DE202016000658U1 - Piston accumulator with oval cross-section for integration into a rotor blade - Google Patents
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Abstract
Kolbenspeicher (40, 42) mit einem Rohr (44, 46), dessen Innenraum mit einem beweglichen Kolben (48, 50), der eine Dichtung gegenüber dem Rohr (44, 46) aufweist, in eine Gasseite für ein Gas und in eine Hydraulikflüssigkeitsseite für eine Hydraulikflüssigkeit unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt (24) des Rohrs (26) oval ist.Piston accumulator (40, 42) having a tube (44, 46) whose interior with a movable piston (48, 50) having a seal against the tube (44, 46), in a gas side gas and in a hydraulic fluid side is divided for a hydraulic fluid, characterized in that the cross section (24) of the tube (26) is oval.
Description
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen das Gebiet der Windenergieanlagen (auch Windkraftanlagen genannt). Etwas genauer betrifft die Erfindung einen Rotor für eine Windenergieanlage (WEA), der gleichzeitig als Schwungradspeicher fungiert, indem das Trägheitsmoment des Rotors im laufenden Betrieb der WEA verändern werden kann.The invention generally relates to the field of wind turbines (also called wind turbines). More specifically, the invention relates to a rotor for a wind turbine (WEA), which also acts as a flywheel storage by the inertia of the rotor can be changed during operation of the WEA.
Im Besonderen betrifft die Erfindung Rotorblätter für einen solchen als Schwungradspeicher fungierenden Rotor, in die hydropneumatische Kolbenspeicher integriert sind, um mittels derer im laufenden Betrieb der WEA das Trägheitsmoment der Rotorblätter und entsprechend des Rotors zu verändern. Die Erfindung betrifft auch einen Kolbenspeicher, der sich besonders für die Integration in ein Rotorblatt eignet.In particular, the invention relates to rotor blades for such functioning as flywheel storage rotor, are integrated in the hydropneumatic piston accumulator to change by means of which during operation of the WEA, the moment of inertia of the rotor blades and corresponding to the rotor. The invention also relates to a piston accumulator, which is particularly suitable for integration into a rotor blade.
Hintergrundbackground
Das System eines hydropneumatischen Schwungradspeichers im Rotor einer WEA ist in verschiedenen Veröffentlichungen des Erfinders der vorliegenden Erfindung hinreichend beschrieben worden.
Ein Rotor einer WEA, dessen Massenträgheitsmoment veränderbar ist, stellt ein integriertes Schwungrad dar, das ohne Drehzahlveränderung Energie aufnehmen oder abgeben kann, d. h. vereint eine Energieerzeugungseinheit und einen Energiespeicher. Die kinetische Energie der WEA kann über eine Änderung des Massenträgheitsmoments des Rotors geregelt werden. Somit muss die WEA nicht in suboptimalen Betriebspunkten betrieben werden, wie es der Fall wäre, wenn die Energiespeicherung oder Energieabgabe mit einer Änderung der Rotordrehzahl erreicht würde. Auch ist keine Erholungszeit („Recovery Period”) notwendig. Auch sind bei einem als Schwungradspeicher fungierenden Rotor einer WEA keine zusätzlichen Frequenzumrichter notwendig, wie es bei Akkumulatoren oder externen Schwungrädern als Energiespeicher der Fall wäre. Außerdem ist im Vergleich zu Akkumulatoren und externen Schwungrädern die Selbstentladung des Speichersystems gleich null. Schließlich kann neben dem signifikanten Nutzen für das Stromnetz dieses System zu einer Reduzierung mechanischer Lasten der WEA beitragen.A rotor of a WEA, whose moment of inertia is variable, represents an integrated flywheel, which can absorb or release energy without speed change, d. H. combines a power generation unit and an energy storage. The kinetic energy of the wind turbine can be controlled by changing the mass moment of inertia of the rotor. Thus, the wind turbine does not have to operate at suboptimal operating points, as would be the case if energy storage or energy output were achieved with a change in rotor speed. Also, no recovery period is necessary. Also, in an acting as flywheel storage rotor of a WEA no additional frequency inverters are necessary, as would be the case with accumulators or external flywheels as energy storage. In addition, the self-discharge of the storage system is zero compared to accumulators and external flywheels. Finally, in addition to the significant utility of the grid, this system can help reduce mechanical loads on the WTG.
Im aus den vorstehend genannten Veröffentlichungen bekannten Schwungradspeichersystem kommen hydropneumatische Kolbenspeicher zum Einsatz, die in die Rotorblätter des Rotors der WEA eingebaut (integriert) sind. Da das aerodynamisch wirksame Profil des Rotorblattes nicht beeinträchtigt werden darf, ist der Bauraum für die Kolbenspeicher, die idealerweise u. a. möglichst nahe an der Blattspitze angebracht sein sollten, im Rotorblatt beschränkt.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Es ist daher eine mögliche Aufgabe der Erfindung, mögliche Verbesserungen für den oben beschriebenen Rotor mit veränderlichem Massenträgheitsmoment einer WEA vorzuschlagen.It is therefore a possible object of the invention to propose possible improvements for the variable moment of inertia rotor of a WEA described above.
