DE202011105379U1

DE202011105379U1 - Windkraftanlage mit Schwungrad

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Publication number: DE202011105379U1
Application number: DE202011105379U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-09-06
Filing date: 2011-09-06
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2021-09-07

Abstract

Pitchgeregelte Windkraftanlage mit einem Rotor mit einzeln verstellbaren Rotorblättern 5, mit einem Generator 7, einem Turm 2, einem Fundament 1 und einer Maschinenhausgondel 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Windkraftanlage einen Schwungmassenspeicher aufweist.

Description

Sowohl der Stromverbrauch als auch das Windangebot unterliegen bei Windkraftanlagen großen Schwankungen. Ist die Windgeschwindigkeit für einen wirtschaftlichen Betrieb zu gering, wird die Anlage in Leerlauf- bzw. Trudelzustand versetzt. Die Windgeschwindigkeit kann dabei von der Steuerung über ein Anemometer ermittelt werden. Für die Regelung der Anlagen existieren verschiedene Konzepte, die auch Auswirkungen auf die Anlagenkonstruktion und deren Bestandteile haben. Hier sind vor allem die Pitch- und die Stallregelung zu nennen.
Um die Anlage in Leerlauf- bzw. Trudelzustand zu versetzen, werden die Blätter bei Anlagen mit Pitchregelung in Segelstellung gedreht, bei Anlagen mit Stallregelung wird die ganze Gondel mitsamt Rotor aus dem Wind gedreht. Ein Festsetzen des Rotors würde die Lager mehr belasten als der Trudelbetrieb mit leichter Bewegung. Der Generator beziehungsweise der Wechselrichter wird vom Stromnetz getrennt. Die Steuerelektronik mit Stellantrieben für die Windrichtungsnachführung und Blattverstellung beziehen dann ihre Energie aus dem Netz. Die Anlagen besitzen auch eine Notstromversorgung, um bei Netzausfall ein sicheres Abschalten zu gewährleisten.
Bei den drehzahlvariablen, pitchgeregelten Anlagen, die den heutigen Stand der Technik im Windkraftanlagenbau darstellen, wird zwischen zwei Betriebszuständen unterschieden: der Drehzahlregelung im Teillastbetrieb (Momentenregelung) und der Drehzahlregelung im Volllastbetrieb (Pitchregelung). Im Teillastbetrieb gilt es, die Leistung zu maximieren. Dazu werden Blattwinkel und Schnelllaufzahl optimiert. Die Drehzahl ist dabei etwa proportional zur Windgeschwindigkeit und wird über das Gegenmoment am Generator beeinflusst. Bei der Pitchregelung wird der Erntegrad reduziert, wenn bei der Nennwindgeschwindigkeit die Nennleistung erreicht ist, indem die Blätter mit der Nase in den Wind gedreht werden. Dies nennt man Pitchen. Das aerodynamisch erzeugte Drehmoment wird im Mittel an das Generatormoment angepasst. Kurzzeitige Abweichungen durch Böen werden von Schwankungen der Rotordrehzahl aufgefangen, die bei dieser Bauform von der Netzfrequenz unabhängig ist. Diese Windkraftanlagen besitzen keine mechanische Betriebsbremse, sondern werden bei Abschaltungen über die Pitchregelung angehalten und nur zu Wartungsarbeiten festgesetzt.
Neuere Anlagen wie die in der DE 10 2009 030 886 A1 beschriebene besitzen eine Sturmregelung. Diese schaltet die Anlage nicht einfach ab, sondern erlaubt mit der Erstellung von Windprofilmustertabellen den reduzierten sicheren Betrieb der Anlage bei fast jeder Windgeschwindigkeit, da sie bei Sturm und beim Auftreten von Böen, Böenfronten, Fallböen und Scherwinden die Rotorblätter so verstellt, dass die Anlage in einem sicheren Betriebszustand verbleibt. Sie sorgt auch für ein sanfteres Ab- und wieder Zuschalten der Anlage, wenn der zu starke Wind ein wenig schwächer wird.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, pitchgeregelte Windkraftanlagen anzugeben, die bei Schwankungen sowohl beim momentanen Stromverbrauch als auch beim momentanen Windangebot nur wenige Abschaltungen gestatten und eine optimale Energieausbeute ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüchen 1 und/oder 6. Die Unteransprüche schließen sich als nicht selbstverständliche Ausgestaltungen diesen Lösungen an.
