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Die Erfindung betrifft einen Pitchantrieb für eine Windkraftanlage entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Kühleinrichtung für einen an einer Halterung an einem Befestigungsort der Windkraftanlage befestigten elektrochemischen oder elektrostatischen Energiespeicher zur vorübergehenden Versorgung des Pitchantriebes, sowie eine Windkraftanlage, ausgerüstet mit dem Pitchantrieb.
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Zur Verstellung eines Anstellwinkels eines oder mehrerer Rotorblätter einer Windkraftanlage gegenüber dem einfallenden Wind werden elektrische Verstellantriebe verwendet, deren Energieversorgung entweder durch ein externes elektrisches Netz oder intern durch einen Generator erzeugt wird. Diese Antriebe werden üblicherweise als Pitchantriebe, das Blattverstellsystem als Pitchsystem bezeichnet.
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Im Falle einer Unterbrechung oder Störung der Energieversorgung, weist der Pitchantrieb einen zusätzlichen elektrochemischen oder elektrostatischen Energiespeicher auf, der in diesem Falle eine zu mindestens vorübergehend Energieversorgung des Antriebes aufrechterhält. Als Energiespeicher sind wiederaufladbare Akkumulatoren (Batteriepacks) oder sogenannte Ultracaps üblich, die mittels einer Halterung an einem vorgesehenen Befestigungsort in der Windkraftanlage angeordnet sind. Auf Grund des Einsatzortes weist der Energiespeicher ein separates Gehäuse auf und ist sehr oft zusätzlich noch in einem separaten Schaltschrank (Akkuschrank) untergebracht. Da der Energiespeicher Teil des Pitchantriebes ist, ist er meist, jedoch nicht ausschließlich, im rotierenden Teil der Windkraftanlage (Nabe oder Rotor) angeordnet, bzw. das Gehäuse für den Energiespeicher kann auch an der Außenwand eines Steuerschrankes (Umrichterschrank) für den elektrischen Motor vorgesehen sein, der ebenfalls meist im rotierenden Teil der Windkraftanlage angeordnet ist. Beide Schränke (Akku- und Umrichterschrank) sind sehr oft zu einer Schaltschrankanordnung miteinander verbunden.
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Elektrochemische Energiespeicheranordnungen (Akkus oder Ultracaps) weisen bei steigenden Temperaturen erhöhte chemische Aktivitäten auf, die zu einer ungewünschten Verkürzung der Lebenszeit der Anordnung führen, wobei die Lebensdauer wiederum abhängig ist von der Temperaturerhöhung oberhalb einer gewünschten Betriebstemperatur. Üblicherweise ist dies die Raumtemperatur. Es ist bekannt, dass Akkus oder ähnliche Energiespeicheranordnungen durch Konvektion gekühlt werden, indem die Anordnung mittels Luft umströmt wird. Die Luft wiederum wird durch eine Kühleinrichtung gekühlt, die vorzugsweise mehrere Kühlelemente umfasst. Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, dass der Wasserdampf in der Luft einen hohen Energieaufwand benötigt, um in flüssige Form zu kondensieren, da die umgebende Luft unterhalb des Taupunktes gekühlt wird. Dies schränkt die Effektivität solcher Kühleinrichtungen ein.
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DE-A-10 2012 205 255 zeigt eine Notenergieversorgung für eine Windkraftanlage mit einem Energiespeicher, der nahezu vollständig von einem Gehäuse umschlossen ist, wobei das Gehäuse an wenigstens einer Stelle eine Ausnehmung aufweist, in der ein Heiz- und Kühlelement angeordnet ist.
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Aus der
DE-A-10 2007 016 023 ist es bekannt, bei einem Pitchantrieb eine elektrisch antreibbare Wärmeabfuhreinrichtung in Form eines Ventilators oder eines Peltierelementes vorzusehen, um so die erwärmte Luft durch Ventilation oder Abkühlung an die Umgebung abzuführen. Die alleinige Verwendung von Ventilationsluft als Medium zur Abführung der im Energiespeicher auftretenden Wärmereicht reicht jedoch nicht aus, so dass insbesondere der durch die Verlustwärme entstandene erwärmte Wasserdampf in dem Energiespeicher eine erhöhte Kühlleistung, beispielsweise durch die Peltierelemente oder andere elektrothermische Wandlerelemente, erforderlich machen.
