DE202007004342U1

DE202007004342U1 - Drehzahlgeregelter hydrostatischer Antrieb für Windkraftanlagen

Info

Publication number: DE202007004342U1
Application number: DE202007004342U
Authority: DE
Original assignee: RLE INTERNAT GmbH; RLE INTERNATIONAL GmbH
Current assignee: RLE-PROJEKT GMBH, DE
Priority date: 2007-03-21
Filing date: 2007-03-21
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2017-03-22

Abstract

Die Windkraftanlage zeichnet sich dadurch aus, dass die mechanische Drehenergie in hydrostatische Energie umgewandelt wird und dies wiederum einen oder eine Mehrzahl der Drehzahlgeregelten hydrostatischen Motoren, die einen oder eine Mehrzahl von Synchrongeneratoren antreiben, aufweist.

Description

Die Windkraftanlage dient der Erzeugung elektrischer Energie, durch ein mit Wind angetriebenes Rotorelement und mit einem direkt oder indirekt verbundenen Generator. Der Antrieb ist ein zwischen dem Rotor und Generator eingesetzter Drehzahlumwandler, um die niedrige Antriebsdrehzahl in eine hohe Abtriebsdrehzahl umzuwandeln.
Die vorliegende Erfindung betrifft den Antrieb von Windkraftanlagen, zur Erzeugung von elektrischer Energie. Derartige Lösungen sind auf dem Markt in vielfältiger Form und Ausführung bekannt und werden zum Antrieb von Generatoren zur Erzeugung von Energie, insbesondere Stromerzeugung, eingesetzt.
Der derzeitige Stand der Technik für Windkraftanlagen besteht aus einem Turm (1), an welchem sich eine drehbare Gondel (2) befindet. In dieser Gondel (2) ist ein Synchron- oder Asynchron Generator (3), ggf. ein Getriebe (4), mit oder ohne hydrodynamischer Drehzahlregelung und ein daran anschließendes Rotorelement (5) gelagert.
Das Rotorelement (5), nimmt die Windenergie auf und überträgt eine drehende Bewegung, ggf. über ein dazwischen geschaltetes Getriebe (4), direkt auf einen Generator (3).
Nachteilig ist, dass das Gewicht der Getriebe (4) und des Generators (3) sehr hoch ist. Besonders bei sehr leistungsstarken Windkraftanlagen mit hohen Türmen, treten hohe Windbelastungen und sehr starke Schwingungen auf, so dass die Getriebe oft die geplante Lebensdauer nicht einhalten können und teure Instandsetzungen notwendig sind.
Weiterhin nachteilig ist, dass die Instandsetzung oft mehrwöchige Einnahmenausfälle und Versicherungsentschädigungen verursacht und Einsätze von aufwendigen Kränen notwendig macht.
Auch ein Nachteil ist, dass im allgemeinen die Generatorantriebsdrehzahl variabel ist. Damit ist die notwendige Wechselstromfrequenz nur durch zwischengeschaltete, elektrische Einheiten, wie Umrichter oder ähnliches möglich. Sie sind aufwendig und nur mit einem Verlust des Wirkungsgrades funktionsfähig.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Antrieb zu schaffen, welcher die genannten Nachteile beseitigt und auf kostengünstige, effektive Weise montiert und betrieben werden kann, neben einer deutlichen Verlängerung der Lebensdauer und Funktionssicherheit. Weiterhin ist die Ausnutzung der durch den Rotor aufgefangenen Energie mit einem verbesserten Gesamtwirkungsgrad im Netz eingespeist. Die Lösung ist fähig, einen netzähnlichen Wechselstrom im Inselbetrieb, ohne vorhandenes Netz zu liefern. Ferner ist die Instandsetzung ohne Abschaltung der Gesamtanlage möglich, da eine Stufenzuschaltung der Haupteinheiten (Pumpe, Hydromotor, Synchrongenerator) die optimale Energieerzeugung bei einem breiten Windstärkespektrum sichert.
Zur Lösung führen hierbei die Merkmale des Anspruches 1 sowie die Merkmale der nebengeordneten Patentansprüche 2 und 3.
Bei der vorliegenden Erfindung, wird der Rotor direkt, ohne ein zwischengeschaltetes Getriebe, mit einer oder mehrerer hydrostatischer Pumpen verbunden. In der hydrostatischen Pumpe wird die mechanische Nachteilig ist, dass das Gewicht der Getriebe (4) und des Generators (3) sehr hoch ist. Besonders bei sehr leistungsstarken Windkraftanlagen mit hohen Türmen, treten hohe Windbelastungen und sehr starke Schwingungen auf, so dass die Getriebe oft die geplante Lebensdauer nicht einhalten können und teure Instandsetzungen notwendig sind.
Weiterhin nachteilig ist, dass die Instandsetzung oft mehrwöchige Einnahmenausfälle und Versicherungsentschädigungen verursacht und Einsätze von aufwendigen Kränen notwendig macht.
