NL1009543C2

NL1009543C2 - Inrichting voor het omzetten van windenergie in elektrische energie.

Info

Publication number: NL1009543C2
Application number: NL1009543A
Authority: NL
Inventors: Hendrik Lambertus Lagerwey
Original assignee: Lagerwey Windturbine B V
Priority date: 1998-07-02
Filing date: 1998-07-02
Publication date: 2000-01-07
Also published as: WO2000001946A1; ATE222640T1; EP1092090A1; DE69902592D1; EP1092090B1; US6420796B1; JP2002519588A

Description

Inrichting voor het omzetten van windenergie in elektrische energie.

De uitvinding betreft een inrichting overeenkomstig de aanhef van conclusie 1. Dergelijke inrichtingen zijn 5 bekend en worden in toenemende mate toegepast voor het opwekken van elektrische energie. Het nadeel van de bekende inrichting is dat de generatoren door middel van een wisselspanningsnet met elkaar verbonden zijn. De opgewekte wisselspanning kan daarbij niet over grote af-10 standen getransporteerd worden met behulp van een kabel omdat de kabel een te grote impedantie heeft en daardoor niet geschikt voor het transporteren van grote vermogens. Het aanleggen van een bovengrondse hoogspanningsleiding die daarvoor wel geschikt is stuit echter ook weer op be-15 zwaar omdat dit kostbaar is, milieutechnisch vaak niet verantwoord is en boven water buitengewoon moeilijk te realiseren is.

Teneinde bovengenoemde bezwaren te vermijden is de inrichting overeenkomstig de uitvinding uitgevoerd vol-20 gens het kenmerk van conclusie 1. Door het gebruik van een gemeenschappelijke omvormer voor alle windmolens die met behulp van een gelijkstroom-koppelnet aan elkaar verbonden zijn wordt het bezwaar van het over grote afstand transporteren van grote vermogens via een kabel met wis-25 selspanning vermeden.

Overeenkomstig een verdere verbetering is de inrichting uitgevoerd overeenkomstig het kenmerk van conclusie 2. Door gebruik te maken van een wisselstroomgenerator die in de windmolen met een gelijkrichter gekoppeld is 30 wordt de energie op efficiënte wijze opgewekt en omgezet.

Overeenkomstig een verdere verbetering is de omvormer voorzien van een besturing voor het regelen van de spanning in het gelijkstroom-koppelnet. Door het span- 1009543 2 ningsniveau in het gelijkstroom-koppelnet te variëren en eventueel aan te passen aan bijvoorbeeld de windsnelheid wordt de besturing van de windmolens sterk vereenvoudigd, omdat door het verlagen van de gelijkstroom spanning ook 5 de generator een lagere spanning kan leveren en daardoor bij een lager toerental met een hoger rendement zijn vermogen kan leveren.

Overeenkomstig een verdere verbetering is de besturing verbonden met één of meer windsnelheidsmeters en de 10 windmolens. Door het spanningsniveau van het gelijk- stroom-koppelnet ondermeer aan de hand van de windsnelheid en het aantal ingeschakelde windmolens in te stellen kan het hoogste rendement van de generatoren bereikt worden, doordat de te leveren spanning door elke generator 15 is aangepast aan de windsnelheid en het geleverde vermogen van de windmolens.

Tevens betreft de uitvinding windmolens met een krui-aandrijving. Overeenkomstig een verbetering is de inrichting uitgevoerd overeenkomstig het kenmerk van con-20 clusie 5. Hierdoor kan de windmolen bijvoorbeeld na een periode van windstilte gestart worden door de horizontale as van de wieken met behulp van de krui-aandrijving te richten naar de windrichting.

Overeenkomstig een uitvoeringsvorm is de inrichting 25 uitgevoerd overeenkomstig het kenmerk van conclusie 6. Hierdoor is elke molen steeds op eenvoudige wijze voorzien van energie.

Overeenkomstig een verbetering van de uitvinding is de inrichting uitgevoerd overeenkomstig het kenmerk van 30 conclusie 9. Hierdoor wordt bereikt dat in de betreffende windmolens steeds voedingsspanning aanwezig is die onafhankelijk is van in die windmolen opgewekt vermogen.