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EP-A-1791413 zeigt einen Schaltschrank, in dem u. a. auch Energiespeicher angeordnet sein können. An einer Außenwand des Energiespeichers sind Peltierelemente angeordnet die im direkten wärmeleitenden Kontakt mit einer Außenwand stehen. Die Kühleinrichtung umfasst an ihrer kalten Seite einen aus dem Innenraum herausführenden spiralförmigen Wäremabführschlauch, mittels dessen die Verlust- oder Kondenswärme innerhalb des Schaltschrankes an die Umgebung abgeführt werden kann.
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Das Dokument
WO-A-2011 061016 der Anmelderin zeigt einen elektrischen Energiespeicher, der an einem Träger befestigt ist, an dem als Kühleinrichtung Peltierelemente angeordnet sind, wobei die Peltierelemente sowohl mit dem Energiespeicher als auch mit dem Träger im direkten wärmeleitfähigen Kontakt stehen. Nachteilig an der gemeinsamen Befestigung des Energiespeichers und der Peltierelemente ist jedoch, dass die Peltierelemente einer sehr starken mechanischen Beanspruchung bei einer Bewegung des Energiespeichers relativ zum Träger ausgesetzt sind.
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Eine direkte Kühlung des Energiespeichers erfordert einen direkten wärmeleitfähigen Kontakt zwischen dem Energiespeicher und der Kühleinrichtung, um den Wärmefluss von der „kalten Seite” des Peltierelementes hin zur „warmen Seite” der Wärmeabführeinrichtung aufrecht zu erhalten. Die Sicherstellung eines direkten wärmeleitfähigen Kontaktes zwischen dem Energiespeicher und der Kühleinrichtung mit den integrierten und empfindlichen Peltierelemten über Befestigungsmittel wie Schrauben oder eine Klebeverbindung ist jedoch – bedingt dadurch, dass sie nicht nur einem sehr starken thermischen Einfluss unterliegen, sondern auch durch die Rotation des Rotors einem sehr starken mechanischen Belastungen aufgesetzt sind – mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden.
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Aufgabe der Erfindung ist es somit, bei einem Pitchantrieb der genannten Art einen verbesserten wärmeleitfähigen Kontakt zwischen dem Energiespeicher und der Kühleinrichtung bzw. den einzelnen Kühlelementen vorzuschlagen, wobei insbesondere eine erhöhte mechanische Beanspruchung der Kühleinrichtung vermieden werden soll.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt bei dem Pitchantrieb durch die Merkmale des Anspruches 1.
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Bei dem Pitchantrieb weist die Kühleinrichtung eine von der Befestigung des Energiespeichers am Befestigungsort unabhängige Lagerung auf, wobei diese Lagerung so gestaltet ist, so dass der direkte wärmeleitfähige Kontakt zwischen dem Energiespeichers und der Kühleinrichtung aufrechterhalten bleibt. Darüber hinaus wird somit ein geführter und dauernder wärmeleitfähiger Kontakt zwischen dem Energiespeicher und dem Kühleinrichtung hergestellt.
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Da, wie Eingangs erwähnt, der Energiespeicher Bestandteil des Pitchantriebes ist, ist der Befestigungsort des Energiespeichers meist in der Nähe der Steuereinrichtungen (Umrichter) des Antriebes, der ebenfalls meistens, jedoch nicht ausschließlich, im rotierenden Teil der Windkraftanlage angeordnet ist.
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Die erfinderische Idee besteht darin, die Lagerung des Energiespeichers und die der Kühleinrichtung zu trennen bei gleichzeitiger Beibehaltung eines direkten Kontaktes zwischen den Komponenten, um so einen konduktive Kühlung des Energiespeichers zu ermöglichen. Durch diese Anordnung werden erhöhte mechanischen Beanspruchungen der Kühleinrichtung, die durch mögliche Relativbewegungen zwischen der Befestigung des Energiespeichers am Befestigungsort entstehen können, vermieden. Die Relativbewegung zwischen der Kühleinrichtung und dem Energiespeicher ist jedoch begrenzt durch Mittel, die eine dauernde „Kraft” zwischen einzelnen Elementen der Kühleinrichtung und dem Energiespeicher erzeugen, ohne jedoch die meist empfindlichen einzelnen Kühlelemente mechanisch stark zu beanspruchen. Diese „Kraft” entspricht dem direkten geführten wärmeleitfähigen Kontakt zwischen beiden Bauelementen. Der wärmeleitfähige Kontakt umfasst einen Wärmepfad zwischen einem festen thermisch leitfähigen Material, wobei der Wärmepfad eine mechanische Struktur aufweist, die sich unabhängig von der Befestigung des Energiespeichers bewegen kann, und so mechanische Belastungen im Wärmeübergang verhindert, wenn sich der Energiespeicher gegenüber seiner Halterung bewegt.
