdeutlicht hierbei die Drehbewegung des Rotors 7,
wohingegen der Pfeil 18 zur Veranschaulichung der Drehbewegung
des Rotorblatts 9 dient.
-
Aus 2 ist
eine perspektivische Ansicht eines der Verstellantriebe 13 ersichtlich,
wobei zwei Elektromotoren 19 (siehe 4) in einem
gemeinsamen Motorgehäuse 20 angeordnet
sind. Die Läuferwellen 21 (siehe 4)
der Motoren 19 sind drehfest mit Motorritzeln 22 verbunden,
die hier von einer Stirnseite 23 des Motorgehäuses 20 hervorstehen. Außerhalb
des Motorgehäuses 20 ist
an der Stirnseite 23 ein Summiergetriebe 24 befestigt,
welches zwei Eingangszahnräder 25 aufweist,
die mit den Motorritzeln 22 kämmen. Konzentrisch zu jedem
Eingangszahnrad 25 ist ein Abtriebsritzel 26 angeordnet,
welches drehfest mit dem jeweiligen Eingangszahnrad 25 verbunden
ist. Beide Abtriebsritzel 26 kämmen mit einem Abtriebszahnrad 27,
welches drehfest mit einer konzentrisch zu diesem angeordneten Abtriebswelle 28 verbunden
ist.
-
Das
Getriebe 24 weist ein Getriebegehäuse 29 auf, welches
der Übersichtlichkeit
halber hier lediglich teilweise dargestellt ist. Im fertig montierten Zustand
des Verstellantriebs 13 umhüllt das Getriebegehäuse 29 die
Motorritzel 22 und die Getriebezahnräder bzw. -ritzel 25, 26 und 27 und
schließt
sich unmittelbar an die Stirnseite 23 des Gehäuses 20 an bzw.
ist an dieser befestigt, so dass das Getriebe 24 vor Verunreinigungen
und Witterungseinflüssen
geschützt
ist.
-
Ferner
ist ein Lüfter 30 an
der Außenseite des
Motorgehäuses 20 befestigt,
der über
einen Anschlusskasten 31 elektrisch beschaltet werden kann. Ferner
sind an der Außenseite
des Motorgehäuses 20 zwei
Anschlusskästen 32 zur
elektrischen Beschaltung der Elektromotoren 19 vorgesehen.
-
3 zeigt
eine Vorderansicht des Verstellantriebs 13 nach 2,
wobei drei Schnittlinien A-A, B-B und C-C dargestellt sind.
-
Aus 4 ist
eine Schnittansicht des Verstellantriebs 13 entlang der
Schnittlinie C-C aus 3 ersichtlich, wobei der geschnitten
dargestellte Elektromotor 19 einen Läufer 33 mit der Motor-
bzw. Läuferwelle 21 aufweist,
die über
Wälzlager 34 drehbar
in dem Gehäuse 20 gelagert
ist. Die Läuferwicklung 35 bzw.
die Läuferwicklungen
sind an einen Kommutator 36 angeschlossen, wobei der Läufer 33 in
einem drehfest in dem Gehäuse 20 befestigen
Stator 37 angeordnet ist, der eine oder mehrere Statorwicklungen 38 und
ein Blechpaket 39 aufweist, welches unmittelbar an der
Innenwandung des Gehäuses 20 anliegt.
Die Statorwicklung(en) 38 und gegebenenfalls auch die Läuferwicklung
(en) 35 sind dabei elektrisch über den Anschlusskasten 32 beschaltbar
und bevorzugt mit der Steuervorrichtung 15 elektrisch verbunden.
-
Mit
der Läuferwelle 21 ist
eine Bremsscheibe 40 drehfest verbunden, an der eine aus
einem ferromagnetischen Material bestehende Ankerplatte 41 anliegt,
die in dem Gehäuse 20 drehfest
gelagert, aber entland der Längs-
bzw. Drehachse 42 der Läuferwelle 21 verschiebbar
ist. Die Ankerplatte 41 wird über eine nicht dargestellte
Feder gegen die Bremsscheibe 40 gedrückt, so dass eine Drehbewegung des
Läufers 33 bzw.
der Läuferwelle 21 um
die Längsachse 42 relativ
zu dem Stator 37 bzw. zu dem Gehäuse 20 kraftschlüssig verhindert
wird. An der der Bremsscheibe 40 abgewandten Seite der
Ankerplatte 41 ist ein Elektromagnet 43 in dem
Gehäuse 20 befestigt,
der in Richtung der Längsachse 42 einen geringfügigen Abstand
zur Ankerplatte 41 aufweist. Wird der Elektromagnet 43 von
einem ausreichend hohen elektrischen Strom durchflossen, so wird
die Ankerplatte 41 von dem Elektromagnet 43 angezogen
und gegen die Kraft der Feder entlang der Längsachse 42 verschoben
und somit von der Bremsscheibe 40 abgerückt. In diesem abgerückten Zustand
ist die kraftschlüssige
Verbindung zwischen der Bremsscheibe 40 und der Ankerplatte 41 aufgehoben,
so dass der Läufer 33 mit
seiner Läuferwelle 21 relativ
zu dem Stator 37 bzw. zu dem Gehäuse 20 um die Längsachse 42 drehen
kann. Somit wird von der Bremsscheibe 40, der Ankerplatte 41,
der Feder und dem Elektromagnet 43 eine Bremse für den Läufer 33 gebildet,
die im stromlosen Zustand des Elektromagneten 43 betätigt ist
und durch Bestromung des Elektromagneten 43 gelöst werden
kann.