1009543 3

Hierdoor kan de molen op eenvoudige wij ze onderhouden, opgestart en bediend worden.

Overeenkomstig een uitvoeringsvorm kan het locale wisselspanningsnet via een omvormer gevoed worden uit het 5 gelijkstroom-koppelnet met behulp van een nabij of in een van de windmolens geplaatst aggregaat. Hierdoor wordt zonder gebruik te maken van lange wisselstroomkabels bereikt dat nabij elkaar geplaatste windmolens op efficiënte wijze voorzien worden van een wisselspanningsvoeding 10 voor het aandrijven van hulpsystemen.

De uitvinding wordt hierna toegelicht aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld met behulp van enkele figuren waarin in figuur 1 een bovenaanzicht getoond is van een windmolenpark, en in figuur 2 een schematische aan-15 duiding van de verschillende onderdelen is weergegeven.

Overeenkomstige onderdelen hebben zoveel mogelijk hetzelfde verwijzingsnummer gekregen.

In figuur 1 is het bovenaanzicht van een windmolenpark getoond bestaande uit acht windmolens 1, elk voor-20 zien van wieken 2, waarvan de rotatie-as gericht is naar de heersende windrichting W. De windmolens zijn geplaatst in water S, en via een gelijkstroom-koppelnet 3 met elkaar en met een bedieningsgebouw 4 verbonden. Het bedie-ningsgebouw 4 staat op het vaste land L. Vanuit het be-25 dieningsgebouw 4 loopt een kabel naar een koppelpunt 5 en van daar naar een verder niet aangegeven openbaar wissel-stroomnet. Op het bedieningsgebouw 4 staat een windrich-tings- en windsnelheidsmeter 6.

In figuur 2 zijn de verschillende componenten sche-30 matisch weergegeven. In de schematisch weergegeven windmolen 1 zijn een generator 8 opgenomen, eventueel voorzien van een step-up transformator 8a, en een gelijkrich-ter 9. De generator 8 wordt aangedreven met een rotatie- 1009543 4 as 7, waaraan de wieken 2 bevestigd zijn en die hier verder niet getoond zijn. Naast de hier weergegeven componenten zijn in de windmolen 1 ondermeer ook nog een krui-aandrijving van de wieken 2 opgenomen, alsmede een bestu-5 ring voor de generator 8, als dit voor het betreffende type generator noodzakelijk is. Daarnaast zijn er voorzieningen om de spoedhoek van de wieken 2 te verstellen teneinde bij hoge windsnelheden eventueel een lager rendement van de wieken 2 te krijgen waardoor een te hoog 10 toerental van de windmolen 1 vermeden wordt.

De generator 8 kan een veldgestuurde wisselstroom generator zijn of een wisselstroom generator met permanente magneten. Wordt veldsturing toegepast dan is daarvoor in de windmolen 1 een aparte besturing aanwezig.

15 Voorts zijn in de windmolen 1 bekende middelen aanwezig om te signaleren dat de betreffende windmolen 1 in gebruik is, welk signaal via een verbinding 11 aan een besturing 10a wordt bekend gemaakt.

In het bedieningsgebouw 4 is een omvormer 10 ge-20 plaatst. De omvormer 10 is verbonden met het gelijk-stroom-koppelnet 3 waaraan de gelijkrichters 9 van de verschillende windmolens 1 gekoppeld zijn. De lengte van de kabels van het koppelnet 3 kan zonder problemen enkele tot tientallen kilometers bedragen zodat de windmolens 1 25 op een zo gunstig mogelijk punt in het water S gesitueerd kunnen worden en het bedieningsgebouw 4 aan land L kan staan. De lengte van de kabels in het gelijkstroom-koppelnet 3 is niet van invloed op de mogelijkheid om energie te transporteren, dit in tegenstelling tot de si-30 tuatie bij een wisselstroom-koppelnet.

De besturing 10a is aangebracht op de omvormer 10 voor het besturen van de omvormer. Met de besturing 10a wordt de omvormer 10a zodanig aangestuurd dat deze hier- 1009543 5 mee het spanningsniveau van de gelijkstroom spanning in het gelijkstroom-koppelnet 3 bepaalt. De besturing 10a is verbonden met de windmolens via de verbinding 11, en met één of meer windrichting- en windsnelheidsmeters 6 die 5 nabij de windmolens 1 geplaatst zijn. De windrichting- en windsnelheidsmeters 6 zijn via een kabel 12 waarlangs de windgegevens getransporteerd worden, verbonden met de besturing 10a. Eventueel zijn deze meters ook op enkele bijvoorbeeld drie windmolens 1 geplaatst.