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Der Wärmeübergang ist zusätzlich geführt und beschränkt sich nur auf den Kontaktbereich zwischen Energiespeicher und Kühleinrichtung. Ein unkontrollierter Wärmeübergang, der zu Schäden und Ausfall am Pitchsystem führen könnte, wird somit vermieden.
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In einer ersten vorteilhaften Ausführung können die Mittel, um den wärmeleitfähigen Kontakt zwischen dem Energiespeicher und der Kühleinrichtung sicherzustellen, Abstandshalter zwischen der Kühleinrichtung und dem Befestigungsort umfassen, die im seitlichen Abstand zueinander in Richtung der Wärmeabfuhr angeordnet sind. Mehrere der Abstandshalter sind im seitlichen Abstand zueinander angeordnet und erstrecken sich in Richtung der Wärmeabfuhr. Die Verlustwärme wird somit durch die Zwischenräume nach außen geführt, die vorteilhaft als Kanal ausgebildet sind. Eine mit der Kühleinrichtung kombinierte Ventilationseinrichtung kann ferner vorteilhaft die erwärmte Luft in die Atmosphäre blasen. Der Ventilator und der Kanal sind somit Teil der Wärmeabführeinrichtung.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung können die Abstandshalter federnde Elemente umfassen. Die dadurch erzeugt Federkraft kann entweder durch eine zusätzliche Feder erfolgen, welche die Kühleinrichtung unabhängig von der Befestigung des Energiespeichers mit der Halterung gegen den Energiespeicher drückt, oder es sind Abstandshalter aus flexiblen und thermisch isolierenden Materialien zwischen der Kühleinrichtung und dem Befestigungsort in der Windkraftanlage vorgesehen, die ebenfalls unabhängig von der Befestigung des Energiespeichers mit der Halterung sind. Bei der Feder kann es sich zum Beispiel um eine Flachfeder handeln, die zwischen de Befestigungsort und dem Abstandshalter angeordnet ist, wobei die Federsteifigkeit sowohl bei der Anordnung mit zusätzlicher Feder als auch ohne die Feder entsprechend angepasst werden muss. Die Kühleinrichtung lagert ausschließlich auf dieser flexiblen Isolation. Sobald der Energiespeicher montiert ist, drückt er gegen das Kühlelement und komprimiert die Isolation, wodurch wiederum der wärmeleitfähige Kontakt zwischen dem Energiespeicher und dem Kühlelement verbessert wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung können die Mittel, um den wärmeleitfähigen Kontakt zwischen dem Energiespeicher und der Kühleinrichtung sicherzustellen, ein Zwischenelement umfassen, das mit der Kühleinrichtung über Befestigungsteile dauerhaft verbunden ist, wobei jedoch die Befestigung der Kühleinrichtung mechanisch unabhängig von der des Energiespeichers ist. Durch diese Anordnung kann auf die Verwendung von (federnden) Abstandshaltern verzichtet werden. Der Energiespeicher lagert auf diesem Zwischenelement, welches dann wiederum zu einem Gehäuse oder Trog für den Energiespeicher ausgestaltet werden kann. Die Ausgestaltung des Zwischenelementes zum Gehäuse oder Trog des Energiespeichers hat den Vorteil, dass damit der Energiespeicher ausgewechselt werden kann, ohne dass er von seiner Befestigung am Befestigungsort gelöst werden muss.
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Die Erfindung umfasst auch Energiespeicheranordnungen, die mehrere nebeneinander angeordnete Energiespeicherelemente umfassen, wobei jedes Element in einem wärmeleitfähigen Kontakt mit der Kühleinrichtung steht. Diese Anordnung ist ferner in einem Gehäuses oder einem Trog (Akkutrog) angeordnet. Zur sicheren Befestigung am Befestigungsort der Windkraftanlage sind solche Anordnungen mit ihren Gehäuse in einem Schrank (Akkuschrank) angeordnet, der meist in Nachbarschaft zu einer elektrischen Steuereinheit (Umrichterschrank) des Pitchantriebes angeordnet ist. Innerhalb des Gehäuses lagern die einzelnen Energiespeicherelemente auf einer Lagerplatte, die Teil des Gehäuses oder des Troges sein kann. Einzelne Energiespeicherelemente können so einzeln ausgewechselt werden, ohne das Gehäuse von seiner Befestigung zu lösen. Das Gehäuse verbleibt in seiner seitlichen Befestigung.