Auch ein Nachteil ist, dass im allgemeinen die Generatorantriebsdrehzahl variabel ist. Damit ist die notwendige Wechselstromfrequenz nur durch zwischengeschaltete, elektrische Einheiten, wie Umrichter oder ähnliches möglich. Sie sind aufwendig und nur mit einem Verlust des Wirkungsgrades funktionsfähig.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Antrieb zu schaffen, welcher die genannten Nachteile beseitigt und auf kostengünstige, effektive Weise montiert und betrieben werden kann, neben einer deutlichen Verlängerung der Lebensdauer und Funktionssicherheit. Weiterhin ist die Ausnutzung der durch den Rotor aufgefangenen Energie mit einem verbesserten Gesamtwirkungsgrad im Netz eingespeist. Die Lösung ist fähig, einen netzähnlichen Wechselstrom im Inselbetrieb, ohne vorhandenes Netz zu liefern. Ferner ist die Instandsetzung ohne Abschaltung der Gesamtanlage möglich, da eine Stufenzuschaltung der Haupteinheiten (Pumpe, Hydromotor, Synchrongenerator) die optimale Energieerzeugung bei einem breiten Windstärkespektrum sichert.
Zur Lösung führen hierbei die Merkmale des Patentanspruches 1 sowie die Merkmale der nebengeordneten Patentansprüche 2 und 3.
Bei der vorliegenden Erfindung, wird der Rotor direkt, ohne ein zwischengeschaltetes Getriebe, mit einer oder mehrerer hydrostatischer Pumpen verbunden. In der hydrostatischen Pumpe wird die mechanische Drehenergie in hydrostatische Energie umgewandelt, die durch Druck und Fluidvolum beschrieben ist. Die Schwingungen des Rotors, die zur Flüssigkeit weitergegeben werden, werden durch hydrostatische Dämpfer absorbiert. Die Flüssigkeit wird einem oder mehrerer hydrostatischer Motoren mit Schluckvolumenregelung zugeleitet. Die Flüssigkeitsauslaufleitung, ist direkt mit der Einsaugleitung der Pumpe verbunden. Zu diesen hydrostatischen Antrieben gehören weitere Nebenaggregate, wie Filterung, Kühlung, verschiedene Sensoren, Sicherheitsventile etc.
Ein oder mehrere hydrostatische Motoren treiben einen oder mehrere Synchrongeneratoren an, die direkt die gewünschte (bevorzugt 50 oder 60 Herz) Stromfrequenz erzeugen. Der Synchrongenerator kann auch mehrstufig sein.
Der gesamte Antrieb, samt Synchrongeneratoren, wird in Gondeln untergebracht, damit der maximale Wirkungsgrad mit minimaler hydrostatischer Flüssigkeit erreichbar wird.
Die Kühlung funktioniert entweder über Luft- oder Wasserkühlung. Derartige hydrostatische Einheiten sind wesentlich kleiner, leichter, auf dem freien Markt vorhanden und bereits in verschiedenen Kraftmaschinen sehr lange im Einsatz. Erfahrungsgemäß ist die Lebensdauer und Funktionssicherheit der hydrostatischen Antriebe wesentlich günstiger als bei der mechanischen oder kombinierten Lösung. Deshalb sind sie ohne Kran montierbar und nahezu Wartungsfrei.
Bei der vorgeschlagenen Lösung ist der Einsatz mehrerer Pumpen, Hydromotoren und Generatoren möglich. Diese Lösung hat folgende Vorteile:
Eine Skalierung bis zur gewünschten Leistung ist möglich, durch die Nutzung mehrerer der o. g. Einheiten mit niedrigerer Leistungsstufe.
Durch einschalten oder Ausschalten von einzelnen Einheiten, ist eine stufenweise Optimierung der Funktionsparameter und die Funktion in einem breiteren Windstärkespektrum möglich.
Die für dieselbe Funktion benutzten Einheiten müssen nicht gleich leistungsstark sein, wodurch eine bessere Optimierung erreicht werden kann.
Durch Ausnutzung der Wechseleinschaltungsmöglichkeit verlängert sich zusätzlich die Lebensdauer. Ferner, im Falle der Ausschaltung einzelner Einheiten (z. B. Service oder Instandhaltung) und durch Einschalten anderer Einheitskombinationen, kann die Windkraftanlage unter der Nennleistung weiter Strom erzeugen.
Im Falle eines Windstillstandes, kann die Anlage auf gespeicherte Energie zurückgreifen. Der Vorteil ist, dass diese Energie für das gesteuerte Anfahren der Rotoren und die im Motorbetrieb funktionierende hydrostatische Pumpe benutzt werden kann.
Das Abbremsen oder die Drehzahlregelung der Rotoren, ist einfach durch Druckregelung oder ein Überdruckventil möglich.
Ferner können, auf Grund der Energie, alle Bewegungen der Gondel durch hydrostatische Antriebe gelöst werden, wie Azimut, Pitsch oder Gondelinterner Kran etc.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Windkraftanlagen mit Antriebstrang. Turm (1), Gondel (2), Generator (3), Antriebstrang (4), Rotor, (5) Umrichter (6), Bremse (7)
2 Hydrostatischer Antriebsstrang, mit je einer Haupteinheit.