10 In de besturing 10a wordt vastgesteld wat het niveau van de gelijkstroom in het gelijkstroom-koppelnet 3 moet zijn, afhankelijk van de windsnelheid die gemeten is met de windsnelheidsmeters 6 en de door de windmolens 1 aan het gelijkstroom-koppelnet 3 geleverde en op bekende wij-15 ze vastgestelde hoeveelheid energie. Doordat in het gelij kstroom-koppelnet 3 een bepaalde gelijkstroomspanning heerst moeten de generatoren 8 die via de gelijkrichter 9 eventueel via de step-up transformator 8a verbonden zijn met dat gelijkstroom-koppelnet 3 een wisselspanning leve-20 ren die overeenkomst met het spanningsniveau van de gelijkstroom in het gelijkstroom-koppelnet 3.

In de situaties dat de windsnelheid hoog is zullen de rotatie-assen 7 van de windmolens 1 de maximale rota-tiesnelheid die de wieken 2 kunnen hebben aannemen. Deze 25 snelheid wordt onder meer bepaald door de aërodynamische eisen en grenzen waarvoor de wieken 2 ontworpen zijn. In die situatie zullen de wieken ook het maximum vermogen kunnen leveren en moet ook de generator 8 zijn maximum vermogen kunnen leveren, wat ook het hoogste niveau van 30 de gelijkspanning in het gelijkstroom-koppelnet 3 bepaalt. Indien de wind verder toeneemt zal de rotatiesnel-heid van de wieken 2 niet kunnen toenemen, en zal het geleverde vermogen alleen verhoogd worden door het verhogen van de stroomsterkte. Dit betekent dat de gelijkspanning 1 0 09 5 4 3 6 in het gelijkstroom-koppelnet 3 niet verhoogd kan worden. In die situatie zullen de wieken 2 bij nog verder toenemende wind met een lager rendement moeten gaan werken wat bereikt wordt door de bekende maar niet getoonde wiekver-5 stelling. De generator 8 is zodanig ontworpen dat het rendement ervan bij het maximale vermogen en toerental het hoogste is.

Teneinde te bereiken dat in situaties met minder wind het rendement van de generator 8 toch zo hoog moge-10 lijk is, is het van belang om de spanning waarop de generator 8 moet werken te verlagen, en dit gebeurt door het verlagen van het spanningsniveau van de gelijkstroom-koppelnet 3. Dit gebeurt in de omvormer 10 die daarin gestuurd wordt door de besturing 10a aan de hand van de in-15 formatie van de windsnelheidsmeter 6. Voor een goede sturing van deze spanning is het bovendien noodzakelijk om te weten hoeveel ingeschakelde windmolens 1 er aan het gelijkstroom-koppelnet 3 verbonden zijn, en daartoe is er een verbinding 11 met elke windmolen 1 die aangeeft of de 20 windmolen 1 stroom levert.

De verbinding 11 is in figuur 2 weergegeven als aparte kabel, die gebruikt kan worden voor het zenden van informatie over de werking van de windmolens 1 naar het bedieningsgebouw 4. De verbinding 11 kan ook gebruikt 25 worden voor het zenden van gegevens naar de windmolens 1, zoals bijvoorbeeld windrichtinggegevens die berekend worden aan de hand van de gegevens van de windrichtingmeters 6. Deze informatie wordt gebruikt om de windmolens 1 te richten naar de windrichting W. De kabel voor het zenden 30 van de informatie kan uitgevoerd zijn als optische kabel, waarbij in de winmolens 1 een voorziening is die de windmolen 1 stopt als de verbinding verbroken is.