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Um zu verhindern, dass an den Befestigungsstellen des Energiespeichers mit der Halterung eine unkontrollierte Wärmeleitung entsteht, hat es sich als voreilhaft erwiesen, an den Seitenteilen des Energiespeichers eine wärmeisolierende Isolation, z. B aus Kunststoff zwischen dem Energiespeicher und der Halterung vorzusehen. Die beiden Isolatoren werden dann mittels Befestigungsmittel wie Schrauben oder ähnl. zusammen gehalten. Als geeignetes Material für die Isolation wird ein Kunststoff aus PVC (Polyvenylclorid) mit entsprechenden mechanischen Eigenschaften empfohlen.
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Zum Austausch des Energiespeicher, des gesamten Akkupackes oder des Akkutroges wird lediglich die seitliche Befestigungsart gelöst, so dass dann die gesamte Anordnung auswechselbar ist. Der Kontaktbereich des Energiespeichers und ggf. der der Lagerplatte mit der Kühleinrichtung und der druckfedernden Lagerung ist nicht betroffen, so dass auch nach dem Auswechseln eines kompletten Energiespeichers die Wärmeleitfähigkeit in Richtung Wärmeabfuhreinrichtung aufrechterhalten bleibt.
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Die mehrere Kühlelemente umfassende Kühleinrichtung besteht vorteilhaft aus einer Schichtung einer Kälte abgebenden Platte und eine Wärme abgebenden Platte, wobei die kälteabgebende Platte in Kontakt mit dem Energiespeicher steht, und die Wärme abgebende Platte Teil der Wärmeabfuhreinrichtung ist. Die plattenförmige Ausführung der Kühleinrichtung hat den Vorteil, dass die Plattenkombination eine große Fläche des Energiespeichers abdeckt und somit platzsparend in den Energiespeicher oder dem Akkuschrank eingebaut werden kann.
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Bei der kälteabgebenden Platte handelt es sich vorteilhaft um elektrothermische Wandlerelemente (Wärmetauscher) zur Erzeugung einer Temperaturdifferenz, wobei es sich bei den Wandlerelementen bevorzugt um sog. Peltierelemente handelt, die zwischen der Kälte abgebenden Platte und der Wärme abgebenden Platte angeordnet sind. Andere Wandlerelemente könne natürlich auch verwendet werden, sofern sie die erforderliche Temperaturdifferenz von ca. 30°K bis 40°K erzeugen können. Als Material für die Kälte abgebende Platte wird vorteilhaft eine sehr gut leitende Metallplatte verwendet, wobei Aluminium hier in Bezug auf Preis, Gewicht und Wärmeleitfähigkeit besonders gut geeignet ist.
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Das Material der Wärme abgebenden Platte besteht vorteilhaft ebenfalls aus einem gut wärmeleitfähigen Material wie extrudiertes Aluminium. Diese Platte steht in Kontakt mit einer Wärmabfuhreinrichtung, welche die erzeugte Verlustwärme des Energiespeichers an die Umgebung abführt. In der Ausführung als Kanal bildet die wärmeabgebende Platte des Kühlelementes vorteilhaft die Oberseite eines Luftkanals, durch den die Verlustwärme durch die oben bereits erwähnte Ventilationseinrichtung abgeführt werden kann. Zur besseren Wärmeabgabe an die Wärmeabführeinrichtung kann die Wärme abgebende Platte an ihrer Unterseite Kühlrippen aufweisen.
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Vorteilhaft ist das plattenförmige Kühlelement im Bodenbereich des Energiespeichers vorgesehen, da in diesem Bereich die höchste Verlustwärme entsteht und der Energiespeicher bzw. der Akkupack im Trog oder im Schrank im Bodenbereich sehr oft mit der Halterung verbunden ist. Am Boden des Akkupackes oder der einzelnen Energiespeicherelemente ist die Lagerplatte vorgesehen, welche somit im direkten Kontakt mit dem Kühlelement steht. Bei der Ausführung als plattenförmiges Element ist dies die Kälte abgebende Platte. Der Energiespeicher drückt somit direkt auf diese Platte und ermöglicht einen direkten Wärmeübergang auf die Wärme abgebende Platte.