Als Energie- und Zwischenspeicher für das zeitweilige Überangebot an Windenergie schlägt die Erfindung zum einen einen Schwungmassenspeicher vor. Solche Zwischenspeicher sind zwar bei Windkraftanlagen aus der DE 911 840 B oder aus der DE 27 22 990 A1 grundsätzlich bekannt; sie dienen dort jedoch zur Steuerung des Betriebsablaufs. Außerdem zeigt dieser Stand der Technik keine pitchgeregelte Windkraftanlage und schon gar keine Einzelverstellung der Rotorblätter. Das Schwungrad in der JP 60 259 772 A arbeitet außerdem nur mit einem zusätzlichen Motor samt Batterie zusammen, die auch schon einmal durch ein Dieselaggregat ersetzt werden. Bei der Erfindung hingegen erfolgt die Steuerung des Betriebsablaufs vor allem durch die Pitchregelung. Überraschenderweise lässt es dabei aber der Antriebesstrang zum Generator der Windkraftanlage bei der Pitchregelung noch zu, unter Zuhilfenahme einiger Getriebe ein Schwundrad anzuordnen, das als Zwischenspeicher und als Notstromversorgung dienen kann.
Schwungräder sind typische Hochleistungsspeicher zum Speichern kinetischer Energie mittels Drehung einer Schwungmasse, die in kurzer Zeit sehr viel Rotationsenergie abgeben oder aufnehmen können. Die Leistungsfähigkeit wird vornehmlich begrenzt durch die Leistungselektronik und den installierten Generator; die Lebensdauer der Schwungräder wird nämlich von den Herstellern mit mehreren Millionen Lade-/Entladezyklen angegeben. Es gibt langsame, mittelschnelle und schnelle Schwungräder mit 5000, 20000 und 100000 Umdrehungen pro Minute. Mit höheren Umdrehungsgeschwindigkeiten und größerem Abstand der Masse von der Rotationsachse nehmen die Kräfte zu, die auch bei heute verfügbaren faserverstärkten Kunststoffmaterialien nur begrenzt zulässig sind. Wird das Schwungrad nicht weiter beschleunigt, tritt etwa nach einem Tag eine Selbstentladung ein, die Rotationsgeschwindigkeit nimmt infolge von Reibungsverlusten ab, die auch durch ein luftleeres Gehäuse und durch supraleitende Magnetlager nicht ganz vermieden werden können. Wenn häufige Lade-/Entladezyklen gefahren werden, ist die Neigung zur Selbstentladung vernachlässigbar; das Schwungrad kann vielmehr als Notstromaggregat dienen, um zumindest bei Netzausfall ein sicheres Abschalten zu gewährleisten und um eine anderweitige Notstromversorgung sicherzustellen. Insbesondere dient das Schwungrad jedoch als Zwischenspeicher, der bei Windflauten genutzt wird.
Zum anderen schlägt die Erfindung als Notstromversorgung, Energie- und Zwischenspeicher Akkumulatorzellen vor, die in einer Außen- oder Innenhaut, einer Außen- oder Innenbeschichtung von Turm, Maschinenhausgondel und/oder Rotorblättern angeordnet sind, dünnwandige oder dünnschichtige Bauformen aufweisen und gleichzeitig dem Korrosionsschutz dienen, wie dies bei Industriegebäuden aus der DE 202011005423 U1 bekannt ist, ohne dass dort auf pitchgeregelte Windkraftanlagen hingewiesen wird. Mit den sekundären, wiederaufladbaren Akkumulatorzellen stehen Energiespeicher zur Verfügung, die zum Ausgleich verschiedener Windstärken als Puffer und Zwischenspeicher für Windkraftanlagen geeignet sind.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 1 dargestellt. Auf einem Fundament 1 steht ein Turm 2, an dessen Spitze eine drehbare Windrichtungsnachführung 19 der Maschinenhausgondel 3 angebracht ist. Luvseitig ist ein Rotor mit horizontaler Rotorwelle 6 angeordnet, die mit nicht dargestellten Lagern in der Maschinenhausgondel 3 verlagert ist. Der Rotor weist eine Rotornabe 4 mit drei Rotorblättern 5 auf, die jeweils einzeln über eine Rotorblattverstellung 8 angesteuert werden. Die jeweilige Rotorblattverstellung 8 nimmt durch Stellantriebe Einfluss auf den Anstellwinkel des Rotorblatts 5 und dient sowohl der Pitchregelung im Betrieb als auch zur Bremsung des Rotors bei zu großer Windgeschwindigkeit.