Die Aufgabe wird jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Rotorblatt beschrieben sind, gelten selbstverständlich auch im Zusammenhang mit einem mehrere solche Rotorblätter aufweisenden Rotor für eine WEA (sowie eine WEA mit einem solchen Rotor) und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung der einzelnen Aspekte stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.The object is achieved in each case with the features of the independent claims. Further features and details of the invention will become apparent from the respective dependent claims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the rotor blade according to the invention, of course, also apply in connection with a plurality of such rotor blades having rotor for a WEA (and a WEA with such a rotor) and in each case vice versa, so always with respect to the disclosure of the individual aspects mutual reference is or can be made.
Ein Rotor mit den erfindungsgemäßen Rotorblttern besitzt ein im laufenden Betrieb veränderbares Massenträgheitsmoment und kann damit als Schwungradspeicher verwendet werden. Das Rotor-Schwungrad kann zu unkritischen Zeiten geladen werden, d. h. Energie speichern und bei Bedarf unmittelbar zusätzliche Energie bereitstellen. Beispielsweise kann bei einem Frequenzeinbruch im Versorgungsnetzt, an das die WEA angeschlossen ist, die benötigte Leistungserhöhung aus der im Rotor der WEA gespeicherten Energie bereitstellen, ohne dass die Drehzahl des Rotors der WEA abgesenkt werden muss.A rotor with the rotor blades according to the invention has a mass moment of inertia which can be varied during operation and can thus be used as flywheel storage. The rotor flywheel can be charged at uncritical times, ie store energy and provide additional energy immediately when needed. For example, in the event of a frequency drop in the supply network to which the wind turbine is connected, the provide required power increase from the energy stored in the rotor of the WEA, without the speed of the rotor of the WEA must be lowered.
Zunächst wurde angedacht, ähnlich wie in der
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht nun in der Erkenntnis, den in das Rotorblatt zu integrierenden hydropneumatischen Kolbenspeicher nicht wie bisher mit einem runden Querschnitt, sondern mit einem ovalen Querschnitt auszuführen. Damit wird eine Verbesserung des bekannten Kolbenspeichers erreicht, indem dieser den im Rotorblatt zur Verfügung stehenden Bauraum besser nutzen kann und im Ergebnis eine Veränderung des Massenträgheitsmoments des Rotors über einen Größeren Bereich möglich wird.A core idea of the present invention now consists in recognizing that the hydropneumatic piston accumulator to be integrated into the rotor blade does not have to be designed with a round cross section as before, but with an oval cross section. Thus, an improvement of the known piston accumulator is achieved by this can make better use of the space available in the rotor blade space and as a result a change in the moment of inertia of the rotor over a larger range is possible.
Entsprechend betrifft ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung zunächst einen Kolbenspeicher, der einen ovalen Querschnitt aufweist, z. B. dessen Querschnitt die Form einer Ellipse, vorzugsweise einer Superellipse besitzt.Accordingly, a first aspect of the present invention initially relates to a piston accumulator having an oval cross section, e.g. B. whose cross section has the shape of an ellipse, preferably a superellipse.
Ein Kolbenspeicher ist zunächst ein aus der Hydraulik bekanntes Druckgerät, das im Wesentlichen aus einem zylindrischen Rohr besteht, wobei eine erste Seite (Gasseite) des Rohrs mit einem Gas, z. B. Stickstoff, und eine zweite Seite (Hydraulikflüssigkeitsseite) mit einer Hydraulikflüssigkeit, z. B. Hydrauliköl, gefüllt ist und ein beweglicher Kolben mit Dichtung gegenüber der Innenwand des Rohrs zur Trennung der Hydraulikflüssigkeit und des Gases vorgesehen ist. Die Hydraulikflüssigkeit kann als Druckmittel gegen das Gas im Speicher gepresst werden.A piston accumulator is first known from the hydraulic pressure device, which consists essentially of a cylindrical tube, wherein a first side (gas side) of the tube with a gas, for. As nitrogen, and a second side (hydraulic fluid side) with a hydraulic fluid, eg. As hydraulic oil is filled and a movable piston is provided with a seal against the inner wall of the pipe for separating the hydraulic fluid and the gas. The hydraulic fluid can be pressed as pressure medium against the gas in the memory.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Rotorblatt für den Rotor einer WEA. Das Rotorblatt weist in üblicher Weise eine Rotorblattwurzel und eine Rotorblattspitze auf. Erfindungsgemäß sind in das Rotorblatt zwei Kolbenspeicher des ersten Aspekts der Erfindung derart integriert, dass im Vergleich zu einander ein innerer Kolbenspeicher näher an der Rotorblattwurzel und ein äußerer Kolbenspeicher näher an der Rotorblattspitze angeordnet ist und bedarfsgerecht Hydraulikflüssigkeit aus dem einen Kolbenspeicher in den anderen Kolbenspeichern verlagert werden kann und umgekehrt.A second aspect of the invention relates to a rotor blade for the rotor of a WEA. The rotor blade has in the usual way a rotor blade root and a rotor blade tip. According to the invention, two piston accumulators of the first aspect of the invention are integrated into the rotor blade such that an inner piston accumulator is arranged closer to the rotor blade root and an outer accumulator accumulator is closer to the rotor blade tip and if required hydraulic fluid is displaced from one piston accumulator into the other piston accumulators can and vice versa.