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Ergänzend sei noch darauf hingewiesen, dass sowohl die Kälte abführende Platte als auch die Wärme abführende Platte des Kühlelementes in mehrere Segmente unterteilt werden können, um den thermischen Kontakt zu verbessern. Die Platte kann somit mit der oben erwähnten Ausführung als Abstandshalter oder in Kombination mit der ebenfalls oben erwähnten Ausführung mit dem Zwischenelement realisiert werden.
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Es wird empfohlen, mehrere spezielle thermoelektrische Wandlerelemente (z. B. Peltierelemente) für einen Energiespeicher zu verwenden, der in dem plattenförmigen Kühlelement angeordnet ist. Darüber hinaus sollte auch jedes Energiespeicherelement unabhängig von einander isoliert sein, damit die gekühlte Luftströmung sich nicht mit anderen Energiespeicherelementen austauschen kann, um so das Entstehen von Wasserdampf zu verhindern, der ggf. kondensieren kann und zum Ausfall oder Schädigung des einzelnen Energiespeichers oder des gesamten Pitchantriebes führen kann.
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Die Erfindung betrifft auch eine Kühleinrichtung für einen an einer Halterung befestigten elektrochemischen oder elektrostatischen Energiespeicher zur vorübergehenden Versorgung des Pitchantriebes, in allen Ausführungen, wie oben schon beschrieben.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Windkraftanlage umfassend einen Rotor mit abragenden und um eine Blattachse verstellbaren Rotorblättern, wobei die Verstellung der Rotorblätter über einen Pitchantrieb erfolgt in allen oben beschriebenen Ausführungen.
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Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen.
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1 zeigt in schematischer Ausführung eine Windkraftanlage.
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2 zeigt schematisch die Funktionsweise eines Pitchantriebes.
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3 zeigt in offener perspektivischer Darstellung einen Energiespeicher für den Pitchantrieb nach 2 mit mehreren Energiespeicherelementen und einer integrierten Kühleinrichtung.
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4 zeigt den Energiespeicher nach 3, angeordnet innerhalb eines mit einem Deckel verschlossenen Schrank.
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5 zeigt in einem Längsschnitt eine erste Ausführung der Kühleinrichtung des Energiespeichers nach 3.
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6 zeigt eine Variante der Kühleinrichtung nach 5.
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7 zeigt eine weitere Ausführung des Energiespeichers nach 3.
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Aus 1 ist eine Windkraftanlage 1 ersichtlich, wobei ein auf einem Fundament 2 aufstehender Turm 3 an seinem dem Fundament 2 abgewandten Ende mit einem Maschinenhaus verbunden ist, das allgemein auch als Gondel 4 bezeichnet wird. In der Gondel 4 ist ein Maschinenträger 5 angeordnet, an dem ein Rotor 6 um eine Rotorachse 7 drehbar gelagert ist, der eine Rotornabe 8 und damit verbundene zwei sichtbare Rotorblätter 9 und 10 aufweist, die über jeweils ein Blattlager mit der Nabe 8 verbunden sind und jeweils um ihre Blattachsen 11, 12 relativ zur Rotornabe 8 drehbar sind. Jedes Rotorblatt 9, 10 ist mit einem Verstellantrieb (Pitchantrieb) 13, 14 mechanisch gekoppelt, mittels welchem das jeweilige Rotorblatt 9, 10 um die zugehörige Blattachse 11, 12 gedreht (im folgenden Pitchen genannt) und mechanisch mit einem elektrischen Generator 16 gekoppelt ist, der in der Gondel 4 angeordnet und an dem Maschinenträger 5 befestigt ist und die auf die einzelnen Rotorblätter wirkende Windkraft 15 zum größten Teil in elektrische Energie umwandelt. Für den kontrollierten Betrieb der Windkraftanlage 1 ist eine übergeordnete Windkraftanlagensteuerung 17 vorgesehen, mittels welcher unter anderem auch die Pitchantriebe 13, und 14 gesteuert werden.