-
Ferner
sind in bzw. an dem Gehäuse 20 ein Drehzahlmesser 44 und
ein Winkelmesser 45 angeordnet, wobei mit dem Drehzahlmesser 44 die
Drehzahl des Läufers 33 erfassbar
ist und mit dem Winkelmesser 45 der Verdrehwinkel zwischen
dem Läufer 33 und
dem Stator 37 bzw. Gehäuse 20 bestimmt werden
kann. Der Drehzahlmesser 44 und der Winkelmesser 45 sind
dabei bevorzugt elektrisch mit der Steuerung 15 verbunden.
Gemäß der Ausführungsform
bilden der Drehzahlmesser 44 und der Winkelmesser 45 getrennte
Baugruppen. Es ist aber auch möglich,
den Drehzahlmesser mit dem Winkelmesser zu einer einzigen Messeinheit
bzw. Baugruppe zu kombinieren und diese in oder an dem Gehäuse 20 anzuordnen.
-
Zwar
ist in 4 lediglich einer der beiden Elektromotoren 19 dargestellt,
der andere Elektromotor ist aber identisch aufgebaut.
-
Aus 5 ist
eine teilweise Schnittansicht des Verstellantriebs 13 entlang
der Schnittlinie A-A aus 3 ersichtlich, wohingegen 6 eine
teilweise Schnittansicht des Verstellantrieb 13 entlang
der Schnittlinie B-B aus 3 zeigt.
-
In 7 ist
eine schematische Schnittansicht eines der aus 1 ersichtlichen
Rotorblätter 9 entlang
seiner Längsachse 14 dargestellt,
wobei an dem dem Rotor 7 zugewandten Ende des Rotorblatts 9 ein
Zahnkranz 46 drehfest befestigt ist, der mit einem Zahnrad 47 kämmt, welches
drehfest mit der Abtriebswelle 28 verbunden ist. Der hier
lediglich schematisch dargestellte Verstellantrieb 13 ist über eine
Befestigung 48 mit der Rotornabe bzw. dem Rotor 7 verbunden,
welcher der Übersichtlichkeit
halber hier nicht gezeigt ist. Die Festlegung der Befestigung 48 an
dem Rotor 7 kann dabei unmittelbar oder mittelbar erfolgen,
wobei zumindest während
des Verdrehens des Rotorblatts 9 eine drehfeste Verbindung zwischen
dem Gehäuse 20 des
Verstellantriebs 13 und dem Rotor 7 besteht. Bevorzugt
ist das Gehäuse 20 des
Verstellantriebs 13 aber dauerhaft drehfest mit dem Rotor 7 verbunden.
-
Die
Verbindungen zwischen den Zahnrädern bzw.
Ritzeln und den zugehörigen
Wellen können formschlüssig, z.
B. über
eine Passfeder, erfolgen. Wegen der häufigen Lastwechsel besteht
aber die Gefahr, dass die Passfedern bzw. die Passfedernuten ausschlagen,
so dass bevorzugt eine kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen den
Zahnrädern
bzw. Ritzeln und den zugehörigen
Wellen vorgesehen ist. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, dass die Zahnräder bzw.
Ritzel auf die zugehörigen
Wellen aufgeschrumpft und zusätzlich
mit einem Klebstoff verklebt werden. Diese kraft- und formschlüssige Verbindung
kann für
alle oder für
einen Teil der Zahnräder
bzw. Ritzel vorgesehen sein. Bevorzugt weisen aber wenigstens die Zahnräder bzw.
Ritzel des Getriebes 34 die kraft- und formschlüssige Verbindung auf.
-
- 1
- Fundament
- 2
- Turm
- 3
- dem
Fundament abgewandtes Ende des Turms
- 4
- Maschinenkopf
- 5
- Azimutsystem
- 6
- Längsachse
des Turms bzw. Drehachse des Maschinenkopfes
- 7
- Rotor
- 8
- Drehachse
des Rotors
- 9
- Rotorblatt
- 10
- Gestell
für elektrischen
Generator
- 11
- elektrischer
Generator
- 12
- Rotorwelle
- 13
- Verstellantrieb
- 14
- Längsachse
bzw. Drehachse des Rotorblatts
- 15
- Steuerung
für Verstellantrieb
- 16
- Maschinengehäuse
- 17
- Pfeil
zur Veranschaulichung der Drehbewegung des Rotors
- 18
- Pfeil
zur Veranschaulichung der Drehbewegung des
-
- Rotorblatts
- 19
- Elektromotor
- 20
- Motorgehäuse
- 21
- Läuferwelle
- 22
- Motorritzel
- 23
- Stirnseite
des Motorgehäuses
- 24
- Summiergetriebe
- 25
- Eingangszahnrad
- 26
- Abtriebsritzel
- 27
- Abtriebszahnrad
- 28
- Abtriebswelle
- 29
- Getriebegehäuse
- 30
- Lüfter
- 31
- Anschlusskasten
für Lüfter
- 32
- Anschlusskasten
für Motor
- 33
- Läufer
- 34
- Wälzlager
- 35
- Läuferwicklung
- 36
- Kommutator
- 37
- Stator
- 38
- Statorwicklung
- 39
- Blechpaket
- 40
- Bremsscheibe
- 41
- Ankerplatte
- 42
- Längsachse
der Läuferwelle
- 43
- Elektromagnet
- 44
- Drehzahlmesser
- 45
- Winkelmesser
- 46
- Zahnkranz
- 47
- Zahnrad
- 48
- Befestigung