! 1009543 7

Overeenkomstig een andere uitvoering van de verbinding 11 kan deze uitgevoerd zijn als een op het gelijk-stroom-koppelnet 3 aangebracht signaal, waarbij het gelijkstroom- koppelnet 3 als netwerk fungeert en elke wind-5 molen 1 het voor hem bestemde signaal uit het netwerk haalt. Er kunnen overeenkomstig een uitvoeringsvorm aparte voorzieningen zijn aangebracht ten einde te bereiken dat de windmolens altijd op de juiste manier ten opzichte van de windrichting W staan, dat wil zeggen in operatio-10 nele toestand naar de windrichting W gericht en in uitgeschakelde toestand haaks op de windrichting W, zodat de wieken 2 zo min mogelijk wind vangen. Hiertoe is in elke molen de niet getekende krui-aandrijving voorzien die bijvoorbeeld gevoed wordt uit het gelijkstroom-koppelnet 15 3 via eventueel een omvormer en die wordt aangestuurd via de verbinding 11.

De hiervoor beschreven uitvoeringsvorm kan gerealiseerd worden met windmolens 1 met elk een maximaal vermogen van bijvoorbeeld 0,5-1,0 Megawatt. Het gelijkstroom-20 koppelnet 3 zal bij dat vermogen een spanning hebben van 25.000 Volt gelijkstroom. In de molen wekt de wissel-stroomgenerator 8 via de step-up transformator 8a dan een wisselstroomspanning van ongeveer 20.000 Volt drie fasen op, waarbij de rotatie-as 7 van de generator 18-30 omwen-25 telingen per minuut maakt.

Naast het hiervoor beschreven uitvoeringsvoorbeeld kunnen de verschillende componenten op bekende wijze anders uitgevoerd worden. Bijvoorbeeld naast de eerder beschreven wisselstroom generator 8 is het ook mogelijk in 30 plaats hiervan een gelijkstroom generator te gebruiken, die eveneens voorzien is van een regeling waarmee het gedrag van de generator wordt aangepast aan het spanningsniveau in het gelijkstroom-koppelnet 3.

1009543 8

In het hiervoor beschreven uitvoeringsvoorbeeld is beschreven hoe de door de generator 8 opgewekte energie, die bijvoorbeeld vele honderden Kilowatts kan bedragen, wordt getransporteerd naar het koppelpunt 5. In de wind-5 molen 1 is naast energie opwekkende apparatuur zoals de generator 8 ook nog energie gebruikende apparatuur aanwezig, zoals een aandrijving voor het verstellen van de wieken 2 en een krui-aandrijving voor het op de windrichting W draaien van de rotatie-as 7 van de wieken 2, die 10 gezamenlijk niet meer dan bijvoorbeeld enkele tot een tiental kilowatts gebruiken. Ook de besturing van de windmolen 1 en de daarin aanwezige apparatuur heeft energie nodig. Ten einde deze energie te verzorgen is in de windmolen 1 een wisselspanningsnet aanwezig waaraan de 15 verschillende aandrijvingen en apparatuur gekoppeld kunnen worden.

Dit wisselspanningsnet kan op verschillende manieren gevoed worden. Tijdens normaal bedrijf van de windmolen 1 kan het wisselspanningsnet gevoed worden uit een of meer-20 dere wikkelingen in de generator 8 en tegelijkertijd wordt er dan energie in een of meer accu's geladen voor de situatie dat de generator 8 stil staat. De accu's zijn daarbij zo groot uitgevoerd dat daarmee na stilstand van de generator 8 de rotatie-as 7 van de wieken 2 met de 25 krui-aandrijving in de richting van de wind gedraaid kan worden zodat de molen weer gaat draaien. Eventueel is er ook voldoende energie om de wieken 2 in de juiste spoed-hoek te zetten alsmede voor noodverlichting tijdens het uitvoeren van werkzaamheden aan de windmolen 1. In plaats 30 van elektrische accu's kunnen ook hydraulische accu's gebruikt worden in combinatie met een hydraulische aandrijving.

Een tweede manier om het wisselspanningsnet in de windmolen 1 te voeden is door het plaatsen van een omvor- 1009543 9 mer tussen het gelijkstroom-koppelnet 3 en het wisselspanningsnet, waarmee de gelijkspanning wordt omgezet in wisselspanning. Deze omvormer moet daarbij geschikt zijn om gelijkspanning van vele duizenden Volts om te zetten 5 in wisselspanning van bijvoorbeeld 380 Volt bij een vermogen van ongeveer tien Kilowatt. Op deze wijze is in de windmolen 1 steeds wisselspanning aanwezig zolang er spanning is in het gelijkstroom-koppelnet 3.