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Üblicherweise weist die Windkraftanlage 1 noch ein drittes, nicht sichtbares, Rotorblatt auf, welches ebenfalls über einen Pitchantrieb zur Verstellung dieses Rotorblattes verfügt, entsprechend den anderen Antrieben. Alternativ und ebenfalls nicht dargestellt, kann die Windkraftanlage 1 auch einen in der Nabe 8 angeordneten zentralen Pitchantrieb anstelle der drei Einzelantriebe aufweisen.
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2 zeigt in schematischer Darstellung die Funktionswese des Pitchantriebes 13 für das Rotorblatt 9. Der Antrieb umfasst im wesentlichen einen Energiespeicher 18, der über einen Schalter 19 und parallel dazu über eine Gleichrichterdiode 20 mit einer Umrichtereinheit 21 verbunden ist, die einen elektrischer Stellmotor 22 steuert, der bei geöffnetem Schalter 19 von einem externen elektrischen Wechselstromnetz 23 gespeist wird, wobei in der Darstellung von 2 der Wechselrichter einen Gleichtrichterrichter 24 und einen Wechselrichter 25 umfasst. Bei dem Stellmotor 22 handelt es sich dem entsprechend um einen Wechselstrommotor, mittels dessen das Rotorblatt 9 um seine Blattachse 11 verstellt werden kann. Bei Verwendung eines Gleichstrommotors ist eine entsprechend modifizierte Umrichtertechnik 21 erforderlich.
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Die Funktionsweise des Antriebs 13 ist wie folgt: Bei Ausfall oder Störung des elektrischen Netzes 23 oder einer anderen externen Energiequelle wird der Schalter 19 geschlossen und die Energieversorgung erfolgt vorübergehend durch den Energiespeicher 18, so dass sichergestellt ist, dass das Rotorblatt im Störfall nicht ungesteuert ist. In Verbindung mit der Windkraftanlagensteuerung 14 (siehe 1) erfolgt dann die Verstellung des Rotorblattes in eine gesicherte Position (z. B. in die sogenannte Fahnenstellung).
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Beim Laden und Entladen sowie beim Betrieb des Energiespeichers 18 entsteht Verlustwärme, die insbesondere in Verbindung mit Kondenswasser zu Störungen oder verminderter Leistung des Energiespeichers 18 führen kann. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, die Umgebung des Energiespeichers 18 zu kühlen. Dies wird durch ein dem Energiespeicher 18 zugeordnete Kühleinrichtung 26 realisiert, auf deren Aufbau noch im weiteren Verlauf der Figurenbeschreibung näher eingegangen wird.
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Bei dem Energiespeicher 18 handelt es sich z. B. um einen wiederaufladbaren Akkumulator oder einer Batterie, wobei das zugehörige Ladegerät für den Akku nicht dargestellt ist.
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Der Energiespeicher 18 umfasst mehrere nebeneinander angeordnete Energiespeicherelemente 30, wie dies schematisch in 3 dargestellt ist. Jedes dieser Elemente 30 weist einen direkten wärmeleitfähigen Kontakt mit der Kühleinrichtung 26 auf, wie dies noch in der weiteren Figurenbeschreibung näher erläutert wird.
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In der 3 sind vier Elemente 30 dargestellt. Die Elemente 30 sind wiederum zusammen mit der als Platte ausgeführten Kühleinrichtung 26 von einem Gehäuse 27 umgeben, das wiederum zu einen kastenförmigen Schrank 28 ausgebildet sein kann, wie dies insbesondere aus 4 ersichtlich ist. Die plattenförmige Kühleinrichtung 26 steht im direkten wärmeleitfähigen Kontakt mit dem Energiespeicher 18 bzw. den einzelnen Energiespeicherelementen 30. Der Energiespeicher 18 ist jedoch unabhängig von seiner Befestigung an einem in der Darstellung der 3 nicht dargestellten Befestigungsort 48 im Rotor 6 der Windkraftanlage 1 (siehe 1).
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Die abgekühlte Verlustwärme des Schrankes 28 wird über eine Ventilationseinrichtung 31 mittels einer kanalförmigen Wärmeabführeinrichtung 32 an die Umgebung abgeführt, wie dies in 3 durch Pfeile dargestellt ist, so dass die Atmosphäre innerhalb des Gehäuses 27 zwangsweise umgewälzt wird. Die Wärmeabführeinrichtung 32 ist in dem Kühlelement 26 integriert, wie ebenfalls noch weiter unten näher erläutert wird.