1: Die Radialkolbenpumpe wird direkt durch das Windrad angetrieben.
2: Der Drehzahlgeregelte Hydromotor treibt direkt den Generator an. Eine Drehrichtung ist hierbei ausreichend.
3: Überdruckventil
4: Lader- und Durchspülsystem
5: Hydrostatischer Dämpfer
6: Speisegerät
7: Pumpe für Lade- und Regelungsöl
8: Kühlkreis

Die Radialkolbenpumpe (1) erzeugt, entsprechend der Windraddrehzahl, eine variable Ölströmungsmenge im Antriebssystem. Das von der Pumpe gelieferte Öl wird direkt zu beiden Hydromotoren geleitet. Die zu den Hydromotoren geleitete Strömungsmenge ist von der Elektronik so geregelt, dass die Ausgangsdrehzahl in einem Toleranzfeld konstant bleibt. Zu einem größeren Schluckvolumen gehört eine größere Leistung. Wenn die Pumpe eine geringere Strömungsmenge liefert, dann mindert die Regelungselektronik die Ölaufnahmemenge des Hydromotors entsprechend, so dass die Drehzahl konstant bleibt. Im Verhältnis dazu, mindert sich sowohl die übertragene Leistung, als auch der Antriebsdrehmoment.
Der Druck ist durch die Überdruckventile begrenzt und anhand dieser Ventile kann der Antrieb in den Leerlauf geschaltet werden.
Der Dämpfer (5) sichert die Dämpfung der hydrostatischen Schwingungen und übernimmt den kurzzeitigen Druckausschlag.
Das Speisegerät (6) sichert die Funktion der Nebenaggregate. Dazu gehört der für die Kühlung notwendige Kühlkreis (8) und die für die Regelung des Hydromotors notwendige Regelungsölpumpe.
Zur Vereinfachung sind Kühl- und Filterkreis getrennt. 3 ist die schematische Darstellung des Funktionsschemas von 2.
4 ist die schematische Darstellung einer Kombination mehrerer Haupteinheiten:
(1.1) ... (1.n) hydrostatische Pumpen
(2.1) ... (2.n) hydrostatische Motoren
(3.1) ... (3.n) Synchrongeneratoren