Die über ein Differentialgetriebe 9 verteilten Maschinenstränge wie die Wellen 18, 21 zweigen über Ritzel 12 und über ein schräg verzahntes Kegelrad 11 von der Rotorwelle 6 ab und treiben neben den Generator 7 einzelne Schwungräder 14 an, die zum Speichern kinetischer Energie mittels Drehung einer Schwungmasse je nach Bedarf eingebaut und zugeschaltet sind. Auf der Generatorwelle 21 sitzt eine Bremsscheibe 10, die von einer Scheibenbremse abgebremst und/oder festgestellt werden kann. Die Schwungräder 14 werden gegebenenfalls in Magnetlagern 15 gelagert und laufen mit 10 000 bis 70 000 Umdrehungen pro Minute vornehmlich in luftleeren Gehäusen 16. Dazu sind entsprechende Übersetzungen erforderlich, die vom Kegelrad 11 und den anderen Getrieben 9, 20 erbracht werden, die teils als mehrstufige Planetengetriebe ausgebildet sind. Die Zuschaltung der Schwungräder 14 erfolgt über Freiläufe 13 und/oder Kupplungen 17, die teilweise schaltbar ausgeführt sind und beispielsweise mit Hilfe eines Fliehkraftreglers gesteuert werden können. Zudem empfiehlt es sich noch, variable Übersetzungsgetriebe oder Schaltgetriebe einzusetzen, um die Energienachfrage und das Energieangebot miteinander in Einklang zu setzen und entweder den Überschuss zu speichern oder die Energie für den zusätzlichen Verbrauch freizusetzen. Obschon die Schwungräder 14 alternativ an verschiedenen Stellen dargestellt sind, versteht es sich, dass in der Regel ein Schwungrad 14 genügt, um die Speicherung der kinetischen Energie in dem Schwungmassenspeicher sicherzustellen.
Die Einspeicherung in und die Entnahme der kinetischen Energie aus dem Schwungmassenspeicher dient dem Zweck, im pitchgeregelten Betrieb der Windkraftanlage ihre Effienz zu verbessern und einen größeren Bereich von unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten abzudecken. Neben der Energiespeicherung wie bei den Akkumulatorzellen mit Abdeckung der Spitzenlast geht es auch um die Regelung der Netzstabilität, die Frequenzstabilisierung und die Kompensation der Blindleistung. Wenn das Energieangebot der Rotorwelle 6 größer ist als der momentane Energiebedarf des Generators 7, wird die überschüssige Energie dem Schwungrad 14 zugeleitet, dessen Drehzahl beschleunigt zunimmt, da es über ein Getriebe 20 mit variabler Übersetzung angetrieben wird. Wenn wegen einer Windflaute das Energieangebot der Rotorwelle 6 nicht ausreicht, um den momentanen Energiebedarf des Generators 7 zu decken, wird die benötigte Energiedifferenz dem Schwungmassenspeicher entnommen. Bei dieser Entnahme von kinetischer Energie kommt es zu einer Abbremsung des Schwungrades 14. Parallel zu dieser Regelung mittels Getriebe 9, 20, Kupplung oder Freilauf 13 tritt erfindungsgemäß die Pitchregelung hinzu, die eine Rotorblattverstellung 8 und die entsprechende Regelung bewirkt, so dass erst im Zusammenspiel aller Parameter eine Optimierung erfolgen kann.
In 2 ist nach einem weiteren Aspekt der Erfindung die besondere Einbettung von dünnwandigen Akkumulatorzellen 24 in die Außen-22 und Innenbeschichtung 23 des Turmes 2 mittels Folien 25 gemäß Detail „A” dargestellt, durch die sogar die Knick- und Beulsicherheit des Turmes 2 erhöht werden kann, so dass bei bestehenden Anlagen auch eine Nachrüstung mit Akkumulatorzellen 24 erfolgen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009030886 A1 [0004]
DE 911840 B [0007]
DE 2722990 A1 [0007]
JP 60259772 A [0007]
DE 202011005423 U1 [0009]