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Der Schrank 28 in 4, der auch als Akkuschrank bezeichnet wird, weist an seiner Oberseite einen verschließbaren Deckel 29 auf. Auf seinem sichtbaren Seitenteil sind elektrischen Anschlüsse 33 für die Umrichtereinheit 21 ersichtlich. Der gesamte Schrank 30 ist auf zwei in Längsrichtung des Schrankes angeordneten Schienen 34 am Befestigungsort 26 gelagert und auf diese Art in dieser Ausführung in der Rotornabe 8, zusammen und in der Nähe der Umrichtereinheit 21 befestigt, die ebenfalls als Schrank aufgeführt ist und deshalb als Umrichterbox bezeichnet wird.
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Aus 5 ist in einem Längsschnitt eine erste Ausführung der plattenförmigen Kühleinrichtung 26 entsprechend 3 ersichtlich. Dargestellt sind sechs nebeneinander angeordnete Energiespeicherelemente 30. Alle Elemente 30 sind mit ihrer Bodenseite auf einer gemeinsamen Lagerplatte 39 gelagert, die mit dem Kühlelement 26 einen direkten Wärmeübergang bilden. Die Lagerplatte 39 ist Teil des Gehäuses 27, welche den Energiespeicher 18 vollständig umgibt.
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Das plattenförmige Kühlelement 26 umfasst in Richtung des Energiespeichers eine Kälte abgebende Platte 35 und eine in Richtung der Wärmeabführeinrichtung 32 angeordnete Wärme abgebende Platte 36, welche im Folgenden als „kalte” bzw. „warme” Platte bezeichnet werden. Die warme Platte 36 weist an ihrer in Richtung der Wärmeabführeinrichtung 32 zugewandten Seite Kühlrippen 45 auf.
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Zwischen beiden Platten sind elektrothermische Wandlerelemente 37 bzw. Peltierelemente angeordnet, so dass die abgekühlte Verlustwärme über die „warme” Platte 36 in Richtung der Wärmeabführeinrichtung 32 geleitet wird, wo sie dann mittels der Ventilationseinrichtung 31 (siehe 3) über Kanäle 38 an die Umgebung abgegeben wird.
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Die plattenförmige Kühleinrichtung 26 ist über Abstandshalter 44 auf dem Befestigungsort 48 gelagert. Mehrere der Abstandshalter 44 sind im seitlichen Abstand zueinander angeordnet und bilden entsprechend der Darstellungen von 3 und 5 die seitliche Begrenzung der Kanäle 38, die Teil der Wärmeabfuhreinrichtung 32 sind. Die gesamte Kühleinrichtung 26 lagert ausschließlich auf diesem thermisch isolierenden Abstandshalter 44. Der Energiespeicher 18 ist mittels der Lagerplatte 39 über jeweils seitlich am Rand angeordnete Halterungen 40 an dem schematisch dargestellten Befestigungsort 48 im Rotor 6 befestigt. Die Befestigung 43 ist unabhängig von der Lagerung 49 der Kühleinrichtung 26 mittels der Abstandshalter 44. Sie ist aus wärmeisolierenden Material, um zu verhindern, dass an den beiden Befestigungsorte ein unerwünschter Wärmeübergang entsteht, der außerhalb der plattenförmigen Kühleinrichtung 26 stattfindet und ggf. Schäden für den Pitchantrieb verursachen könnte. Die beiden Halterungen 40 sind an ihrem dem Energiespeicher 18 abgewandten Ende mit der in 3 dargestellten Schienen 34 am Befestigungsort 48 angebracht.
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Für den Wechsel des Energiespeichers 18 wird die Befestigung 43 gelöst, so dass der gesamte Energiespeicher mit samt seinem Gehäuse 27 oder dem Trog ausgetauscht werden kann. Sobald dann ein ausgewechselter Energiespeicher 18 mit dem Gehäuse 27 an den beiden seitlichen Halterungen 40 befestigt ist, drückt die Anordnung auf die Lagerung 49 der Kühleinrichtung 26 auf den Befestigungsort 48. Durch die dabei entstehende Gegenkraft in Richtung des Energiespeichers 18 erfolgt ein guter wärmeleitfähiger Kontakt zwischen dem Energiespeicher 18 bzw. dessen Lagerplatte 39 und der „kalten” Platte 35 der Kühleinrichtung 26. Als Material für die Abstandshalter 44 ist ein wärmeisolierender und flexibler Kunststoff mit entsprechenden mechanischen Eigenschaften verwendet worden.