Een derde manier om het wisselspanningsnet in de 10 windmolen 1 te voeden is om een aggregaat te gebruiken dat ingeschakeld wordt als daar behoefte aan is.

Een vierde manier is om het wisselspanningsnet via kabels en eventueel transformatoren met het koppelpunt 5 te verbinden.

15 Hiervoor is beschreven hoe elke windmolen 1 een af zonderlijk wisselspanningsnet heeft. Het is echter ook mogelijk het wisselspanningsnet van twee of meer windmolens 1 met elkaar te verbinden tot een locaal wisselspanningsnet, dat eventueel op eerder beschreven wijze ver-20 bonden kan zijn met het koppelpunt 5. Dit locale wisselspanningsnet kan eventueel op alle hiervoor voor het wisselspanningsnet in de windmolen 1 beschreven manieren voorzien worden van energie.

1009543

Claims

1. Inrichting voor het omzetten van windenergie in elektrische energie omvattende twee of meer bijvoorbeeld op enige afstand van elkaar geplaatste windmolens (1) 5 elk omvattende een generator (8) en wieken (2) voor het roterend aandrijven van de generator (8), een omvormer (10) voor het omzetten van gegenereerde gelijkstroom in wisselspanning en een verbinding (5) voor het koppelen van de wisselspanning aan een algemeen 10 wisselspanningsnet met overwegend een standaard spanning met het kenmerk, dat de windmolens (1) met een gelijkstroom-koppelnet (3) aan elkaar en tenminste één omvormer (10) gekoppeld zijn.

2. Inrichting overeenkomstig conclusie 1 met het kenmerk, 15 dat de generator (8) een wisselstroomgenerator is en elke generator (8) in de windmolen gekoppeld is met een gelijkrichter (9) voor het omzetten van de door de generator (8) opgewekte wisselspanning in gelijkspanning.

3. Inrichting overeenkomstig conclusie 1 of 2 met het kenmerk, dat de omvormer (10) voorzien is van een besturing (10a) voor het regelen van de spanning in het gelijkstroom-koppelnet (3).

4. Inrichting overeenkomstig conclusie 1,2 of 3 met het 25 kenmerk, dat de besturing (10a) verbonden is met één of meer windsnelheidsmeters (6) en de windmolens (1).

5. Inrichting overeenkomstig een der voorgaande conclusies met een windmolen (1) waarvan de wieken (2) kunnen roteren om een in hoofdzaak horizontale rotatie-as 30 (7) welke met behulp van een krui-aandrijving om een verticale as geroteerd kan worden met het kenmerk, dat de windmolen (1) voorzien is van een energievoorzie- 1 009 5 4 3 ning voor het bij stilstaande wieken (2) voeden van de krui-aandrijving.

6. Inrichting overeenkomstig conclusie 5 met het kenmerk, dat de energievoorziening een omvormer omvat die ge- 5 koppeld is aan het gelijkstroom-koppelnet (3).

7. Inrichting overeenkomstig conclusie 5 met het kenmerk, dat de energievoorziening een of meer accu' s omvat voor het tijdelijk opslaan van elektrische en/of hydraulische energie.

8. Inrichting overeenkomstig conclusie 7 met het kenmerk, dat de energievoorziening een automatisch startend aggregaat omvat.

9. Inrichting overeenkomstig een der voorgaande conclusies met het kenmerk, dat elke windmolen (1) voorzien 15 is van een wisselspanningsvoeding waarmee in de windmolen (1) aanwezige besturings- en aandrijfsystemen gevoed kunnen worden en waarbij de wisselspanningsvoeding van twee of meer windmolens (1) door middel van een locaal wisselspanningsnet met elkaar verbonden 20 zijn.

10. Inrichting overeenkomstig conclusie 9 met het kenmerk, dat het locale wisselspanningsnet met een omvormer gekoppeld is aan het gelijkstroom-koppelnet (3) .

11. Inrichting overeenkomstig conclusie 9 met het ken- 25 merk dat het locale wisselspanningsnet gekoppeld is aan een aggregaat dat geplaatst is nabij of in een van de windmolens (1). 1009543