Claims

Pitchgeregelte Windkraftanlage mit einem Rotor mit einzeln verstellbaren Rotorblättern 5, mit einem Generator 7, einem Turm 2, einem Fundament 1 und einer Maschinenhausgondel 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Windkraftanlage einen Schwungmassenspeicher aufweist.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwungmassenspeicher als Energiespeicher und Notstromaggregat dient und als Schwungrad 14 ausgebildet ist, das eine horizontale oder eine vertikale Achse aufweist und mit einem Antriebsstrang zwischen Rotor und Generator 7 innerhalb der Maschinenhausgondel 3 verbunden ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwungmassenspeicher als mittelschnelles Schwungrad 14 in der Maschinenhausgondel 3, im Turm 2 und/oder im Fundament 1 in einem luftleeren Gehäuse 16 läuft und zur Lagerung des Schwungrades 14 Magnetlager 15 verwendet werden.
Windkraftanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Antriebsstrang ein Freilauf 13, eine Rutschkupplung, eine Fliehkraftkupplung, eine Schaltkupplung und/oder eine anderweitige Kupplung 17 angeordnet ist.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Antriebsstrang ein Verzweigungsgetriebe oder ein Differentialgetriebe 9 angeordnet ist, wobei diesen Getrieben 9, 20 ein stufenlos verstellbares Getriebe vorgeschaltet sein kann, das als CVT-Getriebe oder als kegelförmiges Riemenscheibengetriebe ausgebildet sein kann, und wobei zur Steuerung des Verzweigungsgetriebes Fliehkraftregler und beim Differentialgetriebe 9 Band-, Trommel- oder Scheibenbremsen eingesetzt werden.
Pitchgeregelte Windkraftanlage mit einem Rotor mit einzeln verstellbaren Rotorblättern 5, mit einem Generator 7, einem Turm 2, einem Fundament 1 und einer Maschinenhausgondel 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Windkraftanlage Akkumulatorzellen 24 als Energiespeicher vorgesehen sind, die in einer Außen- und/oder Innenhaut, einer Außen-22 und/oder Innenbeschichtung 23 von Turm 2, Maschinenhausgondel 3 und/oder Rotorblättern 5 angeordnet sind.
Windkraftanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Außen-22 und Innenbeschichtung 23 gleichzeitig dem Korrosionsschutz dienen und/oder die Akkumulatorzellen 24 dünnwandige oder dünnschichtige Bauformen aufweisen.
Windkraftanlage nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Akkumulatorzellen 24 von Filmschichten und/oder von Folien 25 aufgenommen werden und in Foliengehäuse eingebettet sind, wobei es sich in der Regel um wiederaufladbare Lithium/Ionen- oder Lithum/Polymer-Akkuzellen handelt.
Windkraftanlage nach einer der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Windkraftanlagen einzelner Typen zu einem Windpark on- oder offshore zusammengefasst ist und zwischen den einzelnen Anlagen eine gemeinsame Betriebssteuerung vorgesehen ist, die eine gemeinsame Notstromversorgung und eine Gesamtenergiespeicherung erlaubt.