Die Gasseite des inneren Kolbenspeichers ist vorzugsweise zur Rotorblattwurzel und die Gasseite des äußeren Kolbenspeichers zur Rotorblattspitze gerichtet ist. Damit sind die Hydraulikflüssigkeitsseiten des inneren und des äußeren Kolbenspeichers aufeinander ausgerichtet über eine Hydraulikleitung miteinander kommunikativ verbunden.The gas side of the inner piston accumulator is preferably directed to the rotor blade root and the gas side of the outer piston accumulator is directed to the rotor blade tip. Thus, the hydraulic fluid sides of the inner and outer piston accumulator are mutually aligned via a hydraulic line communicatively connected.
Da das Profil eines Rotorblattes (Rotorblattprofil) üblicherweise mehr lang als breit ist, kann mittels des hier vorgeschlagenen ovalen Querschnitts beim Kolbenspeicher das Innere des Rotorblatts deutlich besser ausgefüllt werden als mit herkömmlichen Kolbenspeichern, die einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Da die Drücke, die in den hydropneumatischen Kolbenspeichern des Rotor-Schwungrads einer WEA gehalten werden müssten, mit ca. 20 bar vergleichsweise gering sind, stellt die Abdichtung des ovalen Kolbens kein Problem dar.Since the profile of a rotor blade (rotor blade profile) is usually more long than wide, by means of the oval cross-section proposed here in the piston accumulator, the interior of the rotor blade can be filled much better than with conventional piston accumulators, which have a circular cross-section. Since the pressures which would have to be maintained in the hydropneumatic piston accumulators of the rotor flywheel of a WEA are comparatively low at approximately 20 bar, the sealing of the oval piston poses no problem.
Aufgrund der Leichtbauweise von Rotorblättern sind diese im Betrieb starken Verbiegungen ausgesetzt. Wenn nun in den Rotorblättern Kolbenspeicher eingebaut werden, dann sollten diese nicht verbogen werden, da dadurch möglicherweise die Dichtigkeit nicht gewährleistet ist. Solcher Durchbiegungen können vermieden werden, indem die Rotorblätter an den Stellen an denen die Kolbenspeicher angeordnet sind, zusätzlich z. B. mit Kohlefasern versteift werden.Due to the lightweight design of rotor blades these are exposed in operation strong bends. If now built into the rotor blades piston accumulator, then these should not be bent, as this may not ensure the tightness. Such deflections can be avoided by the rotor blades at the points where the piston accumulators are arranged, in addition z. B. stiffened with carbon fibers.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen ovalen Kolbenspeichers in diesem Zusammenhang ist, dass für ein gegebenes Fluidvolumen der Kolbenspeicher mit ovalem Querschnitt deutlich kürzer ausfällt als ein Kolbenspeicher mit kreisrundem Querschnitt. Dementsprechend muss das Rotorblatt auf einer kürzeren Länge versteift werden, was sich vorteilhaft sowohl auf die Massen als auch die Kosten des Rotorblatts auswirkt. Insgesamt muss das Rotorblatt nur an maximal zwei Stellen signifikant versteift werden, da die gesamte verschiebbare Masse sich nur im inneren oder im äußeren Kolbenspeicher vereint. Rotorblätter von WEA sind an der Stelle, an der der innere Kolbenspeicher angeordnet wird, bereits meist ausreichend steif. Zwischen dem inneren und dem äußern Kolbenspeichern liegt nur eine Hydraulikleitung als hydraulische Verbindung (Verschlauchung), deren Beitrag zum Gesamtgewicht des Systems gering ist. Somit sind über einen Großteil der Länge des Rotorblattes keine konstruktiven Änderungen notwendig.Another advantage of the oval piston accumulator according to the invention in this context is that for a given fluid volume of the piston accumulator with oval cross section significantly shorter than a piston accumulator with a circular cross section. Accordingly, the rotor blade must be stiffened to a shorter length, which has an advantageous effect on both the masses and the cost of the rotor blade. Overall, the rotor blade must be significantly stiffened only at a maximum of two points, since the entire displaceable mass combines only in the inner or in the outer piston accumulator. Rotor blades of wind turbines are already usually sufficiently rigid at the location where the inner piston accumulator is arranged. Between the inner and the outer piston storage is only a hydraulic line as a hydraulic connection (tubing), whose contribution to the total weight of System is low. Thus, over a majority of the length of the rotor blade no structural changes are necessary.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft einen Rotor für eine WEA mit einer Rotornabe, an der wenigstens ein Rotorblatt gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung angebracht ist. Mittels der in die Rotorblätter integrierten Kolbenspeicher kann das Massenträgheitsmoment des Rotors durch eine Verschiebung von Massen innerhalb der Rotorblätter des Rotors realisiert werden. Durch eine Veränderung des Abstandes zum Rotationszentrum, d. h. der Rotornabe, können signifikante Mengen an kinetischer Energie gespeichert bzw. freigesetzt werden.A third aspect of the invention relates to a rotor for a wind turbine with a rotor hub to which at least one rotor blade according to the second aspect of the invention is attached. By means of the piston accumulator integrated into the rotor blades, the mass moment of inertia of the rotor can be realized by a displacement of masses within the rotor blades of the rotor. By changing the distance to the center of rotation, d. H. the rotor hub, significant amounts of kinetic energy can be stored or released.
Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft eine WEA mit einem Rotor gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung.A fourth aspect of the invention relates to a wind turbine with a rotor according to the third aspect of the invention.
Die WEA kann eine Steuereinrichtung aufweisen, die zur Steuerung des Trägheitsmoments des Rotors eingerichtet ist. Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise eingerichtet, die Kolbenspeicher in den Rotorblättern so zu steuern, dass in allen Rotorblättern der Volumenstrom der Hydraulikflüssigkeit durch die Hydraulikleitung einheitlich ist.The WEA may include a controller configured to control the moment of inertia of the rotor. The control device is preferably set up to control the piston accumulators in the rotor blades in such a way that the volume flow of the hydraulic fluid through the hydraulic line is uniform in all rotor blades.
Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich, oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Ebenso können die vorstehend genannten und die hier weiter aufgeführten Merkmale je für sich, oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Funktionsähnliche oder identische Bauteile oder Komponenten sind teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die in der Beschreibung der Ausführungsbeispiele verwendeten Begriffe „links”, „rechts”, „oben”, „unten” beziehen sich auf die Figuren in einer Ausrichtung mit normal lesbarer Figurenbezeichnung, bzw. normal lesbaren Bezugszeichen. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description in which embodiments of the invention are described in detail with reference to the figures. The features mentioned in the claims and in the description may each be essential to the invention individually or in any combination. Likewise, the features mentioned above and the features listed further here can be used individually or in any combination. Functionally similar or identical components or components are partially provided with the same reference numerals. The terms "left", "right", "top", "bottom" used in the description of the embodiments refer to the figures in an orientation with normally legible figure designation, or normal readable reference numerals. The embodiments shown and described are not to be understood as exhaustive enumeration, but rather have exemplary character for the description of the invention.
Bevorzugte AusführungsbeispielePreferred embodiments
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren detailliert beschrieben. Die detaillierte Beschreibung dient der Information des Fachmanns und ist nicht beschränkend aufzufassen. In der nachfolgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Einzelheiten dargelegt. Selbstverständlich können Ausführungsformen der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen definiert sind, auch ohne diese spezifischen Einzelheiten zur Anwendung kommen. Bekannte Strukturen und Verfahren werden hier nicht unnötig im Detail gezeigt oder erläutert, um die vorliegende Beschreibung nicht zu überfrachten und das Verständnis nicht zu erschweren.The invention will be described in detail below with reference to the figures. The detailed description is for the convenience of those skilled in the art and is not intended to be limiting. In the following description, numerous specific details are set forth. Of course, embodiments of the invention as defined in the claims may also be used without these specific details. Known structures and methods are not unnecessarily shown or explained in detail here in order not to overburden the present description and to make it difficult to understand.
Jeder Kolbenspeicher
Die Gasseite des inneren Kolbenspeichers
Mit Hilfe des Gases in den Gasseiten der beiden Kolbenspeicher
In der
Im Betrieb einer WEA, die mit einem in den
Zur Veranschaulichung der Funktionsweise des Rotors mit veränderlichem Massenträgheitsmoment sei ein Zahlenbeispiel angegeben. Wenn je Rotorblatt
Eine WEA (nicht gezeigt) kann mit einem erfindungsgemäßen Rotor
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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- 2016-02-02 DE DE202016000658.5U patent/DE202016000658U1/en not_active Expired - Lifetime
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Title |
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