Claims

Die Windkraftanlage zeichnet sich dadurch aus, dass die mechanische Drehenergie in hydrostatische Energie umgewandelt wird und dies wiederum einen oder eine Mehrzahl der Drehzahlgeregelten hydrostatischen Motoren, die einen oder eine Mehrzahl von Synchrongeneratoren antreiben, aufweist.
Die Windkraftanlage, nach Anspruch 1, zeichnet sich dadurch aus, dass die Antriebsdrehzahl des Synchrongenerators konstant bleibt und bevorzugt bei 1.500 oder 1.800 Umdrehungen pro Minute liegt.
Die Windkraftanlage, nach Anspruch 1 und 2, zeichnet sich dadurch aus, dass die Drehzahl des hydrostatischen Motors durch Schluckvolumenregelung realisiert ist.
Die Windkraftanlage, nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, zeichnet sich dadurch aus, dass eine oder eine Mehrzahl der hydrostatischen Pumpen leistungsabhängig vom Rotorelement, insbesondere drehmoment- oder drehzahlabhängig, über zumindest eine Regeleinrichtung zuschaltbar ist.
Die Windkraftanlage, nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, zeichnet sich dadurch aus, dass einer oder eine Mehrzahl der hydrostatischen Motoren leistungsabhängig von der hydrostatischen Pumpe, insbesondere Druck und Strömungsvolumenabhängig, über zumindest eine Regeleinrichtung zuschaltbar ist.
Die Windkraftanlage, nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, zeichnet sich dadurch aus, dass einer oder eine Mehrzahl der Synchrongeneratoren leistungsabhängig von dem hydrostatischen Motor, direkt oder indirekt durch Hilfsantrieb, über zumindest eine Regeleinrichtung zuschaltbar ist.
Die Windkraftanlage, nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, zeichnet sich dadurch aus, dass einer oder eine Mehrzahl der Mehrstufigen Synchrongeneratoren, leistungsabhängig vom hydrostatischen Motor, direkt oder indirekt durch Hilfsantrieb, über zumindest eine Regeleinrichtung zuschaltbar ist.
Die Windkraftanlage, nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, zeichnet sich dadurch aus, dass in den hydrostatischen Leistungskreis zwischen Pumpe und Motor ein oder eine Mehrzahl hydrostatischer Dämpfer für den Druckwellenausgleich eingesetzt ist.
Die Windkraftanlage, nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, zeichnet sich dadurch aus, dass der hydrostatische Leistungskreis eine oder eine Mehrzahl hydrostatischer Regel-, Sensor und Hilfseinheiten, wie Überdruckventil, Lader und Durchspülsystem, Speisegerät, Ladeeinheit und Kühlkreis, aufweist.
Die Windkraftanlage, nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, zeichnet sich dadurch aus, dass sich der gesamte hydrostatische Antrieb, samt Synchrongenerator, in der Gondel befindet.
Die Windkraftanlage, nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, zeichnet sich dadurch aus, dass zur Steuerung und/oder Regelung der Rotordrehzahl und/oder zum Abbremsen des Rotors in zumindest einer Leitung ein regelbares Drosselelement und/oder ein regelbares Ventil eingesetzt ist.
Die Windkraftanlage, nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, zeichnet sich dadurch aus, dass für den geregelten Start der Rotorumdrehung vor dem Abschalten ein Reservedruck gespeichert wird.
Die Windkraftanlage, nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, zeichnet sich dadurch aus, dass mehrere Zu- und Rücklaufleitungen von Pumpen und mehrere Zu- und Rücklaufleitungen von Motoren, durch Regel- und Steuereinheiten miteinander verbunden sind.
Die Windkraftanlage, nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, zeichnet sich dadurch aus, dass eine Mehrzahl von Einheiten mit derselben Funktion, unterschiedliche Leistungsmerkmalen haben können
Die Windkraftanlage, nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, zeichnet sich dadurch aus, dass eine Mehrzahl von Einheiten mit derselben Funktion, eine entsprechende optimale Leistungsumsetzung, Lebensdauer und Serviceplan ein und ausgeschaltet werden können.
Die Windkraftanlage, nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, zeichnet sich dadurch aus, dass höhere Leistungsstufen durch das Erhöhen der Anzahl funktionsgleicher Einheiten erreicht werden.