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Die wärmeisolierende Befestigung umfasst einen wärmeisolierenden Kunststoff, der oberhalb und unterhalb der Lagerplatte 9 der Energiespeichermodule 30 angeordnet sind und mittels Befestigungsmittel wie eine Schraub- und Mutterverbindung mit der Halterung verbunden sind.
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In der weiteren Figurenbeschreibung sind gleiche Funktionsteile der Anordnung mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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6 zeigt eine Variante der Lagerung 49 der Kühleinrichtung 26, bei der die Abstandshalter 44 ein federndes Element 42 umfassen, so dass die Lagerung 49 druckfedernd und flexibel aufgeführt ist. Die federnde und flexible Ausführung der Abstandshalter 44 führt zu einem verbesserten direkte thermischer Kontakt zwischen der Lagerplatte 39 und der „kalten” Platte 35.
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6 zeigt auch beispielhaft, auf welche Weide der wärmeleitfähige Kontakt zwischen einem Energiespeicherelement 30 und der Kühleinrichtung 26 sichergestellt ist. Der wärmeleitfähige Kontakt umfasst einen Wärmepfad 41 zwischen dem festen thermisch leitfähigen Material der Lagerplatte 39 und der „kalten” Platte 35 der Kühleinrichtung 26, wobei der Wärmepfad 41 eine mechanische Struktur aufweist, die sich unabhängig von der Befestigung des Energiespeichers bewegen kann, und so mechanische Belastungen im Wärmeübergang verhindert, wenn sich der Energiespeicher 18 gegenüber seiner Halterung 40 bewegt.
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7 zeigt eine weitere Ausführung der Erfindung, wobei anstelle der Abstandshalter 44 der vorherigen Ausführungen ein Zwischenelement 46 verwendet ist, welches über Befestigungsteile 47 – hier dargestellt als eine Schraub- Mutterverbindung – auf der einen Seite mit der Lagerplatte 39 oder dem Gehäuse 27 des Energiespeichers 18 und mit seiner anderen Seite mit der Kühleinrichtung 26 – hier mit der „kalten” Platte 35 – verbunden ist. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass nicht der gesamten Energiespeicher 18 mitsamt dem Gehäuse 27 ausgewechselt werden muss. Das Gehäuse 27 verbleibt mit seinen beiden seitlich angeordneten Halterungen 40 am Befestigungsort 48. Durch diese Lagerart ist es jetzt möglich, auch nur einzelne Energiespeicherelemente 30 (in 7 mit dem Bezugszeichen 30' gekennzeichnet) des Energiespeichers 18 ausgewechselt werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Windkraftanlage
- 2
- Fundament
- 3
- Turm
- 4
- Gondel
- 5
- Maschinenträger
- 6
- Rotor
- 7
- Rotorachse
- 8
- Rotornabe
- 9
- Rotorblatt
- 10
- Rotorblatt
- 11
- Blattachse
- 12
- Blattachse
- 13
- Pitchantrieb
- 14
- Pitchantrieb
- 15
- Windkraft
- 16
- Generator
- 17
- Windkraftanlagensteuerung
- 18
- Energiespeicher
- 19
- Schalter
- 20
- Gleichrichterdiode
- 21
- Umrichtereinheit
- 22
- Stellmotor
- 23
- Netz
- 24
- Gleichrichter
- 25
- Wechselrichter
- 26
- Kühleinrichtung
- 27
- Gehäuse
- 28
- Schrank
- 29
- Deckel
- 30, 30'
- Energiespeicherelement
- 31
- Ventilationseinrichtung
- 32
- Wärmeabführeinrichtung
- 33
- Elektrischer Anschluss
- 34
- Schiene
- 35
- Kälte abgebende Platte
- 36
- Wärme abgebende Platte
- 37
- Peltierelement
- 38
- Kanal
- 39
- Lagerplatte
- 40
- Halterung
- 41
- Wärmepfad
- 42
- Federndes Element
- 43
- Befestigung
- 44
- Abstandshalter
- 45
- Kühlrippen
- 46
- Zwischenelement
- 47
- Befestigungsteile
- 48
- Befestigungsort
- 49
- Lagerung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012205255 A [0005]
- DE 102007016023 A [0006]
- EP 1791413 A [0007]
- WO 2011061016 A [0008]
